水灾害和谐防控与智慧模拟研究框架与展望

随着环境加剧变化与科技快速进步,我国水灾害防控事业面临着新的机遇与挑战。为深刻认识水灾害治理与防控,结合国家水灾害防御重大需求,对我国水灾害治理历程进行梳理与阶段划分,提出水灾害(包括干旱、洪涝、水环境污染)和谐防控与智慧模拟研究的必要性,从指导思想、理论基础、关键问题、研究内容、应用实践和发展战略研究六个方面提出水灾害和谐防控与智慧模拟研究框架,并从水灾害防控理论完善、水灾害和谐防控研究、智慧应用前景探索三个方面提出未来研究展望,以期为水灾害防控工作和高质量发展提供业务支撑。

水利新质生产力:内涵解读、理论框架与实施路径

在新一轮科技革命和产业变革的大背景下,新质生产力成为高质量发展的内在要求和重要着力点。为把加快发展新质生产力的部署要求落实到水利工作的全过程各方面,提出了水利新质生产力的概念及内涵,认为水利新质生产力是追求高科技、高效能、高质量、符合新发展理念的先进水利生产力质态;提出了由指导思想、基本原则、理论基础、主要研究内容和支撑体系五部分组成的水利新质生产力理论框架,阐述了水利新质生产力的主要研究内容;并从工程、技术、制度和管理支撑四方面,提出了水利新质生产力的实施路径。为加快形成和发展水利新质生产力提供理论基础和路径参考。

区域水平衡及失衡程度度量方法

区域水平衡量化及诊断是水网工程建设优化和水资源均衡调控的基础,对提升水安全保障能力、支撑经济社会稳定发展、实现人水和谐具有重要意义。本文从空间、时间、结构、过程、总量五个维度解构了区域人水系统的四大平衡,即反映水收入项和支出项定量关系的水收支平衡、体现经济社会供水量与需水量匹配关系的经济社会供需水平衡、结合经济社会-生态系统发展与用水定量关系的经济社会与生态用水平衡、表征人水系统发展状态的人水关系和谐平衡,并提出相应的水平衡度量方法。多角度解析了区域水平衡的失衡状态,提出四大平衡的失衡程度度量方法及区域水平衡的失衡程度综合度量方法。以沁河流域为实例应用和检验了上述方法,结果表明:提出的度量方法具有科学性和适用性,能够应用于区域水平衡研究实践;2019年沁河流域水平衡的失衡度为0.327,处于蓄水量减少、水资源短缺、生态端亏水、水系统受损的中度失衡状态,后续应注重人类涉水行为的管控。研究成果可为区域水平衡评估与调控提供理论支撑,服务国家或区域水平衡策略制定和水网工程规划。

对水利新质生产力的理解及发展思考

水利新质生产力是新质生产力的重要组成部分,也是新质生产力的重要基础,要把水利新质生产力落实到水利工作的全过程、各方面。基于水利新质生产力的内涵、构成要件,及其与新质生产力、水利高质量发展的关系,从不同角度深入认识水利新质生产力,阐述发展水利新质生产力的重要意义。提出发展水利新质生产力的框架,包括根本宗旨、战略指导、工作理念、目标任务以及关键内容,介绍了水利新质生产力的发展思路以及需要把控的关键内容。

基于人水和谐视角的国家水网优化布局构想与展望

国家水网建设有助于缓解当前日益复杂的人水矛盾,基于人水和谐论开展国家水网优化布局研究,能够为国家水网建设提供新的思路。本文从人水和谐的视角出发,通过梳理国家水网提出过程,分析现阶段国家水网建设中亟待解决的问题,在此基础上辨析人水和谐论对国家水网优化布局的指导作用;进一步以人水和谐理念为引领,从指导理论、基本原则、布局方法、关键内容与研究途径等方面提出了国家水网优化布局的构建框架;从促进人与自然和谐共生、实现综合效益最优发挥、支撑国家安全总体保障、助力先进文化繁荣发展、建设现代水网智慧服务5个方面描绘了国家水网优化布局的蓝图;从理论、方法、技术、支撑体系4个方面对国家水网优化布局未来研究进行展望。

