基于数字遥感影像的呼伦湖水量平衡分析

利用多源、多时相的数字遥感影像和呼伦湖周边地区水文气象资料,采用基于卷积神经网络的高分辨率图像重构方法研究了1999—2019年呼伦湖面积、库容变化情况。结果表明:2003—2012年呼伦湖的面积逐年减小,湖泊水量逐年下降,2003—2012年补给呼伦湖的乌尔逊河与克鲁伦河的多年平均径流量分别为1.30亿m³与1.41亿m³,分别只有1991年以前多年平均径流量的21%与24%;而2003—2012年呼伦湖平均水面年蒸发量为17.5亿m³,平均年湖面降水量为3.25亿m³;地下水补给呼伦湖的年平均水量为5.3亿m³,主要来自新生代玄武岩地下水,哈拉哈河源头火山玄武岩地下水通过熔岩管道集中外泄,据此推断补给呼伦湖的地下水来自跨流域的外源水。     

黄河梯级水库群多过程协同调度模型与方法

黄河水少沙多,河道内外用水矛盾突出,梯级水库群调度下供水、输沙、发电、生态等用水过程之间存在复杂的竞争与协作关系,协同调度是提升综合效益的重要途径。本文采用多尺度嵌套和多过程耦合方法,建立了融合供水、输沙、发电、生态等过程的黄河梯级水库群协同调度模型,研究以综合满意度为引导的优化求解方法,选取代表径流系列,提出多过程协同调度方案。结果表明,通过优化黄河梯级水库群蓄泄秩序和下泄过程,协调多用水过程的关系,能显著提高水库调度的综合效益:通过优化河段取水过程,实现了供水时空均衡,流域缺水率控制在11.6%~18.8%;优化水库拦沙-河道输沙过程,减少水库淤积0.65亿t,增加河道输沙1.16亿t,下游河道年均冲刷0.26亿t;优化梯级水库群发电下泄过程,增加发电量64.25亿kW·h;优化断面流量过程,增加非汛期生态水量4.88亿m³。本研究可为梯级水库多目标调度与流域综合管理提供方向性参考。     

面向供水对象转型的引大入秦工程水资源优化配置研究

引大入秦工程（以下简称引大工程）建成初期主要以秦王川农业供水为主,但随着兰州新区的建设发展,其供水对象开始向城市生活用水和工业用水转型,如何实现有限水资源的合理配置是目前研究的重点问题。基于此,依据引大工程供水区（以下简称引大供水区）可持续发展要求,构建以实现经济、社会、生态效益最大化为目标函数,可供水量、输水能力、用户需水量、排水系统排水量与变量非负为约束条件的多目标水资源优化配置模型,使用遗传算法进行求解。结果表明：2025年引大供水区不同用水部门配水量（保证率P=50%、P=75%）分别为生活用水8 323.85×10⁴、8 322.49×10⁴ m³,农业用水15 001.95×10⁴、15 631.53×10⁴ m³,工业用水11 111.00×10⁴、11 100.00×10⁴ m³,生态用水946.88×10⁴、947.02×10⁴ m³,各部门总配水量与优化前供水量4.23×10⁸ m³相比,达到供需平衡;2030年引大供水区不同用水部门配水量（保证率P=50%、P=75%）分别为生活用水12 650.51×10⁴、12 666.53×10⁴ m³,农业用水16 397.77×10⁴、17 019.70×10⁴ m³,工业用水20 498.00×10⁴、20 508.00×10⁴ m³,生态用水948.00×10⁴、948.88×10⁴ m³,不同保证率下各部门总体缺水率分别为12.27%、13.38%。2025—2030年引大供水区的非农业用水结构将大幅提升,农业灌溉用水量降低。研究结果可为引大供水区优化水资源配置决策提供参考依据。     

