海河流域水平衡与水资源可持续开发利用分析与建议

海河流域水资源的可持续利用是关系海河经济社会发展的关键问题.本文对海河流域1998～2006年降雨、供水和用水情况进行了全面分析研究,并从流域水循环角度对海河流域降雨、ET耗水(流域蒸腾蒸发)和入海水量进行了研究,分析了海河流域水资源开发和利用的发展趋势,分析了南水北调条件下海河流域的水资源形势,提出实现海河流域水资源可持续利用的途径.根据海河流域水资源综合规划提出的调水量和节水规划分析,南水北调可以从根本上提高海河流域水资源和水环境的承栽力,届时水污染防治和地下水恢复将成为流域水资源保护和管理的重点.     

海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅰ.模型开发与验证

针对高强度人类活动作用下海河流域水循环的"自然-人工"二元特性,开发了流域二元水循环模型(简称"二元模型").二元模型由分布式流域水循环模型(WEP)、水资源合理配置模型(ROWAS)和多目标决策分析模型(DAMOS)3个模型耦合而成.针对各模型的优势与不足,提出了两层耦合的技术路线,以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能.WEP、ROWAS和DAMOS分别采用11752个、125个和8个计算单元对海河流域进行划分,在获取各类输入参数后,应用二元模型对海河流域进行了分析计算与模型验证.结果表明,所建立的二元模型对径流过程、入海水量以及地下水流场等均具有合理的模拟精度,模型得到验证,可望用作海河流域水资源规划与管理的情景分析工具.     

海河流域典型区地下水回补适宜性评价

大清河流域是海河流域地下水超采最为突出的地区,为了解决地下水超采问题,本研究开展了流域内山区-平原一体化地下水回补适宜性评价。选取地下水位埋深、渗透系数、距离南水北调中线干渠距离、距离水库距离、降水入渗系数、有效储水空间、坡度和地表高程构建GIS-AHP决策模型得到研究区回补适宜性分区图,并使用数值模拟评估回补效果。研究表明：回补适宜区主要分布在拒马河、青龙河、唐河、磁河的近山前河段,占总评价区域的4.5%;同时,根据回补适宜评价结果对河道分段精细化补水,能大大减缓地下水储变量下降速度,回补最佳。因此,基于GIS与数值模拟结合的流域地下水回补适宜评价,有助于大幅提高区内水资源利用效率,提供最优超采治理方案。     

数值模型在黑河干流中游水资源管理中的应用

以黑河干流中游水资源管理为例,利用地下水数值模型研究了天然和人工活动作用下泉水、地下水向地表水排泄量的变化规律;预测分析了不同情景下的水资源开发利用状况.研究表明,地下水向河-泉的排泄量呈衰减趋势,且地下水的增采量和渠系防渗节约的水量主要来源于地下水储存量的消耗;指出在目前有限的水资源条件下,为保护生态地质环境,必须限制地下水的持续超采.     

基于分布式水文模型的区域“四水”转化

根据天津市现状,利用中国水利水电科学研究院水资源研究所近期针对强人类活动地区,尤其是复杂的农田系统开发的分布式水文模型——MODCYCLE模型,构建了天津市MODCYCLE模型,并对天津市"四水"转化特征进行了定量分析。结果表明:天津市"四水"转化过程受社会侧支水循环的影响较大,有地表产流少、土壤补给大消耗量大、地下水超采以及入境水和外调水利用率高等特点。当地地表水已不能满足区域用水需求,现状条件下通过消耗上游来水量和外调水量保证区域用水,未来虽然还有南水北调工程补水,但仍需要执行严格的水资源管理制度才能逐步减少地下水超采,增加入海水量。     

乌鲁木齐河流域的水资源及其转化模型

根据我国西北干旱内陆流域水资源形成、转化规律和水资源利用实际情况,利用乌鲁木齐河流域较为丰富的地表水和地下水资料,并结合流域水文地质条件,研制了乌鲁木齐河流域水资源转化模拟和计算模型。模拟和计算结果表明,乌鲁木齐河流域现状实际引水量和净用水量,已经大大超过现有水利条件下的最大可能引水量和净用水量,其中净用水量甚至超过了流域的水资源总量,水资源开发利用明显过度。在现有情况下,再采用提高渠系利用率方法增加可用水量,效果甚微,只能通过节水途径,提高水的利用率,去建立新的水资源供需平衡。     

