南水北调中线工程水源区和受水区的降水时空变化特征及丰枯遭遇

[目的]基于1950—2022年时间序列ERA5再分析降水数据,探究南水北调中线工程水源区和受水区降水量时空变化特征,旨在保障跨流域调水的可行性和持续性,为南水北调中线工程水资源调度和运行管理提供科学参考。[方法]采用Mann-Kendall检验、小波分析、云模型以及Copula函数等方法,分析水源区和受水区降水变化趋势以及丰枯遭遇特征。[结果]①1950—2022年南水北调工程水源区和受水区分别按照年降水量34.75和39.35mm/(10a)幅度减少,水源区年降水量存在43a的主周期,受水区年降水量存在55a的主周期。②云模型隶属云图夏季降水量分布不均且离散程度较高,而冬季分布均匀且较集中。③调水不利的组合汛期和非汛期遭遇频率分别为23.15%和25.92%。[结论]水源区和受水区年降水量均呈现明显减少趋势,水源区丰枯交替变化显著;南北丰枯异步概率大于丰枯同步,同枯频率不高,有利于调水工程的安全性和可靠性。研究结果可为制定南水北调中线工程相关政策和技术指导提供理论依据,有助于工程的规划和管理,提高水资源利用效率和可持续性。

南水北调中线工程输水建筑物整流累积效应研究

为分析输水建筑物整流对南水北调中线工程输水能力的影响,以陶岔渠首闸至十二里河渡槽渠段为例,建立一二维耦合水动力模型,其中渠道段采用一维模型,4个输水建筑物段(刁河渡槽、湍河渡槽、严陵河渡槽和淇河倒虹吸)采用二维模型,利用多年实测数据对耦合模型进行率定。分别对无整流方案和15种整流方案进行模拟计算,分析不同整流方案对上下游的影响,进而确定水头损失最小的整流方案。结果表明:单体整流影响范围为建筑物上下游3~5 km,多个建筑物整流的累积效果小于单个建筑物整流效果的线性叠加;对渠段中间2个输水建筑物(湍河渡槽、严陵河渡槽)进行整流的效果优于对上下游2个输水建筑物(刁河渡槽、淇河倒虹吸)进行整流的效果。

新形势下南水北调中线工程智慧调度的研究框架思考

南水北调中线工程智慧调度是新形势下实现精确精准调水、支撑工程高质量发展的重要途径。系统分析了南水北调中线工程通水以来的运行条件变化,提出了新形势下中线工程智慧调度需解决的关键科学技术问题,并提出了未来重点研究内容:要在研究复杂调水系统多水源多用户水资源均衡调配方法基础上,研发中线工程多场景输水智慧调控技术、事故智能预警与精细控制技术体系、决策支持平台,形成中线工程调度的科学决策管理模式,为国家水网重大工程智慧调度管理提供科学应用范式。

南水北调中线工程突发水污染生态补偿机制研究

突发水污染已成为制约南水北调中线工程可持续调水的重大安全隐患,亟须解决南水北调中线工程突发水污染的生态补偿机制设计问题。针对应由中线局承担责任的南水北调中线干渠突发水污染场景,从多利益相关者合作视角出发,明确了中线局向纳污地政府提供生态补水的突发水污染生态补偿机制,基于合作博弈理论,构建了中线局与纳污地政府合作联盟的纳什议价模型,并以河南省邓州市为例开展研究,主要研究结果表明:①生态补水天数与纳污总损失呈现出显著的正向相关关系,且伴随纳污总损失逐步增大,中线局议价能力对补水天数的影响能力呈现出边际递减特征。②中线局生态补水成本与生态补水天数具有显著的正向关系,随着中线局议价能力的增强,生态补水成本的规模效益呈现一定的弱化趋势。③在一定的生态补水规模范围内,中线局与纳污地政府能够达成有效的合作联盟。

