水网布局下黄河流域应对极端枯水的关键科学问题

变化环境下极端气象水文事件频发,长江、黄河面临同枯风险。在国家水网建设背景下,为提高长江、黄河同枯的极端不利情景下黄河流域水资源安全保障能力,本文分析了长江、黄河两大流域水资源安全面临的现实问题,识别了变化环境下大型流域枯水遭遇—水危机形成—跨流域调水潜力—多线路成网互济—极端枯水下水资源安全保障中亟需破解的关键科学问题,构建了水网布局下黄河流域应对极端枯水的总体研究框架,提出该领域重点研究方向包括:变化环境下长江、黄河极端枯水遭遇规律与空间变异机制,水危机风险多链路传导与复合影响定量评估,极端枯水下跨流域调水挖潜增供,长江和黄河跨流域联合调配与多线路互济精细化调控、极端枯水下流域水资源韧性提升优化调控等。

江苏省江水北调工程水量调度

江水北调工程以向江苏境内工农业及城乡生活供水为主,同时保障改善洪泽湖、骆马湖生态,但工程运行现状存在运行成本高、湖泊弃水量大等不足。为此,采用模拟和优化技术相结合的方式,以供水缺额最小、湖泊水位超限制最小和泵站运行成本最低为优先级设定目标函数,构建江水北调工程年水量调度概化模型,开展不同水平年、不同补湖水位以及高水低用3种调度情景分析。结果表明:骆马湖调蓄库容小,调水运行期使得水位波动频繁,中运河泵站会同频开启补湖,且容易达到输水能力上限;适当降低洪泽湖补湖水位,可充分利用湖泊富余水量,使调水成本降低;完全禁止骆马湖高水低用会加重洪泽湖以下梯级线路供水任务的运行负担,同时增加骆马湖的弃水量,适当允许高水低用可使成本减小,减少泵站抽水任务。建立的模型以及相关研究成果可为江水北调工程调度运行提供一定参考。

黄河上中游地区能源生产及其水足迹变化特征

为揭示黄河上中游地区能源生产及其水足迹变化特征,基于能源统计数据,利用水足迹理论在市级尺度上定量分析能源产量、能源结构以及能源生产蓝水足迹的时空变化特征。结果表明:1990-2020年黄河上中游一次能源生产总量总体呈现上升趋势,从1.5亿t标准煤增至17.1亿t标准煤,全国占比由13.7%增到41%,空间上能源生产更加集中且重心向上游转移;近30年,黄河上中游能源生产结构中原煤比重呈下降态势,由93.3%减少至88%,天然气比例增加显著,以原煤为主的城市数量明显减少,清洁能源在其能源生产结构中的比重提升;能源生产蓝水足迹由1990年的4.64亿m^(3)增至2010年为25.18亿m^(3),随着能源生产用水效率的提高和清洁能源比重的提升,能源生产蓝水足迹减少至2020年的24.24亿m^(3),其中能源加工蓝水足迹是能源生产蓝水足迹的主要组成部分,空间上能源生产蓝水足迹高值区向水资源短缺的“几字弯”地区集中,加剧了该区域的水资源供需矛盾。研究结果可为黄河上中游地区用水效率提升、能源生产结构优化以及能-水系统协同发展提供理论依据及决策参考。

基于HHO的跨流域调水工程受水区水资源优化配置研究

跨流域调水工程是解决我国水资源时空分布不均和缓解水资源供需矛盾的重要措施。山东省黄水东调工程、引黄济青工程和胶东调水工程是缓解胶东地区潍坊、青岛、烟台、威海四市水资源紧缺问题的重要跨流域调水工程。为充分发挥调水工程社会和经济效益,在考虑受水区缺水量、工程输水能力及沿途分水口门设计流量等基础上,以受水区四市综合缺水率最小和调水工程经济效益最大为双目标,构建了胶东地区跨流域调水工程水资源优化配置模型,采用哈里斯鹰优化算法(HHO)求得现状水平年和规划水平年在50%、75%和95%频率时3种不同目标协调机制(以综合缺水率最小为主导、以调水工程经济效益最大为主导及两目标均衡)16个分水口门的调水方案。结果表明:(1)通过调水工程调引黄河水和长江水,使四市缺水量大幅减少;(2)当经济效益目标所占比重越大时,计量水价越高的分水口门供水量越大;(3)从三个调水工程利用程度来看,黄水东调工程利用程度最高,其次为引黄济青工程和胶东调水工程。本文为山东省胶东地区跨流域调水工程的水资源配置提供了决策支持。

