南水北调西线工程水源区可调水量“十问”

南水北调西线工程是我国“四横三纵”国家水网主骨架尚待建设的最后一环,而水源区可调水量是西线工程规划论证面临的焦点和难点问题。本文从水资源本底条件与演变趋势,生态环境与经济社会发展需水,调蓄水库与输水工程规模,调水对水源区及其下游水资源开发利用、水生态环境、水力发电、航运等方面影响的角度,提出了与水源区可调水量相关的10个问题;以长江上游分布式水文模型为基础,建立了南水北调西线工程水源区可调水量模拟分析模型,力图系统、定量地回答所提问题。本文的主要研究结论有:在仅考虑满足水源区河道内外生态环境和经济社会需水的前提下,“上线+下线”组合方案多年平均可调水量为1.59×10^(10)m^(3),“完全下线”方案在建设岗托水库进行联调时,多年平均可调水量将达到1.74×10^(10)m^(3);在综合考虑调水对水源区水平衡、水力发电和航运影响及其可接受程度后,南水北调西线水源区可调水量为1.22×10^(10)~1.26×10^(10)m^(3)。长远来看,应谋划西南片区水网与国家水网主骨架、“大动脉”的连接与融合,在减小南水北调西线工程调水影响的同时,提高南水北调西线工程的整体供水能力以及对气候变化等外部条件的适应性。

南水北调中线生态保护措施对水源区碳中和的影响——以南阳市为例

为研究南水北调中线工程调水后采取的生态保护措施对水源区碳中和的影响,以南阳市为研究区域,梳理保障南水北调调水工程运营颁布的相关政策,利用碳排放、碳吸收测算模型分别测算水源区的碳排放量和碳吸收量,分析政策驱动引致的生态保护行动对南水北调水源区减排固碳能力的影响。研究发现:南阳市的碳排放量以2014年为结点整体呈先增长后下降的阶段性特征,碳吸收量整体呈现显著上升变化趋势;南阳市的碳吸收量大于碳排放量,整体已达到“碳中和”要求;水污染治理、节能减排、水土流失治理、林业建设等保障调水的生态保护措施通过增加水源区的减排固碳能力,促进“双碳”目标实现。研究结果为双碳目标实现提供决策参考。

南水北调中线供水区水域面积变化遥感分析

为更好地研究调水对供水区域水域面积的影响,利用遥感技术研究了南水北调中线工程调水前后供水区及其下游四季的水域面积变化情况及其动因。研究表明:在调水工程实施之后,汉江中下游区域出现了水域面积大幅度下降的情况,汉江流域水域面积从2011年到2015年整体减少,尤其是春夏季水域面积减少最多,春季减少52.6km^(2),夏季减少65.8km^(2),减少比例达到17.3%,秋季和冬季水域面积减少幅度较小,秋季水域面积减少23.4km^(2),冬季水域面积减少最少,为4.2km^(2)。

面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法

针对现有可视化方法难以直观动态呈现三维水质的推演过程的普遍性问题,研究了三维水质模型计算结果与数字孪生场景的集成模式,提出了面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法,实现了三维水质推演过程的直观、准确、流畅、动态呈现。以南水北调中线工程丹江口水库2021年秋汛总磷浓度分布推演为例,采用三维水质模型开展复演分析,将分析结果在数字孪生场景中集成,模拟有机污染物的转移和扩散过程。应用结果表明该方法相较于传统二维平面展示方法具有效果更加直观、信息承载更加丰富的优势,可以在数字孪生场景中动态呈现分层水质指标的推演过程。

南水北调中线工程受水区年度水量分配方法研究

南水北调中线一期工程已正式通水运行近10 a,随着受水区各省(直辖市)配套设施不断建成,水量消纳能力逐步提高,在水源区供水有限的情况下,受水区之间竞争性用水问题日益突出。基于南水北调中线工程设计成果,提出一种基于受水区各省(直辖市)设计多年平均分配比例的南水北调中线工程年度水量分配方法。该方法将可调水量按各省(直辖市)设计多年平均分配比例进行分配,所得结果为各省(直辖市)的年度可调水量初始分配值,进而取该值与该省(直辖市)用水计划建议的较小值作为其年度分配水量;最后以南水北调中线工程可调水量80亿m^(3)为例开展计算。结果表明:根据受水区4省(直辖市)用水计划建议分析水量分配面临情况,提出北京市、天津市、河北省、河南省分配的水量分别为10.4亿,8.56亿,28亿,30亿m^(3)。该方法可为南水北调中线工程年度水量调度计划编制提供参考,为保障工程效益的发挥提供支撑。

