智慧水利理论体系与数字孪生流域虚拟模型研究成果述要

智慧水利是水利高质量发展的显著标志之一。围绕智慧水利理论体系不完善、流域映射精准度不高、模型精度不高、决策支撑程度低等问题,建立了由智慧流域基础理论、数字孪生流域基础理论和智能水网理论框架组成的智慧水利理论体系,研究了由数字孪生感知节点模型、数字孪生降水遥感模型、数字孪生蒸散发遥感模型、数字孪生土壤水遥感模型、数字孪生水体遥感模型、数字孪生地下水遥感模型、数字孪生水质遥感模型组成的数字孪生流域感知模型,构建了由数字孪生流域水文模型、数字孪生水动力水质模型、数字孪生动态调控模型、数字孪生虚拟仿真模型、数字孪生协同决策模型、数字孪生并行组合模型等组成的数字孪生流域虚拟模型。研究成果可为我国智慧水利建设提供理论基础和技术支撑。

小流域生态-岩土协同减灾原理与方法初探

随着全球变暖,极端降雨事件增多,导致山区小流域灾害频发,严重威胁人民生命财产安全。小流域防灾减灾形式多样,其中生态工程措施与岩土工程措施相结合协同减灾的方式,不仅能够充分发挥两种措施在不同时间段的减灾作用,而且能够增加整体减灾功效。目前,受限于生态工程措施与岩土工程措施协同减灾原理不明,评估方法缺乏,导致二者无法有机结合并开展综合减灾效益评估。本文在基于自然解决方案的基础上,提出了山区小流域生态-岩土措施协同减灾的原理,即利用生态工程与岩土工程协作,通过坡面防护和沟道调控,形成稳定阶梯-深潭结构的生态工程-岩土工程措施协同减灾原理。在此基础上,结合地理信息系统和最优化原理,给出基于能量消减的小流域生态工程-岩土工程协同减灾功效的定量化评价方法,为规划、设计、物种选择以及生态工程与岩土工程对策的结合提供依据。

近50年滇池流域汛期降水时空演变特征分析

以滇池流域1970—2020年汛期(5—10月)降水量资料为依据,利用地理信息技术,采用Mann-Kendall检验法、小波分析等方法,分析近50年来滇池流域汛期降水年际变化的趋势性、周期性以及集中度、集中期、降水中心和旱涝发生频率等演变特征。结果表明:(1)近50年来,滇池流域汛期降水总体呈减少趋势,中部地区降水呈增加趋势,盘龙江上游的松华坝水库以上区域及南部地区降水呈减少趋势;(2)汛期降水年际变化存在31 a的主周期,中部主城区降水集中度高于南部地区;(3)汛期降水的中心整体呈现向东部、南部方向偏移的态势,且移动趋势显著;(4)滇池流域旱涝频发,尤其盘龙江中段昆明主城区为旱涝多发区。该成果对滇池流域水旱灾害防御及水资源管理具有参考意义。

黄河流域煤炭开发区地下水污染成因分析及防治建议

[研究目的]黄河流域内由于煤炭资源开发导致地下水污染严重,从整体角度对流域内重点煤炭开发区地下水进行归纳总结,为其可持续健康发展和地下水资源改善提供防治建议。[研究方法]从黄河流域战略地位出发,对地下水污染成因和污染模式进行归纳总结。采用改进后的综合水质指数法对流域内九大煤炭基地的地下水进行水质评价。选用主成分分析法赋权指标,并引入改进的内梅罗污染指数法,按照WPI分级法进行评价。[研究结果]通过对黄河流域各重点断面水质评价,得到目前流域内煤炭基地水质结果中Ⅲ、Ⅳ类占比较多,水质较差。分析成因当前流域内存在高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊组分矿井水污染,同时阐述污染地下水形成的浅层和深层两种污染模式。[结论]对3种矿井水采用相应防治方法,并提出膏体充填技术和微生物修复技术2种防治技术建议,通过应用实际矿山为例,印证污染防治技术能够改善由煤炭开采引发的流域内地下水污染严重的问题,以期研究结果能够对成功推动中国绿色矿山的快速发展具有参考意义。

