环境变化的径流效应研究进展及黄河水源涵养区研究展望

针对变化环境下黄河流域实测径流大幅度锐减,严重影响流域水资源与生态安全的问题,面向黄河生态保护和高质量发展的国家重大战略需求,梳理了变化环境下径流效应研究中亟待解决的关键科学问题与关键技术。以黄河水源涵养区为对象,以环境变化的径流效应和水资源预测为核心,细化了数据集构建、机理解析、模型研发、趋势预估4项具体研究内容与研究方案。预期研究成果将揭示黄河水源涵养区水文-生态过程的互馈耦合机理、创新变化环境下生态水文的模拟和预测技术,科学预测变化环境下流域水安全和生态环境风险趋势,有效支撑流域水资源可持续利用与生态环境保护决策。

基于河网水动力模型的水系连通性对水环境质量的影响分析研究

平原河网地区地势平坦流速较缓,水体抗污染能力弱,改善水系连通性对水环境质量提升至关重要。以水系连通性较差的盛泽镇跃进联圩为研究对象,通过开展引调水试验,构建圩区河网水动力模型,探索圩区水利工作调度运行规则、河网水系连通方法以及相应的水环境变化规律。研究以水龄作为水系连通性的一种时间尺度参量,建立了跃进联圩水动力-水质-水龄的河网水环境模型,模拟了5种引调水方案下,圩内水系连通性及水质改善情况,并构建了压力、状态与响应的引调水连通效果评估体系,实现了对水系连通性变化与水环境改善水平的定量分析。结果表明:从水体交换时长来看,研究区域主要河道水体交换时间在5天以内,水体连通性越好的河道,水龄越短;从水质指标变化来看,调水实验中圩内的水环境氨氮变化最为明显,对引调水响应度高,模拟结果显示水龄与氨氮浓度变化趋势基本一致,水体连通性越好,水龄越短,有利于氨氮的削减;从引调水方案来看,单一调度方式对圩内水系连通性改善能力有限,特别是在河网内水体流动性弱的区域,同时使得圩区内水体流动性差异增大,更容易造成河网内水系连通性以及水质的空间分布差异,形成局部的滞水区或死水区。因此,采用多源引水与多区域排水相配合的调度方式,可以加强水系连通性,改善水环境质量。

淮河流域谷物生产水足迹及用水效率研究

为研究淮河流域水稻、小麦、玉米三大谷类粮食作物生产用水总量和用水效率,保障粮食安全,促进粮食生产可持续发展,本研究以淮河及沂-沭-泗水系的35个地级市为研究对象,基于2000-2019年谷物生产、水资源、气候等数据,采用PenmanMonteith模型、探索性空间数据分析(ESDA)模型、空间杜宾模型,对流域谷物生产水足迹强度进行测度以反映其用水效率,并分析其时空演变特征及影响因素。结果表明,2000-2019年淮河流域谷物生产水足迹逐渐趋于稳定,谷物生产水足迹强度整体下降82.86%。水足迹强度空间集聚显著,集聚状态逐渐稳定。社会经济条件、农业生产投入、农业生产条件、自然条件与资源禀赋对谷物生产水足迹强度影响显著。淮河流域谷物生产用水总量整体增加,用水效率总体不断提升。淮河流域谷物生产用水效率存在显著的空间差异,效率较高的区域为淮河干流下游及沂-沭-泗水系,效率较低的区域为淮河干流安徽段。农村经济发展水平、科技发展水平与有效灌溉面积等因素的提升能促进谷物生产用水效率的提升,城镇化水平、化肥施用量、年日照时长、年平均气温等因素的提升则会对其产生抑制作用,农村经济发展水平、城镇化水平、年平均气温等因素通过要素流动、技术转移等产生空间溢出效应。

数字孪生永定河建设实践

数字孪生永定河建设是流域治理管理现代化的主要标志。围绕永定河生态修复与治理,构建数字孪生永定河,建设水利感知、数据底板、模型平台、知识平台、业务应用等内容,相关成果应用于永定河全年全线有水的生态水量调度与海河“23·7”流域性特大洪水的防洪调度,取得了初步成效。建议下一步从完善数据底板、完善防洪模型、提升防洪“四预”能力、提升水资源调度“四预”能力等方面加强数字孪生永定河建设,助力流域治理管理现代化。