南水北调中线工程水源保护现状、问题及建议——以湖北省丹江口库区为例

南水北调中线工程关系着北方四省(市)的饮水安全、经济发展和生态安全。本文通过考察和梳理丹江口库区水源保护的实践探索,发现存在现行法律法规不能满足丹江口库区水源保护的需要、水质执行标准差异导致库区水质保障难度大、维护库区水质稳定存在资金缺口等问题。据此,本文提出从国家层面或区域协同开展中线工程水源保护立法工作、健全水源区保护资金投入体系、加强区域协作统一水质执行标准的路径建议。

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。

南水北调中线工程河南段边坡土壤特性及生态护坡效益研究

南水北调中线工程河南段护坡植被退化给维护生态护坡结构稳定和推进工程沿线生态恢复带来极大的影响。为研究南水北调中线工程河南段边坡土壤特性对植被生长的影响,并探究实际生长环境下不同边坡植被的水土流失防护效益,取样4个等级植被盖度的土壤进行土壤理化特性分析,并选取4种常见护坡草种,营造实际植被生长环境,探析不同植被对土壤氮素和有机质含量的影响,通过模拟强降水条件,分析不同草种的水土流失防治能力。结果表明:①南水北调中线工程河南段边坡土壤含水率较低,土壤密度较大,容易形成土壤板结;土壤氮、磷、钾含量较低,不利于护坡植被的自然生长。②4种常见的草本植物对土壤氮素和有机质含量的影响差异明显,其中马蹄金和野牛草对土壤氮素和有机质的增量效果较为突出;4种草本植物都具有较好的蓄水减沙效益,其中野牛草水土流失防治较为突出,马蹄金次之。综合护坡植被的水土流失防治能力和生态系统修复能力,马蹄金的防护效益最佳。

南水北调中线工程在水利监管的信息化实践研究

水资源是人类生活和社会发展的基础,对于保障国家的经济、社会和生态可持续发展至关重要。然而,由于水资源的有限性和分布不均衡性,水利监管成为了必要且紧迫的任务。基于此,本文对基于信息化南水北调中线工程在水利监管的实践进行了研究,首先对南水北调中线工程信息化系统的主要设备进行了介绍,然后对信息化系统对水利监管的促进作用进行了分析,基于信息化的南水北调中线工程在水利监管的实践研究展示了信息技术在水利领域的重要作用和潜力,以期为相关人员提供参考。

南水北调中线工程核心水源区石漠化治理探讨

淅川县是南水北调中线工程渠首和核心水源区,境内有亚洲第1大人工水库丹江口水库,生态区位十分重要,由于水源区周围的山体主要是喀斯特地貌,土壤脊薄,植被稀少,石漠化问题十分突出。为担起一库清水送京津的重任,治理石漠化迫在眉睫。2016年以来,淅川县根据不同石漠化类型,通过人工造林、飞播造林、封山育林、退化林修复等多种方式进行综合治理,积累了丰富的经验,为石漠化地区石漠化治理提供参考。

南水北调中线工程水源区生境质量时空演变与驱动力研究

本文采用2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用数据,基于InVEST3模型及地理探测器探究了南水北调中线工程水源区近20年土地利用变化特征以及生境质量时空演变特征和驱动因子。结果表明,2000—2020年,研究区土地利用以林地为主,综合土地利用动态度变化较小,单一利用动态度最大为未利用地(9.71%),最小为耕地(-0.32%);2000—2020年研究区在生境质量上呈现先上升后下降趋势,在空间上呈现由南向北、由西向东递减的趋势,高等级生境质量面积占比最大(60.6%);人类活动强度、地形因子、NDVI是影响生境质量分布的主要驱动因素。

南水北调中线工程冬季输水冰情风险研究

针对南水北调中线工程冬季输水冰情的安全运行问题,以南水北调中线工程河北段为研究对象,以热平衡理论为出发点推导出目标单元渠段的整体总热量变化公式;采用单因素局部分析法选出风险评价指标,基于概率论构建了风险评价指标之间的联合概率密度函数,将气象事件发生概率、热量变化率与冰情风险等级一一对应,从而对渠道冰情进行风险评估。对2021年1月6—8日南水北调中线工程河北段输水渠道冰情风险分析结果表明:在整个热交换过程中,短波辐射、蒸发和对流热交换是影响热量变化的主要因素,且夜间渠道的热量散失明显大于白天,加大了夜间发生冰情的风险;沙河节制闸—渠末段虽然与其他渠段风险等级一样,但其单位面积热量损失明显高于其他渠段,接近于极高风险,应加强对该渠段的实时监测并做好冰情防护。

