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。

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。

基于ParFlow.CLM的居民小区屋顶雨水断接水文效应研究

城市不透水面的快速扩张极大地改变了自然的水文循环过程,是造成城市内涝、河湖生态退化等城市水问题的主要原因之一。海绵城市建设及低影响开发利用源头海绵设施或城市绿地断接城市不透水面,减少不透水面的水文效应,是缓解城市水问题的重要措施。探究不透水面断接的水文效应对我国海绵城市建设具有重要意义。基于全分布式物理水文模型ParFlow.CLM,充分考虑城市地下构筑物,探究了不同土壤质地情景下西宁市某典型居民小区建筑屋顶断接在连续的降雨、蒸发过程中的水文效应。模拟结果显示,利用该居民小区自然绿地断接建筑屋顶能取得较好的径流控制效果:当土壤饱和导水率(K_(s))大于0.01m/h时,屋顶径流的年削减率能达到72.9%以上。屋顶断接在建筑物雨落管附近形成了集中入渗,增加了根区土壤湿度,且这一效应随着土壤渗透性的增加而增强。根区土壤湿度的增加进一步促进了绿地的蒸散发:与屋顶断接前相比,不同土壤质地情景下居民小区年蒸散发总量增加了6.2%~7.8%。另一方面,集中入渗在局部也形成了更深的湿润锋,使得更多下渗水量能够脱离植被根区的蒸散发作用,从而促进根区水分的深层渗漏。模拟结果表明,尽管该居民小区地下停车场限制了大部分区域的深层渗漏,当土壤K_(s)大于0.01m/h时,屋顶断接情景下的年深层渗漏总量仍能超过城市化前的水平。

超深埋隧洞防渗排水措施与衬砌外水压力分布规律

高外水压力是制约超深埋水工隧洞建设的关键性难题之一,以排水孔为中心的综合堵排措施是降低外水压力的主要举措。为克服传统排水孔实体单元法整体网格划分难度大和计算效率较低的问题,首先,基于ABAQUS平台开发了两节点排水孔线单元模型,并验证其在隧洞工程数值模拟分析中的正确性和有效性;其次,建立了考虑防渗排水措施的围岩-衬砌三维有限元模型,研究多种防渗排水措施下的隧洞渗流场及衬砌外水压力分布规律;最后,探讨了防渗灌浆圈与排水孔设计参数对外水压力分布的影响,提出了防渗灌浆圈与排水孔间隔布置的原则。研究结果表明:所开发的两节点排水孔线单元具有较高的精度,在排水孔数目繁多的模型中具有极高效率;排水孔数目越多、深度越大、排距越小,衬砌外水压力越低;排水孔能够有效降低衬砌的外水压力,而防渗灌浆圈降外压能力有限;在排水孔末端间隔一定厚度围岩后再施作防渗灌浆圈,可更有效发挥两者的降压作用。

武汉市城市化进程中河湖水系的时空演变特征

在城市化进程中,人类活动对河湖水系的改造日益加剧,破坏了原有的河湖水生态平衡。针对由此引起的洪涝与水环境问题,以“百湖之城”武汉市为例,以2000年、2005年、2010年3期的LandsatTM遥感影像解译数据为基础,分析了城市化进程中下垫面的变化特征;选取2000年、2005年、2010年的1∶50000地形图进行了水系提取,借鉴景观生态学方法,从水系斑块水平层面上,选取了能表征水系数量特征、形态结构和复杂度的水系格局指标,分析了武汉市2000—2010年的水系格局时空演变特征。结果表明:①2000—2010年,城镇用地面积增加了673.39 km2;前5 a城市化进程较为迅速,后5 a城市化进程十分显著。②河湖水系的数量逐年减少,形态结构趋于规则、简单化;复杂度中的平均斑块面积指数持续增加,10 a间总升幅为14.38%;连接度总体呈上升趋势,其主要与相关政策的出台有关。③各水利片区之间,汉口东西湖的发展速度最快;同时,汉口东西湖水利片区的河湖水系受到的影响显著高于其他3个片区的,即河湖水系受人类活动的影响程度与城市的发展程度呈正比。该研究结果可为优化、调整武汉市河湖水系的格局和功能提供理论依据,也可为实现河流生态可持续发展提供参考途径。

