协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅰ:方法与模型

针对水资源刚性约束落地缺抓手的问题,按照以水定发展、协调定规模的理念,提出“四水四定”的分析思路和控制指标,厘清各类发展目标与水资源利用的协调关系。以公平为社会目标,以效益为经济目标,提出“尊重现状、保障刚需、效率驱动、区域均衡”的协调优化准则,建立目标函数和约束条件,构建“四水四定”多目标协调模型,以满足保障刚性需求基础上的水量高效流转,确定发展规模和水量分配方案。模型选取人均GDP最大实现效率驱动,使有限水量产生更大效益;选取区域人均GDP差异最小、发展匹配度最高实现发展公平,缩小区域经济差异;通过约束条件反映水资源约束、刚性需求保障、水源用户配置关系、经济社会发展合理范围等要求;设置罚函数协调约束条件不能满足时的目标值调整。通过归一化方法将多目标转化为单目标,基于现状设置初始条件,采用线性规划等方法求解,得出协调产业发展和水量优化分配的整体结果,通过结果评价反馈调整,形成可服务于经济社会发展和水资源管控决策的方案。

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。

煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟

煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-和p H模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%,模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO_(4)^(2-)质量浓度提升约24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO_(4)^(2-)有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数,可将SO_(4)^(2-)降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。

多水厂供水管网水量溯源分析

为了提高城市供水安全性和服务可靠性,常采用多水厂向管网供水。多水厂供水区域可分为完全由单一水厂供水区和多水厂联合供水区。这些供水区的划分,以及管网中各节点(管段)由各水厂供水百分比,可利用给水管网水质模型中的水量溯源功能分析。在叙述水量溯源原理与分析过程后,以单工况示例和延时模拟示例进行了说明。水量溯源对了解各水厂向管网供水状况具有重要意义。

协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅱ:应用

宁夏干旱缺水且发展不均衡,以水定需是必然选择。本文针对宁夏水资源条件和经济社会特征,构建协调公平与效率的“四水四定”优化模型,开展全区“四水四定”方案分析。模型以用水总量红线指标为水资源刚性约束,根据区域发展战略确定刚性保障需求,通过水与“四定”协调关系分析得出经济社会发展和用水效率可行变化范围。以2019年为现状、2025年为目标年,采用模型协调优化得出“四定”规模控制目标,以及分行业和区县的用水总量控制指标。结果表明,在全区73.27亿m 3用水总量和41.5亿m 3耗水约束下,满足全面小康的“四定”规模为750万人、5481亿元GDP、84.7万hm 2灌溉面积和791 km 2建成区面积。通过对比分析方案的公平性和效率提升状况,揭示了不同行业、区域的水量流转方向,表明约束设置对结果有显著影响,可为区域经济社会发展和水资源管控决策提供参考。

县域水资源均衡配置研究

以米易县为例,针对典型县域最严格水资源红线控制和自然-社会水循环系统特点,采用总体缺水率最小和分区空间均衡为目标函数,总量控制、供水能力、分质供水等为约束条件,并采用改进时间-空间两层精英策略的非支配遗传算法,构建分区独立供水和库群联调的通用水资源调度与配置(GWAS)模型,并进行参数率定与验证,得出相关系数R为0.85,Nash效率系数为0.73,区域水文模块模拟精度较好。方案模拟研究表明,无论是基准年还是规划年,相对于水库分区独立供水,考虑均衡系数的库群联调方案更具优势,分区供水综合缺水率差异更大,而库群联调中各乡镇缺水率大幅减少,缺水差异更小。库群联调方案的水资源配置公平性更好,空间上各单元间的水量分配配置满足度高,可基本实现在动态变化下的区域水资源供需平衡。

