北京市主城区高分辨率的城市水碳通量模拟研究

城市化通过影响地表蒸散发(ET)过程改变了区域水热平衡等水文和生态过程,进而改变了陆地生态系统的结构与功能。为科学评估城市水碳过程,基于哨兵二号卫星数据的植被信息,估算了2016—2021年逐月北京市主城区10 m×10 m空间分辨率的植被指数,进一步结合PT-JPLim四源蒸散发模型、InVEST模型以及解析型生态系统水分利用效率(WUE)模型,模拟了2016—2021年北京市主城区10 m×10 m空间分辨率的蒸散发、蒸散发分量(植被蒸腾E t、土壤蒸发E b、截留蒸发E i和不透水面蒸发E u)、总初级生产力(GPP)、碳储量以及WUE的月值,并分析了其相关关系。植被指数较大值集中在西部山区,其次为北京市的公园区域,归一化植被指数NDVI最大值为0.65。主城区多年平均蒸散发量为497 mm,ET随着叶面积植被指数LAI和增强植被指数EVI的增加而增加。2016—2021年期间,NDVI、LAI和EVI分别以每年0.0048、0.016 m^(2)·m-2和0.0047的速度增加。区域平均E t为141.51 mm,E i为50.77 mm,E b为272 mm,不透水面上的E u ET为18.2%。碳储量较高的区域主要分布在西部山区,该区域海拔相对较高,植被覆盖率较高,总碳储量密度高值超过5 t hm^(2)。研究区GPP的平均值为2.7 g·m^(-2)·d^(-1),多年平均WUE为0.63 g·mm^(-1)。WUE和E t ET呈显著负相关(R=-0.44,p<0.001),WUE随GPP的增加呈现显著的上升趋势。精细化的城市水碳模拟能够为海绵城市的建设和评估提供理论基础,对“双碳”目标的实现具有重要意义。

基于百色水库的郁江流域水资源调度方案研究

为加强郁江流域统一调度,全面落实《西江流域水量分配方案》要求,合理开发、利用、节约和保护水资源,严格流域用水总量和重要断面下泄流量(水量)控制,合理配置河道内外用水,维系良好河流生态环境,实现水资源可持续利用,支撑流域经济社会高质量发展。以百色水库为龙头水库,构建了郁江流域水资源配置优化调度模型,通过优化百色水库枯水期调度运行方式,研究了保障郁江流域水资源调目标的调度方案。经研究分析,郁江流域开展以百色水库为水源水库的6库联调,通过改变百色水库枯水期11月至次年4月发电调度运行方式,使其按照保证出力发电运行,并动态向下游补水,可基本实现贵港最小下泄流量400 m^(3)/s保证率90%目标,同时可基本满足平陆运河及环北部湾广西水资源配置工程近期2035年用水需求。

维持黄河流域水沙平衡的调控指标阈值体系研究

推进黄河流域系统治理与黄河水沙协同调控是确保黄河长久安澜的关键。因受气候、生态、地形地貌和强人类活动等多系统耦合影响,约束黄河水沙整体行为的分系统协调以及各单系统水沙关系协调的表征指标筛选及其阈值确定,一直是治黄实践的难题。基于维持黄河全流域水沙平衡,构建了黄土高原-干流河道-河口水沙协同调控三级指标阈值体系,包括1个一级指标、8个二级指标和20个三级指标。结果表明:(1)流域侵蚀防控指标阈值体系中,60%的林草梯田覆盖率下可致产沙的次降水量阈值为57 mm;可基本遏制流域产沙的林草有效覆盖率和梯田比阈值分别为60%和40%;淤地坝拦沙减蚀阈值为三级沟道控制率40%~50%。(2)河道水沙调控指标阈值体系中,近期宁蒙河段平滩流量阈值约为2 000 m^(3)/s,远期黑山峡水库建成后宁蒙河段平滩流量阈值约为2 500 m^(3)/s;近期潼关高程调控阈值约为328 m,远期古贤水库建成后潼关高程可冲刷下降至326 m左右;下游河道平滩流量阈值约为4 000 m^(3)/s。(3)考虑黄河三角洲淤蚀动态平衡,河口稳定沙量阈值约为2.6亿t/a。