三峡水库运用后荆南三口分流演变规律及驱动因子

荆南三口是江湖关系变化的核心，其分流规律变化会对三峡大坝下游江湖关系造成影响，因此需对不断演变的荆南三口分流变化规律及其驱动因子进行量化研究。本文基于1991—2020年的实测资料，通过回归分析与基于Tensorflow搭建的人工神经网络(ANN)模型，探究了三峡水库及上游水库群调蓄、荆南三口河道与干流不对等冲刷等驱动因子对三口分流变化规律的影响。分析结果表明：三峡水库蓄水运用前后，荆南三口分流量发生了较大变化，2003—2020年多年平均分流量比1991—2002年减少约20%，二者相差124.4亿m³。进一步对荆南三口分流演变的驱动因子进行探究，三口洪道和荆江不对等冲刷对三口分流量的影响为主要因素，约为75.7亿m³/a;其次是三峡水库调蓄作用的影响，约为28.6亿m³/a;而径流变化及三峡上游梯级水库群调蓄等因素对三口分流量的影响约为20.1亿m³/a。2003年三峡水库蓄水运用后，水库调节径流和不对等冲刷在三口分流演变的驱动因子中占主导地位，应持续优化三峡水库及其上游梯级水库群联合调度，采取疏、挖等措施，增加三口分流量，以维系江湖关系。     

基于水足迹的湿地生态需水保障对策

采用定额法核算白洋淀流域2003年、2007年和2011年的水足迹,重点分析白洋淀流域内农业、工业和第三产业的水足迹结构。结果表明,白洋淀流域的虚拟水足迹从2003年的83.86亿m³增加到2007年的95.87亿m³, 2011年的108.21亿m³。从消费比例来看,农业用水所占比例最大,平均值达到69%;第二产业用水占24%左右,第三产业用水占7%左右。 提出解决白洋淀流域不同类型湿地生态需水的策略:调整流域种植结构,减少高污染、高耗水部门,提高农业灌溉效率和水资源重复利用率等,每年可节约5.95亿m³的水量,可以保障白羊淀流域湿地生态系统基本的生态需水。     

陕北黄土高原退耕还林还草工程产水效应

以陕北黄土高原为研究区,利用InVEST产水量模型,基于水量平衡和水文过程原理,通过对降水、蒸散发、土壤、植被等自然因子和土地利用/覆被变化因子进行空间叠加与模拟计算,定量评价了研究区退耕还林还草工程的产水效应。结果表明：2000-2010年研究区林地、灌丛、草地面积分别增加了122.7、285.2和3 204.0 km²,耕地面积减少了3 984.5 km²,退耕还林还草工程土地覆被变化显著;2000-2010年研究区产水能力整体下降,延安市境内总产水量减少了8.9×10⁸ m³,榆林市境内总产水量减少了7.2×10⁸ m³,空间分布与退耕还林还草工程实施区域高度一致;土地利用类型转化致使研究区产水量整体减少了11 665.4×10⁴ m³,其中,耕地向林灌草的转化导致研究区产水量减少最为明显,共减少了11 254.2×10⁴ m³,占总减少量的96.5%。通过产水量重要性分级和空间分区,可为生态系统及流域的科学管理、退耕还林还草工程的科学实施提供参考和指导。     

基于1960-2018年实测径流与水文学方法的开都河生态流量分析

为科学地确定河流生态流量,保障流域水安全与生态环境健康,基于开都河大山口水文站1960-2018年的实测径流数据,采用Tennant法、典型水文频率年法、最枯月平均流量法和Q_p法等4种水文学方法计算了河流的生态流量,通过对比分析确定基于Tennant法的计算结果最为适宜。计算结果表明：开都河大山口水文站10-翌年3月的平均生态流量应不小于15.60 m³/s,对应最小生态环境需水量为 2.47×10⁸ m³;4-9月的平均生态流量应不小于46.15 m³/s,对应最小生态环境需水量为7.30×10⁸ 　m³,全年生态流量平均不小于30.88 m³/s,对应最小生态环境需水量为9.77×10⁸ 　m³。该生态流量目标可满足开都河大山口至博斯腾湖河段的河道径流损失,保证河流基本生态功能与水生态安全。计算分析结果可为开都河河流生态流量管理提供支撑。     

黄河流域天然径流量评价探讨

针对现有径流系列一致性处理方法不够具体的问题,提出了一种黄河流域天然径流量还原、还现算法。根据黄河流域入海口利津站的实测径流、利津断面以上流域地表水消耗量、地下水开采引起的地表径流减少量、人工水库和淤地坝水面蒸发增加量、水库蓄变量等数据,对利津站的天然地表径流量进行还原分析,并以2001—2016年下垫面作为参照下垫面估算下垫面还现后的天然径流量。结果表明:1956—2016年长系列的黄河利津站地表水天然径流量为577.72亿m³,下垫面还现后的天然径流量为551.72亿m³,还现天然径流量比流域机构给出的第三次水资源评价结果多61.72亿m³。     