我国现代治水研究热点与发展展望

中国现代治水充满机遇,面临挑战。“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路是习近平总书记关于现代治水所做的重要论述,其简明扼要、科学严谨、逻辑紧密、系统完整地指明了现代治水研究的发展方向,为新时代治水研究提供了根本遵循。文章以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路为主线,分别阐述我国现代治水历程,分析现代治水研究热点,并对未来治水研究发展作出展望,以期对我国未来治水体系发展、治水方案谋划提供参考。

水资源刚性约束制度研究框架与展望

实行水资源刚性约束制度是当前水资源管理制度领域的重大改革措施,也是推动相关国家战略实施、实现人水和谐共生的必然举措。梳理了水资源刚性约束制度的提出背景与历程,分析了水资源刚性约束制度的概念内涵,从指导思想、理论基础、技术支撑、战略目标、研究内容和关键问题等6个方面构建了水资源刚性约束制度研究框架,从理论研究、技术研究、实践研究等3个方面对未来研究进行了展望,以期为水资源刚性约束制度相关研究提供理论和实践参考。

经济社会与生态用水平衡计算规则与方法

从平衡的概念出发,针对经济社会与生态用水竞争问题,提出了经济社会与生态用水平衡的概念,并论述了其内涵及特性;构建了经济社会与生态用水平衡计算规则框架,包括遵循四大规律、基于六大理论、考虑六大因素、符合三大准则;提出了经济社会与生态用水平衡的计算思路,包括资料处理、量化计算、结果检验3个步骤,并给出了其计算方法和计算结果表征方式。以2019年沁河流域为例,量化了流域经济社会与生态用水平衡;在求解一次平衡点以及经济社会用水刚性约束、生态用水刚性约束、综合效益刚性约束条件下平衡结果的基础上,综合考虑六大因素以及总需水量与水资源总量关系,确定了沁河流域经济社会与生态用水平衡点,即经济社会用水与生态用水的比例为0.71∶0.29。

引江济淮工程河南受水区水资源利用效率及其空间自相关性分析

选取引江济淮工程河南受水区9个县(区),构建包括水资源、经济社会和生态环境3个维度的水资源利用效率测算指标体系,采用“单指标量化-多指标综合-多准则集成”评价方法对水资源利用效率进行测算,构建障碍度模型辨析受水区水资源利用效率制约因素,通过空间自相关模型分析各县(区)水资源利用效率的集聚性特征。结果表明:受水区水资源利用效率指数(water resource utilization efficiency index,WREI)呈现波动上升趋势,年均增幅为3.55%;主要障碍因子是生态用水占比和人均水资源占有量;WREI具有较为明显的空间正相关作用,空间集聚性呈降低趋势。

基于A-NSGA-Ⅲ的引江济淮工程河南段水资源优化配置研究

为优化引江济淮工程河南段水资源配置,构建了以经济效益最大、缺水量最小和污染物排放量最小为目标函数的水资源优化配置模型,利用改进的第三代非支配排序遗传算法(A-NSGA-Ⅲ)对模型进行求解,并优选出了4种侧重不同目标的水资源优化配置方案进行模拟分析。结果表明:引江济淮水的引入可极大地缓解受水区供需矛盾,规划年2030年、2040年缺水率可分别降至10.43%、5.47%,并有助于优化供水结构,改善生态环境;耦合经济-社会-生态环境协调度最大的方案4为最优方案,方案4规划年地下水供水占比分别下降至53.32%、46.59%;A-NSGA-Ⅲ在解决多目标高维水资源配置问题时具有较好的适用性,优化方案可为引江济淮工程河南段水资源调配方案制定提供参考。

面向新质生产力发展需求的国家水网建设关键内容及研究展望

为推动国家水网建设稳步迈入新质生产力发展的新征程,在理解水利新质生产力内涵及发展需求的基础上,从高科技、高效能、高质量、绿色4个维度出发,系统梳理国家水网建设需要把握的关键内容,分析有代表性的研究实例,并在此基础上进一步对国家水网未来研究进行展望,包括研发国家水网模拟器大科学装置、物理水网和虚拟水网协同建设、支撑人与自然和谐共生的现代化建设、科学处理人水关系4个方面,以期为面向新质生产力发展的国家水网建设提供参考。