大规模灌溉对海河流域气候影响模拟研究

为保障粮食安全,海河流域常年灌溉水量200亿m3以上,而大规模灌溉对区域气候产生显著影响,为揭示大规模灌溉的气候效应,该研究构建海河流域区域气候模式WRF(weather research and forecasting model),在WRF陆面模块中,开发灌溉精细化模拟的新方案,设计关闭灌溉的控制试验与开启灌溉的敏感性试验,模拟分析大规模灌溉对海河流域气候的影响。结果表明,灌溉使得海河流域潜热通量增加,显热通量减少,4—6月变幅最大。灌溉导致流域3—11月气温降低,其中4—6月降温最大,且空间上总体表现为灌溉量越多的地区降温越大,4—6月平原区降温0.64℃,子牙河平原与大清河淀西平原交界地带降温超过1.0℃。灌溉主要影响对流性降水,导致海河流域年降水增加6.07 mm,集中在4—6月,空间上主要在大清河流域与子牙河流域,其中大清河山区4—6月降水增加15~30 mm。灌溉改变近地表气象要素,使得流域参考作物蒸散发量减少,单位面积作物需水量降低。因此,大规模灌溉的气候效应在供需两侧支撑保障流域水安全,在一定程度上缓解流域水资源供需矛盾。研究可为水资源优化配置与水资源安全保障布局等提供基础支撑。

基于水循环全过程的旱涝级联效应研究框架

气候变化与人类活动影响加剧背景下,亟须实现旱涝灾害风险精准防控。从孕育机理、传播机制、事件评价、风险评估、影响效应等方面回顾了旱涝事件研究现状,明晰了当前在旱涝事件演变机理和评价指标构建方面存在的不足。从水循环全过程视角,分析了干旱和洪涝事件在坡面、河道、流域和区域4个尺度与水量和效应2个层面的本质内涵、影响效应及评价方式。基于地表-土壤-地下、坡面-河道、支流-干流及水网工程间的水力联系,分别从水量和效应层面分析了不同空间尺度上干旱和洪涝的内在联系,明确了干旱、洪涝及旱涝级联过程本质上受流域调蓄作用的影响。从旱涝级联效应的内涵、类型、表现形式和关键技术等方面,提出了旱涝级联效应的研究框架。未来应从流域调蓄作用的视角量化不同空间尺度各要素调蓄能力变化,分层调蓄防范化解旱涝风险。

核电厂二次循环冷却水泵房流道水力特性优化研究

二次循环冷却技术是内陆核电建设的关键技术和重点研究方向,泵房流道内良好的水力特性对循环冷却水系统的安全、高效运行至关重要。结合世界首个采用超大型高位收水海水冷却塔二次循环冷却技术的核电项目,开展了循环水泵房流道物理模型试验,模拟分析了流道内流态、水力特性和启停泵过程的水位波动。试验结果表明:采用高位收水冷却塔的二次循环冷却水泵房具有“大取水流量、前池侧向进水、有限容积、高位布置”等特点,在不采取整流措施的条件下,流道内流速分布不均匀,吸水室内偏流严重,吸水喇叭口前存在预旋流,水泵吸水管涡角偏大,影响循环水泵的安全稳定运行。优化方案针对性提出“前池墩栅阵列分水整流+吸水室墩墙联合均流消涡”组合措施,改善了流道和吸水室内流态,满足了循环水泵平顺、均匀进流的要求。此外,根据启停泵水位波动的试验结果,给出了系统充水的最高静水位和启停泵间隔周期建议。研究成果可为后续核电厂二次循环冷却水系统的优化设计提供参考。

景观格局汇水单元法与城区水量水质模拟研究

景观多样性有助于提高城市韧性,但其可能带来的透水斑块破碎化和廊道连通度的改变,会影响城区非点源污染的产生输移特性。传统对非点源污染的定量评估忽略了汇水单元内部景观格局(形状、比例和空间配置)对物质输移的影响,是导致模拟精度偏低的主要原因。针对这一问题,本研究结合遥感影像和城市景观格局分布特征,构建了基于景观格局的汇水单元划分方法(景观格局法)。采用SWMM模型,以巢湖一级支流十五里河为对象展开研究,结果表明:(1)基于实测数据进行验证,采用景观格局法模拟各项指标(水量、COD、TP和NH 3-N)的纳什效率系数(NSE)均大于0.7,结果可靠;(2)与传统方法(泰森多边形划分汇水单元)相比,水量模拟精度(以NSE计)提高8%,水质模拟精度提高6%;(3)与泰森多边形法相比,景观格局法计算的入河总水量和污染总负荷较低,且污染物浓度峰值滞后;(4)景观格局法通过改变汇水单元之间的水力联系,模拟出污染物冲刷减弱,初期雨水冲刷效应降低,且随着重现期的加大,降低初期雨水冲刷强度的效果越明显,表明一定程度上景观类型多样化有助于缓解瞬时高强度污染影响。本研究构建的方法充分考虑了城市斑块内部的景观格局分布特征和水力联系,可为城区面源污染输出控制提供新的评估手段。

