太湖流域洪水与水量调度方案修订的认识与思考

太湖流域经济社会的快速发展对流域调度工作提出新的更高要求。回顾了《太湖流域洪水与水量调度方案》实施以来流域防洪与水量调度的实践,总结分析了方案修订背景、总体考虑以及修订的主要内容,并作出展望与思考。

基于水供需服务流及外溢价值核算的太湖流域横向生态补偿机制

通过生态补偿协调流域内经济发展与生态保护的关系、缓解上下游利益相关者之间的矛盾是保障流域经济社会可持续发展的关键措施,而流域生态补偿核定的关键在于两点:一是如何模拟并量化水供需服务流动的流向、流量、流速及路径以明确供需双方及其空间关系;二是如何实现栅格尺度-地理单元-行政单元的尺度推演以实现不同行政单元之间生态系统服务的盈余、占用、外溢核算。整合卫星遥感、经济社会统计、水文气象观测等多源异构数据,集成水量平衡、水供需服务流动、生态价值核算等方法,构建了基于水供需流动及其外溢价值核算的流域横向生态补偿标准核定框架,利用D8流向法解决了水供需服务流动的流向、流量、流速及路径模拟与量化,实现了“栅格尺度-地形单元-行政单元”空间尺度推演的外溢价值核算,形成了流域内横向水生态补偿资金收取与分配方案。以太湖流域为例,在全面分析水资源外溢、占用及其价值的基础上,解析了县域尺度的水供需时空关系、流动路径及属性特征,辅以水质指标进而明确界定了责任方与补偿对象,形成了补偿资金收取与分配方案。结果表明,太湖流域水供需双方界线清晰、服务流近似于自然汇流过程,供给方以流域西部、西南部、中部县域为主,特别是西部至中部的县域,应受偿资金较多,平均各县应受偿资金比例超过2%/a,应受偿资金最多的嘉善区,比例超过19.66%/a;需求方聚集于流域中部、东部,特别是黄浦江自然汇流沿岸县域,应收取补偿资金较多,平均各县应收取资金比例超过5%/a,应收取最多的浦东新区,比例超过15.48%/a;净补偿资金基本呈现西高东低的分布特征,流域的大部分城市核心区的县域净补偿资金为负值。研究的核定框架、量化核算方法、资金统筹方案可应用到其他流域的横向生态补偿机制构建,实现流域内部与流域之间生态保护和经济发展的整体协调。

太湖流域水环境治理工程土地节约集约利用评价研究

土地节约集约利用评价及其障碍因子诊断对固守耕地红线、保障国家粮食安全具有重要意义,以太湖流域为例,从建设过程和建设结果两方面构建水环境治理工程土地节约集约利用评价体系,选择信息熵改进TOPSIS模型研究太湖治理工程土地节约集约利用现状及变化趋势,并通过障碍度模型进行障碍因子诊断。研究结果表明:太湖治理工程土地节约集约综合利用水平整体随着时间的推移呈平稳上升趋势,太湖治理工程土地集约利用水平排序依次为新孟河工程(0.564 4)、新沟河工程(0.480 5)、走马塘工程(0.431 6),均处于适度利用等级(Ⅲ级),存在较大提升空间;影响太湖治理工程土地节约集约利用的障碍因子存在差异,障碍度变化各不相同,但总体呈现障碍因子集中、重要障碍因子具有较为明显共性的特点。

太湖流域防洪新形势及治理对策

太湖流域是我国经济最发达、人口最密集、城市化程度最高的地区之一,也是洪涝灾害威胁较为严重的地区。近20多年来,流域经济社会高速发展,下垫面剧烈变化,导致区域河网水位大幅度抬升,加之周边水情变化及极端天气影响,流域防洪面临较大风险与挑战。在系统分析流域防洪体系现状及面临形势的基础上,提出新形势下构建高质量现代化防洪减灾体系的思路,为流域经济社会高质量发展保驾护航。