典型喀斯特白云岩小流域土壤-表层岩溶带厚度空间异质性特征

土壤-表层岩溶带厚度是喀斯特地球关键带的关键指标,明确其空间异质性特征对于理解地球关键带结构演化机理以及评估水源涵养功能具有重要意义。在广西环江木连小流域1.4 km 2范围内,通过高密度电法(ERT)探测45条样线,共获取1731个样点的土壤-表层岩溶带厚度及环境因子数据资料,研究了土壤和表层岩溶带厚度的空间分布格局及其影响因素。结果表明,土壤和表层岩溶带厚度平均值分别为1.15 m和6.44 m,且分别呈现强变异程度和中等变异程度。地统计分析结果表明球状模型和指数模型分别可以反映土壤和表层岩溶带的空间结构特征。土壤厚度呈现中等空间自相关性,变程长,空间连续性好;而表层岩溶带呈现强烈的空间自相关性,变程短,空间依赖性强。土壤厚度受到环境因子(地形湿度指数、垂直曲率、曲率、坡向、坡度、高程、覆盖度、出露基岩率和植被归一化指数)的多重影响,而表层岩溶带厚度受部分环境因子影响的同时,与土壤厚度和植被类型的相关性更高。研究结果有助于喀斯特区土壤-表层岩溶带演化机理认识,并为土壤-表层岩溶带厚度的空间预测提供科学依据。

气候变暖背景下汉江流域降水和气温时空变化特征

为探究气候变暖背景下汉江流域降水和气温的时空发展规律,基于汉江流域及其周边地区29个气象站点逐日降水(P_(re))、最高气温(T_(max))、最低气温(T_(min))和平均气温(T_(ave))的观测资料,利用线性拟合、Mann-Kendall突变检验和空间插值等方法,分析1960~2019年汉江流域降水和气温的时空变化特征,以及对变暖停滞现象(Hiatus)的响应。结果表明:①在全球变暖背景下,汉江流域气候表现出降水不显著减少(p>0.05)、气温显著上升(p<0.05)的暖干化趋势。1960~2019年汉江流域P_(re)变化幅度夏季(0.582 mm/a)>秋季(-0.477 mm/a)>春季(-0.403 mm/a)>全年(-0.184 mm/a)>冬季(0.125 mm/a);全年升温幅度呈T_(min)(0.028℃/a)>T_(max)(0.025℃/a)>T_(ave)(0.022℃/a),四季T_(max)、T_(min)和T_(ave)一致呈上升趋势,多数升温趋势通过了显著性检验(p<0.05),但升温幅度存在明显差异。②汉江流域全年和夏季P_(re)均未发生突变,春、秋季P_(re)在1970年代中后期发生突变下降,冬季P_(re)在1984年突变增加;除夏季T_(max)和T_(ave)外,其余时序气温集中在1990年代中后期至2000年代前期发生了突变上升。③汉江流域全年P_(re)自东南向北递减,四季P_(re)空间分布规律各异,全年和四季T_(max)、T_(min)和T_(ave)皆自南向北递减;全年及四季P_(re)、T_(max)、T_(min)和T_(ave)变化趋势具有较强的空间异质性。④1998~2012年汉江流域出现Hiatus现象,尤其以冬季最为明显;停滞后春夏季快速增温,秋冬季依旧呈降温趋势。研究成果对于制定汉江流域防灾减灾、供水保障应对策略具有重要的科学意义。

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。

黄河流域绿色高质量发展与绿色技术创新的动态关联分析

以黄河流域各省份2011—2020年的数据为研究样本,构建绿色高质量发展的评价指标体系,运用全局主成分—熵权法对绿色高质量发展综合指标进行测度,并采用聚类分析和面板向量自回归模型(PVAR)系统考察黄河流域绿色技术创新与绿色高质量发展水平的动态关联效应。研究结果表明:(1)2011—2020年,黄河流域各省份的绿色高质量发展水平整体呈上升趋势,不同地区的绿色高质量发展水平差异显著。(2)黄河流域的绿色技术创新与绿色高质量发展之间相互影响,各个省份绿色技术创新和绿色高质量发展水平一一对应。(3)黄河流域的绿色技术创新和绿色高质量发展之间存在明显的双向促进关系,且影响效果显著,即绿色高质量发展有助于绿色技术创新的提升,绿色技术创新能推动绿色高质量发展。