基于HYDRUS模型的葵花田土壤水药运移模拟研究

为掌握不同施用量的除草剂在土壤中的残留情况,通过开展田间试验,结合HYDRUS模型对河套灌区葵花田土壤含水率、草甘膦和高效氟吡甲禾灵的运移过程进行模拟,探究不同施用量的草甘膦和高效氟吡甲禾灵在土壤中的运移规律。结果表明:不同施用量处理的草甘膦和高效氟吡甲禾灵主要分布在0~5 cm和5~10 cm土层,0~5 cm土层的残留量较多;施药后7 d, 0~5 cm土层草甘膦和高效氟吡甲禾灵的残留量分别减少71.0%~75.8%和94.7%~94.9%,5~10 cm土层草甘膦和高效氟吡甲禾灵的残留量分别减少48.0%~50.0%和86.2%~89.9%;施药后21 d,土壤和地下水中均未检测到草甘膦和高效氟吡甲禾灵。由HYDRUS模型模拟结果可知,土壤含水率、草甘膦和高效氟吡甲禾灵残留量的模拟值与田间实测值吻合度较高,该模型能够用于模拟葵花田土壤水分分布特征和除草剂的运移规律。

基于ERHIs法的雅鲁藏布江流域水文情势变化研究

为探究变化环境下雅鲁藏布江流域环境流量组分与水文情势变化情况,采用改进后生态最相关水文指标ERHIs(The most Ecologically Relevant Hydrologic Indicators)、RVA(Range of Variability Approach)法定量分析了1965—2018年间不同阶段不同环境组分下的雅鲁藏布江流域内水文情势的变化情况,并结合5种突变检验方法对指标进行验证。结果表明,通过EasyDHM插补数据是可行的,参数优化后的Nash系数最大为0.97,最小为0.67,均在合理范围内,在缺资料地区运用较好。针对雅鲁藏布江2个断面强变异指标改变度计算结果均表明雅江中下游地区的水文改变度为高度改变。在指标选取方面,生态水文改变过程的指标体系(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)参数之间的相关性较高,指标间的冗余问题十分突出。ERHIs指标具有一定的合理性,不仅有效缓解了IHA的冗余性问题,还有利于抓住最关键的生态水文变量,对生态水文研究、流域水资源管理和生态保护都具有重要的参考价值和借鉴意义,为短缺水文资料地区的生态评估提供参考。

社会水循环系统水—能—碳纽带关系及低碳调控策略研究

水是社会经济系统中最活跃、最关键的因素,伴随水的取用和处理,温室气体排放规模不断增加,因而研究社会水循环系统中的能源消耗和碳排放规律对推动实现“双碳”目标具有重要意义。文章从水—能—碳纽带关系角度着手,梳理了社会水循环过程中的能源消耗和碳排放现状,基于变化趋势及影响因素分析结果并把握面临的机遇和挑战,提出了“双碳”目标下社会水循环系统高效低碳发展的应对策略。我国社会水循环系统正朝着能源密集型方向发展,其中供水、排水环节的碳排放强度增幅最大,2009—2021年分别增加了23.3%、78.6%;说明随着非常规水、跨流域调水规模的增加,未来水系统耗能及碳排放量将持续增加,实现碳中和目标挑战艰巨。研究建议,加强基础科学研究,构建社会水循环全过程碳核算体系;推动系统配置和低碳技术研发,整体提升减污降碳综合能力;激励全社会加强节水,实现水资源与能源的双重节约;完善水系统碳排放管理,实现社会水循环低碳发展。

北京清水河流域水循环垂直地带性研究

为明确山区地形及下垫面对水循环过程的影响,以北京市清水河流域为例,采用分布式水文模型WEP-L对清水河流域水文过程进行模拟,在模型验证效果较好的基础上,利用模型计算结果分析清水河流域不同海拔和下垫面的水循环要素通量变化情况。结果表明,降水和入渗量随海拔的升高而增加,蒸散发量和径流深则随海拔的升高而减少;山区水文过程呈现出在海拔较高处降水形成大量入渗,但主要在海拔较低处形成径流;不同下垫面情况的蒸散发量和径流深呈现出常绿针叶灌木林>落叶阔叶林>草甸,而入渗量则表现为草甸>落叶阔叶林>常绿针叶灌木林;海拔的差异对水循环要素的影响较下垫面对水循环要素的影响更大。该结果对于山区水循环过程的深入理解和植被生态建设具有重要意义。