基于PSR模型的太湖流域生态健康评价及主要影响因素

压力—状态—响应(PSR)模型能反映社会经济状况对湖泊水体生态环境带来的影响。基于PSR模型,构建包含人口密度、流域植被指数、换水周期、浮游植物多样性指数等18项指标的评价指标体系,评价太湖流域生态健康状况。选取1999年、2007年作为历史对照年份,将2011—2020年流域健康状况与对照年份进行比较,分析太湖流域生态健康状况变化。结果显示:1)所构建的指标体系状态层、压力层、响应层权重分别为0.418、0.291、0.291,对太湖流域生态健康产生较大影响的指标主要为大型水生植被覆盖度、湖泊总磷达标率、环保投资占GDP比例、湖泊综合营养状态指数(TSI)、水资源利用开发率及浮游植物多样性指数,其总贡献率为51.74%。2)1999年、2007年太湖流域生态健康评价结果为不健康,2011—2020年处于一般健康至健康状态,其中2015年、2017年生态健康评价指数降低,但总体上2011—2020年流域健康状况呈好转趋势。2011年之后太湖流域健康状况好转主要得益于近十几年中央与地方合力进行流域治理、生态修复和综合管理。2015年、2017年流域生态健康指数波动主要归因于不利的气象因素。3)大型水生植被覆盖度、湖泊总磷达标率、湖泊TSI、浮游植物多样性指数这4项指标的变化与太湖流域生态健康评价指数的变化及健康水平相关性较高,近20年来环保投资占GDP比例的提高、水资源开发利用率的优化在一定程度上减缓了这4项指标下降对太湖流域生态健康带来的不利影响。

基于XGBoost-SHAP模型的太湖流域居民生态补偿支付意愿影响因素研究

在对太湖流域居民生态补偿支付意愿调查的基础上,基于可解释机器学习模型XGBoost-SHAP分析了居民生态补偿支付意愿的影响因素,并比较了有支付意愿和没有支付意愿居民之间影响因素的差异。结果表明:影响太湖流域居民生态补偿支付意愿最重要的3个因素为学历、收入和生态环境保护意愿;单个居民之间的支付意愿影响因素呈现一定的差异,尤其是有支付意愿和没有支付意愿居民之间的影响因素差异显著;总体而言,增强居民生态环境保护意识和加大生态补偿政策的宣传可以提升流域居民参与生态补偿的意愿。

太湖流域农村面源污染治理现状与前景研究

分析了太湖流域农村面源污染现状、调查方法、治理技术及过往的环境管理经验,指出近年来的治污工作虽然有效控制了城镇点源污染,但对经济基础相对薄弱的乡村地区面源污染的治理效果仍然不佳。基于太湖流域农村面源污染治理在技术层面已经形成的以分散式污水处理设施净化乡村生活污水、以径流截污工程治理暴雨径流污染、以源头减排和污染截留技术治理农业生产污染的系统化体系,提出了将面源污染治理与农村产业优化、基建升级、高标准农田建设、生态湿地推广等目标相结合,在多要素协同/权衡的思路下加强环境治理技术与政治经济领域融合等研究展望。

太湖流域防洪治理实践与思考

太湖流域是典型低洼感潮平原河网地区,一直受洪涝灾害威胁。新中国成立后,经过多年建设,太湖流域初步建立了流域防洪减灾体系,成功应对了多场次洪水。回顾新中国成立以来太湖流域防洪治理历程和方略,可分为“分散治水、一轮治太、二轮治太”3个阶段,总结了3个阶段的人水关系,以及历经实践形成的“蓄泄兼筹、洪涝兼治,高低分开、分层设防,引排结合、综合治理”防洪治理方略。同时,采用水文统计及数学模型模拟等方法,研究了当前流域高度城镇化和气候变化背景下面临的防洪新形势,剖析了流域防洪面临的人水地矛盾突出、防洪焦点由太湖转化为河网、区域短历时降雨影响加剧和周边潮位呈波动上升趋势等新问题,探讨了新时期太湖流域韧性防洪减灾体系的设想,包括深化人水和谐理念、强化“四个转变”治理思路、采用“蓄泄兼筹、洪涝并治,分区扩排、两网统筹,多措协同、智慧管控”治理策略等。研究成果可为新时期太湖流域防洪治理提供参考。

太湖流域节水型社会建设效益评估及建议

“十三五”时期,太湖流域全面推进县域节水型社会建设工作并取得了一定的节水效益。以2011—2020年太湖流域生活、农业、工业、服务业等领域用水数据为基础,分析评估了节水型社会建设以来各领域节水效益。评估结果为太湖流域“十三五”时期农业灌溉节水量约8.2亿m^(3),工业节水量约316.6亿m^(3),服务业节水量约1.6亿m^(3),生活节水效益尚不显著。并针对流域不同用水领域提出了后续节水工作建议。

太湖流域线性水利工程土地节约集约利用需求及思路研究

太湖流域经济发达、人口众多,土地开发强度较高,人均土地资源有限,对线性水利工程的占地规模提出了更高的要求。为充分响应国家关于节约集约工程用地的政策,线性水利工程建设应根据建设规模、工程效益、社会环境等不同的条件,构建工程集约用地评价指标体系,发现工程集约用地的客观规律,通过优化调整工程布局与规模,尽可能减少土地的占用,提高工程集约用地水平,为后续线性水利工程节约集约用地提供新的思路与方法。