黄河流域数字经济、产业发展与生态环境耦合协调度的实证检验

文章在分析数字经济、产业发展与生态环境三者耦合协调机理的基础上,构建了三者耦合协调度评价指标体系,运用耦合协调度模型、灰色关联模型分析2011—2020年黄河流域78个地级市数字经济、产业发展与生态环境综合水平和三者耦合协调度及其驱动因素。结果表明:黄河流域数字经济、产业发展与生态环境三者发展态势稳定,但数字经济与产业发展综合水平并不高;黄河流域三系统耦合协调等级尚未发生根本性变化,空间上呈现黄河下游>黄河中游>黄河上游的发展格局;驱动因素对黄河流域三系统耦合协调度的影响具有区域异质性,其作用强度按经济驱动、产业结构、政府调控、水资源依次递减。

湖北省流域综合治理和统筹发展规划探讨

省级流域综合治理和统筹发展规划是统筹发展与安全的综合性规划、寻求多目标平衡的系统性规划、引导全域有序布局的空间性规划。梳理省级流域综合治理和统筹发展规划的内涵及作用,结合湖北省流域综合治理和统筹发展规划编制实践,提出根据省情特点和承担的国家安全与发展责任,以流域综合治理为基础,严守水安全、水环境安全、粮食安全、生态安全4类安全底线;以“四化同步”发展为路径,推动高质量发展;强化交通区位、科教资源等比较优势,完善要素支撑体系;绘制规划“一张蓝图”,实现空间有序布局;建立“两张清单”,实现规划有效考核等。以综合性规划为引领,探索加强省级规划统筹的方法,为提高省域治理体系和治理能力现代化提供经验借鉴。

气候变化背景下赣江流域复合高温干旱事件时空演变特征

【目的】在气候变化背景下,全球多区域复合高温干旱事件频率与强度呈现增加趋势。系统揭示赣江流域复合高温干旱事件的时空演变特征,为灾害风险防范提供参考。【方法】采用1961—2021年的日最高温度和表层土壤含水量数据,评估赣江流域热浪、农业干旱和复合高温干旱事件的时空变化趋势,对比分析复合高温干旱事件与单独极端事件的特征差异。【结果】结果表明:赣江流域农业干旱事件频次呈下降趋势(-0.027场/10 a),热浪事件及复合高温干旱事件的频次呈上升趋势(0.084场/10 a、0.013场/10 a)。与1961—2000年相比,2001—2021年赣江流域农业干旱的发生频率在北部大部分区域有所下降,南部地区大部分区域有所增加;热浪事件的发生频率在全流域均呈增加趋势;复合高温干旱的发生频率在东北部有所下降,南部显著上升。与单独热浪事件和单独农业干旱事件相比,复合高温干旱下的热浪事件历时和烈度分别增加16.87%和26.25%,农业干旱事件历时和烈度分别增加10.65%和26.86%。【结论】赣江流域南部地区复合高温干旱事件发生频率显著增加;相比于单独的极端事件,复合高温干旱事件的危险性有所增强,未来应加强该区域的复合高温干旱风险防范能力。

近40 a闽江流域森林景观格局动态变化

以1986年、2003年、2021年3期Landsat遥感影像数据和森林资源连续清查数据等为基础数据,从景观要素斑块特征、景观要素空间构型与景观异质性3个方面构建景观格局指数,分析闽江流域森林景观格局的动态变化及影响因素。结果表明:2021年,有林地面积占闽江流域林地面积的68.28%,是流域景观的基质类型;1986—2003年,有林地面积增加了349134.5 hm^(2);2003—2021年,有林地面积增加了392508.77 hm^(2)。有林地景观要素边缘密度、内缘比增大,平均形状指数与分维数均减小,斑块边界趋于光滑、简单、有规则。流域斑块总数减小,总周长与斑块平均面积增大,景观破碎化降低,分布趋于聚集。在景观异质性方面,优势度指数与香农多样性指数增大,均匀度指数减小,说明优势景观有林地对整个流域景观的控制作用增大,景观稳定性增强,异质性降低。综上可知,闽江流域森林景观边缘效应增加,破碎度降低,景观生态功能增强,生态环境质量提升。

