城市水系统关联模型研究

为了理清城市水系统中多因素间的复杂关系,对系统解决城市水问题提供帮助,基于水系统理论与城市水系统模拟相关研究,提出了城市水系统中水-经济社会-生态环境各因素之间相互作用和反馈的关联模型理论框架,建立了城市水系统演变过程中由针对经济发展的正反馈回路和针对可持续性的负反馈回路共同控制的新模式,构建了模拟城市水-经济社会-生态环境内在联系的城市水系统关联模型。以武汉市为例,应用建立的城市水系统关联模型,采用2001—2017年的历史统计数据,建立了武汉市城市水-经济社会-生态环境各要素之间互馈作用的模拟模型,预测了武汉市的城市发展轨迹,并与武汉市2030年的远期规划进行比较,验证了模型的有效性,表明城市水系统模型能够揭示城市水-经济社会-生态环境多要素的耦合驱动机制,体现了节水技术与绿色发展相关政策两大因子导向下的生态环境、经济社会协同发展的良好预期。

长江中游城市群水资源绿色效率测度与影响因素分析

推动长江经济带高质量发展是关系国家发展的重大战略,提升城市群水资源绿色效率是保障生态优先绿色发展的基础性问题。在传统水资源利用效率研究中引入“绿色发展”概念,构建了水资源绿色效率评价指标方法体系,通过利用超效率EBM-DEA模型和面板Tobit模型对长江中游城市群水资源绿色效率进行了测算和影响因素分析。结果表明:(1)水资源经济效率受GDP变化影响较大,水资源环境效率和绿色效率的测度结果更符合实际情况;2009—2020年间,通过各城市圈对比发现,武汉城市圈的水资源绿色效率始终高于环鄱阳湖城市群与环长株潭城市群。(2)经济水平发达的城市水资源利用效率也高;长江中游城市群水资源充沛地区用水效率略低于水资源贫乏地区;高速的城镇化发展对水资源绿色效率具有抑制作用,因此长江中游城市群需坚持走绿色、新型的城镇化发展道路。

气候变化对湖北省未来水资源量变化趋势的影响

为研究湖北省未来水资源量变化趋势,采用全球气候模式未来降雨数据,导入时变增益模型模拟湖北省未来水资源量。结合全国第三次水资源调查评价,应用1957~2016年湖北省实测降雨、径流数据,对时变增益模型进行率定、验证。并选用BCC-CSM1-1、BNU-ESM、FGOALS-g2三种全球气候模式,选取RCP2.6与RCP8.5两种典型浓度路径下的降雨数据,作为时变增益模型的输入。结果表明,三种气候模式下2050~2089年湖北省水资源量相对于2020~2049年总体呈上升趋势,BCC-CSM1-1、BNU-ESM气候模式下RCP8.5浓度路径下的湖北省水资源量总体上低于RCP2.6浓度路径,FGOALS-g2气候模式则相反。

鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素变化特征及其指示意义

为深入认识鄱阳湖湿地区域水循环过程,于2019年112月在鄱阳湖国家级自然保护区对降水、河流水、主要碟形湖水进行系统采集,综合分析碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征及其指示意义。结果表明,鄱阳湖湿地修河和赣江的同位素组成具有明显的季节性变化规律,4月河水同位素最为富集,57月逐渐贫化,之后呈现出不断富集的变化趋势,整体上与降水同位素的时间变化特性相似。在空间分布上,各段河水的同位素组成均具有相对稳定的沿程分布特征,赣江在修河汇入点上、下游的同位素特性在大多数月份没有呈现出明显变化。碟形湖水同位素的年内变化范围比河水大,并且相对富集。主要碟形湖水的δ2 H-δ18 O关系接近当地大气降水线,具有更小的蒸发线斜率以及系统性偏离的特征,反映碟形湖主要受到当地降水补给,经历了一定程度的蒸发作用。基于指数模型方法估算修河和赣江水体的平均滞留时间(mean residence time,MRT)分别为1.54和0.81年,赣江较短的MRT表明鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件,修河上游柘林水库的调蓄作用导致其MRT明显大于赣江。通过假定碟形湖水的蒸发过程遵循瑞利分馏模型,全年的同位素监测结果揭示蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸发损失量分别为15.5%、15.0%、14.1%,不同碟形湖之间蒸发程度的差异可能与地形、植被和水动力条件等因素的综合影响有关。