基于泰尔指数的水资源配置公平性研究——以引江济淮工程河南段为例

水资源的公平性配置对促进区域水资源量与经济社会空间均衡发展具有重要意义。选择泰尔指数表征区域间和区域内用水户间不同层面配水的公平性,以缺水率最小、经济效益最大、公平性最高为目标函数构建水资源优化配置模型,并以引江济淮工程河南段为实例开展应用研究。结果表明:工程调水后,规划年2030年和2040年河南段受水区缺水率降低为10.42%和5.48%,有效调整了水源供水结构,缓解了地下水超采、生态用水被挤占等问题;规划年2030年和2040年河南段受水区泰尔指数分别为0.479和0.420,水资源配置公平性得到明显提升,区域内不同用水户间的差异是影响河南段受水区水资源配置公平性的主要因素。

人水关系学的基本方程及模型构建

人水关系是人类与自然界关系中最重要的关系之一,人水关系学是研究人水关系的一门新交叉学科,构建其基本方程和模型是深入研究人水关系的核心内容之一。基于前期研究工作和不同学科成果梳理,提出了人水系统“四大过程”(水循环过程、物质循环过程、生物过程、人文过程),总结给出了“四大过程”的基本方程及其耦合与计算方法,提出了考虑“四大过程”的分布式人水关系模型构建框架与人水关系模拟器的构建设想,并介绍了沁河流域分布式人水关系模型应用研究实例。人水系统“四大过程”是表征人水关系的重要基础,其基本方程是研究人水关系学的基础方程,由基本方程耦合构建的模型是模拟人水关系问题的重要工具,可为进一步完善人水关系学奠定基础,为深入研究人水关系模型提供思路。

农田水利新质生产力关键内容及研究展望

水利新质生产力是符合新发展理念的先进水利生产力质态,是实现水利高质量发展的关键环节。要以水利新质生产力助力农田发展,推动农田水利新质生产力发展。农田水利新质生产力是水利新质生产力在农田领域的具体实践,是推进实现农业现代化建设和高质量发展的有力路径。为加速落实水利新质生产力在农田领域的部署要求,本文在深入探析农田水利新质生产力和水利新质生产力之间关系的基础上,构建了农田水利新质生产力的研究框架,包括关键问题、战略目标、体系布局和关键内容,并针对农田水利新质生产力的关键内容展开重点研究,最后从理论研究、技术创新和农田改造3个方面提出未来研究展望,为农田水利新质生产力的形成和发展提供参考。

基于区域水平衡理论和SWAT模型的沁河流域水收支平衡演变分析

基于区域水平衡理论和SWAT模型,提出了分布式水收支平衡模型的构建思路及水收支平衡计算方法,对人类活动和未来气候变化情景下的沁河流域水收支平衡状况进行模拟,并通过皮尔逊相关系数和Mann-Kendall检验方法分析了水收支平衡的关键影响要素及其演变规律。结果表明:2010—2016年沁河流域蓄水总量呈下降趋势,降水量及出口径流量为沁河流域水收支平衡相对关键的影响要素;未来多气候情景下蓄水总量呈上升趋势,多年平均降水量及出口径流量两个关键影响要素的总体变化情况与辐射强迫水平呈正相关关系;典型气候情景SSP2-4.5下降水量及出口径流量在2037—2041年、2061—2063年可能存在突变。

中国水资源行为二氧化碳排放当量及空间非均衡性

采用二氧化碳排放当量分析(CEEA)方法计算了中国除港澳台外的31个省级行政区涉及水资源开发、配置、利用与保护4个维度的16种水资源行为二氧化碳排放当量(CEE),并基于Dagum基尼系数探究了中国水资源行为CEE的空间非均衡性及其来源。结果表明:2020年中国水资源行为CEE总量为13 819.84万t,开发、配置、利用与保护4个维度水资源行为CEE总量分别为21 297.68万、4 371.45万、-3 141.71万、-8 707.58万t;水资源行为CEE整体呈现出由东向西递减的空间分布规律,江苏和广东是水资源行为CEE最大的省份;多数水资源行为CEE具有较强的空间非均衡性,其中水力发电行为CEE的Dagum基尼系数为0.73,其CEE空间非均衡性最强,地区间净值差异是水资源行为CEE空间非均衡性的主要贡献因素。

