变化环境下长江流域滨海城市供水安全与适应性对策

全球气候变化和高强度人类活动影响导致长江流域水循环变化及相关联的城市群水资源供需矛盾问题,尤其在长江下游上海等滨海城市供水安全问题更加凸显,这已成为长江大保护十分关注的重要问题之一。以典型滨海城市上海为例,重点论述变化环境对长江流域的供水安全风险问题;分析当前和未来上海城市供水极端干旱影响、长江淡水与河口咸潮互动供水窗口压力,以及上海城市供水管理综合运用工程措施和预警预报、调度等非工程措施的挑战;提出若干对策与建议,包括供水安全保障的系统思维与战略规划、提升城市供水安全的系统智能化与智慧化管理水平以及完善供水安全保障的管理体系。

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。

长江中下游城市内涝与雨季污染协同治理对策

针对长江中下游城市内涝与雨季污染协同治理的突出问题,对城市水安全、雨季水体返黑返臭风险和河湖水生态退化三方面存在的问题进行了论述。发现长江中下游城市河网密度高、降水量大、暴雨多发,同时人口密集、经济发展水平高,内涝、污染、生态退化等水问题突出;城市内涝频发,雨季污染造成某些城市水体局部返黑返臭,严重影响城市水环境品质,成为制约长江中下游城市绿色发展的重要瓶颈问题。提出了建立三级内涝协同防治体系、构建城市“绿-灰-蓝”设施耦合工程体系、协同推进水体品质提升与生态修复等建议。

基于冲刷指数的雨水管渠冲刷淤积分析

流速、雷诺数、充满度等单因素指标虽然与雨水管渠的冲刷和淤积量有一定的关联,但是通过单因素指标不足以全面地判断雨水管道的冲刷和淤积。在起动流速和止动流速的基础上,提出了冲刷指数的概念。结合连续非恒定流不同工况下冲刷和淤积量模拟,计算了流速、雷诺数、充满度、冲刷指数4个因素与冲刷量的灰色关联度,其关联度大小依次为:冲刷指数>雷诺数>充满度>流速。根据不同工况的恒定流模型实验的结果,其关联度大小依次为:冲刷指数>>流速>雷诺数>充满度。可以认为,在恒定流与非恒定流工况下,冲刷量和冲刷指数有显著的强相关性,冲刷指数能代替具体的冲刷量计算实现对冲刷程度和趋势的合理判断。

初期雨水调蓄池单位面积调蓄深度数值模拟

单位面积调蓄深度决定了初雨调蓄池的设计容积和截污效果,但仅仅根据规范的推荐取值缺少对后果的量化判断。忽略管道中的沉积和冲刷,分别以单子汇水区和多子汇水区排水系统为例,针对不同下垫面特征和降雨特征,在SWMM模型中进行多降雨条件模拟,计算得到产流和悬浮固体(SS)的冲刷情况。结果表明,单子汇水区单次降雨初期冲刷主要受污染物积累程度、初雨峰值雨强和初雨总量控制,对多场降雨的初雨SS控制率均很高;多子汇水区系统不同场次降雨SS削减率可能有明显差异,SS控制率随调蓄深度增加而增加且差异减小,单位面积调蓄深度取2 mm时SS控制率已达较高水平,但4 mm以上时SS控制率增速明显减慢;初期雨水调蓄池是否达到了污染控制目标,不应只看是否位于系统的上游,也不只限于根据技术规范的推荐取值,需通过模型计算判断。

基于微生物完整性指数的水生态系统健康评价——以武汉市东西湖区湖泊群为例

在基于生物完整性指数(IBI)的生态系统健康评价中,通常会采用鱼类、底栖生物、着生藻类作为指示物种.然而,随着生态退化影响下生产者和消费者的数量锐减,可获得用于评价样本的数量越来越少,这就使得上述指示物种作为健康评价指标的可应用性大大降低.以武汉市东西湖区5个湖泊为研究对象,利用环境DNA(eDNA)技术监测的水体微生物数据,建立微生物完整性指数(M-IBI)评价方法.综合水质和实地生境条件对采样点健康状况进行评分和比较,选择甘家教湖的5个采样点作为参考点.结合遴选的6个重要的生物指标,构建了生态系统健康评价打分方法.研究结果显示在全部19个采样点中,7个健康等级为健康,占36.84%;8个健康等级为亚健康,占42.11%;4个健康等级为一般,占21.05%,甘家教湖和杨泗泾湖所有采样点均为健康水平.评价结果合理地反映了不同湖泊的健康状况,说明基于eDNA的M-IBI方法在受损湖泊水生态系统健康评价中具有广泛的应用潜力.