南水北调核心水源涵养区城市化与水生态环境耦合协调研究——以安康市为例

构建水源涵养区城市化水平与水生态环境综合评价指标体系,并以南水北调工程通水时间作为分析节点,利用耦合度模型、耦合协调度模型,探究中线工程水源涵养区安康市2008—2020年城市化与水生态环境的耦合协调演变特征及其对南水北调工程的响应关系。主要结果为:(1)研究期内安康市城市化发展指数呈上升态势,南水北调中线工程通水后其城市化年平均演变指数较通水前提高了0.04;(2)研究期内安康市水生态环境综合发展指数受水资源量不确定性等因素影响存在较大的波动,中线工程通水后2015-2020年该指数多年平均值较通水前提升了36.85%;(3)研究期内安康市城市化与水生态环境基本处于高水平耦合阶段,二者耦合协调度由最初的0.44增加到2020年的0.84,由濒临失调向勉强协调、轻度协调转变,最终达到良好协调。研究成果揭示了安康市城市化与水生态环境耦合演变特征及其对中线工程通水运行的响应关系,为水源涵养区城市加强水生态环境保护和推进高质量发展提供了理论参考。

Application of SEDEA to evaluation of degree of harmony between water resources and economic development

This paper introduces the method of data envelopment analysis （DEA） for evaluation of the degree of harmony between water resources and economic development of the water conservancy area of China＇s South-to-North Water Diversion Project （SNWDP）. For this evaluation, a super-efficiency DEA （SEDEA） model was developed based on the super-efficiency method. To verify the applicability of the SEDEA model, both the SEDEA model and a normal-efficiency DEA （NEDEA） model were used to evaluate the degree of harmony between water resources and economic development of typical cities in the SNWDP water conservancy area. The results show that the SEDEA model ranks the degree of harmony of typical cities more efficiently than the NEDEA model, and thus can better evaluate the degree of harmony between water resources and economic development of different cities than the NEDEA model. Furthermore, the SEDEA model can be applied as an operational research tool in regional water resources management.

南水北调西线工程水源区生态需水研究

可调水量一直是南水北调西线工程争论的焦点,水源区生态需水是合理确定西线工程可调水量的重要依据。分析了南水北调西线工程水源区的生态环境特征、主要生态环境保护对象,并针对西线工程水源区生态需水研究现状及存在问题提出了需要重点研究的关键科学问题:生态需水应统筹考虑川陕哲罗鲑等关键物种、河岸植被等优势群落、干旱河谷等典型生态系统,深入研究高寒脆弱区关键保护对象对水文过程的响应规律,以及协调节点-河段-河流廊道多尺度、物种-生境-生态系统多目标的生态流量需求核算。此外,提出了“识别特殊需求-建立响应关系-统筹核算水量”的生态需水研究思路,以及节约用水、科学研究、关键技术等方面的区域生态环境保护工作建议。

南水北调东线工程江苏段水资源调配研究

针对南水北调东线工程江苏段受水区的水资源调度与配置问题,以受水区总缺水量最小和泵站总能耗最小为目标,建立南水北调东线工程江苏段水资源优化调度模型。将南水北调工程调水与本地水资源进行联合配置,并以经济效益、社会效益、环境效益最大为目标,构建南水北调东线工程江苏段水资源配置模型。采用基本方案和节水方案进行了模型模拟,结果表明,在降水保证率分别为50%、75%和95%3种情况下,受水区节水方案缺水率比基本方案分别下降了2.91%、3.61%和3.83%;受水区节水方案下各工程基本完成了受水区的供水任务,且优先利用了泵站单位能耗较小的运西线进行调水,说明优化调度配置方式在保障受水区用水的基础上,能够以更为经济节能的方式运行。

“十六字”治水方针与南水北调中线受水区后续高质量发展研究

南水北调中线工程进入后续发展阶段,如何充分发挥水资源对受水区高质量发展的作用尤为重要。“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的“十六字”治水方针是针对现实水资源、水生态和水环境状况等新型水问题的科学治水思想,是新时代水生态建设的指导思想。就生成逻辑而言,马克思主义治水观和中国传统治水文化是它坚实的理论基础;历经中国革命、建设和改革的历史实践的严酷考验;习近平总书记的创新凝练更增强其针对性和指导性。在南水北调中线受水区高质量发展中,“十六字”治水方针能够有效提高水资源的利用、配置、治理和运营能力,充分发挥水资源对受水区高质量发展的基础支撑作用。

