基于改进年内展布法的河道基本生态需水过程分析研究

为科学分析计算河流生态水文过程对径流的年内动态需求,以河南省淮河干流大坡岭站、息县站、淮滨站等3个水文断面为研究对象,基于各站1956~2016年天然月均流量数据,运用改进的年内展布法计算生态流量过程,并与原年内展布法、Q p法、近10年最枯月平均流量法、Tennant法及最小月均径流量年内过程进行综合对比分析。结果表明,淮河干流河南段从大坡岭站到息县站、淮滨站基本生态流量依次增大,各水文断面一般用水期基本生态需水量在多年年均径流量占比达10.5%~11.8%,鱼类产卵育幼期占比达24.9%~30.0%。改进的年内展布法分析结果不仅继承了原方法较好反映天然径流的年内丰枯变化规律,又可以削弱极端水文事件的影响,提高了河道基本生态需水要求的生态功能目标的满足程度,适用于分析计算季节性明显河道基本生态需水量。该计算成果客观合理,对于科学确定河道内生态需水过程具有借鉴意义。

基于需水过程线的多级泵站扬水灌区供需水量优化调度

为了改善红寺堡扬水系统供需水量在时间维度上存在的不协调问题,以需水过程线和泵站设计流量线为比较对象,构建扬水系统内泵站供需水流量优化调节模型,分析不同时段的灌溉面积、高效节水面积比重和灌溉定额等因素引起的需水流量与泵站设计流量关系。基于需水过程线多级泵站扬水灌区供需水量优化调度模型包括流量平衡模型、需水过程线模型和流量调节模型,对红寺堡扬水灌区4种工况进行模拟。结果表明:在高效节水面积占比为60%时,随着灌溉面积从6.02×104 hm2增加到6.77×104 hm2,红三泵站控制灌域内调蓄水量从1.47×10^(6)m^(3)增加到8.49×10^(6)m^(3),其他3座泵站调蓄规模保持不变;在高效节水面积占比为80%时,红一泵站和红三泵站不调蓄,红四泵站和红五泵站的调蓄规模分别为3.08×10^(6)m^(3)和0.47×10^(6)m^(3)。此模型构建与应用简单,能较好地反映出各级泵站之间、支线之间的配水关系,调节时段和调配流量选择灵活,能够适宜不同调蓄水量需求的多级泵站供水系统。

考虑不同需水过程的三河口水库调度风险研究

针对受水区需水过程的不确定性对水库实际调度运行带来的风险问题,开展水库供水调度风险研究。以引汉济渭工程三河口水库供水调度为例,建立年均缺水量最小调度模型并采用改进花粉算法求解;通过构建风险指标体系,采用四维坐标系分析不同方案的风险变化。结果表明,改进的花粉算法在求解长系列调度模型时具有较强的寻优能力和稳定性;径流丰枯遭遇分析获得的方案3需水过程对水库调度风险影响最大,其年时间尺度可靠性只有0.64,缺水指数为2.35,表示出现连续年缺水过程;不同的时间尺度显著影响了风险指标的大小,时间尺度越小,风险越大,对调度结果越不利。研究成果为水库供水调度风险研究提供新的思路,也为水库管理规划部门提供重要借鉴。

基于需水过程的灌区实时渠系优化配水模型及应用

针对灌区灌溉规划用水与作物实时需水不匹配的问题,建立了基于作物需水过程的渠系实时优化配水模型,以下级渠道配水结束时间为决策变量,以灌区时段缺水率之和最小和渠系输水损失量最小为目标,采用遗传算法求解模型。结果表明:与经验法编制的配水方案进行对比,各级渠系配水时间搭配更加合理,渠道配水流量波动小;灌水量配置更符合作物实际需水要求,与作物实时需水耦合度更高,灌区各时段缺水率之和减小了13.6%,配水时间减少了2.5 d,渠系输水损失量占比减少了6.3个百分点,渠系配水达到了省时高效、节约用水的目标。