河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程

河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程从黄河小浪底水利枢纽的配套工程西霞院水库引水,自西向东新建1条输水总干渠,为温孟武滩区2.18万hm^(2[2])灌区提供水源,并向武嘉灌区、人民胜利渠灌区及大功灌区补水,是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一,同时也是河南省委、省政府实施“四水同治”战略首批推进的10项重大水利工程之一。从工程建设的必要性、工程总体布局、工程主要建设内容和规模、工程地质、工程设计以及建成后的工程效益6个方面对河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程进行分析。

基于植入式分布式光纤传感技术的引黄涵闸混凝土温度监测方法及其应用

准确获取混凝土浇筑及固化过程中的温度特征参量变化对于了解及掌握黄河流域引黄涵闸工程建设中混凝土开裂产生原因具有重要意义。目前黄河流域引黄涵闸建设工程中主要采用热成像方式测量其表面温度,难以实时获取混凝土的整体温度特征。采用植入式分布式光纤传感技术在对引黄涵闸工程山东段混凝土温度进行监测,在混凝土浇筑前,将传感光缆预先布设于结构钢筋两侧,从而实时有效地监测混凝土浇筑和固化过程中的内部温度特征。实验结果表明,采用植入式分布式光纤传感技术,可以实时监测混凝土各个点位的温度变化及固化过程中的温度异常点,同时,该方案可以有效分析混凝土固化过程中温度特征及整体变化情况。依托分布式光纤传感技术实现引黄涵闸混凝土温度监测,对黄河流域同类工程建设具有重要的借鉴意义。

不同水源特征水库中溶解性有机物的光学特性对比

为考察A水库(“引黄工程”水源水库)与B水库(普通类型水库)的溶解性有机物(DOM)在相对分子质量大小、组成特征及来源方面的差异,采用紫外-可见光谱技术以及三维荧光光谱技术结合平行因子分析法,针对A水库和B水库水体中DOM的吸收参数特征和荧光特征进行了研究。结果显示:A水库和B水库的DOM均有较强的自生源特征,但两水库的DOM在组成特征和来源上存在一定差异。B水库样本中存在长波类腐殖质C1(E_(x)=350 nm,E_(m)=454 nm)、类色氨酸物质C2(E_(x)=300 nm,E_(m)=361 nm)和类色氨酸C3(E_(x)=220 nm/250 nm,E_(m)=347 nm)3个荧光组分,而A水库样本中存在长波类腐殖质C1、类色氨酸物质C2两个荧光组分,说明A水库的组成特征相对更加简单。DOM吸收参数特征分析显示,A水库水质状况良好,其DOM相对分子质量较大,主要来自自生源;而B水库处于富营养状态,其DOM相对分子质量较小,富里酸成分和水体芳香性较高,水生环境中维管束植物输入较为丰富,主要来自入库河流和自生源。光谱指标差异性分析显示,A水库DOM外源输入比例小于B水库,同时A水库的水质污染源更多以陆源输入为主。研究揭示了水库中DOM的光学特性,可反映水库的环境污染程度和富营养化程度,为进一步探究DOM在不同水源特征水库的环境行为特征及水库水质保护等提供参考。

山西省万家寨引黄一期工程渡槽伸缩缝渗漏水的维修

伸缩缝是大型混凝土建筑物为适应温度变化而设置的一种水平变形缝,在工程实践中对于水工混凝土建筑物而言,渗漏是一种比较常见的工程病害,这种病害严重威胁到整个工程的长久安全稳定运行,应予及时进行维修。在国内工程实践中,针对渡槽伸缩缝渗漏这种工程病害的治理和维修一直未有效解决。介绍了一种新施工工艺,在原伸缩缝位置开槽替换原来的嵌缝材料,之后粘贴U型GB复合橡胶止水带并用不锈钢压板固定,其上再用环氧砂浆补平,表面再涂刷环氧胶泥进行封闭。这种施工工艺施工十分简便,造价又相对较低。通过实际施工检验,工程效果较好,十分值得推广应用。