南水北调东线调水区及受水区降水径流变化特征

为给南水北调工程规划与运行提供科学依据,基于比《南水北调工程总体规划》制定水平年更加完整的水文观测数据识别2001年以来工程区降水、径流变化特征,采用Mann-Kendall趋势检验、小波分析等方法分析了比较期(2001—2016年)相对于基准期(1956—2000年)的降水、径流统计特性差异和变化特征。结果表明:相对于基准期,比较期调水区降水量变化不明显,长江大通水文站天然径流量下降3.5%,调水区水资源条件较为稳定;比较期受水区降水量较基准期基本无变化,天然径流量较基准期上升3.9%,但山东省、河北省和天津市受水区天然径流量下降6.6%,3省市天然径流量呈明显衰减态势。

南水北调中线工程河南水源区生态补偿标准研究

建立健全生态补偿机制是协调流域生态保护与经济社会协同发展的有效途径,补偿标准是生态补偿机制建立的核心要素。从水质水量双视角出发构建水源区生态补偿标准测算模型,以南水北调中线工程河南水源区为例进行生态补偿量测算,并对受水区各省市生态补偿量进行了分摊测算。结果表明:河南水源区对受水区水质产生正外部性影响,从水质角度受水区应向河南水源区补偿2 667.89万元;河南水源区为受水区的经济社会发展提供水资源支撑,从水量角度受水区应向河南水源区补偿21 719.55万元;以受水区用水比例和经济发展水平为权重对总补偿额24 387.43万元进行生态补偿量分摊测算,北京、天津、河北和河南分别应承担补偿量为4 755.55万、2 560.68万、7 682.04万、9 389.16万元。

南水北调受水区某工业新城取水水源与水资源配置分析

南水北调工程是一项跨省、跨流域的超大型调水工程,工程的实施有利于解决北方地区水资源短缺问题。河北省衡水市冀州区处于南水北调受水区,是传统的农业区,在衡水乃至河北农业生产中占重要地位,近些年来,工业发展成为了该区振兴经济的主攻方向。选取该区工业新城为研究区域,对工业新城取水水源、取水水量及可靠性、特殊情况下供水保障应急,水资源供需平衡进行论证分析。

南水北调中线北京段水量水质特征及对受水城市河湖的影响分析

分析南水北调中线北京段水量水质特点和对城市河湖的影响,对调水合理利用、水质安全与保护、受水区水质水生态保护措施制定及效果评估等具有重要参考意义。结合调水水量分配,采用Spear‐man秩相关、聚类等分析方法对综合理化指标、水化学特征、水质类别及特征水质指标等进行分析。研究表明:南水北调中线北京段水质为Ⅱ类,属于低矿化度软水,综合理化指标具有季节变化特征。2015—2021年,受水区水质普遍改善;典型受水水域水温上升,大宁水库等水域矿化度和总硬度下降。研究区地表水质受多重因素的影响,南水带来团城湖、昆明湖、昆玉河及京密引水渠等水域的水质变化,南部和东部河流水质受再生水水质改善影响较大,内城河湖、北运河和潮白河的部分河流平原段是多种因素共同作用的结果。

南水北调中线水源地周边农村地区碳排放及影响要素分析

农村地区因其规模较大且生活方式、产业发展模式较为粗放,碳排放居高不下,南水北调中线水源地周边区域因其特殊的水源需求,生态保护要求更为严格,应严格控制其碳排放,为明确其碳排放量及其影响要素,将农村地区碳排放来源分为4大类31小类。选取2005—2020年数据,借鉴KAYA恒等式对碳排放量进行测算,并利用对数平均权重Divisia指数和LMDI分解法对碳排放影响因素量化分析,研究发现南水北调中线水源地周边农村地区碳排放量总体呈增长趋势,增长速度较为稳定,地区农业发展水平、农村能源结构、农村消费结构碳排放逐年增加,是碳排放主要影响因素,碳排放强度整体呈现出先降后增趋势,对碳排放影响较小,农村能源效率、农业产业结构与碳排放成反比,对村庄碳排放有一定抑制作用。为提高区域生态环境保护能力,保护南水北调中线水源地水生态安全,提出降低碳排放策略,加强区域生态环境保护,确保丹江口水库水质安全,实现“一江清水永续北送”,为中国双碳目标实现提供支撑。