植被和气象指数在湖北省干旱评估中的应用探讨

近几十年来不断增加的极端干旱事件给湖北省的社会经济发展带来了重大损失,然而湖北省干旱监测评估的相关研究还很有限。基于VCI和SPEI指数评估了湖北省2001~2014年发生干旱条件的时空分布特征;并结合实地调查的干旱受灾面积年鉴数据,对比分析了VCI和SPEI指数在年和季节尺度上对研究区域2001~2014年历史干旱评估结果的差异。研究结果表明:①时间上,湖北省发生年尺度全域性气象和植被干旱的频次小,分别为4次和1次,气象干旱的影响范围大于植被干旱;湖北省季节性气象干旱易发生于春季,而发生植被干旱的频率没有显著的季节差异,其中春、秋季发生气象干旱的频率比植被干旱高10%。②空间上,植被干旱主要出现在鄂北和鄂中南地区,而气象干旱则多发生在鄂南地区。③从与实际干旱受灾面积的关系上看,VCI比SPEI指数更加适合评价湖北省的实际干旱状况。

区域水资源压力指数评估及其适应性分析

水资源短缺带来水资源压力,制约区域社会经济持续发展。深入探讨水量型水资源压力指数、水质型水资源压力指数和综合水资源压力指数的概念内涵,依据区域需水量预测结果,提出基于水资源贡献率和需水率的改进破产分配方法,对传统破产分配方法进行适应性改进。以广州市为研究区域,应用结果表明:(1)广州市未来阶段(2021-2030年)与当前阶段(2011-2020年)相比,总需水量增加3.13%,其中农业增加0.53%,工业减少30.19%,生活增加57.51%。(2)传统破产分配方法仅考虑分区需水量对水资源进行分配;适应性分配方法综合考虑地区水资源贡献率和需水率,依据总缺水量对水资源进行分配。(3)适应性分配方法下广州市综合水资源压力减少14.3%,综合考虑水量、水质和生态,其明显优于传统破产分配方法。

基于条件风险价值的灌区水质水量配置模型研究

随着全社会用水需求不断增加,水资源利用冲突与矛盾加剧,水量与水质问题不容乐观。以赣抚平原灌区为例,在总结现有研究成果的基础上,引入条件风险价值理论,基于合作博弈建立水质水量配置模型,并从多个方面对模型效果进行了评估。结果表明:随着风险控制的置信水平提高,经济和社会效用升高,供水量增加,环境效用下降;随经济损失容忍度提高,经济和社会效用均降低,供水量降低,环境效用升高;考虑初始点的随机模型能够保证较多的总供水量、较高的经济效益和用水满足度;同时可在灌区的实际可供水量条件下,达到灌区缺水损失风险规避要求。研究可为水资源利用冲突管理提供参考。