北京市漫水河流域山区洪水模拟研究

北京市山丘地区洪水具有汇流快、历时短、破坏强的特点,多发于夏秋季汛期,损失惨重。为此需建立水文预报系统,采用分布式水文模型(EasyDHM)和马斯京根汇流模型演算方法分别进行产、汇流计算,模拟再现漫水河站近几十年内发生的洪水事件。结果发现,率定期参数敏感性分析和优化之后的模型模拟精度有明显提高;验证期模拟洪水发生年份距离模型率定年份越近模拟效果越好,且模拟洪水的洪量模拟效果优于洪峰模拟。

协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅰ:方法与模型

针对水资源刚性约束落地缺抓手的问题,按照以水定发展、协调定规模的理念,提出“四水四定”的分析思路和控制指标,厘清各类发展目标与水资源利用的协调关系。以公平为社会目标,以效益为经济目标,提出“尊重现状、保障刚需、效率驱动、区域均衡”的协调优化准则,建立目标函数和约束条件,构建“四水四定”多目标协调模型,以满足保障刚性需求基础上的水量高效流转,确定发展规模和水量分配方案。模型选取人均GDP最大实现效率驱动,使有限水量产生更大效益;选取区域人均GDP差异最小、发展匹配度最高实现发展公平,缩小区域经济差异;通过约束条件反映水资源约束、刚性需求保障、水源用户配置关系、经济社会发展合理范围等要求;设置罚函数协调约束条件不能满足时的目标值调整。通过归一化方法将多目标转化为单目标,基于现状设置初始条件,采用线性规划等方法求解,得出协调产业发展和水量优化分配的整体结果,通过结果评价反馈调整,形成可服务于经济社会发展和水资源管控决策的方案。

人口特征对中国经济社会需水影响及峰值预测

人口规模结构是决定水资源需求的关键因子,在人口总量负增长的重大变化背景下,中国经济社会需水如何演变直接关系到水资源管理宏观决策。本文通过分析中国人口城乡结构、年龄结构对经济社会需水的影响规律,构建了基于人口特征的需水变化曲线,并在此基础上预测了经济社会需水演变态势及峰值时点。研究结果表明:中国经济社会需水峰值可能出现在2042年,达峰规模约为7300亿m^(3);2050年之前,城镇地区需水总量将会持续增加,农村地区需水峰值将于2030年左右出现。经济社会需水规模是决定区域用水特征的边界条件,研究认为在中国经济社会需水还未到达拐点、国际贸易环境动荡加剧的背景下,未来中国供水保障还应该保持一定的弹性和韧性。

关于中国水达峰几个问题的讨论

用水演变态势与需求峰值事关经济社会发展、生态环境保护大局,直接影响国家水网规划布局和重大水利工程建设。本文在水达峰内涵解析的基础上,总结了水达峰的自然社会特征和内涵,阐明了水达峰与需水、用水、缺水之间的关系,深入分析了中国统计用水量出现拐点的现象以及造成这种现象的6种可能原因,指出目前尚不能得出中国用水需求已达峰的结论。通过与国际上发达国家水达峰时人均GDP、产业结构、城镇化率等主要指标对比分析,认为中国现阶段也不具备水达峰的经济社会基础。最后指出,目前中国水资源保障安全的压力仍然较大,未来用水演变态势存在一定的不确定性,中国用水何时达峰、达峰水量是多少等结论需要进一步深入研究。需要做好国家水网工程的顶层设计,提升不同尺度的水资源优化配置能力,为国家高质量发展提供水资源保障。

生态服务价值与社会经济因素交互影响下的流域生态补偿标准研究

流域生态补偿是实现流域环境改善与区域经济均衡发展的一种政策工具,对消除上下游地区间的经济差异影响,实现区域社会发展的公平性具有重要意义。为定量寻求多元信息扰动下的流域生态补偿标准最优解,亟需开展基于多维关系协调及经济利益分配多目标优化求解的动态均衡博弈研究。以实现生态补偿标准讨价还价贝叶斯纳什均衡为目标,借助完全信息博弈的混合均衡策略实施过程探讨流域生态补偿标准均衡解存在条件,并基于流域上下游间的动态转移支付进行生态补偿标准均衡解求解,依托激励相容机制开展讨价还价的动态博弈贝叶斯均衡的合理性分析。本文结合弥河流域经济社会取用水费用标准及水资源使用价值的变化规律,在流域生态保护和社会经济发展基本均衡的情况下,下游的寿光市、中游的青州市对上游临朐县的水量-水质生态补偿额度分别为3194万元、859万元。本文给出的研究方法可用于处理博弈过程中的冗余信息以便于进行讨价还价,形成合理的流域生态补偿标准。