太湖流域超标洪水应急调度效益评估

太湖流域水利工程众多、调度复杂,科学评估水利工程洪水调度减灾效益对流域制定工程方案、预案具有重要意义。采用太湖流域洪涝淹没仿真模型及太湖流域洪灾损失评估模型,可模拟不同情景下的流域河网水位、水量及洪水淹没情况,并根据洪水淹没特征分布,评估不同水工程调度后的洪灾损失。以太湖流域发生2020年超标洪水为背景,分别模拟了采用常规调度方案和应急调度方案两种情景下太湖流域洪涝灾害情况,评估了采用超标洪水应急调度方案在2020年洪水防御中发挥的减灾效益。结果表明:采用超标洪水应急调度方案在发挥水利工程减灾效益方面作用明显,尤其是可提高太浦河、望虞河两条太湖主要泄洪河道的排水能力,可降低太湖水位0.31 m,缩短高水位持续时间1~22 d,减少淹没面积180.1 km^(2),减少流域直接经济损失约16.2亿元。研究成果可为太湖流域洪水调度方案、预案制定工作提供参考。

应对极端暴雨洪水与提升防洪安全韧性研究——以太湖流域为例

为应对类似于河南省郑州市“7·20”特大暴雨可能带来的灾害风险,保障极端暴雨条件下的太湖流域防洪安全,提升流域防洪韧性,将郑州“7·20”特大暴雨移植到太湖流域,采用水文水动力学耦合模型推演现状骨干防洪工程体系(太浦河、望虞河、江南运河、沿长江、沿杭州湾等)3种洪水调度条件下,太湖流域、水利分区与城市代表站应对极端暴雨洪水的响应情况。研究表明:将暴雨中心移植至太湖流域武澄锡虞区,3天累计降雨量达398.0 mm;现状调度下北部分区代表站最高水位分别较有记录以来的历史最高水位偏高0.15~0.88 m,外圈全力排水调度下北部分区水位较历史最高水位偏高0.07~0.76 m,内外圈全力排水调度下北部分区水位较历史最高水位偏高0.03~0.28 m,无锡(大)站水位峰值将会降至5.78 m,低于江南运河无锡段现状堤顶高程。研究成果有助于提升流域、区域与城市应对超标准暴雨洪水的应急处置能力,为强化太湖流域洪涝灾害风险感知、预报预警、风险研判、调度决策、响应联动等关键环节提供技术支撑和科学依据。

太湖流域湖西区典型降雨与洪水特性分析

全球气候变化和城市化发展导致太湖流域降雨径流特性发生显著变化,根据长系列雨量资料和代表站水位资料,对流域上游湖西区降雨类型、空间和时程分布、洪水特性进行分析研究,重点对比分析1991、2016和2020年三个流域大水年份的降雨与洪水特性。结果表明,湖西区洪水主要由梅雨造成,2016年暴雨相比于1991年对湖西区影响更大,需考虑作为新不利降雨典型进行暴雨推求设计洪水。研究成果对于目前太湖流域和地区防洪规划修编具有参考价值。

太湖流域平原区生态清洁小流域建设模式研究

太湖流域地处长三角核心区域,以平原区为主,区域河网密布,水运发达,河道边坡侵蚀和人为活动是造成太湖流域平原区水土流失的主要原因。生态清洁小流域建设是太湖流域新时代水土流失综合治理的重要内容,近年来相关省(市)积极开展建设,其建设内涵、建设覆盖范围和建设模式等均有较大创新和突破,急需加强研究凝练并组织推广。对太湖流域平原区生态清洁小流域建设模式进行了研究,梳理掌握了建设现状和建设难点,凝练提出了建设指导思想和总体目标,归纳总结了建设单元划分原则和水源保护型、生态休闲型、绿色产业型、美丽宜居型4种主要建设类型的特点,研究提出了生态功能修复、河湖水系治理、面源污染防治、水土流失综合防治及人居环境改善5类重点建设任务。

基于太湖流域模型的国控断面水质达标方案研究

近年来,运粮河新河桥国控断面水质情况极不稳定,超标问题频出。为了满足国控断面水质长期达标要求,通过评估现状分析得出新河桥断面水质超标主要影响因子,基于太湖流域模型建立研究区域的水量水质耦合模型,从水体有序流动的理念出发,提出5个国控断面水质治理方案,并通过率定验证后的模型进行效果模拟分析。结果表明:方案三在保证河道配水的同时提高了金山湖流动性,可作为新河桥国控断面水质达标的推荐方案。该研究采用影响因子分析、模型模拟以及结合有序流动理念的方案设计与评估得出了新河桥国控断面水质治理最优方案思路,可为国控断面水环境治理提供参考。