低渗透油田微生物堵剂的多尺度封堵性能

封堵低渗透油藏的多尺度水窜通道是提升这类油藏水驱开发效果的关键,开发了一种内源微生物堵剂,优化了其菌种发酵营养液配方,并基于室内静态实验表征了其基础物性,最后通过岩心动态实验评价了其封堵适应性。所优化的菌种发酵营养液配方为:1.0%~2.0%糖蜜+0.2%~1.0%硝酸钠+0.5%~2.0%磷酸二氢钾+0.2%~1.0%磷酸氢二钠+0.1%~0.5%硫酸铵+0.01%~0.1%工业酵母膏+0.01%~0.03%硫酸铁+0.01%~0.03%硫酸锰。在营养液中培养4 d后,微生物趋于稳定,形成的分散颗粒呈正态分布,粒径集中在40~160μm之间,粒度中值在90μm左右,且具有良好的抗剪切性、耐盐性及稳定性。初始态的微生物调堵剂能顺利进入低渗透岩心、非均质岩心和裂缝性岩心。进入岩心后,微生物基于其自生长特性与孔隙及裂缝介质匹配,对渗透率为5×10^(-3)μm^(2)的岩心的封堵率达到80%;对渗透率为5×10^(-3)/100×10^(-3)μm^(2)的非均质岩心的封堵率达92%;对渗透率为5×10^(-3)/300×10^(-3)μm^(2)的非均质岩心的封堵率达95%。微生物堵剂对开度为30μm的裂缝性岩心的封堵率达84%;对开度为80μm的裂缝性岩心的封堵率接近90%。微生物堵剂既可以封堵不同尺度的多孔介质水窜通道,又可以封堵不同尺度的微裂缝水窜通道,具备封堵低渗透油田多尺度水窜通道的潜力。

睡眠剥夺大鼠脑肠肽改变在大鼠咽喉反流中的作用

目的研究睡眠剥夺大鼠血清中脑肠肽改变在大鼠咽喉反流发病中的作用。方法选取40只健康成年雄性SD大鼠,分为实验组和对照组,对照组正常睡眠,实验组分为三组,每组10只,用改良多平台水环境法剥夺8 h的白天睡眠,分别持续1、2、3个月,用ELISA法检测各组外周血中胃泌素(MTL)和生长抑素(SS)浓度,放射免疫法检测外周血中胃动素(GAS)浓度,比较各组结果。结果睡眠剥夺2月组GAS浓度明显低于对照组,睡眠剥夺3月组GAS浓度明显高于1月组和2月组(P<0.05)。三个实验组与对照组之间比较MTL浓度差异均无统计学意义(P>0.05),睡眠剥夺2月组MTL浓度明显高于3月组(P<0.01)。各实验组与对照组之间、三个实验组之间SS浓度均无统计学差异。结论睡眠剥夺可能通过影响GAS和MTL的分泌与大鼠咽喉反流的发生相关。

基于实际工况的燃料电池水气传输及相变规律研究

利用CFD软件建立二维多相质子交换膜燃料电池单电池模型,对不同工况下质子交换膜燃料电池内部水气传输及相变过程进行仿真。在试验验证及元无关性验证的基础上,分析起步工况、加速工况、急停工况下的质子交换膜燃料电池内部状态变化。研究结果表明:当电流密度为1500 mA/cm^(2)时,质子交换膜燃料电池功率密度达到最大值654.9 mW/cm^(2);起步工况下,质子交换膜燃料电池内部反应会在达到额定功率10 s后逐渐达到平衡;加速工况下,三次方加速模式的最低液态水饱和度界面、水-气相界面的持续时间最长;急停工况下,质子交换膜燃料电池的突然停机会使得其仍保持与停机前相近的状态。

异质结构Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)纳米线网络催化剂的原位表面重构实现大电流密度下全水分解