灌区新旧输水渡槽协同防洪风险分析

现有水利工程在运行多年的情况下面临结构老化、运行条件改变等问题,无法满足设计条件下的安全运行,引发了现有水利工程和续建新工程的协同调度问题。针对新旧水利工程的协同防洪调度问题,收集历史洪水数据,采用皮尔逊Ⅲ型分布和正态分布分别拟合洪峰流量分布,运用蒙特卡罗方法随机选取大于现状设计流量的伪随机数作为设计洪水的洪峰流量,再利用“峰比”同倍比放大法设计15d洪水过程线。选取新旧工程各自的特征流量进行组合,以构成不同的运行工况,并计算在各种工况下新旧工程协同防洪的风险值。以江西省赣抚平原的岗前渡槽(旧渡槽)及其续建工程岗前倒虹吸(新渡槽)为研究对象,分析工程特点后选取旧渡槽的现状防洪安全最小运行流量、设计流量以及新渡槽的设计流量、加大流量作为该工程的特征流量。结果表明:基于P-Ⅲ分布的洪水风险计算结果比正态分布的结果偏高约40%,说明洪峰分布采取P-Ⅲ分布可以模拟更加不利的洪水条件。用P-Ⅲ分布拟合洪峰流量,新渡槽按设计标准运行时,旧渡槽的防洪风险率为23%;而旧渡槽按设计标准运行时,新渡槽的防洪风险率为8%,说明渡槽协同防洪时,旧渡槽面临的防洪风险更大。研究成果可为新旧水利工程协同防洪调度规则的制定提供参考。

基于Win-TR55的小区域低影响开发水文效应评估

随着社会经济的发展,城市化水平不断提高,改变了原始的下垫面条件,严重影响了水循环机制,由此引发一系列城市内涝、水环境污染等城市水问题。低影响开发(LID)能缓解城市化所引起的雨洪放大效应,而LID措施设计的一个关键性问题就是探究下垫面变化对洪水过程的影响。通过对比城市雨洪模型,选取Win-TR55模型,其为小流域设计洪水模型,该模型的产流核心为SCS-CN径流曲线模型,其突出的特点是计算过程简单、所需要的参数较少,并综合考虑了流域降水、下垫面类型等因素变化与径流之间的关系。基于上述模型分析了武汉市九龙生态公园的下垫面在现状、传统开发以及低影响开发条件下,模拟了不同重现期下的设计洪水过程,根据洪量、洪峰以及淹没范围的变化评估了低影响开发的水文效应。结果表明:(1)在3种开发模式下,传统开发下的CN值最大,低影响开发条件下的CN值最小;表明在低影响开发模式下,改变了下垫面类型,增加了调蓄容积,相应的CN值减小,产流量也减小。(2)在低影响开发条件下,一年一遇、五年一遇、十年一遇以及五十年一遇的洪量的削减率可达到:96.74%、81.58%、73.46%、61.13%,对于洪峰的削减率可达到:94.14%、70.63%、60.64%、45.42%。(3)设计淹没范围的削减率可达到:74.35%、63.60%、51.14%、6.83%;从模拟的结果可以看出,随着雨强增加,低影响开发的雨洪控制效果逐渐变弱。研究成果可为区域LID设施的设计提供水文依据。

穿越岩溶地区隧洞施工开挖防渗措施研究

穿越岩溶地区隧洞在施工开挖期极易遭遇涌水突泥现象,如何选择合适的防渗措施减少隧洞渗流量一直是热点问题。依托某引调水工程,建立岩溶地区复杂地层三维有限元模型,重点考虑洞顶回填混凝土、洞周注浆圈、混凝土防渗墙3种防渗措施,研究了隧洞开挖过程中孔隙水压力及隧洞渗流量的变化规律,分析了防渗墙和注浆圈渗透系数对渗流特征的影响。结果表明:在本工程中,混凝土防渗墙对隧洞孔隙水压力分布的影响非常大,防渗墙之间水位降低程度明显,而洞周注浆圈对隧洞渗流量的影响最大,施工时要保证注浆圈的质量;孔隙水压力随着与隧洞中心水平距离增加而增加,随着与隧洞中心竖直距离增加呈现先增大后减小的变化趋势;随着注浆圈或防渗墙渗透系数增加,注浆圈或防渗墙区域内的孔压增长速率逐渐降低,隧洞渗流量不断增大。

城市水系统模拟理论与实践

明确了城市“自然-社会”二元水循环过程和基本要素,基于城市水系统5.0理论完善了以水循环过程为核心的城市水系统理论框架,构建了包含自然-社会水循环、社会水文、水生态模块的多尺度综合城市水系统模型(water system modeling and assessment tool-urban,WASMAT-URBAN),并应用于城市、小流域、汇水区尺度,模拟结果验证了模型的可用性和模拟精度。该理论框架和模型可为海绵城市建设的规划设计、建设改造、模拟评估提供理论基础和模拟方法。