基于需水过程的灌区实时渠系优化配水模型及应用

针对灌区灌溉规划用水与作物实时需水不匹配的问题,建立了基于作物需水过程的渠系实时优化配水模型,以下级渠道配水结束时间为决策变量,以灌区时段缺水率之和最小和渠系输水损失量最小为目标,采用遗传算法求解模型。结果表明:与经验法编制的配水方案进行对比,各级渠系配水时间搭配更加合理,渠道配水流量波动小;灌水量配置更符合作物实际需水要求,与作物实时需水耦合度更高,灌区时段缺水率之和减小了13.6%,配水时间减少了2.5 d,渠系输水损失量占比减小了6.3个百分点,渠系配水达到了省时高效、节约用水的目标。

基于鱼类生物量法的河道生态需水过程研究及应用

河流水资源开发利用与河流生态保护之间矛盾日益突出,开展生态需水研究已迫在眉睫。提出了一种基于鱼类生物量的河道内生态需水过程确定方法。通过对鱼类栖息地的适宜性分析,建立了单一目标鱼种特定生命史生物量与河道流量间的关系,用于计算维持处于特定生命史的目标鱼种一定生物量时的需水量,同时构建了多目标鱼种和鱼种生命史间的权重关系。针对所有目标鱼种各个生命史所需河道流量,通过匹配相应的鱼种间、鱼种内权重系数,要把研究区域河道内鱼类生态需水过程。以雅砻江锦屏河湾减水河段为例,计算了维持河段鱼类生物量稳定的生态需水量,并获得对应不同鱼类生物量保护目标的系列生态需水过程线。

黑土区水稻耗需水过程与产量形成及水分利用的响应关系

采用U_7(7~6)均匀设计,探索黑土区水稻耗需水过程与产量形成及水分利用响应关系,建立试验区水稻水分生产函数。结果表明,抽穗期耗水量对产量影响最大,乳熟期耗水量影响最低。各时期耗水量对有效穗数影响为:抽穗期>拔节期>乳熟期>分蘖中期>分蘖后期;各时期耗水量对穗粒数影响为:抽穗期>拔节期>乳熟期>分蘖前期;水稻结实率、千粒重对各时期耗水量响应分别为:拔节期>抽穗期>乳熟期>分蘖后期,抽穗期>拔节期>乳熟期>分蘖后期;抽穗期耗水量对WUE正影响显著高于其他阶段;分蘖后期耗水量对WUE呈负影响。选择Jensen、Blank、Stewart和Singh用于水分生产函数地区性验证,确定和平灌区最佳水分生产函数模型为Jensen,分蘖中期、拔节期、抽穗期为水稻需水敏感期。研究可为黑土区水稻节水灌溉制度制定提供依据。

面向河流生态完整性的黄河下游生态需水过程研究

提供适宜的生态流量对维护河流健康和支撑人类社会发展具有重要意义。尽管栖息地模拟法物理机制清晰、应用广泛,但对生物群落考虑不足、生命节律信号缺失等问题长期存在。以维护河流土著生物群落完整性为目标,本文将天然水文情势作为参照系统,结合栖息地模拟与水文参照系统特征值,建立了一种面向河流生态完整性的生态需水过程评估方法,兼顾指示物种生存繁衍和土著生物群落基本生存。黄河下游利津断面评估结果显示:利津断面年最小生态需水量119亿m^3,适宜生态需水量130~137亿m^3,涨水期需提供1~2次持续时间不低于7 d、流量不低于1220 m^3/s的高流量脉冲。对比历史实测流量过程与本文生态需水成果,发现利津断面水量充足,但流量过程不满足生态需求。黄河需加强水库群调度,协调径流年际和年内分布,塑造适宜的生态流量过程,并适时塑造高流量脉冲。

基于多目标保护的山区河道生态环境需水量过程研究

我国西南山区一大批引水式水电站陆续建成,河道减水的生态影响不容忽视,生态环境需水研究已成热点。针对我国目前生态环境需水研究难以反映河流自然水文情势和保护对象需水过程的问题,以生态、景观、水质等多目标为保护对象,引入不同的指标及标准研究山区河道生态环境需水量的过程;并推求了岷江上游干流典型电站——福堂水电站基于多目标保护的生态环境需水量过程,为后续生态环境需水的研究提供借鉴。