引江济淮工程(河南段)水资源调配系统设计与开发

为强化引江济淮工程(河南段)水资源统一调配,基于Spring Boot和Vue前后端分离开发的模式,利用天地图API、WebGL、Echarts等技术设计研发引江济淮工程(河南段)水资源调配系统。从设计思路、功能界面、关键技术3个角度论述系统设计思路和实现过程,从而实现地理信息服务、供需水预测、水资源优化配置、水资源优化调度等功能,实现水量分配可视化、运行调度智能化和跨流域调水管控一体化。系统测试结果表明:引江济淮工程(河南段)水资源调配系统的建立提高了受水区水资源精细化管理的水平,解决了引江济淮工程(河南段)跨流域调水的配置难题,为受水区水资源高效利用提供有效的技术支撑。

永定河流域水文演变与多水源联合优化调度

水资源是保护修复永定河生态环境功能、维护河流生命健康的控制性因素。永定河流域水资源极为紧缺,且地表水资源量呈显著衰减态势。为实现紧缺严苛的水资源条件下永定河生态水量的有效保障,系统解析了流域水文演变特征,核算了分河段基本生态水量和多水源生态补水潜力,建立了耦合水资源供用耗排过程和水工程群联合运用的多水源优化调度模型,提出了常规和极端情况下的多水源生态水量调度方案和基于降水年型研判的调度方案运用方式。研究成果为有效保障永定河生态水量、提升应对变化环境的韧性提供了关键方法和模型,为华北地区其他河流生态保护修复和综合治理提供技术参考。

贯彻落实国家“江河战略”的思考

国家“江河战略”是习近平总书记亲自擘画、提出的新理念新思想新战略,开启了新时代江河保护治理崭新篇章,为推动新阶段水利高质量发展提供了重要遵循。贯彻落实国家“江河战略”,要深刻领会国家“江河战略”确立的战略考量,准确把握国家“江河战略”的丰富内涵和核心要义,结合水利行业实际,以提升水安全保障能力为目标,加强顶层设计,推动新阶段水利高质量发展。

汾河流域地表水金属元素分布特征与健康风险评价

为研究汾河流域地表水中金属污染特征及其健康危害程度,本文采集汾河流域主要支流入河口及干流断面水样39组,检测As、Cu、Pb、Zn、Hg、Ni、Mn、Fe和Co共9种金属元素含量,利用多元统计分析法、水环境健康风险评价模型分析了流域地表水中金属元素分布特征及对成人与儿童产生的健康危害.结果表明,研究区主要超标元素为Hg、Fe和Mn,污染区主要分布于汾河干流中下游和支流.汾河干流上游Fe、Mn、Zn和Co变化幅度较大,中游、下游次之;各支流金属元素含量差异较大.多元统计分析显示,Hg和As主要来源于工业污染及农业污染等;Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Fe和Mn来源于工农业生产和交通运输.健康风险评价表明,汾河流域各河段健康总风险为汾河支流>汾河下游>汾河中游>汾河上游,汾河中下游和支流健康风险危害较大,健康风险均为中等;经饮用水途径造成的健康风险儿童是成人的1.15倍,儿童更易受到金属元素的危害;As为支流浍河和昌源河的主要致癌因子;各河段优先控制金属元素为As、Co、Pb、Fe和Hg.

黄河流域“水资源-生态保护-高质量发展”空间均衡性诊断

为促进黄河流域空间均衡发展,在测算黄河流域9个省区水资源可承载水平、经济社会发展水平以及生态保护水平的基础上,分析了各省区内部水资源、生态环境和经济社会3个子系统间的耦合协调发展水平,并分别以水与经济均衡、水与生态均衡、经济与生态均衡为子目标,构建了空间均衡性诊断模型,对黄河流域相邻“省区对”进行了空间均衡性诊断,反向追踪各“省区对”空间不均衡的原因。结果显示:除宁夏、甘肃外,黄河流域其他省区内部3个子系统间均已达到初级或中级协调发展阶段;黄河流域上游和下游的相邻“省区对”分别通过了均衡性判别;宁夏、甘肃、山西和内蒙古4个省区严重影响了省区间的均衡性,抑制了黄河流域整体的空间均衡发展。