三江平原土地利用变化对水量平衡的影响

三江平原土地利用（LU）变化及其引发的大规模水资源开发利用活动对当地水文循环产生了明显扰动。为明确三江平原水量平衡特征及其存在的问题,基于2000—2014年土地利用连续变化情景的水文循环仿真模型,在其他数据和参数不变的前提下,建立假设模型和预测模型,分别模拟2000年起已控制LU变化和2014年后控制LU变化2种假设LU管控情景的水文过程,对比3种情景下的水量平衡。结果显示:如果2000年开始就采取积极的LU管控措施,此后的15a将有效减少三江平原对外调水的依赖,改善地下水超采的现状,甚至使平原区地下水储量年均增加3.08亿m3;如果2014年才实施土地利用管控措施,巨大的水资源开发利用惯性将使平原区地下水年均亏空量达到14.26亿m3,甚至使全区域的蓄水量由盈转亏,年均亏损4.25亿m3。三江平原要实现各层次的水量收支平衡,除了尽快控制高耗水LU类型的过快增长,更加积极的水资源调配及相关工程的建设势在必行。     

海河流域生态环境承载能力计算

利用多目标多阶段互动优化模型计算了海河流域生态环境承载力,确定了海河流域在南水北调、经济常规发展、生态环境逐步改善情况下的承载能力过程变化,结果表明:①海河流域现状处于严重的生态环境不可承载状态;②到2033年海河流域生态环境恢复到生态环境社会经济复合系统的良好状态;③海河流域生态环境临界可承载年2033年,可承载人口为15 730万,比自然预测人口15 100万多630万,工业、农业、生态及生活用水量占总用水量的比例将分别是28%、43%、18%、11%。     

沧州市南水北调受水区地下水压采规划

沧州市地下水超采严重,已诱发了多方面的生态环境问题,解决我市地下水超采问题是当地水资源管理的迫切任务.本次规划从沧州市城区及农村两个区域分别进行压采,缓解和修复我市南水北调受水区因超采地下水引水的生态环境问题.     

乌鲁木齐河流域北部平原地下水可持续开采方案分析

乌鲁木齐河流域北部平原局部地区出现了地下水水位下降和生态环境退化等问题。为了实现地下水可持续开发利用,结合《乌鲁木齐市水资源综合规划报告》和《米东新区水资源规划报告》设计了现状开采方案、增加补给量方案、减少开采量方案和增加补给量与减少开采量联合方案。运用北部平原地下水非稳定流模型对这四个地下水开发情景模拟方案进行了模拟,模拟的时间段为2007～2050年。对预测期间地下水水位的动态变化、地下水水位降深及水均衡进行了分析,确定了增加补给量与减少开采量联合方案是乌鲁木齐河流域北部平原地下水的可持续开采方案。实施该方案应从北水南调引0.7×108m3/a地表水用于北部倾斜平原的农业灌溉,同时要减少地下水超采地区的地下水开采量0.50×108 m3/a。     

环状河网水质模型在水污染控制规划中的应用

结合一维圣维南方程及CSTR水质概念模型的机理,开发了平原环状河网非稳态水质模型,并用于温州市温瑞塘河水污染控制规划的编制中。模型由水文子模型和水质子模型两部分构成,描述了水体中COD、氨氮和DO浓度随时间、空间的动态变化。利用新开发的模型,采用试错法,估算了河网的水环境容量,并以此为基础确定了远、近期污染物排放控制目标;通过研究水质恢复的滞后性,提出可以采取引水冲污、人工曝气复氧等非常规措施来改善河网水质;并且利用情景分析方法,分别设定不同流量与不同开闸方式相组合的9种冲污情景,定量化探讨了引水冲污方案;根据曝气复氧对河网水质改善的作用特征,筛选出需要曝气复氧的重点河段和次重点河段。     

基于田间试验的土壤水分运动模型选择

基于不同形式Richards方程可建立不同适用范围和计算精度的数值模型,针对具体情况下如何选择合适模型的问题,以武汉大学农田水利试验场田间入渗试验为例,选用6种模型(Picard-h模型、Picard-θ模型、Picard-mix模型、Ross模型、动力波模型和水均衡模型),运用贝叶斯模型平均(BMA)方法进行了模型选择的计算;针对BMA方法无法考虑模型计算效率的缺点,进一步提出了可同时考虑模型计算精度与计算效率的改进BMA方法。计算结果表明,在本田间尺度问题中,Ross模型排序最高,说明其兼具高精度与高效率,改进BMA方法可增加高计算效率模型被选中的概率,使模型选择更加全面合理。     

城市暴雨内涝数学模型的研究与应用

以城市地表与明渠、河道水流运动为主要模拟对象,研制了模拟城市暴雨内涝积水的数学模型。模型以平面二维非恒定流的基本方程和无结构不规则网格划分技术为骨架,同时,针对小于离散网格尺度的河道或明渠,应用了一维非恒定流方程的算法。采用分类简化处理的方法,将通道分为河道型、路面型、特殊通道型(城市内的二级河道),根据不同类型简化动量方程,求任意网格各个通道上的单宽流量。采用一维非恒定流方程模拟地下排水管网内的水流,并给出泵站、闸门、淹没出流管道等排水系统的处理方法。根据无结构不规则网格的设计思路,按照天津、南京、南昌三市的地形地貌特征分别设计多边形的计算网格。介绍了城市面雨量的计算方法以及数学模型在天津市、南京市、南昌市的应用情况和误差分析。     