RMO砂浆在引黄济青胶州段水闸维修中的应用

以引黄济青工程胶州段水闸维修加固为例,详细阐述了RMO砂浆的材料特性、施工工艺及修复效果等,为类似工程设计施工提供了实践参考。

青岛市黄水东调长输管道工程水土流失防治研究

长输管道工程跨度大,沿线经过不同的侵蚀类型区,受地形、地貌、气候等因素影响,形成的水土流失形式也各不相同,需要按照不同的分区采取有针对性的防治措施。本文以青岛市黄水东调承接工程为例,探讨了长输管道工程水土保持设计技术,对水土流失特点进行分析总结,确定科学合理的水土保持措施体系,以期为编制类似项目水土保持方案、合理布设水土保持措施提供参考。

引黄济青青岛段渠道断面流速测量与分析

论述了采用实时动态测量技术(RTK)和手持式流速仪进行渠道断面流速测量的方法,并结合地理信息系统(GIS)技术进行数据处理和成图,旨在通过对引黄济青青岛段渠道流速和流量的精确测量,更好地评估渠道水文动态,为水资源的合理利用和环境保护以及突发水质安全应急响应提供数据支持,为渠道的运行管理、水资源调配和环境保护提供科学依据。

基于黄河流域水资源均衡调配的南水北调西线一期工程水量配置

南水北调西线一期工程生效后黄河流域水量分配模式决定了黄河流域水资源配置格局重塑和南水北调西线工程供水效益评价,为国家水网构建提供重要技术支撑。考虑西线供水范围可覆盖黄河主要供水区的特点,西线调入水量应与黄河流域水资源统一配置,考虑生态优先、公平为主兼顾效率的原则,构建了流域用水分级配置方法,建立了基于流域水资源均衡调配的西线调入水量配置模式,开展了不同情景优化配置方案研究。结果表明:南水北调西线一期工程调水80亿m^(3),配置给黄河河流生态用水33.70亿m^(3),配置给流域河道外经济社会用水46.30亿m^(3),其中95%以上配置给黄河上中游地区,流域缺水率降低至7.0%~8.3%。优化配置方案体现了生态优先原则,保障了黄河河道内基本生态环境用水,均衡了河道外经济社会用水的公平和效率,有效缓解了流域缺水。

寻求南水北调西线项目的替代性方案

鉴于我国水资源南北区域分布不均衡,20世纪50年代开始党中央就提出南水北调工程。2002年,《南水北调工程总体规划》获得国务院批准,规划建设东线、中线、西线工程。目前中线、东线一期工程已经建成通水,南水北调后续工程是否为西线工程、西线工程何时开工为各方关注。但从工程安全性、经济合理性角度出发,南水北调西线工程都应放弃。取而代之的,把更多黄河之水用于中上游地区,增设中上游短距离引黄工程。与此同时,可增加南水北调中线、东线向北调水量,以满足黄河中上游用水增加时中下游的用水需求。除此而外,可以采取节水、节约粮食、海水淡化、南水南调、优化经济结构多种政策管理方式,进一步改善我国南北区域的用水需求。

南水北调前后海河流域陆地水储量变化分析

基于GRACE及GRACE-FO重力卫星数据,通过滑动T检验确定海河流域陆地水储量突变的特征时间点,分析其时空演变特征;结合多变量趋势分析和贡献率量化法探究陆地水储量变化成因,讨论南水北调工程的贡献。结果表明,在南水北调前(2004-01~2015-01)后(2015-01~2020-10),海河流域陆地水储量的衰减趋势分别为-17.19 mm/a和-13.49 mm/a,缓解约24%,缓解趋势由南到北逐渐增大;人类活动与气候变化对流域陆地水储量变化的贡献率比为7∶3,人为耗水是海河流域陆地水储量常年处于亏损状态的主要原因;调水量的贡献率和趋势呈现年际增大和升高态势,预示南水北调工程在改善区域陆地水储量方面具有巨大潜力。