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。

鄱阳湖典型洲滩湿地植物水碳稳定同位素与内在水分利用效率变化特征

在极端水文事件频发和人类活动影响加剧的背景下,鄱阳湖水文情势的异常变动给洲滩湿地植物带来了一系列影响。为进一步了解鄱阳湖湿地植物水分利用来源和内在水分利用效率(iWUE)的季节变化规律,揭示优势植物在生长过程中对不同水分变化的适应策略,于2020年12月-2021年5月在鄱阳湖国家级自然保护区蚌湖和修河之间的典型洲滩湿地上设置监测断面,对灰化苔草(Carex cinerascens)、南荻(Triarrhena lutarioriparia)植物样品及其潜在水源样品进行系统采集,测定并分析了水、碳稳定同位素的动态变化特征和指示意义。结果表明,典型洲滩湿地苔草和南荻植物茎水的氢、氧稳定同位素组成没有表现出明显差异,从冬季至春季,植物茎水的δ^(18)O值总体上均呈现波动富集的变化趋势。苔草在春季生长期iWUE没有表现出明显变化,而南荻在萌发时期iWUE最低,之后的生长期iWUE具有显著的增长趋势。在各潜在水源当中,植物茎水的同位素组成与土层中的重力水最为相近,其次为与根系分布联系密切的土壤水。在春季降水频繁时,来源于降水且埋深较浅的重力水可能是植物利用的主要水源,而在枯水期重力水埋深较深时,植物采取降水和土壤水的混合利用模式应对水分胁迫。植物叶片有机质的δ^(18)O值分析发现,苔草在萌发生长期i WUE的变化与光合作用能力相关的因素有关,南荻iWUE的变化主要受气孔导度变化的影响。

水电站日调峰能力计算方法研究

水电站日调峰能力是衡量水电站的主要性能指标之一,在水、风、光电联合的电网调度中具有重要意义。从调峰幅度和调峰电量两方面定义了水电站日调峰能力的概念,并基于四种固定形状的典型日负荷图及一种通用的典型日负荷图开展了水电站日调峰能力的计算。针对固定形状的典型日负荷图给出了在给定调峰时间下的水电站最大调峰幅度的计算方法,针对通用的典型日负荷图给出了日最大调峰电量的计算方法。以红水河中下游四座具有不同调节性能的水电站水库为研究对象,分别计算了在五种典型日负荷图下各水库在不同初水位和不同日均入库流量时的调峰能力。结果表明,对具有季调节和年调节等调节能力强的水电站,其日调峰能力的大小主要受库水位的影响,而与日均入库流量的关系不大。对日调节水电站,在入库流量较小时,其日调峰能力受日初水位和日均入库流量的影响较大;当入库流量达到一定值后,日初水位对日调峰能力的影响较小。在平均入库流量和初水位确定的情况下,可以定量求出水电站的最大调峰幅度和最大调峰电量及相关运行数据,便于水电站最大化参与电网调峰。研究所提出的水电站日调峰能力的概念客观全面,所建立的日调峰能力计算方法具有较强的实用性和可操作性,可为水电站日调峰能力的确定提供科学依据。

武汉海绵城市的公众认知调研

我国海绵城市建设继设立30座试点城市之后进入全面推进阶段,然而当前较低的公众参与程度将影响海绵城市长期可持续建设与发展。以武汉市青山区海绵城市试点区域为例,开展了公众对海绵城市的概念、效果和集资方式的问卷调查研究,775份有效问卷的结果分析表明,在海绵城市的概念与效果方面,82%的受访者对海绵城市有不同程度的了解,年龄小、学历低、在汉居住时间短、月收入低的群体对海绵城市的了解情况较差;年长者主要通过电视和报纸了解海绵城市,而中青年人群主要通过手机APP了解海绵城市;八至九成以上受访者在不同程度上认可海绵城市在减轻城市内涝、增加城区绿化面积、提升生活条件和提高房地产价格方面的效果。在集资方式方面,七成以上受访者认为公私合营比政府单独出资更有利于经济持续性发展,但仍有接近一半的受访者首选了政府出资的集资方式,年龄越大的受访者选择政府单独出资的比例越高,而认为内涝由多种因素造成或认为海绵城市具有缓解城市内涝和提升生活条件效益的受访者更加认同采用多种方式为海绵城市建设集资。研究可为增强海绵城市建设公众参与度及公众出资等提供参考。

适应气候变化的交互式水库防洪调度决策分析系统

面对日益加剧的气候变化,提供实用快速的水库防洪调度决策分析工具非常必要。本文建立了水库防洪调度的常规调度模型和多目标优化调度模型,开发了两种模型的人机交互式计算工具,并通过优化调度模型的非劣解集分析水库防洪风险,在灵活的人机交互计算基础上给决策者提供方便快捷的辅助决策。开发的交互式水库防洪调度决策分析系统可实现:(1)不同水库和洪水过程的添加和选择;(2)防洪常规调度和优化调度的计算;(3)动用防洪库容和最大下泄流量关系实时计算并图形显示;(4)基于最大下泄流量与洪峰流量比例的多目标优化调洪计算;(5)计算结果的交互计算分析,可人为调整入库流量、水库各时段水位或下泄流量后,重新进行交互计算;(6)计算结果特征值实时统计显示等功能。经多个水库的实例验证表明,该系统能很好地适应不同类型的水库和各种类型的洪水,可作为复杂气候变化条件下水库防洪调度决策的分析工具。