黄河流域“水资源-生态保护-高质量发展”空间均衡性诊断

为促进黄河流域空间均衡发展,在测算黄河流域9个省区水资源可承载水平、经济社会发展水平以及生态保护水平的基础上,分析了各省区内部水资源、生态环境和经济社会3个子系统间的耦合协调发展水平,并分别以水与经济均衡、水与生态均衡、经济与生态均衡为子目标,构建了空间均衡性诊断模型,对黄河流域相邻“省区对”进行了空间均衡性诊断,反向追踪各“省区对”空间不均衡的原因。结果显示:除宁夏、甘肃外,黄河流域其他省区内部3个子系统间均已达到初级或中级协调发展阶段;黄河流域上游和下游的相邻“省区对”分别通过了均衡性判别;宁夏、甘肃、山西和内蒙古4个省区严重影响了省区间的均衡性,抑制了黄河流域整体的空间均衡发展。

环境DNA技术发展及其在长江流域水生生态学领域的应用研究进展

长江流域鱼类资源丰富、生物多样性高。近年来,受人为干扰、环境变化等因素影响,鱼类资源急剧衰退,全面了解该流域水生生态学信息、进行长江大保护迫在眉睫。随着分子生物学技术的发展,环境DNA技术应运而生,其相比于传统调查方式更加高效、灵敏,应用领域更广;该技术的灵敏性使其非常适合于检测濒危物种、低密度物种入侵、瞬时和隐秘物种的存在,特别是当检测低密度物种的采样工作难以控制时,其敏感性、简便性和降低危害性的优势愈加显现出来。因此,该技术已被广泛应用于食品微生物、生物监测、群落生态学、古环境、保护生物学和生物入侵等领域的研究。介绍了环境DNA定义、发展史、研究方法与优劣势,在此基础上概述了其在长江流域水生生态学领域的应用研究进展,最后展望了环境DNA技术与环境RNA技术相结合的技术革新以及新一代测序手段、大数据及机器智能技术多技术结合助力该领域研究的前景,以期为长江流域持续性生态学监测提供借鉴和参考。

黄河流域城市群推进区域协调发展的机制与路径研究——基于功能分工视角

区域协调发展是黄河流域生态保护和高质量发展的必然要求。中华人民共和国成立以来,黄河流域区域协调发展经历了以基础设施建设为重点的区域整合发展起始阶段、以战略叠加为重点的区域带状发展阶段和以“大保护、大治理”为内涵的区域高质量协调发展阶段。城市群作为黄河流域生态保护和高质量发展的主要载体,其功能分工深化对于促进形成分工协作、功能完善的区域协调发展格局将起到重要作用。基于此,通过对2003—2019年黄河流域城市群功能分工指数的特征事实分析,城市群功能分工能够从提升要素资源的有效配置、推动区域空间格局重塑和探索区域府际合作治理新模式三个方面推进区域协调发展。为此,要继续以功能分工深化促进黄河流域城市群在错位分工中良性发展,以网络一体化为指引构建黄河流域区域高质量发展空间格局,以制度化、多层次的合作契约机制推进黄河流域区域协同发展。

唐白河流域植被覆盖时空变化研究

基于卫星遥感影像、气象站点数据和统计数据,综合采用Theil-Sen Median趋势分析法和Hurst指数法分析2000—2019年唐白河流域植被覆盖空间格局、年际变化特征和发展趋势,引入通径分析法揭示气象因子(年降水量和平均气温)对植被覆盖的影响机制,利用残差分析法量化气候变化和人类活动对植被变化的贡献率。结果表明:(1)唐白河流域植被覆盖呈西北部和东南部高、中部低的空间特征。(2)研究时段内,唐白河流域植被覆盖的变化以改善类型为主,其面积占流域总面积的96.27%,但流域NDVI增幅较小,且未来植被覆盖存在较大的退化风险。(3)气象因子对植被覆盖变化的直接影响大于间接影响,且主要表现为促进植被覆盖改善;年降水量是决定唐白河流域植被覆盖变化的关键气象因子,综合通径系数为0.224 9。(4)唐白河流域植被覆盖变化受气候变化和人类活动的共同影响,但人类活动的影响大于气候变化的影响。