水库群水沙调控的单-多目标调度模型及其应用

为缓解内蒙古河段"二级悬河"形势,以黄河上游沙漠宽谷河段为研究对象,以龙羊峡水库、刘家峡水库为调控主体,开展黄河上游水沙调控研究。建立了输沙量、发电量最大的单目标模型以及多目标模型;分别采用自迭代模拟算法、逐次逼近动态规划算法(DPSA)和改进的非支配排序遗传优化算法(NSGA-Ⅱ)求解模型;设置了初始、常规、优化和联合优化4种方案。通过实例计算,联合优化调度方案的区间总冲刷量达到了0.38亿t,梯级发电量148.22亿kW·h。该方案以较小的电量损失换来了输沙量的大幅度增加,水沙调控效果显著,推荐为最优方案。研究成果量化了水沙调控效果和各目标间的转化规律,为开展黄河上游水沙调控提供了决策依据,具有重要的应用价值和实际指导意义。     

ANN技术在地下水含水量预测建模中的研究与应用

将人工神经网络(ANN)技术引入到地下水含水量预测工作,以华北平原和河套平原为试验场,以若干已知钻孔为验证,采用激电和电阻率测深等地面物探方法获取视电阻率ρS、视极化率ηS、半衰时Th、衰减度D和偏离度σ等参数为输入神经元对单孔单位涌水量建立人工神经网络预测模型。同时,为消除不同地区矿化度的影响,通过实验对比引入综合参数T",改良了输入神经元的配比。最终建立以半衰时Th、衰减度D、偏离度σ和综合参数T"为输入神经元的含水量预测模型,进一步提高了预测精度。通过检验,发现所建立的模型对平原地区进行含水量的定量预测有着较好的效果,为含水量预测工作研究与发展带来了新理念、打开了新思路。     

1998～2007年中国农业用水分析

中国农业用水在未来将面临巨大的挑战。根据国际农业用水研究和政策领域近10年出现的范式变迁的核心内容,建立了基于"绿水"、"蓝水"的中国农业用水的新综合分析框架。并利用广义农业水资源量和广义农业水土资源匹配的概念和评估方法,分析了全国1998～2007年10年间4种主要粮食作物(水稻、小麦、玉米和大豆)的农业用水、耗水以及水分生产力变化趋势和现状。结果表明:中国广义农业水资源量中57%来源于耕地有效降水的"绿水",43%来源于耕地灌溉"蓝水"。主要粮食作物水分生产力水平已经接近或达到世界较高水平。未来继续提升水分生产力的任务将会更加艰巨。因此,为保证中国粮食安全,建议国家设立"粮食安全水资源红线"。同时,根据广义农业水资源量的分析计算,主要粮食作物用水安全红线应该划定在大约7800亿m3左右。     

中国水安全系统模拟及对策比较研究

运用系统分析的理论与方法,分析了中国水生态系统的特征及各组分间的相互作用,建立了中国水安全动态模型.模型从生命安全、经济安全、粮食安全、生态系统安全、环境安全和社会安全等六个子安全出发,在按常规发展的模拟,技术革新模拟,体制改革和引为诱导模拟以及水资源可持续利用模拟四种不同情景下进行系统模拟.结果表明:只有加速技术创新,增强水生态和节水意识,加强水管理,中国水安全才能得以保证.     

考虑水分胁迫后效应的作物水模型

水分胁迫具有后效应,前期水分胁迫可以影响作物后期叶面积和需水量的增减。以Jensen作物 水模型为基础,引入了水分胁迫后效应影响系数,对原模型进行了修正。修正后的模型可以将阶段水分胁迫与前期胁迫后效应对产量的影响加以区分,避免了原模型中可能产生的虚缺水现象,并可对作物(以玉米为例)前期水分胁迫处理后,后期需水量增加以及苗期胁迫处理可维持较高产量的原因进行合理解释。通过田间试验结果分析,改进后模型的模拟结果符合实际,并具有较好的精度。对模型存在的问题和不足也进行了探讨。     

中小型原水河渠污染事故危害度应急评价模型

为了对中小型原水河渠污染事故危害影响程度进行综合评价,利用污染事故案例样本资料,在提出原水污染事故危害度概念基础上,归纳影响中小型原水河渠污染事故危害度的直接与间接影响因素,应用粗糙集理论与方法,对间接影响因素进行重要性分析、冗余约简及重要度权重计算,综合直接与间接影响因素的作用,构建中小型原水河渠污染事故的应急评价模型。以成都市原水河渠为例,设计模拟污染事故情景,对所构建模型进行分析,结果表明,模型能够反映中小型原水河渠污染事故的危害影响程度。所构建模型适用于中小型原水河渠污染事故的应急评价,可为应急响应决策提供支撑信息。