大凌河河道生态环境需水量研究

以大凌河为背景,围绕生态环境与水资源的关系,确定了大凌河河道生态环境需水量计算模型,对大凌河的消耗型与非消耗型生态环境需水量进行计算,并对非消耗型需水量进行逐月过程分析。结果表明:上窝堡站、朝阳站、义县站、凌海站每年非消耗型需水量分别为0.741×108m3,4.447×108m3,4.588×108m3,13.092×108m3;消耗型需水量中,蒸发需水量为0.019×108m3,渗漏需水量因河道常年无明显断流现象而不作考虑。

黄河中下游河道生态需水研究

根据黄河流域生态需水的特点，将研究重点放在中下游河道，选择黄河中下游及部分支流的主要控制断面研究黄河流域河道内生态需水。以河流水体存在（不断流或干涸）、水生生物完整性以及河流系统的水沙平衡为保护目标，分别计算河道最小生态流量、适宜生态流量和洪水期生态流量，将不同生态流量耦合时间特征计算了全过程生态需水。研究结果表明，黄河中下游河道适宜生态流量、洪水期生态流量和最小生态流量的相对值分别为18％～29％、156％～187％、9％～15％，对应于汛前期（4—6月）、汛期（7—8月）和汛后枯水期（9—3月）的河道生态需水，据此算得黄河中下游流域年生态需水总量占多年平均径流量的35％～43％。从河流生态需水时间特征出发提出的全过程生态需水计算成果，将为黄河流域的水资源合理调度和管理，生态系统保护和恢复提供科学依据。

基于改进遗传算法的生态友好型水库调度

以锦屏梯级水库为案例,从系统工程论的角度出发,将梯级水库作为物理系统,以年发电量为目标函数,建立了梯级水库调度优化模型。为减少水库调度对河道生态系统的影响,在鱼类栖息地模拟的研究基础上,引入目标物种的生态需水过程对调度模型进行动态约束,并采用改进的遗传算法进行求解。研究得到了满足目标鱼类生态需水条件下发电量最大的梯级水库调度策略,并对生态流量满足程度与工程效益损失之间的定量响应关系进行了研究,提出了折中方案选择的基本原则。

调亏灌溉对温室番茄生长发育及其产量和品质的影响

明确作物各生育期水分需求,并制定合理灌水制度是节水增产的重要途径。本文以华北地区日光温室番茄为研究对象,设置3种水面蒸发系数,分别在开花坐果期轻度(k_(0.7)k_(0.9))或中度(k_(0.5)k_(0.9))水分亏缺,成熟采摘期轻度(k_(0.9)k_(0.7))或中度(k_(0.9)k_(0.5))调亏控水,以充分灌水(k_(0.9)k_(0.9))为对照,对番茄生长发育及其产量和品质进行了分析。结果显示:k_(0.7)k_(0.9)和k_(0.5)k_(0.9)植株生长速率分别较k_(0.9)k_(0.7)和k_(0.9)k_(0.5)弱,开花坐果期水分亏缺会导致产量降低1.2%,WUE降低11.2%;对比各个处理,k_(0.9)k_(0.9)产量最高,为141.07t/hm^2,但WUE偏低,仅为47.99kg/m^3,与产量相差不大的k_(0.9)k_(0.7)相比,k_(0.9)k_(0.9)灌水量增加29mm,WUE却降低6.8%。品质方面,除果实硬度外,番茄在成熟采摘期亏水50%可显著提高果实营养品质。最后,提出适合华北地区温室滴灌番茄的经济耗水指标,即全生育期灌水量约为230mm时可达到节水高产和高效的统一。

缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例

缓解水资源供需矛盾是缺水流域水资源管理的重点与难点,量化不同用水部门间的竞争与协作关系,可为缺水流域水资源供需关系提供评估方法和优化思路。分析了水资源的排他性和非排他性特征,定义了不同用水部门之间的竞争与协作关系,建立了用水竞争度和协作度量化方法,并提出减小竞争度、增大协作度的需水过程优化目标。以黄河流域为例评估用水竞争与协作关系,结果显示:2017年兰州以下各河段存在较强的用水竞争关系,汛期河道内缺水导致协作度较小;预测2030年兰州—河口镇和花园口以下用水竞争度较大,跨流域调水工程可有效降低各河段用水竞争度;流域水资源管理需进一步考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水过程,进一步挖掘用水协作潜力;将部分汛期输沙水量调整至非汛期可以减小竞争度、增大协作度。