基于SWAT的沁河流域水压力指数计算及生态脆弱性分析

生态脆弱性是综合反映流域生态系统健康水平的重要属性,而水资源是维持流域生态系统健康和可持续发展的关键因素。因此,从水资源领域评估流域生态脆弱性并分析其时空变化特征对于应对流域水资源短缺压力和改善流域生态系统健康水平具有重要的研究价值。以沁河流域为研究对象,构建流域SWAT模型,引入水压力计算公式,从蒸散发量的角度,量化分析沁河流域2010-2016年生态脆弱性的时间变化和空间分布特征。结果表明:①SWAT模型经过率定与验证后,纳什系数E NS和相关系数R 2均符合模型精度标准,表明该模型在沁河流域具有良好的适用性。②流域年际水压力指数值随时间递减,表明沁河流域生态脆弱性及生态系统状态逐年好转,蒸散发量是主要影响因素。③流域水压力指数年内变化大,本年度12月到次年度2月的生态脆弱性较强;结合相关研究结果,认为降水和冰雪天气是主要影响因素。④流域整体生态脆弱性状况逐年改善,但流域内部生态脆弱性空间差异化呈现扩大趋势。

基于SWAT模型的蓝绿水短缺指数计算与风险评价

为了降低沁河流域水资源短缺风险,以沁河流域为研究对象,基于所构建SWAT模型的输出结果,估算2010—2016年沁河流域蓝绿水资源量,利用蓝绿水足迹和可利用蓝绿水资源量计算蓝绿水短缺指数,并划分4个蓝绿水短缺风险等级,定量评估沁河流域蓝绿水短缺状况。结果显示:1)沁河流域多年平均蓝水资源量为9.1亿m^(3),占水资源总量的12.0%;多年平均绿水资源量为66.9亿m^(3),占水资源总量的88.0%,说明沁河流域水资源大部分为绿水资源;2)年尺度下沁河大部分子流域的蓝水短缺指数大于1.0,蓝水短缺风险等级为较大风险,其中下游地区的焦作市蓝水短缺问题尤为严重;3)年尺度下沁河各子流域的绿水短缺指数呈现一定差异性,大部分子流域多年平均绿水短缺指数在0.5~1.0范围内,绿水短缺面临中度风险,总体而言,绿水短缺风险低于蓝水短缺风险。基于蓝绿水短缺指数分析,提出应对沁河流域水安全风险的措施建议。

“双碳”目标下水资源行为调控研究框架及展望

针对“双碳”目标下水资源行为调控研究,构建了研究框架,主要包括“双碳”目标下水资源行为作用机理研究、量化研究、调控研究3方面内容;阐明了水资源行为与“双碳”目标的相互关系及作用机理、水资源行为对“双碳”目标作用函数确定及定量评估、面向“双碳”目标的水资源行为调控机制与定量描述3个关键问题,并介绍了这3个问题相应的研究方法;围绕上述内容,从水资源行为作用机理、定量评估、调控模型、应用实践4个方面展望了下一步的研究方向。

黄河治水思想演变及现代治水方略

黄河治理工作是中华民族生存发展的大事,一部黄河治理史就是一部中华民族发展史。在介绍黄河流域基本概况及发展历史的基础上,分析了当前黄河治理中存在的难点问题;理清了黄河治水的基本历史脉络,总结了黄河治水思想的演变过程及其代表性观点;分别以治理思想和治理目标为主线,系统梳理了黄河现代治水的相关研究进展。结合新时代特点及其对黄河治水的需求,提出了面向新时代需求的黄河现代治水方略,包括治水思想、治水战略和治水布局三方面,并对黄河现代治水研究作了展望。研究成果可为黄河流域治理工作提供参考。