利用可再生能源发电,并通过低温电解水技术生产氢气,被认为是一种环保且可持续的制氢途径,是未来氢能发展的重要方向之一.采用该方法生产的氢气因其环保特性而被称为“绿氢”.然而,目前绿氢高昂的生产成本限制了电解水制氢技术的大规模应用.因此,开发先进的非贵金属催化剂和电催化体系以降低电解水制氢成本具有重要意义.界面工程是一种提升非贵金属催化剂电解水性能的有效策略,但目前对其催化活性位点的识别及活性提升机制的研究仍然不足.本文采用简单的水热及低温磷化法制备了具有丰富异质界面的Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂,并研究了其在电解水过程中的催化活性位点及这些位点在提升催化能力方面的协同作用.采用扫描电镜(SEM)证明了Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂呈现纳米线网络结构,这种结构不仅有利于增加催化剂的电化学活性位点和加速反应动力学,而且促进了连续产生的气泡从活性位点逃逸,从而提高了催化剂的机械稳定性.电化学研究结果表明,所制备Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂在1.0 mol L^(‒1)KOH溶液中表现出较好的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)活性,分别仅需218和127 mV的过电位,即可达到100 mA cm^(‒2)的电流密度.将Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF分别作为阴极和阳极构建双电极电解槽,该装置产生100和500 mA cm^(‒2)的电流密度分别仅需1.68和2.05 V的电压,这一性能优于大多数已报道的自支撑过渡金属磷化物催化剂.多步计时电位测试结果进一步证实了Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF作为阳极和阴极材料在水分解过程中具有较好的长期耐久性.X射线光电子能谱和差分电荷分析表明,电子从富电子的FeP_(4)向缺电子的Ni_(2)P和CoP转移,这促使Ni_(2)P和CoP上的电子积累和FeP_(4)上的空穴积累,有利于优化反应中间体的吸附和脱附自由能,提升OER和HER催化性能.结合X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和原位拉曼光谱结果发现,催化剂重构后形成的特定(氧)氢氧化物结构,是OER反应真正的关键活性位点.原位拉曼光谱进一步证实了异质界面促进了OER过程中Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF的快速重构.此外,利用密度泛函理论分析了催化剂的HER反应机理.计算结果表明,H2O优先吸附在Fe位点并发生水解,随后产生的H*吸附在Ni位点上并发生解吸,从而促进了催化剂中Fe和Ni活性位点的高效利用.同时,CoP的引入提高了Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂的水吸附和解离能力,进一步提升了其HER活性.综上所述,本文通过简单的水热及低温磷化法制备了具有丰富异质界面的Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF过渡金属磷化物纳米线网络催化剂,并将其用于碱性水分解.通过多种表征技术及理论计算结果分析,识别了电解水过程中的关键催化活性位点,即催化剂重构后形成的特定(氧)氢氧化物结构,并揭示了其在OER和HER反应中的催化机制.本研究可为高性能碱性电解水催化剂的理性设计和开发提供参考.

我国闭坑煤矿矿井水水质演化研究进展与展望

随着我国煤矿矿井关闭数量的逐渐增加,闭坑矿井水水质恶化和污染问题日益突出,准确掌握闭坑矿井水水质演化规律及机制,是目前闭坑矿山可持续绿色发展的重大科学难题,也是地下水污染有效防控和水资源合理开发利用的重要前提。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了我国关闭矿井的分布情况,之后分别对闭坑矿井水水质特征、水质演化规律及水质演化的多场作用等方面展开综述,最后对我国闭坑矿井水水质研究中存在的关键问题和应用方向进行了展望。研究结果表明:①截至2023年底,我国关闭矿井的数量已经上升到13000多个,主要分布在山西、河南、河北、山东、江苏和安徽北部等地区;②我国部分闭坑矿井水的pH、矿化度、硫酸盐、氟化物和铁锰重金属等水质指标含量超过Ⅲ类水标准,其中酸性矿井水(pH<6.5)主要分布在云贵、鲁西、山西等地区,高矿化度矿井水(TDS>1000 mg/L)主要分布在鲁西、山西、河南、两淮、蒙东、宁东、新疆等地区,硫酸盐矿井水(硫酸盐质量浓度>250 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东、宁东、神东、新疆哈密等地区,氟化物矿井水(F质量浓度>1.0 mg/L)主要分布在两淮、山西、神东等地区,铁锰重金属矿井水(Fe质量浓度>0.3 mg/L、Mn质量浓度>0.1 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东等地区。③在闭坑矿井被完全淹没之前,其水质在空间上会出现明显的分层现象,即浅部的优质水层、中部的过渡水层和深部的劣质水层,这主要与矿井采掘空间分布、地温梯度和盐度等因素有关。④煤矿关闭后,矿井水水质的演变过程大致可分为3个阶段,第Ⅰ阶段为矿井水中典型污染物(硫酸盐和铁离子)质量浓度快速上升达并到峰值阶段,第Ⅱ阶段为污染物浓度快速下降阶段,第Ⅲ阶段为矿井水水质与邻近含水层地下水水质背景值相同并保持相对稳定阶段。⑤系统总结了我国闭坑矿井水动力场、水化学场、微生物场和温度场的研究进展,指出了闭坑矿井多相(水−岩−气−生)多场(水化学场−水动力场−微生物场−温度场)耦合作用机制的研究还不充分。⑥提出了我国闭坑矿井水水质演化问题的研究仍然面临着水质演化规律和水质演化机制不清楚等关键科学问题。