新形势下我国江河入海水通量监测实践与对策建议

针对我国入海河口生态环境问题突出、江河入海污染物总量不明的问题,梳理了我国江河入海水通量监测的历史,分析了我国江河入海水通量评估工作的现状以及“十四五”生态环境监测和海洋环境保护等规划的要求,提出污染物排海总量不明的主要原因是江河入海水通量监测未取得突破,具体表现在江河污染物入海通量未得到有效掌握、江河入海水通量监管体系未得以构建运行、江河入海水通量监测技术未得到建立和规范。结合在辽河口海洋环境在线监测试验基地开展的江河入海流量在线监测系统设计研究、江河入海水通量监测技术研发、江河入海水通量监测技术标准化研究、辽河入海水通量监测试验等工作,建议总结分析我国已开展的江河入海水通量监测试验工作,深入开展江河入海水通量监测顶层设计,加强江河入海水通量监测关键技术方法研究。

不同调水方式对巢湖水质影响模拟

引调水工程是目前用来改善湖泊水质的重要手段,然而引调水的调水路线、来水水量以及来水水质对湖泊水质改善效果都至关重要。本文以“引江济巢”工程为例,针对巢湖的浅水湖泊特征,考虑引调水入湖后不仅对水量和水质有直接改善作用,还可能因为湖区水动力条件改变及内源释放影响水质,通过构建二维水动力水质模型,模拟不同调水路线、水量下湖区水动力条件,进一步考虑不同来水水质和底泥释放对水质改善的影响。结果显示,调水对流场的扰动在丰水年较弱、枯水年较强,流量对湖区水质影响随流量增大而增强,来水水质的优劣是决定湖区水体水质是否改善的关键。整体而言,西湖区受调水影响较小,东湖区能够对全湖水质变化起到指示作用。调水方案应基于湖泊实际水量与水质状态综合考虑调水流量与水质制定。

1955-2021年期间长江中游枝城至螺山河段与三口洪道水沙输移变化规律

长江与洞庭湖之间存在复杂的江湖水沙交换关系,水沙变化引起江湖冲淤变化,从而对长江中游区域防洪、水资源利用、航运及水生态环境等产生较大影响。本文利用实测资料较为系统地分析了荆江与洞庭湖水沙输移变化规律,结果表明:1955-2021年期间枝城、沙市、螺山站年径流量变化趋势不明显,监利站年径流量增幅为17.4%,三口分流洪道与七里山站均以减少为主;1955-1989年期间枝城与沙市站年输沙量变化趋势不明显,监利站明显增加,三口分流洪道与七里山站明显减少,1990-2021年期间各站均显著减少,其中三峡工程运用后荆江河段(枝城站)、三口分流洪道、洞庭湖出湖及城螺河段年输沙量分别减少90.1%、90.2%、22.5%及76.6%;受水库下泄径流过程改变的影响,荆江河段、荆江三口分流洪道、洞庭湖出湖与城螺河段年内径流过程均呈不同程度的坦化,枯水期平均流量均显著增加,消落期平均流量稍有增加,汛期出现一定程度的减少,蓄水期稍有减少,下泄径流过程坦化以及2006、2011年特枯水年分别引起荆江三口年均分流量减少41.2亿和32.4亿m~3。随着三峡上游水库群陆续建成运用,荆江河段、三口分流洪道、洞庭湖出湖及城螺河段径流量将进一步坦化,由于干流河床泥沙补给逐渐减少,输沙量将进一步减少,预计长江与洞庭湖水沙输移变化规律将基本保持现有变化格局。