引黄水源水库平--丰水期有色可溶性有机物(CDOM)的来源、组成及差异分析

为探究引黄水源水库——门楼水库平水期和丰水期有色可溶性有机物(CDOM)的组成特征、来源及差异,运用紫外可见光谱技术(UV-vis)和三维荧光光谱(EEMs)技术,结合平行因子分析法(PARAFAC)分析2022年5月(平水期)和2022年7月(丰水期)有色可溶性有机物含量及组分变化。研究结果表明:PARAFAC识别出2类荧光组分,分别是C1(Ex=355 nm,Em=476 nm,类腐殖质组分)和组分C2(Ex=225 nm,Em=320 nm,类蛋白组分);丰水期CDOM组分荧光强度显著高于平水期。CDOM光谱参数表明,门楼水库水体处于中营养状态,水体CDOM受新生内源和外源输入共同影响,以自生源为主;水库CDOM具有相对分子量小、腐殖化程度较弱的特点。丰水期水库富营养化水平和CDOM相对浓度低于平水期;丰水期CDOM疏水性组分比例和芳香化程度高于平水期。水质理化指标、CDOM组分和光谱参数相关性分析结果表明SUVA_(260)和SUVA_(280)与DOC呈显著负相关,说明紫外可见光谱参数在一定程度上可以用来估算DOC的浓度;Chl.a浓度作为表征浮游植物生物量的指标,与DOC、a_(254)呈显著正相关。研究揭示了门楼水库水体CDOM的荧光特征、组分来源响应机制和水期差异,为进一步探究CDOM在引黄水源水库的环境行为特性、对水体富营养化的贡献以及对其它污染物环境行为的影响等提供基础资料。

南水北调西线工程受水区节水潜力研究

科学论证南水北调西线工程调水规模,需要以充分考虑黄河流域节水潜力为基础。以南水北调西线工程受水区为研究区域,分析了不同行业的节水现状、节水潜力及面临的问题。结果表明:黄河流域现状节水总体达到国内较高水平,但空间分布不均匀;黄河流域毛节水潜力约为25亿m^(3),净节水潜力约为19亿m^(3);西线工程受水区毛节水潜力约为21亿m^(3),净节水潜力约为16亿mm^(3);农业节水潜力占全流域及西线工程受水区节水潜力的80%以上;黄河流域节水潜力远低于缺水量,且农业节水量难以转让给其他行业;资源性缺水是根本问题,未来需要通过建设跨流域调水工程解决黄河流域缺水问题。

山东某大型灌区续建工程水土流失预测及防治措施

为评价山东某大型引黄灌区续建工程建设过程中可能带来的水土流失问题,并进行科学合理防治,首先对灌区水土流失进行预测,其次针对灌区工程建设,分析灌区水土流失防治目标,据此提出针对性的防治措施与监测建议。运行期监测措施尤为重要,应按设计要求及时采集分析监测数据,以期为水土流失防治提供准确依据。

引黄入冀补淀工程泥沙处置分析与探索

在详细分析黄河下游引黄入冀补淀工程沉沙池的生态环境、泥沙开发利用现状的基础上,结合泥沙特性,总结黄河下游泥沙处置的制约因素,分析泥沙处置成本并解读相关政策。以保障供水安全、生态安全、经济效益等多种需求为背景,探索沉沙池清淤泥沙处置途径。可利用引黄入冀补淀工程沉沙池现有条件,进行挖泥船动水清淤和泥沙分选,把该工程泥沙处置项目建设成地、水、泥、光、风复合利用的新型泥沙处置示范性项目,以期提高黄河泥沙处置能力以及引黄入冀补淀工程经济效益。

清代黄运引河刍议

引河是清代黄运两河治理中的重要工程措施之一,主要分为裁弯取直引河、控水导流引河、减水分溜引河等。与其他河道工程相比,引河控水化险能力强,解决问题较为彻底,但同时也具有技术难度高、工程量大、后期维护成本高等缺陷。

山西中部引黄取水口围堰岩梗爆破拆除技术

山西中部引黄水源工程取水口位于天桥库区内,取水口围堰采用预留岩梗型式,最大高度12m、其中水下部分7m,岩梗厚度1.7~5.6m,围堰岩梗前期采用钢管桩和内支撑梁板进行加固,需拆除的岩梗距离进水塔结构最近处仅约1m,距离天桥水库生产生活区均较近。为保证拆除后满足进水及边坡安全要求和避免爆破有害效应损坏进水塔永久结构和周边天桥水库设施,通过确定合理的爆破控制标准,对岩梗不同部位合理布置减震孔、预裂孔、光爆孔并差别化装药,采用孔外和孔内双延时,最大单段药量不超过9kg。项目中采用的微震爆破技术有效地将爆破有害效应控制在安全允许范围内,最终爆破效果达到了预期目的。