过程水文学的方法框架与学科体系探讨

基于水科学发展历程和实体水-虚拟水耦合流动理论基本框架,指出过程水文学是揭示实体水-虚拟水在复杂系统中耦合流动规律与伴生效应的交叉学科,进一步明确了其科学内涵、主要特征、学科框架、学科基础、方法体系和主要研究方向。在明晰过程水文学科学价值的基础上,认为过程水文学的发展有望解决未来经济社会复杂系统面临的水科学问题。

实体水-虚拟水统筹管理保障国家粮食安全

面对我国农业水资源持续紧缺和粮食安全主要矛盾向供需结构性矛盾转变的双重挑战,亟须加强实体水-虚拟水统筹管理。本文在分析我国粮食生产及水资源利用现状及存在问题的基础上,明确了以进一步发展实体水-虚拟水耦合流动理论与方法为核心任务的过程水文学是实体水-虚拟水统筹管理的学科基础。梳理了作者及其团队2015—2019年粮食生产与消费系统的过程水文学研究进展。为构建切实可行的实体水-虚拟水统筹管理理论与方法体系,初步提出3个主要发力点:①突破实体水-虚拟水统筹管理技术和方法壁垒,凝练和解决粮食系统的过程水文学关键科学问题;②着眼于全产业链广义水资源高效利用,深化体制机制改革,实现虚拟水管理落地;③加强专业人才培养与支撑。

基于磁声耦合的油水两相流含水率测量结构参数优化

提出一种基于磁声耦合的油水两相流电导率测量新方法。分析了磁声耦合工作机理及用于测量油水两相流电导率的可行性,重点开展磁声耦合油水两相流电导率测量结构和激励源参数优化研究。构建了静态油水两相流电导率测量结构模型,利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics 5.4建立仿真模型,对测量结构和激励参数进行优化。理论上,激励磁场激发出的洛伦兹力与油水两相流电导率存在对应关系,进而可推断出油水两相流含水率。通过模型仿真,优化激励磁场参数,确定了交变磁场激励线圈的匝数、位置及激励电流、频率,为开展基于磁声耦合的油水两相流电导率实验研究奠定了基础。

黄河流域作物生产与消费实体水-虚拟水耦合流动时空演变与驱动力分析

愈加有限的水资源是黄河流域生态保护和高质量发展面临的最主要矛盾和瓶颈。在部门用水竞争持续加剧的同时,内嵌在农产品中的虚拟水流动现象日趋频繁。本文以作物生产水足迹和虚拟水流动为表征参数,量化2000—2014年间黄河流域主要作物实体水-虚拟水耦合流动关键过程及其时空演变;从人口、社会经济、农业发展和居民消费4方面,运用扩展STIRPAT模型辨识其关键社会经济驱动因子。结果显示:黄河流域作物单产水平增加有效降低了作物单产水足迹,有效控制了作物生产总水足迹规模;随小麦、玉米和苹果等作物输出,流域作物虚拟水流动规模显著增加,2014年流域虚拟水总输出量占流域作物生产耗水的41%;人口和人均GDP对作物生产水足迹和虚拟水进出口量均起促进作用。

考虑时空耦合的小水电富集型虚拟电厂优化调度策略

流域小水电可通过虚拟电厂(VPP)聚合技术实现统一调度,提升小水电整体的运行可控性,有利于VPP的经济运行。针对小水电富集型VPP(SHEVPP,即含数量繁多且集中分布的小水电的VPP),提出一种综合考虑小水电富集的全流域网络上下游相邻水电站出力和站间流量时空耦合关系的SHEVPP优化调度策略。首先,针对小水电的出力时空耦合特性进行精准有效建模,提出了基于欧氏距离的水电站间水流时滞评估方法以及基于Copula联合分布的小水电出力时空耦合模型;其次,考虑小水电富集的复杂全流域网络拓扑的有效建模,提出了表征流域网络拓扑的矩阵定义方法,实现小水电流量时空耦合特性的精细构建;然后,以考虑条件风险价值(CVaR)的VPP运行收益最大化为目标,构建了考虑时空耦合特性的SHEVPP的优化调度模型,实现考虑VPP风光出力和小水电天然来水流量不确定性的风险调度;最后,以中国某SHEVPP为例对所提模型进行了有效性验证。算例结果表明,所提方法可在小水电时空耦合特性有效建模的基础上,利用多种灵活性资源的协调互补优势,实现VPP运行收益的最大化。

区域主要作物生产实体水-虚拟水耦合流动过程解析与评价

水安全是粮食安全的刚性基础.在农业生产过程中(产前、产中、产后)自然-经济-社会(三元)因素驱动下,其水资源消耗形成实体水-虚拟水(二维)嵌入转化、互为反馈、相互影响的耦合流动过程.本文基于实体水-虚拟水"二维三元"耦合流动理论,集成构建了以水量为参数的区域作物生产广义实体水-虚拟水耦合流动过程量化方法,并应用于我国"丝绸之路经济带"沿线西部六省,对其1985~2013年主要作物实体水-虚拟水耦合流动过程进行解析与评价.揭示了区域作物生产实体水-虚拟水耦合流动现象,发现六省间水资源消耗与流动存在资源与经济效益的此消彼长现象.表明以农田尺度实体节水为目标的资源单视角传统农业水资源管理理念,已不足以实现多空间尺度水资源的资源-经济同步高效利用的管理目标,而具有资源-经济-社会三重意义的区域农业全产业链实体水-虚拟水统筹管理应为有效解决思路.基于此,初步提出三点思考:(1)现代农业节水应实体水-虚拟水统筹考虑;(2)需加快突破农业生产实体水-虚拟水耦合流动量化、评价方法与调控关键技术;(3)建议基于农业全产业链视角,建立基于实体水-虚拟水二维度理论的农业水资源管理体系,确保实现各阶段水资源管理"三条红线".