基于生态需水的黄河中游水平衡分析--以沁河流域为例

为推动黄河流域生态保护及高质量发展,解决地表水资源供需矛盾,亟需开展水平衡分析,建立水平衡模型,为水资源合理分配提供参考依据。作为黄河的重要支流,沁河流域位于黄河中游末端,由于近年来上游调水政策的施行以及流域内生活、生产用水的增加,用水矛盾突出,出现了河道断流、入黄水量偏枯等问题。为保障河流生态环境健康,优化引沁入汾跨流域提水工程实施后的流域水资源供需平衡,以2021年为现状年,在“自然-人工”二元水循环研究理论的指导下,运用水平衡分析理论与方法,以河道内生态需水为保障基础,对沁河流域水资源需求、供水能力与供需平衡进行了分析与讨论。结果表明:(1)沁河流域水资源供给和需求在空间分布上具有分异性,上游山西省境内各河段河道内均能够保障适宜的生态需水量,下游河南省境内,仅可满足最小生态需水量;(2)沁河流域可供给水资源总量为10.04×10^(8)m^(3),河道外生产、生活及生态用水总量为8.89×10^(8)m^(3),剩余河道内水量仅为1.15×10^(8)m^(3),仅可满足河流最小生态需水;(3)推算至2030年,流域内工业生产及生活取用地表水量将达到6.98×10^(8)m^(3),河道外用水总量将达到9.81×10^(8)m^(3),剩余水量无法满足最小生态需水。建议采用降低工业用水量、提高农田灌溉用水利用率、推广使用高效节水技术,进一步增强水资源的有效利用,改善流域生态环境。研究结果可为合理规划沁河流域水资源调度提供参考,也可为黄河中游水平衡分析提供范例。

黑龙江干流黑河市城区段河床演变研究

黑龙江黑河市城区河段河道受自然及人为因素影响,河床演变复杂。采用Mann-Kendall趋势检验法和双累积曲线法分析了水沙变化趋势。基于实测水文和泥沙资料,对河床稳定性及冲淤变化进行了定量研究。研究结果表明,该河段属于少沙河流,结雅河口以上年径流和输沙量随时间呈减小趋势,结雅河口以下年径流没有明显的趋势性变化,年输沙量呈减小趋势。自然状态下,河段岸线和深泓线位置基本稳定,河床冲淤变化不大,以约10年为一个周期,基本可以达到冲淤平衡。在人类活动及支流汇入影响下,黑河水位站至长发岛段纵向不稳定,预测会引起该段未防护岛屿洲滩的岸线变迁。

内陆河流域水污染风险分区安全评价——以黑河流域为例

[目的]对内陆河流域开展水污染风险分区评估,分析内陆河流域水污染风险分布特征,为内陆河其他流域及全国其他流域水污染风险的评估提供参考。[方法]以2021年黑河流域环境统计数据、DEM数据、水质监测断面数据和基础地理数据等为数据基础,以1 km×1 km网格为基本单元,利用GIS空间分析精细化、可视化表征水污染风险程度和分布情况,采用环境风险场评估法对黑河流域开展水污染风险分区评估,分析该流域水污染风险分区分级分布特征。[结果]黑河流域只有极少区域处于高风险水平;污染严重水系主要集中在中下游区域,包括洪水河、讨赖河水系以及山丹瓷窑口到高台黑大板河、黑河干流、梨园河等多条河流,准确识别出了黑河流域水污染高风险“热点”区段19个,污染严重部分主要分布于水系周边的风险源以及沿河公路、跨河桥梁与水系的伴行段重叠交叉区域。整个黑河流域的水污染风险处于低风险水平,在可控范围之内。[结论]该评价指标体系能够从多维度、多空间来表征内陆河流域水污染风险的主要问题,帮助完善内陆河流域水污染风险评价指标体系,提升流域全过程风险管理水平。

环境因子对河流底泥-水界面氮释放规律影响

潮白河作为北京重要城市河流水源之一,其顺义减河河段属于典型的再生水回补河道。研究不同点位代表的自然河段与再生水河段中底泥-水界面的养分释放规律及其影响因素,对河道水质改善具有重要意义。该研究通过室内土柱模拟实验,分析不同p H、溶解氧(DO)和温度条件下河道不同断面底泥氨氮释放规律,估算了底泥-水界面氨氮释放通量。结果表明:(1)下游汇流(S1)、潮减交汇处(S2)和自然河道(S3)上覆水和间隙水中NH4+-N呈明显的释放趋势,再生水河道中段(S4)和再生水排水口(S5)释放不明显或发生NH4+-N吸附作用。(2)不同断面土柱模拟中,间隙水中NH4+-N通量为上覆水的2.5~66.7倍,验证了底泥氮先释放到间隙水再扩散到上覆水的过程。(3)不同环境因子(p H、DO和温度)对底泥NH4+-N释放的影响呈现出不同规律:随p H升高,底泥NH4+-N释放通量先降低后增加,在p H=7时达到最低值;随DO浓度增加,底泥NH4+-N释放通量减小,DO浓度为3 mg/L时NH4+-N释放通量最大;温度越高,NH4+-N释放通量越大。潮白河水体在酸性或碱性条件下,DO浓度越低,温度越高,NH4+-N释放通量越大,该研究结果可为潮白河水质改善提供参考。