人类活动下南水北调中线水源地生态系统服务价值

为了更准确地评估人类活动下南水北调中线水源地生态系统服务价值演变情况,通过遥感和ArcGIS技术,对1991年、2002年、2011年和2020年南水北调中线水源地遥感影像进行土地利用变化分析。在考虑建设用地价值的基础上,建立南水北调中线水源区当量因子表,分析人类活动下南水北调中线水源地生态系统服务价值(ESV)的时空演变特征。结果表明,1991—2020年水源区生态系统服务价值均呈现上升趋势,30年间价值上升了133.78亿元,其中林地与水域在水源区生态系统服务价值中占主导地位。

南水北调西线一期工程调水地区河道内生态环境需水的分析与计量

南水北调西线一期工程规划从长江上游雅砻江、大渡河的5条支流调水入黄河,总调水量40×108m3。如此大规模的引水是否会对原来河流的功能特别是引水坝址附近生态环境功能造成不利影响?针对该问题,本文在分析调水地区径流特征的基础上,分别采用7Q10法,Tennant法以及湿周法计算了不同引水坝址下游河道的生态环境低限用水需求,推荐西线一期工程各引水坝址下游河道生态环境低限用水量,除克柯坝址为2m3/s,其余坝址均为5m3/s。并据此分析了南水北调西线一期工程实施后对引水河道生态环境的影响。结果表明调水后各引水河流基本上依旧能够满足其河道内生态环境用水需求,不会损害河流基本的生态环境功能。

南水北调中线工程水源区水文循环过程对气候变化的响应

以南水北调中线工程水源区为研究流域,基于数字高程模型、土地利用和土壤类型等资料,采用1980—1990年日资料进行模型参数率定和检验,研究了SWAT模型在该流域的适用性;根据联合国政府间气候变化专业委员会第四次评估报告中大气环流模型多模式输出结果,分析了特别排放情景下21世纪降水、气温、径流、蒸发的响应过程。结果表明:与基准期相比,南水北调中线工程水源区21世纪气温将持续增高,年降水量将增加,径流量较基准期将出现先减少后增大的趋势,21世纪40年代年径流量开始较基准期增加,预示着水源区的水资源在21世纪前期将出现减少,21世纪中后期将增加。未来气候变化对南水北调中线工程水源区径流变化影响不大,总体来看有利于南水北调中线工程的调水。

南水北调中线水源区土地利用/土地覆被的空间格局

土地利用/土地覆被(简称LULC)变化对流域水资源动态具有深刻的影响。这对于我国大规模跨流域的南水北调工程规划尤为重要。本文制定了该工程中线水源区约95000km2面积的LULC分类系统,利用2000年前后的TM影像完成LULC分布现状图,并结合DEM分析了其土地利用/土地覆被的空间格局特征。结果表明:①研究区域森林覆盖率为50.97%,灌丛25.58%;农田约占15%,其中旱地与水田的比例约10:3;石砾裸地等强烈退化类型合占5.66%;水域约占1%。②区内秦岭南坡、汉—丹平原丘陵、巴山北坡三部分的LULC结构存在显著差异,强度土地利用类型和退化土地类型主要分布在汉—丹平原丘陵地区;秦岭南坡耕地的水分条件较巴山北坡好,但局部土地退化现象也更严重。③地形对LULC具有明显影响。海拔高度控制着自然植被的垂直分异和各种土地利用类型及利用强度的分布;各土地覆被类型的分布显示了坡度对土地开发强度的限制作用;坡向对局部LULC格局的影响并不显著,但在区域尺度上可能对秦岭南坡与巴山北坡的LULC结构差异具有贡献。南水北调中线工程水源区当前的LULC结构和空间格局显示,总体上植被状况良好,高强度的土地利用类型主要集中于海拔1000m以下的平缓地区,而退化土地类型也主要存在于这一区域,是流域水质保护和环境治理的关键区域。

南水北调中线水源区浮游植物与水质研究

2003～2005年对南水北调中线水源区水体浮游植物的调查结果表明，该水域共有浮游植物96种及变种，隶属于8门63属，其中种类最多的藻类植物依次是硅藻、绿藻和蓝藻．藻类的细胞密度表现出夏季最高、冬季最低的明显季节变化．运用Margalef和Menkinick多样性指数对该水域的水质进行评价，结果显示，水体为寡污型，基本处于中营养状态．