协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅱ:应用

宁夏干旱缺水且发展不均衡,以水定需是必然选择。本文针对宁夏水资源条件和经济社会特征,构建协调公平与效率的“四水四定”优化模型,开展全区“四水四定”方案分析。模型以用水总量红线指标为水资源刚性约束,根据区域发展战略确定刚性保障需求,通过水与“四定”协调关系分析得出经济社会发展和用水效率可行变化范围。以2019年为现状、2025年为目标年,采用模型协调优化得出“四定”规模控制目标,以及分行业和区县的用水总量控制指标。结果表明,在全区73.27亿m 3用水总量和41.5亿m 3耗水约束下,满足全面小康的“四定”规模为750万人、5481亿元GDP、84.7万hm 2灌溉面积和791 km 2建成区面积。通过对比分析方案的公平性和效率提升状况,揭示了不同行业、区域的水量流转方向,表明约束设置对结果有显著影响,可为区域经济社会发展和水资源管控决策提供参考。

地下泵站进水流道数值模拟与方案优化

以典型地下泵站的进水流道为研究对象,建立数值仿真模型,分析设计方案的水力特性及存在不足,并给出优化方案.研究结果表明:在原方案中,外侧水泵进水管入口中心和圆洞出口中心的连线与来流方向的夹角达到70°,水流大角度偏转,并在进水管入口出现脱流现象,水头损失系数达到2.31~2.44,水泵进水管出口的流速分布均匀度为95.09%~96.80%,速度加权平均角为86.51°~87.41°,原方案的圆洞突扩进入压力罐,然后突缩进入水泵的进水管,且压力罐内无任何导流措施,致使局部流道产生了较大的水头损失;优化方案提出了“集管+岔管”的分流措施,通过2个60°弯头实现水流流向的偏移,平面和垂直方向均没有突扩或突缩结构,水头损失系数减小至0.93~1.07,优化方案不仅改善了流道的水力性能,也避免了开挖、衬砌压力罐.研究结果可为类似地下泵站进水流道设计提供一定依据.

缺水胁迫区水系统优化调控理论与模式

开展水系统优化调控是实现缺水胁迫区人-水-生态和谐可持续发展的关键措施之一,对于保障地区经济社会稳定发展和生态健康具有重要意义。本文以京津冀作为典型缺水胁迫区案例,通过解析水系统内涵,总结得出缺水胁迫区水系统存在深度耦合、强烈竞争和系统失衡三大现象,发现水系统呈现非稳态和稳态之间交替演进的模式,并通过构建水系统稳态指数,研判了京津冀地区水系统状态变化发展过程。研究以实现自然社会水系统健康为调控目标,提出缺水胁迫区水系统“高内聚-低耦合”解耦式调控模式,结合京津冀现实状态,在需求侧开展“保障刚需-压缩弹性-抑制奢侈”层次化调控,在供给侧进行“自然水网-人工水网-虚拟水网”适配性优化,提出京津冀“三线七河、四区八源”一体化水网布局,进而实现水系统的整体健康。

利比亚德尔纳2023年极端洪水模拟复盘分析

全球气候变化背景下,极端强降雨和洪涝等水文事件的极值屡屡刷新历史记录,造成重大损失。2023年9月10—11日,在地中海飓风“丹尼尔”的影响下,利比亚东北部地区发生罕见特大暴雨,引发德尔纳市上游两座水库接连溃决,造成巨大人员伤亡。本文对德尔纳市极端洪水事件进行了梳理,并以德尔纳市洪灾及受影响区域为研究对象,建立了二维水动力模型,对溃坝洪水进行了模拟和复盘分析。通过哥白尼应急管理服务(Copernicus Emergency Management Service,CEMS)提供的受灾数据对模型结果进行对比验证(CEMS持续监测欧洲和全球即将发生或实时发生的灾难事件)。结果显示,影响德尔纳市的溃坝洪水持续了2 h左右,对城市的破坏主要集中在前30 min。本次复盘分析了德尔纳市溃坝洪水演进与风险分布特征,可为我国城市地区大坝溃决风险防控、早期预警和应急管理提供参考借鉴,同时也可为世界其他地区的大坝溃决风险防控、早期预警和应急管理提供参考借鉴。