西藏易贡湖流域地表水水化学特征及其控制因素

为探究易贡湖流域地表水水化学特征及其控制因素,以藏东南易贡湖流域为研究对象,采集了26组地表水样,绘制了水样点主要离子线性变化趋势图、Gibbs图及Piper三线图等,运用相关分析、线性趋势分析、数理统计和离子比等方法。分析了研究区地表水主要离子特征及其控制因素,揭示了研究区地表水水中的主要物质来源。结果显示:易贡湖流域地表水阳离子主要为Ca^(2+)、Mg^(2+),K^(+)和Na^(+)含量较低,4种阳离子的含量关系为:Ca^(2+)>Mg^(2+)>Na^(+)>K^(+),阴离子主要为HCO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)和Cl-,NO_(3)^(-)和F^(-)含量较低,阴离子含量关系为:HCO_(3)^(-)>SO_(4)^(2-)>Cl->NO_(3)^(-)>F^(-),H_(2)SiO_(3)浓度值变化平稳,围绕6.9 mg·L^(-1)上下波动变化,pH值沿程变化平稳,在7.84~8.37之间,水体属于弱碱性。Ca^(2+)、Mg^(2+)和HCO_(3)^(-)是构成易贡湖流域地表水中的3种主要离子,水化学类型以HCO_(3)^(-)Ca·Mg或HCO_(3)^(-)Ca型为主。岩石溶滤作用是主要控制因素,阳离子交替吸附作用和蒸发浓缩作用均相当微弱,人为活动影响十分有限。

新时代生态清洁小流域发展思考

2003年北京开始生态清洁小流域建设,拉开了生态清洁小流域治理的序幕。从无到有,从少到多,生态清洁小流域不断发展,全国累计建设约4000条,已成为水土保持高质量发展的一面旗帜,受到广泛欢迎和好评。总结了生态清洁小流域的发展历程,结合《关于加强新时代水土保持工作的意见》、《关于加快推进生态清洁小流域建设的指导意见》(水保[2023]35号)、《生态清洁小流域建设技术规范》(SL/T 534-2023)等最新要求,分析了当前面临的形势,阐述了生态清洁小流域的基本属性,探析了工作要求和主要任务,提出了推进新时代生态清洁小流域发展的建议。

长江流域环境案件跨区域集中管辖问题研究

以行政区划为标准的传统环境司法管辖模式与长江流域环境保护的生态性、整体性、系统性相矛盾,而流域环境案件集中管辖可作为破解环境治理难题的关键路径。通过实证分析可以发现,目前长江流域所涉各省跨行政区划集中管辖的具体实践存在行政区划分离程度不高、法律规范依据不足、环境司法专门机构设置衔接不畅等制约因素。因此,要明确以流域治理所遵循的整体和系统理论为基础,确立长江流域地理单元为基础的整体环境治理理念,确保集中管辖实质效用得到发挥;确立与完善流域跨行政区划环境案件管辖法律规范供给,为司法实践提供统一标准遵循;坚持环境司法专门化改革,以长江生态环境法院为基础框架发展完善专门管辖,以便破除行政区划对流域环境司法的阻碍,增强流域集中管辖的规范性、有效性。

海温异常对长江流域夏季典型旱涝的影响研究

为研究长江流域夏季旱涝特征及其与海温异常之间的关联性,基于中国326个气象站降水量、NCEP/NCAR再分析资料等,采用合成分析、EOF分解等方法,分析了长江流域夏季典型旱涝年的降水分布、同期大气环流及前期海温特征,并以2018年为例,初步揭示了2018年前期海温异常对大气环流的可能影响。结果表明:①长江流域夏季典型旱年,仅嘉陵江和岷沱江会表现出局部偏涝,全国为典型的Ⅰ类雨型,多雨区位于黄河流域及以北地区。前期冬季赤道太平洋表现出类拉尼娜的东冷西暖分布,同时黑潮区海温偏低,西风漂流区海温偏暖。受多海域协同作用,同期欧亚环流场上自西北向东南呈现出“+-+”三极型分布,东亚地区为自北向南“-+-”的EAP负位相。长江流域典型涝年,全国多为典型的Ⅱ类和Ⅲ类雨型,环流及海温呈现出相反特征。②2018年为典型的长江中下游偏旱年,仅在岷沱江降水偏多近3成,为历史第4多,与长江流域夏季降水的主模态正位相类似,解释方差达24%。③2018年前冬出现弱拉尼娜、春末夏初西风漂流区异常偏暖、NAT异常正位相,三者共同作用,使得东亚副热带西风急流偏北,东亚沿岸出现EAP负位相,大陆热低压明显偏强,东亚夏季风为1961年以来最强,同时副高脊线最北,造成夏季降水主雨带北推至华北、西北地区,岷沱江、嘉陵江异常多,而长江中下游异常少,为典型的Ⅰ类雨型。研究成果可为长江流域旱涝预测、水资源调度提供参考。