尾闾河道形态演变特征的模拟试验研究

尾闾河道是河流与海洋交互的关键地带,对其形态演变研究具有生态环境意义。采用物理试验方法对常见的喇叭状和蜿蜒状(河口左偏与右偏)尾闾河道演变过程进行模拟,研究不同水沙条件下河道演变规律,并以河相系数和相对粗糙度为基准对不同河型稳定性进行评估。试验发现:河道平面形态会经历一个“稳定—微变—强变”阶段;河床平均高程和比降随时间的增加而增大,模型河道上游和河口段变化最大,中游段变化最小;加沙时上游河岸侵蚀、河床淤积,加沙停止后下游与河口段河岸侵蚀大于河床侵蚀,河口分汊、摆动。平面形态不稳定区域:蜿蜒状为下游段,最大与最小河相系数相差6.51倍以上;喇叭状为河口段,最大与最小河相系数相差3.32倍以上。断面形态不稳定区域:左偏蜿蜒状为下游段,最大与最小相对粗糙度相差3倍以上;右偏蜿蜒状为上游段,最大与最小相对粗糙度相差2.03倍以上;喇叭状为下游段,最大与最小相对粗糙度相差4.09倍以上。

基于流域储水量精细化模拟的干旱指数构建及应用

为构建一种客观反映河道槽蓄量、水库蓄水量和土壤含水量联合亏缺的干旱指数,以秦淮河流域为研究区,基于500 m×500 m分辨率的VIC-FLASH模型,通过精细化模拟流域河道、水库和土壤中存储水量的变化过程,构建了标准化流域储水指数(SWSI),并应用SWSI对1980—2019年秦淮河流域历史干旱事件和干旱特征进行分析,验证了其可靠性和应用优势。结果表明:高分辨率VIC-FLASH模型可以较好地模拟流域储水量时空分布,流量过程模拟结果平均相对误差为10.6%,流域内6座水库实测与模拟蓄水量相关系数为0.53~0.86;SWSI可以准确识别干旱事件和反映区域干旱严重程度,干旱烈度与实际受旱面积的相关系数为0.88;1980—2019年逐日SWSI与标准化径流指数和土壤含水量距平指数的相关系数分别为0.89和0.98;SWSI不仅可以定量反映流域储水量的亏缺状态,而且可以更加客观地反映旱情时空演变过程。

为以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业提供有力的水安全保障

今年3月22日是第三十二届“世界水日”,第三十七届“中国水周”宣传活动同步开启。联合国确定今年“世界水日”主题为“以水促和平”。我国纪念今年“世界水日”“中国水周”的活动主题是“精打细算用好水资源,从严从细管好水资源”。水是生存之本、生产之要、生态之基。2014年3月,习近平总书记主持召开中央财经领导小组第五次会议,研究水安全问题,提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路,这为系统解决我国水灾害水资源水生态水环境等新老水问题、保障国家水安全提供了根本遵循和行动指南,在中华民族治水史上具有重要里程碑意义。

国家水网构建与生态安全保障辩证关系探析

国家水网建设和水生态安全保障是当前和今后一个时期水利行业的核心工作,准确认识两者的辩证关系,对于促进水利高质量发展、为中国式现代化提供高标准水安全保障具有重要意义。从国家水网建设与我国生态安全总体格局、北方生态屏障区保护修复、缺水地区河湖生态环境复苏、地下水超采区治理恢复、河湖水质改善、重要湿地及其生物多样性保护等六个方面的关系阐述了国家水网对于保障国家生态安全的重要作用。科学解析了国家水网规划、建设与运行对生态安全保障可能带来的影响,提出协同推进国家水网建设与生态安全保障的措施建议:优化国家生态安全保障整体格局,明晰重点区域生态安全保障水资源需求;在国家水网框架内,开展国家水生态网整体规划与建设;维护和发挥地下水应急储备水源功能,构建立体国家水网;加强水网内部源头减排与属地治理,建设清洁水网;发挥国家战略储备水源区作用,降低集中调水对长江流域的影响;加强水工程全生命期绿色技术研发与应用。