金沙江下游梯级水库汛期运行水位协同浮动调度研究

为验证梯级水库汛期运行水位协同浮动调度模型方法的合理性与普适性,在金沙江流域开展实例分析。首先考虑洪水预见期变化,应用动态多目标算法高效求解调度模型;然后评价汛期运行水位协同浮动调度的风险与效益;最后推求乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水库的汛期运行水位协同浮动关系。研究结果表明：相比年汛限水位静态控制调度方案,梯级水库汛期运行水位协同浮动调度方案在不增加防洪风险前提下,各水库汛期运行水位均可适当抬升,汛期多年平均发电量和电站弃水减少量的最高值(改善率)可达1071亿kWh(11.1%)和649亿m³(14.3%),有效提高了洪水资源利用水平,综合效益巨大。     

新型防洪减灾措施在洞庭湖中的模拟应用研究

为提高洞庭湖的防洪能力及增强其枯水期供水能力,提出了适用于洞庭湖区的新型防洪减灾措施——“河湖分离”方案。通过采用数值模拟方法,以洞庭湖1996年型洪水为例,探讨了“河湖分离”方案对洞庭湖区防洪效果的影响,并统计分析了在应用该方案后洞庭湖1996-2014年的蓄水能力。结果表明：洞庭湖实施“河湖分离方案”后,若遇1996年型洪水,湖内有效防洪库容可由1996年的20.91×10⁸ m³增加至119.01×10⁸ m³,从而增强了洞庭湖的削峰能力。通过统计分析发现,洞庭湖具有很大的蓄水潜力,即使在年极端干旱年份（比如2006及2011年）,“河湖分离”方案仍能使得洞庭湖的可用蓄水量超过18.0×10⁸ m³,这说明“河湖分离”方案能有效地缓解洞庭湖区季节性缺水的状况。     

基于阻-导水通道的辽浑防洪保护区溃堤洪水淹没分析

为避免在影响水流运动的构筑物附近进行网格加密而导致计算效率降低的问题,本文采用阻水和导水通道数值模拟方法,以辽浑防洪保护区为研究对象,构建了基于阻-导水通道的水动力学模型,分析了超标准洪水下溃堤洪水的淹没过程及对研究区内社会经济的影响。结果显示：遇超标准洪水,陶家险工和偏养子堤段溃决后,保护区内将进入7.458亿m³和5.852亿m³洪量。受研究区内地势影响,溃决洪水由北向南宣泄,淹没面积达570 km²和268 km²,淹没过程中阻、导水通道较好地体现了构筑物对洪水演进的影响和作用。两种情景下,保护区内41 650 hm²和19 910 hm²农田将被淹没,21万和9万人口受洪水威胁,直接经济损失将达128亿元和52亿元。     

嶂山闸提前预泄在骆马湖洪水调度中的作用

骆马湖是沂沭泗流域下游主要调蓄水库,可将沂河、南四湖及邳苍地区南下的洪水经调蓄后,主要由嶂山闸排入新沂河.骆马湖库容较小,从汛限水位到退守宿迁大控制二线堤防之间的调蓄库容只有60亿m³,汛限水位到黄墩湖滞洪之间的调蓄库容只有9.9亿m³,黄墩湖滞洪的机遇较大.经调洪演算分析,通过科学调度洪水,充分利用从上游降雨到洪峰入骆马湖的有限时间,利用嶂山闸提前预泄腾容,对提高骆马湖的调洪能力具有显著的作用,能有效降低骆马湖最高洪水位,减小黄墩湖滞洪的几率.     

基于开源和节流的乌伦古河流域水库群生态调度

针对乌伦古河流域水资源短缺、灌溉挤占生态用水等问题,以生活、工业、灌溉、河道生态基流、河谷林草及补湖生态用水为调度目标,设置开源、节流方案集,建立了以生态缺水量和社会经济缺水量最小为目标的水库群生态调度模型,采用人机对话模拟优化算法求解模型。结果表明:各节流方案的河谷林草和补湖供水保证率能够满足设计要求,缓解了灌溉用水与生态用水间的矛盾,但2017现状水平年和2025远景水平年需水方案的灌溉保证率未满足设计要求;当开源+节流方案调水量超过1.0亿m³时,满足农业灌溉、河谷林草和补湖的供水保证率要求,消除了灌溉用水与生态用水间的矛盾;随着调水量超过1.0亿m³且持续增加,对河谷林草、补湖缺水量、破坏深度等影响不大,推荐1.0亿m³为最佳调水量。     