南水北调中线工程2014—2022年冬季水温与冰盖观测分析

南水北调中线工程自2014年12月全线通水以来已运行8个冬季,为防止冰塞冬季输水流量控制为设计流量的30%~50%,严重制约了工程输水效益的发挥。因此,渠道水温和冰盖特性一直是冬季输水关注的重点问题之一。实测数据表明:①冬季输水流量总体逐年增大,最末段保持相对稳定,岗头闸流量约为50 m^(3)s,北拒马河闸约为25 m^(3)s;②冬季气温总体以暖冬居多。保定站最低气温-22.0℃,3日滑动气温极值-10.7℃,短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子;③冬季水温沿程逐渐降低,渠首陶岔闸最低水温6.7℃,渠末北拒马河闸多数年份降至0℃附近。北拒马河闸水温最大降幅10日内由3.5℃降至0℃,期间渠段水温降幅亦达到极大值1.69℃100 km。④2016年冬季冰盖最长达280 km(最南端延伸至午河闸),次之为2015年冬季的73 km和2021年冬季的38 km,有两个冬季未生成冰盖。岗头闸-北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段,应引起关注。基于冰盖生成前实测数据,以初始水温和区间气温为输水条件,拟合给出了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的简化水温模型和冰盖生成临界阈值。初步分析认为:冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子,流量越小气温越低越易生成冰盖,1月出现的短期强寒潮更易于导致冰盖生成。2016年冬季严重冰情是二者叠加的结果,2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发,而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。

南水北调中线工程跨区域转让水价成本核算体系研究

在确定水库与南水北调中线工程总干渠联通技术方案的基础上,将已建水库原水综合成本、联通工程供水综合成本、总干渠输水成本作为应急调蓄供水成本,构建了南水北调中线工程水库应急供水跨区域转让供水成本模型;提出了多水源多目标成本水价核算体系,在多水库联合供水时,将供水成本进行加权综合计算。实例计算结果表明,在不考虑折旧的情况下,南水北调中线工程各水库原水综合成本为0.02~0.44元/m^(3),联通工程供水综合成本为0.04~2.17元/m^(3),多水源联合调度不同用水户供水综合成本为0.60~1.71元/m^(3)。

南水北调中线工程高填方渠道PS-InSAR形变监测

南水北调工程在缓解我国北方地区的水资源紧张状况与改善当地环境方面发挥了重要作用,作为国之重器,保障其安全运营是南水北调工程的重中之重。利用PS-InSAR技术,对2016年10月—2017年6月间南水北调中线工程叶县文庄村高填方渠道进行形变监测。结果表明,渠道东岸约1 km的边坡存在明显变形,最大形变量达到36 mm。对渠道东岸和4个重点监测断面进行纵横断面分析,发现渠道东岸呈现整体性不均匀沉降,且越靠近水域,渠道变形越大,反之则越小。进一步将PS-InSAR监测结果与二等水准数据对比验证,两者超过87%的均方根误差小于±2 mm,且在形变趋势和量值上均高度一致。本研究可为以高填方、深挖方为特征的南水北调渠道安全监测及灾害防治提供可靠的技术支持。

南水北调中线工程水资源市场联动定价配置机制研究

配置机制是影响水资源配置效率的关键因素之一,为进一步提高南水北调中线工程水资源配置效率,采用均衡分析方法,探讨了目前配置机制存在的内生节水激励不足、市场均衡难以实现、水资源稀缺性体现不充分、市场化生态补偿机制不健全等问题,提出了包含供给侧市场、需求侧市场、受水区同一地级市内水权交易市场、受水区不同地级市间水权交易市场的南水北调中线工程水资源市场联动定价配置机制,并分析了各市场的运作机制及价格联动机制。为规避市场机制失灵,从政府监管和工程技术支持两个方面提出了新机制有效运行的保障措施。