江苏省太湖流域防洪除涝减淹面积分析

为分析近70年来江苏省太湖流域水利工程建设实施后产生的防洪除涝效益,选取不同降雨量级的典型年,利用太湖流域河网水文水动力模型,还原模拟工程前后遭遇典型年降雨的洪水位,结合面积、容积与高程关系曲线计算出典型年淹没面积,并建立淹没面积与典型年控制时段降雨量的相关关系,结果表明近70年来江苏省太湖流域减淹,效益十分显著。

太湖流域北部江河湖水系连通工程联合调度优化与水质提升关键技术研究

项目完善了太湖流域河网水动力水质数学模型,模拟和分析了望虞河、新沟河、新孟河、走马塘等流域骨干河道独立运行和联合调度对沿线河湖水位、流量、水质等的影响,研究了细颗粒泥沙吸附磷的规律和减磷方法,开展了引水沿线湖荡徐家大塘生态湿地设计。

太湖流域水生生物群落结构与水生态质量状况分析

研究水生态环境功能的整体性是树立一个生命共同体的基础。本研究于2020年,对江苏省太湖流域49个水生态环境功能区水生态监控点位进行水质、底栖动物和浮游植物调查;评价了太湖流域水生态环境功能区底栖动物和浮游植物群落结构和其质量状况,分析了水质目标和水生态质量目标达标情况。研究结果表明,太湖流域57个点位共获得底栖动物物种94种,底栖动物群落前二位优势种为霍甫水丝蚓和河蚬,17个湖库点位共获得浮游植物物种247种,隶属7个门113属,硅藻门57种、蓝藻门51种、绿藻门107种、隐藻门7种、甲藻门9种、裸藻门15种和金藻门1种,优势种属于微囊藻属,太湖流域底栖动物、浮游植物群落结构呈向好发展趋势;太湖流域4个水生态功能分区中底栖动物、浮游藻类质量指数评价等级均为“一般”,均低于水质指数评价等级(“中”~“良”);对照2020年管理目标,太湖流域49个水生态环境功能分区水质目标达标率为81.6%,远高于水生态质量达标率(40.8%)。综上所述,本研究结果表明,水环境管理应尽快从水质目标管理向水质、水生态双重管理转变。

跨域水污染协同治理SFIC修正模型研究——来自太湖流域的证据

跨域水资源协同治理是水生态环境保护的重要问题。治理的复杂性和系统性表明,单一部门或单一主体的传统分散型治理模式,导致跨域水污染治理收效甚微。基于SFIC模型并在原有基础上对其适当修正,以“外部环境—起始条件—催化领导—制度设计—协同过程—评估问责”六个要素为分析框架研究太湖水污染治理过程,并据此提出跨域水污染协同治理的完善路径。从一个整体的视角出发提升跨域水污染的系统治理水平,这对提升跨域环境保护协同治理能力、化解生态环境治理“碎片化”困境以及建设美丽中国具有重要意义。

太湖流域高度城镇化地区畅流活水多目标调度决策研究

随着城市化进程的加快,高污染负荷、弱水动力条件、强人工干预导致的平原河网地区河道水质恶化、生态衰退已成为制约城市高质量发展的瓶颈之一。结合太湖流域高度城镇化地区水文水动力特性,构建了水动力-水质耦合模型,模拟了不同情景下河网水动力与水质情况。统筹考虑水质改善、水动力提升、经济成本等多目标,建立了活水调度多目标决策体系,基于模糊层次分析法确定评价体系水质改善、水动力提升与经济成本指标层权重分别为0.390、0.345、0.265,为各指标层设计对应的要素层,并利用模糊综合评价法进行评价。结果表明,针对不同调度情景下水质改善、水动力提升及经济成本等多目标的决策,利用多目标调度决策方法可有效确定效果最佳的工程调度情形。太湖流域高度城镇化地区区域性控制工程对畅流活水效果的影响要远大于锡山区控制工程,运东大包围城市防洪工程调度模式对研究区活水效果的影响最大。比选出的最优活水方案实现的研究区活水效果为水质达标率82%,水质平均提升率31%,Ⅲ类水断面占比61%,平均流速0.10 m/s,较优流速占比39%,滞水率32%。相较于传统的单指标或多指标简单比较的决策方法,多目标调度决策方法更具有综合性、合理性,可为太湖流域等平原河网高度城镇化地区畅流活水及水环境综合治理提供技术支撑。