磨子潭-白莲崖并联水库群不同削峰组合下的调洪方案比选

为了提高水库的防洪能力和汛期调度水平,更好保障下游人民群众的生活生产安全,以共同承担下游防洪任务的磨子潭-白莲崖并联水库群为研究对象进行防洪[JP2]调度方案比较和优选。选取代表性洪水过程,在保障下游安全所需总削峰值的前提下,拟定4种削峰分配方案,对水库群调洪过程进行计算,并对4种削峰方案进行了比选。结果表明:在磨子潭承担230m³／s、白莲崖承担170m³／s方案下,水库总蓄洪量最小（68906万m³）,水库总体水位最低,削峰时长最短,说明该削峰分配方案下水库的安全性最高、调度风险最小。     

海河平原区地下水累计可恢复超采量评价

地下水累计可恢复超采量评价对于地下水超采态势评判和超采综合治理实施都具有重要意义。本文以海河平原区为研究对象，提出超采量评价方法，旨在客观准确评价地下水累计可恢复超采量。针对浅层地下水超采量，提出生态临界水位作为传统“水位动态法”评价浅层地下水超采量的临界水位，据此得到研究区1959-2019年累计浅层超采量为869亿m³；针对深层地下水超采量，提出“不可恢复超采量”评价指标，采用地面沉降体积法评价深层地下水超采量，根据地面沉降体积计算深层承压含水层系统压密释水量体积，据此估算1970-2019年深层累计超采量为756亿m³；通过建立的一维非线性压密释水数值模型，模拟了深层承压含水层系统压密释水过程，计算得到非弹性压密释水量，评估研究区累计不可恢复超采量为558亿m³。因此本文认为，自1960年代以来，海河平原区地下水浅层和深层累计超采量1625亿m³，其中可恢复的超采量仅为1067亿m³。该研究结果可为未来地下水回补水量和南水北调规划调水量的确定提供参考。     

基于地下水安全的井渠结合灌区节水潜力分析——以永定河流域张家口段为例

农业节水潜力是确定节水灌溉发展方向以及解决水资源短缺问题的关键参量。为探究永定河流域张家口段井渠结合灌区的节水潜力,将农业节水潜力分为管理节水潜力与工程节水潜力两类,通过引入地下水安全性检验方法,避免井渠结合灌区实现节水潜力后存在地下水超采风险,建立了满足地下水安全的井渠结合灌区节水潜力分析方法。结果表明：永定河流域张家口段大中型灌区现状灌溉用水总量为1.62×10⁸ m³,以常规方法估算的地表水节水潜力为0.805 9×10⁸ m³,考虑地下水安全的地表水节水潜力修正为0.795 4×10⁸ m³,其中管理节水潜力和工程节水潜力分别为 0.610 5×10⁸和0.185 0×10⁸ m³,分别占比76.7%和23.3%,管理节水潜力所占比重较大。永定河流域张家口段大中型灌区的管理必须改变以往重工程建设轻灌溉管理的理念,才能更大程度地挖掘管理节水潜力。研究结果可以在保证井渠结合灌区地下水安全的前提下,对灌区的管理节水潜力与工程节水潜力的占比进行科学评价,对未来灌区灌溉工程规划和建设等方面具有现实的参考意义。     

湖南省水库与干旱情势空间匹配关系研究

根据湖南省地质、地形等条件,以县域为单元将湖南省划分为9个区域,对省内14 000多座各类型水库开展空间统计,分析了水库空间分布规律,并采用SPI-3指数法计算得到4-9月重旱及以上干旱频率的空间分布,对比研究了水库分布与干旱的空间匹配关系。结果表明：湖南省水库分布具有明显的空间分异特征,丘陵区水库数量密度一般要大于山地区,但受大型水库不足的影响,库容密度一般要小于山地区。洞庭湖平原腹地水库密度极低,而外围岗地区则拥有全省最大的水库分布密度。不同分区水库供水能力与人口、耕地的匹配关系也有很大差异。湘东南罗霄-南岭山地区单位面积兴利库容和人均兴利库容最大分别可达54 397.32 m³/hm²和3 286.53 m³,而在湘中南岩溶丘陵区、洞庭湖区等地区则分别不大于3 450 m³/hm²和210 m³。湖南省水库的空间分异特征主要受地质、地形等地理条件控制,山地区水库规模大、数量少,而丘陵区水库小、数量多。总体上看,湖南省水库供水能力与干旱的空间分布存在明显的失衡错位,如衡邵盆地不仅年均降雨量少、重旱频率高,而且水库供水能力也处于全省较低水平,再加上岩溶区“保水难”的特性,该区成为省内干旱情势最为严重的地区。     