基于多准则决策和博弈论的水权配置分析:以浙江省为例

【目的】水资源的配置是解决水资源冲突的一个重要途径。统筹考虑用水主体的社会经济发展和决策交互等情况,以期合理配置水权。【方法】以浙江省为研究区域,分别基于多准则决策来构建指标体系以及基于博弈论构建主从博弈模型进行水权配置,并联系实际情况对配置结果进行对比分析,探究两种方案的适用性。【结果】结果显示:两种方案总水权相同,博弈论方案用水总收益为65167亿元,较多准则决策方案的59649亿元提升了9%;两种方案在绍兴、金华和台州等城市的水权配置结果以及总收益十分接近,博弈论方案水权分配结果较符合各地区用水需求,多准则决策方案在衢州、湖州和丽水的水权分配远超其需水量。【结论】多准则决策方案在信息较少时可依据各项指标对水权进行粗略度量。构建的水权配置指标体系有其合理性,但定权及评价等还不完善,配置结果与实际需求存在差距。主从博弈模型能够有效调和不同层次的冲突,满足用水个体供水保证率,水权配置结果也更科学合理,可在一定程度上约束水资源的浪费和低效利用情况。研究对比分析了两种方案的水权配置结果,可为管理者进行水权分配科学决策提供一定参考依据。

干旱地区河槽暗蓄雨洪资源化利用模拟

目的 研究利用雨洪资源解决干旱地区用水短缺问题,提出利用河槽暗蓄收集雨洪最佳工程方案,为该类工程的设计提供参考。方法 应用Visual Modflow软件模拟研究辽西喀左地区内第二牤牛河流域中不同调蓄方案和拦蓄入渗方案对河槽暗蓄雨洪资源化的影响。结果 通过不同调蓄方案的对比,采用可调控悬挂截渗坝代替现有截渗坝时,雨洪资源利用率可提高至20.3%;通过不同拦蓄入渗方案的对比,“不清河床+坑塘+拦水堰”方案的雨洪资源入渗量为天然条件下雨洪资源入渗量100倍以上。结论 河槽暗蓄雨洪资源化工程最佳的拦蓄入渗和调蓄组合方案为在“不清河床+坑塘+拦水堰”的情况下采用可调控悬挂截渗坝,可显著提高雨洪资源利用率。

基于Sentinel-2多光谱遥感影像的小浪底水质反演

多光谱遥感技术可根据遥感波段信息反演水质参数,降低监测成本,提高监测速度和质量,为大范围水环境监测提供了一种新的方法。通过分析小浪底水库的Sentinel-2多光谱影像以及采样点实测水质数据,建立了最佳光谱波段的水质参数反演模型,对小浪底水库的化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH_3-N)进行了遥感反演,验证了反演模型的精确度和稳定性,并反演了各水质参数的空间分布规律。结果表明:在4种水质参数反演模型中,COD模型精确度和稳定性最高,其次是TP、TN,最低的是NH_3-N,水库出水口和部分边缘COD质量浓度较高,水库中心TN、TP和NH_3-N质量浓度高于边缘处。

一种分光光度法实现的多参数水质在线检测仪

针对传统分光光度法实现的水质在线检测仪存在的检测参数单一、效率低下、光源受环境温度干扰等问题,设计了一种高效快速的多参数水质在线检测仪。该仪器以总磷、CODCr、氨氮为检测对象,通过优化检测流程提高了检测效率。同时采用双光束测量法补偿光源受环境温度的影响。经性能测试显示,该仪器在示值误差、重复性、零点漂移、量程漂移等关键指标上均优于国家标准。