考虑余留效益的水库长期优化调度图集及应用

优化调度图是水库优化调度的重要工具,余留效益是制约水库中长期优化调度效果的关键因素。本文基于水库坝址历史流量信息,计算水库年末蓄水的长期余留效益;然后根据各时段的来水流量量级及频率,应用动态规划方法,从年末逐时段逆序计算各时段初不同水位的最优期望效益;再建立各时段在时段初水库所处不同水位时,多种典型来水情况下的最优决策图,构成水库长期发电优化调度图集。老挝南欧江七级水电站实例研究结果表明,利用本方法开展水库长期优化调度,原理清晰,操作简单,效益比常规调度和调度函数分别提高了1.03%和0.87%。本方法充分利用水库历史径流信息和预报流量信息,考虑了水库决策对余留效益的影响,为水库长期优化调度决策提供了新的途径。

汉江下游流域生态流量区域特征指标的优选

在评价河流水文情势变化特征时,传统水文改变指标法(indicators of hydrologic alteration,IHA)存在的指标间相关性高和数据冗余问题会造成整体评价偏差。对汉江下游流域的河流水文情势评价时,考虑到汉江流域干支流日均流量及取水调水工程等的影响,分别选择汉江干流上的3个水文站及支流流域的3个水文站点,采用主成分分析法对6个水文站IHA指标进行优选,再利用相关性分析结果进一步筛选,优选出适用于评价汉江下游流域水文情势的13个代表性指标,分别为2月流量、4月流量、7月流量、10月流量、12月流量、基流指数、最低流量出现日期、最高流量出现日期、低流量脉冲次数、高流量持续时间、日均流量增加率、日平均流量减少率和日均流量反转数。结果表明:6个水文站的代表性指标间相关性均大幅降低,13个代表性指标间的相关系数不超过0.3的占比约70%;经变化范围评价法(range of variability approach,RVA)验证,IHA指标与优选出的代表性指标对汉江下游流域整体水文改变度评价结果的差值均小于7.5个百分点,表明其能够对汉江下游流域提供较为全面合理的水文情势变化评价。

水资源利用与排污控制的非合作博弈方法

为在水环境保护优先的前提下保障水资源持续利用,通过分析水资源经济利用主体与水环境保护主体的目标冲突,建立水资源利用与排污控制的讨价还价博弈模型与主从博弈模型,提出水资源利用与排污控制互馈决策的协调方法,并对比分析均衡解与非劣解的内涵与关系。以洞庭湖四口河系地区为研究区域,结果表明:讨价还价博弈和主从博弈方法的均衡解均在多目标优化方法的非劣解前沿上,讨价还价博弈的均衡解范围远小于非劣解范围;主从博弈得到了唯一的均衡解,比讨价还价博弈的均衡解更有效地控制了污染物排放量。研究为水资源利用与水环境保护冲突管理提供了新的协调方法。

平原河网区生态流量阈值研究——以江汉平原典型河流为例

生态流量是维系江河湖泊水生态系统的重要保障,而平原河网区水系错综复杂,传统生态流量计算方法适用性较差,开展平原河网区的河流生态流量阈值研究具有重要意义。以湖北省江汉平原典型河流为研究对象,从基本生态、特殊生境以及水环境保护等方面开展平原河网区的生态流量阈值研究,以多样化、动态化的需水过程定义生态流量阈值,结果与实际相符,研究成果可为平原河网区生态流量阈值的确定及应用提供借鉴。