基于模糊集对分析的灌区水库旱限水位及供水策略优化研究

随着经济社会发展和气候条件改变,我国区域干旱问题日益突出,水库在抗旱减灾过程中的作用越来越凸显,旱限水位的提出与应用对有效发挥大中型水库在抗旱中的调控作用、缓解流域旱情具有重要意义。针对旱限水位研究现状,本文以史河灌区梅山水库为例,首先考虑城乡供水、农业灌溉、水力发电和生态环境等诸多因素,构建基于模糊集对分析法的水库灌区水资源系统运行效果综合评价模型,并以水资源系统综合运行等级最优为目标,以分期分级旱限水位、灌溉限供措施（基于水库来水特征和作物生长特性）为优化变量,运用免疫遗传算法进行系统优化求解,最后对比有无旱限水位下水库水资源系统综合运行效果,并分析了不同控制方式下水库供水变化和灌区作物因旱减产风险。结果显示：该优化方法相较于以水库供水经济效益为目标旱限水位确定方法,多项年均指标都有较大改善,其中梅山水库经济效益提高了46万元,充反调节水库水量增加了555万m³,而水库弃水量减少了566万m³;史河灌区塘坝供水量增加了253万m³,而作物减产率下降了3.32%,同时作物因旱减产风险降低了3.15%。可见,运用系统综合评估决策方法有利于改善水库灌区系统综合运行效果,提高系统水资源利用效率和水库灌区经济效益;优化的旱限水位控制和与作物生长特性相适应的优化供水策略相对于经验性控制能有效减少灌区中稻因旱减产率,为保障旱限水位的顺利实施和干旱时期农业灌溉抗旱提供有力支撑。     

基于实际耗水的固原地区马铃薯生产水足迹研究

通过水足迹理论准确评估固原地区马铃薯生产的水资源利用效率情况,为当地马铃薯产业发展提供理论依据。采用基于实际耗水的水足迹计算原理、Mann-Kendall检验、Sen斜率法、LMDI模型,研究了固原地区马铃薯生产水足迹的变化趋势和主要影响因素。研究结果表明：1981-2017年固原市马铃薯生产水足迹均值为1.48 m³/kg,下辖县(区)均值在1.17~2.04 m³/kg之间,全市和各县(区)马铃薯生产水足迹均呈显著减小趋势,全市年均变幅为-0.04 m³/(kg·a);固原市单位面积绿水消耗量和单产量均值分别为2 778.4 m³/ hm²和2.18 t/hm²,下辖县(区)分别在2 622.2~3 401.3 m³/hm²和1.65~3.19 t/hm²之间,各县(区)单产量均呈显著增加趋势,从西北到东南单产量和单位面积绿水消耗量增大,水足迹减少;固原市单产量全时段贡献率为80.8%,贡献量在0~-2.30 m³/kg之间,单位面积绿水消耗量贡献率为19.2%,各县(区)单产量贡献率为76.3%~84.0%,单位面积绿水消耗量贡献率为16.0%~23.7%。水足迹计算方法中考虑了实际耗水条件,比充分灌溉条件更能反映实际情况。固原地区马铃薯水足迹显著下降主要是由于单产量增加,单产量作为主要驱动因子仍有提升潜力,今后应该加强农业现代化发展,提高水资源利用效率。     

面向梯级水库多目标优化调度的进化算法研究

实际工程中以梯级水库多目标优化调度为代表的大规模高维多目标优化问题,其优化难度是一般方法所难以应对的。为此本文提出一种新型的多目标粒子群算法LMPSO,其包含了基于超体积指标I_h^k的适应值分配方法与基于问题变换的搜索空间降维策略,以有效处理问题的高维目标向量与大规模决策变量。将该算法应用于溪洛渡-向家坝梯级水库的中长期多目标优化调度中,并与4种知名算法的计算结果进行对比分析,验证LMPSO在求解该类问题上的卓越性能。由此为多目标优化调度高质量非劣解集的获取提供一种可靠的方法,并为下一步的多目标调度决策提供有力的数据支持。