超深层多重介质储层径向非稳态水侵模型

为进一步认识超深层多重介质储层的水侵规律,将水体分别考虑为无限大水体和封闭水体,建立了其关于双重介质储层和三重介质储层的径向非稳态水侵模型。利用拉普拉斯变化等数学方法对模型进行求解,得到拉普拉斯空间下的累计水侵量解,再通过数值反演即可获得实空间下的累计水侵量解。绘制了无限大水体多重介质储层和封闭水体多重介质储层的水侵曲线,对两种水体的水侵曲线进行了对比分析以及对多重介质储层水侵曲线进行了参数敏感性分析。最后,选用塔里木盆地超深层缝洞型油藏的现场数据并结合物质平衡原理对模型进行了验证分析。研究表明,无限大水体水侵曲线不断上升,封闭水体水侵曲线后期保持平稳且有“水侵台阶”出现;水体半径和储容比主要影响水侵曲线的位置高低;窜流系数主要影响“水侵台阶”出现的时间早晚;该水侵模型能准确地求取累计水侵量大小。建立的水侵模型以及绘制的水侵曲线可为超深层多重介质储层水侵机理研究提供理论参考。

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。

基于超疏水滤膜的绝缘油多级过滤除水新工艺

低含水量的绝缘油具有较高绝缘水平,是电网安全、稳定运行的重要保证,这就需要将绝缘油含水量维持在较低区间内,文中致力于解决超疏水滤膜用于绝缘油除水的问题。采用喷涂法能将超疏水SiO_(2)纳米粒子均匀粘接在PP滤芯、滤布、滤纸表面,获得与水接触角大于120°的疏水滤膜。在此基础上,疏水PP滤芯由于精度低,故适用于大通量的绝缘油1级过滤,疏水滤布配合串联过滤装置用于2级过滤可在承受较高油压的同时进一步除去绝缘油中的水,超疏水滤纸除水能力最强,故适用于高精度的绝缘油3级过滤。这种多级过滤可将绝缘油含水量降至10 mg·L^(-1)以下,除水效率高且能满足不同种类绝缘油的除水要求。

基于CEEMDAN-VMD-TCN-lightGBM模型的水质预测研究

针对目前水质预测模型中因为数据本身的复杂性、在信号处理过程中存在的噪声干扰以及分解深度不够导致单一分解难以全面捕捉信号非线性特征的问题,提出了一种基于二次分解的水质预测模型。该模型采用完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)对原始数据进行分解,再利用变分模态分解(VMD)对熵值最高的模态分量进行二次分解,最终将处理后的时间序列输入到TCN-lightGBM多特征预测模型中。同时,采用麻雀算法(SSA)对预测模型进行优化。以山东省玉符河水质为例,本模型的均方根误差(RMSE)是0.1053,平均绝对误差(MAE)是0.0815,决定系数(R2)是0.9471,与GRU、LSTM、LightGBM、TCN等当下较为流行的模型的预测指标进行比较。结果显示,在R2上本模型提升了53.04%、70.41%、66.07%、65.20%等,在RMSE上减少了62.76%、65.50%、64.93%、64.80%等,在MAE上降低了62.76%、66.24%、63.80%、65.24%等。由此可知,基于CEEMDAN-VMD-TCN-lightGBM的模型具有更好的预测性能、泛化能力和捕捉信号非线性特征的能力。

青藏高原水循环中高原低涡及多季风交汇的研究进展

青藏高原以其特殊而强大的动力和热力效应,导致东亚季风、印度季风和高原季风在高原及周边地区交汇。受多季风交汇影响,青藏高原低涡的水循环过程极为复杂,而高原低涡水循环异常往往可造成高原及周边乃至我国中东部地区频发灾害性天气,因此一直是国内外学者关注的热点和难点问题。本文回顾了国内外关于高原低涡活动特征、结构特征、生成发展机制等方面研究进展,从高原低涡水汽输送、低涡降水和云—降水物理过程等角度概括了高原低涡参与水循环过程研究成果,在总结东亚季风、印度季风和高原季风相互作用研究的基础上分析了多季风交汇对高原水循环的影响。对多季风作用下高原低涡影响水循环方面存在的问题进行了讨论,并展望了未来研究方向。