南水北调中线工程沿线区域创新合作的共生机制与模式

区域创新合作主体由合作创新而产生了关联,随着合作的延续与深入,信任关系不断加深,创新合作网络将向共生合作网络演进。研究从南水北调中线工程沿线区域创新合作入手,对南水北调中线工程沿线区域创新合作机制以及合作模式进行分析。运用扎根理论进行系统探索,辨识和提取共生要素,构筑其共生合作机制,同时构建了产业链、创新链、资金链、人才链、生态链五链融合合作模式体系,以期对南水北调跨流域创新合作带来新的启示。

南水北调中线工程水位的水动力-神经网络耦合预测模型

南水北调中线工程通常以闸前常水位调度运行,而水位在闸门调控影响下多数处于非平稳状态,探索其变化规律对于监测数据和研究方法均有一定限制和要求。监测数据方面,针对大量的高频监测数据选取均值滤波、滑动平均值滤波、递推中位值平均滤波法、滑动小波变换进行数据预处理,提高数据质量、增强数据预测的可行性。研究方法层面,以BP神经网络模型和长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络模型为主体框架,以水动力模型的模拟数据为辅助支撑,对比单神经网络在不同工况下的预测效果,输出水动力-神经网络组合预测结果。结果表明:数据预处理是数据分析和预测的必要环节,高频数据滤波处理再预测可以提高数据预测的精度;均值滤波、递推中位数均值滤波方式对数据预处理的效果最好,指标合理时滤后决定系数(R^(2))精度均超过0.95,且均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)不超过0.02,准确性高;基于滤后数据进行模型构建,通过对比数据驱动模型和数据-机理双重驱动模型的计算结果,R^(2)维持在0.98附近,RMSE、MAE维持在0.01左右,耦合模型具有更好的稳定性和准确性。

超标准暴雨洪水条件下南水北调中线工程沿线各单元风险评估

对南水北调中线工程沿线639个单元工程风险进行评估,并对灌渠河、贾河、金水河、石门河和沙沟5个典型单元进行重点分析。结果表明:中线工程沿线639个评估单元中,风险事件可能性指数为1的单元占比最大,风险等级以一般风险为主;在5个典型单元中,极端降雨移用(植)后在交叉断面处形成的洪水基本上呈现流域面积越小洪水量级越大的特点。此外,灌渠河排水倒虹吸发生渠顶漫溢的风险低;贾河梁式渡槽、沙沟排洪渡槽和石门河渠道倒虹吸均存在较高的工程风险;金水河渠道倒虹吸在超标准洪水下河道冲刷满足要求,工程风险较低。研究成果对提前部署南水北调中线工程防御超标准暴雨洪水具有指导意义。

南水北调中线工程水体溶解性有机质分子组成特征

为揭示南水北调中线工程水体中溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)的组成变化特征,采集南水北调中线总干渠沿线及丹江口水库水样,利用傅里叶变换离子回旋共振质谱(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry,FT-ICR MS)分析了DOM的分子组成及其空间变化,并探讨了总干渠沿线DOM变化成因和环境意义。结果表明:丹江口水库和总干渠均检出DOM物质3200余种,仅含C、H和O的物质(CHOs)为主要组分,约占所有检出物质的61%,含C、H、O和N的物质(CHONs)占30.5%~31.5%,含C、H、O和S的物质(CHOSs)仅占7.3%~8.4%,结合O/C和H/C分类,丹江口水库和总干渠水体DOM主要组分为木质素(60%以上)。相较于丹江口水库,总干渠水体DOM组分发生了较大变化,蛋白质类组分占比由3.70%升至8.65%,表明总干渠中有蛋白质生成;稠环类物质占比由9.43%下降至4.77%,单宁酸类的变化趋势与稠环类物质类似。总干渠局部区域藻类增殖过程是引起总干渠中CHONs和CHOSs类DOM组分和占比升高的主要原因。研究成果可为科学认识南水北调中线工程水体水质变化过程提供科学依据。

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。