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。

基于水-经济社会-生态环境协同演变的生态流量阈值适宜性研究

针对天门河-汉北河流域生活-生产-生态“三生”用水矛盾突出、水生态退化及经济社会发展受限等问题,基于水系统理论与系统动力学方法,构建“水-经济社会-生态环境”耦合模型,从系统层面研究河道内生态流量阈值的适宜性。应用情景模拟法,考虑高效节水、再生水利用率提高等调控措施及未来天然来水的不确定性,设置9种情景模拟2022—2035年研究区高、中、低3种生态流量阈值下的水资源供需及经济社会发展态势。结果表明:高效节水和再生水利用率提高均有利于缓解因生态流量阈值增大而引起的区域水资源用户间的冲突问题;从“水-经济社会-生态环境”协调发展的角度分析,建议研究区丰水年(P=25%)生态流量阈值设置为年径流量的30%~50%,平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)生态流量阈值设置为年径流量的10%~30%;增大生态流量阈值的同时应采取提高水资源利用效率的调控措施。研究结果从“水-经济社会-生态环境”耦合系统的协同演化机制出发分析河流生态流量阈值的适宜性,为复杂水资源系统的优化运行与科学管理提供了理论基础。

水质保护与用水效率的主从博弈稳健优化模型及其应用

水资源系统的复杂不确定性为可靠的水资源优化配置带来挑战。为实现水质保护与用水效率均衡,基于量化水资源系统不确定性的稳健参数建立了主从博弈稳健优化模型,并采用稳健对等转换法和模糊满意度算法进行联合求解。以汉江中下游流域为研究区域,结果表明:主从博弈稳健模型的均衡解劣于确定性多目标模型的优化解,模型以牺牲目标最优值为代价提高了可靠性;不确定性影响均衡解的决策范围,高不确定度下均衡解范围更宽,能够为不确定性下提升决策策略的适应性提供依据。相比于单目标的水质保护稳健模型与经济发展稳健模型,主从博弈稳健模型能提供更均衡的水资源配置方案。模型的敏感性分析揭示了目标层对稳健参数变化的响应规律。本研究可为不确定情景下水资源冲突管理提供适应性稳健决策方法。

海绵设施结构参数的敏感度分析与优化——以成都某住宅区域为例

在城市化与气候变化影响下,城市洪涝与水污染等城市水问题愈发严重,海绵城市作为新一代的雨洪管理理念,通过“源头消减,过程控制和末端治理”的方法协同控制径流,提高城市的环境适应性。现有研究多集中于对单一设施的径流控制效果研究,而对多种设施的参数组合分析较少。为探讨多种海绵设施结构参数变化对径流控制效果的敏感性以及影响机理,研究选取成都市某典型住宅区为对象,开展了生物滞留池、绿色屋顶、透水铺装和植草沟等四种海绵设施结构参数的敏感性分析与优化,并在该区域构建了城市雨洪管理SWMM模型,结合参数优化结果以及SWMM模型,对不同降雨情景下的组合设施进行区域径流控制效果的模拟。结果表明:生物滞留池和绿色屋顶的种植层厚度和土壤孔隙度,透水铺装的蓄水层厚度与孔隙度,植草沟的曼宁系数和蓄水层深度是对径流敏感度最高的因子;降雨重现期越大,结构参数的影响越大,且绿色屋顶的种植土层厚度和孔隙度改变对径流系数影响最为显著;在优化结构参数后,布设海绵设施可以实现40.49%~65.67%的径流峰值削减率,以及10~20min的径流峰值延缓时间,其削减程度随着重现期的增大而减小。研究结果为海绵城市设施的结构和布局优化提供了理论依据和实践案例,有助于实现海绵城市建设的最优径流控制效果。

城市雨洪管理措施布局与优化研究综述

城市雨洪管理是国际研究热点和前沿,也是中国城市绿色发展的重大需求。在此背景下,中国大力推进海绵城市建设,但仍面临着诸多挑战,其中雨洪管理措施的空间布局优化对提高海绵城市的建设效果具有重要意义。通过分析国内外相关文献,阐明了城市雨洪管理措施布局优化的相关定义与内容范畴,构建了雨洪管理措施布局优化问题前准备-模型算法-后评估-决策的全流程结构,系统地分析布局优化各步骤的相关信息,探究了当前该框架各部分的研究现状和差距,为实现更加科学的布局优化,提出了改进建议。基于前准备-模型算法-后评估-决策的全流程结构,开展城市雨洪管理措施空间布局优化,对促进中国海绵城市建设事业的发展具有重要的理论意义与实践价值。

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。

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。

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。

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。