快速城市化流域综合径流系数确定方法比较研究

径流系数是表征流域的产水能力、反映自然地理因素对降水形成径流过程影响程度的重要参数。针对快速城市化背景下的海绵城市规划建设需求,为了寻求具有一定物理基础且较简捷快速的方法来确定区域产流,以武汉市后湖流域为研究对象,采用基于降雨径流试验的拟合函数、面积加权法和水量平衡法3种方法计算综合径流系数,并分析比较各个方法的优缺点。结果表明:①后湖流域3种方法计算的综合径流系数值分别为0.49,0.49和0.58;基于试验的拟合函数法计算简便,面积加权法各土地利用类型的径流系数取值主观性较大,水量平衡法具有水文学原理,适用于监测资料较充足区域。②降雨过程水量平衡法计算结果表明,前期影响雨量对场次径流系数有较大影响,在规划设计中应结合设计工况对应的成灾雨型、雨量、设计重现期等影响因素,优选水量平衡计算法。③当实测资料较为缺乏时,综合考虑排水规范中面积加权法和降雨径流试验方法可以快速得到区域综合径流系数的参考值。研究成果可为城市水资源利用和海绵城市建设提供参考。

海上风机变径单桩基础水平承载特性数值分析

为研究海上风机变径单桩基础承载性能,通过有限元分析软件ABAQUS建立变径桩数值模型,开展变径单桩水平承载性能的数值模拟研究,分析其相对于通长单桩基础的承载性能优势,并针对变径段尺寸进行参数分析。结果表明:变径桩极限承载力较通长桩存在明显提高,相同水平荷载作用下,变径单桩基础桩身位移明显减小,其水平承载能力要优于通长桩基础;变径桩基础中底部桩径和变径段埋深高度对水平承载力影响较为明显,增大底部桩径与减小变径段埋深均能提升桩基的极限水平承载能力,但变径段长度对变径桩基础水平承载能力影响很小。可见变径单桩水平承载性能优于通长桩。研究成果可为深厚砂土地质下的海上风电单桩基础设计与结构优化提供参考依据。

长江流域上中下游基流演变规律及与降水量关联分析

气候变化及频繁的人类活动给自然水循环过程带来强烈的扰动,使得径流的演变规律变得复杂,深入分析流域径流组分演变规律及归因辨识是合理利用与保护水资源的基础。基于长江流域三个代表性水文站点1952~2014年日径流数据及146个气象水文站点,采用L-H数字滤波法进行径流分割,获得基流序列及基流指数(BFI),分析了径流、基流及BFI的年、代、季演变规律,并绘制小波相干功率谱图以探求基流序列与面降水量之间的关联。结果表明,长江流域年径流、基流出现明显的下降趋势,BFI从21世纪开始呈现持续缓慢上升状态;基流与降水序列在8~18月尺度范围内存在密切相关,上游降水序列先于基流大约0.2个周期变化,中游和下游的降水序列与基流变化保持同步;上游至下游基流与降水之间的显著性程度降低,变化规律逐渐复杂。

分层地基环境下海上风电大直径单桩基础水平承载特性分析

依托某海上风电项目,针对几种典型地层条件通过数值方法研究分层地基环境下单桩水平承载性能影响因素并进行参数敏感性分析。首先,在用钢量恒定情况下,桩径对单桩水平承载力影响最大,且这种影响随着桩径增大而显著增大;其次,随着埋深的增大,水平承载力先增大而后趋于稳定;再次,桩周浅层土体弹模对桩基承载力亦影响较大,且桩径越大,其影响越明显且不能通过增加埋深来抵消。与均质地层相比,水平承载力在上劣下优地层中下降最为明显,在上优下劣及中夹差土地层中降幅较小。实际工程中除增大桩径或桩长,亦可对单桩周边浅层土体进行加固以提高水平承载性能。

将军庙水库混凝土面板砂砾坝静力特性分析

基于将军庙枢纽工程的整体规划与布置、混凝土面板砂砾石坝坝基处理措施、筑坝材料特性等,建立了混凝土面板砂砾石坝的三维数值计算模型,通过计算分析竣工期和蓄水期坝体的受力变形、面板变形与接缝的张开等情况,表明坝体与面板等受力变形均在安全范围内,工程初步设计方案可行。