基于弹性城市理论的水敏性空间设计方法研究

水敏性空间设计为从空间设计角度解决城市水问题提供了有效途径。本研究在理论层面,构建了以弹性城市理论为基础,以水敏感性分析为核心,以水生态—水安全—水环境—水资源四元目标体系为引导的水敏性空间设计理论框架。在方法层面,利用GIS平台,结合水文分析软件,将水循环变量空间化,形成了水敏性分析的技术路径。还梳理了水敏性空间设计流程,建立了水敏性空间设计要素-策略控制矩阵,将水循环变量引入空间设计体系,初步构建了水敏性城市空间设计方法体系,为海绵城市建设提供参考。

梯级水库群多目标优化调度模型及CPF-DPSA算法研究

梯级水库群多目标联合优化调度是水能资源高效利用的重要研究内容,现有水库群多目标优化调度模型及求解算法的通用性亟待提高。在总结现有三种目标函数型式(累积值、极值及百分比)的基础上,以梯级总发电量最大、最小出力最大和生态断面用水保证率最大为目标,建立了具有普适性的梯级水库群多目标优化调度模型,提出了求解该模型的基于惩罚因子的动态规划逐次逼近算法(CPF-DPSA),探究了各目标与对应惩罚系数之间的变化关系,确定了各惩罚系数的影响范围,获得了分布较为均匀和广泛的非劣解集。老挝南欧江梯级水库群应用表明,该模型具有较好的适用性,CPF-DPSA算法获得的非劣解集分布广泛、均匀。尤其在长系列优化方面,CPF-DPSA算法在结果精度、非劣解质量和非劣解分布等方面比第三代快速非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)表现出更好的性能。

面向生态文明建设的贵州省绿色水电工程转型:机遇与挑战

绿色水电工程建设与实践是新时期水利水电工程建设与转型的重要机遇。系统回顾绿色水电的国内外发展历程,综述绿色水电的概念与科学问题,通过水、生物多样性、生态服务、气候变化弹性和文化的多维管理,增加河湖生态系统恢复力,达到维系生态和人类社会经济发展的可持续性;并结合贵州省水电发展现状、环境影响以及绿色水电转型发展的挑战,展望了绿色水电在贵州省的未来发展前景。

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。

穿越城区组合衬砌隧洞外水内渗问题研究

近年来我国兴建的穿越城区引水隧洞工程中采用了一种新型组合衬砌结构,由外层管片、内层不透水钢管和两者之间的回填混凝土、排水板组成。运行期内水压力经回填混凝土向外传递,外层管片朝外变形,管片间接缝会张开,进而引发外水内渗问题。结合深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程,建立某典型洞段渗流分析的三维有限元计算模型,分析了多种外部条件下衬砌的外水内渗流量和外水压力。分析表明:完建期管片渗透系数每减小一个量级,隧洞渗流量降低约90%,回填混凝土使隧洞渗流量降低30%~40%,注浆圈对隧洞渗流量影响较小。运行期接缝为主要渗漏通道,占总渗流量的90%以上,此时注浆圈可以明显降低隧洞渗流量。隧洞渗流量的峰值出现在运行期,应作为隧洞外水内渗流量的控制条件。隧洞外水压力取值应以自密实混凝土回填后的完建期最大。

黑水虻转化有机物过程中溶解性有机质光谱学特征及虫体营养价值分析

为探究黑水虻转化有机物过程中溶解性有机质光谱学特征及虫体营养价值,试验分为生物转化组和自然堆放组,选取5日龄黑水虻幼虫5 g投放到生物转化组中,在为期16天的试验周期中分析可溶性有机质的动态变化规律。结果表明在紫外光谱和三维荧光光谱图中,物料中可溶性有机质主要以微生物源为主,有利于黑水虻对有机废弃物的降解利用。同时所产生的昆虫蛋白营养价值指标能够达到国家饲料营养价值标准及卫生标准,可以部分替代常规蛋白饲料。

黑水虻生物转化餐厨垃圾耐受性研究

餐厨垃圾中存在大量的有机物和无机盐且存在明显的时空差异性,该研究选取其中最为普遍的水分、盐和油脂作为变量进行耐受性试验分析。通过单因素试验结果表明,黑水虻幼虫最适含水率为70%,过高和过低的含水率均不适宜黑水虻幼虫的生长。最适含盐率为0%,说明黑水虻幼虫对于渗透压的改变较为敏感。最适含油率为2%,得出较低含量的油脂可以促进幼虫的生长。通过正交试验结果显示,试验中底物含水率、含盐率和含油率3种因素的影响由大到小依次为:含盐率>含油率>含水率。研究评估了黑水虻在处理餐厨垃圾过程中的耐受能力及生长状况,为后续产业化推广提供数据支撑。