雄安新区城市水系结构规划分析

合理的水系结构是维持城市健康绿色发展的重要基础条件之一。雄安新区起步区内没有天然水系,当前迫切需要规划科学合理的城市水系。选取河道宽度、河段长度、河网密度、水面率、河网发育系数等水系结构重要指标,在现有典型城区城市水系相似性分析的基础上,确定起步区城市水系平面结构,然后利用SWMM模型对水系垂向结构和防洪安全进行检验,对规划水系进行溢流风险识别,设置水系调蓄空间。结果表明：(1)城市三级河流的分布受研究区降雨的影响较大,降雨量越大,所需三级河流的密度就越高,起步区的三级河流水系密度取值0.5,主要分布在起步区北部;起步区南部是溢流高风险区,地势低洼,设置调蓄湖泊。(2)起步区规划水系的结构稳定性较高,二、三级河流的河网发育系数分别为1.030和0.872,数值均趋近于1,避免河网主干化;一、二级河流断面为复式断面,上部为梯形浅滩,下部为矩形深槽,三级河流选为矩形断面,不设浅滩。(3)起步区水系的水面积率为7.28%,与区域和城市定位要求相一致。研究结果可为雄安新区构建健康安全的城市水系提供科学参考。     

江苏里下河平原城镇化背景下河网水系变化特征分析

城镇化等人类活动影响下众多河流水系的破坏,使得江苏里下河平原水安全及生态环境压力加大。基于遥感和地理信息技术方法,以盐城市区为例,开展近30年来水系结构时空变化及城镇化影响研究,结果表明:(1)区域下垫面变化以城镇面积的增加,水田和水体的减少为主要特征,城镇化率由1980年的3.4%增长到2014年的20.8%,2000年后城镇扩张明显加快,呈现从中心老城区以空间蔓延形态向东和向南的趋势;(2)水系变化以低等级水系数量特征减少为主要趋势,其中河网密度和水面率的变化强度和空间差异性最为显著;水系减少使得河网复杂性和区域调蓄能力有所降低,但河网结构整体上仍呈现自然顺直型网状特征。(3)2000年以后城镇面积扩张取代农业活动和水利工程等因素成为水系变化的主要驱动因子,水系变化强度的空间差异增强,城镇化率低于30%的区域,水系变化程度与城镇化线性关系显著;水系特征指标中河网密度、水面率和盒维数对表征该区域的水系数量和结构特征变化具有较好的指示意义,可作为评价水系变化的主要因子。相关研究成果可丰富平原区水系变化案例研究,同时可为该区域未来城镇发展下的水系功能规划及保护提供依据。     

近61年来长江荆南三口水系结构演变特征及其驱动因素分析

为了研究长江荆南三口水系结构演变状况,利用其1955、1978、1990、2008、2016年5期地形图水系数据,从数量、结构和复杂性特征方面定量分析河网密度、水面率、河网复杂度、支流发育系数和分维数这5个指标的变化特征,并探讨其变化的驱动因素。结果表明:数量特征上:荆南三口的河流数量、河流长度、河网密度和水面率都在减少,特别是低级别支流数量减少较多,河网密度、水面率减少最明显的是华容河,河网密度减少了0.25km/km2,水面率减少了4.21%;结构特征上:支流发育系数下降明显,衰减最为突出的是松滋河,该水系片区支流发育系数K值衰减达56.14%;河网复杂度也呈下降趋势,松滋河减少最多,该水系片区河网复杂度CR值衰减达54.41%,由44.98下降到了20.64;说明该地区的河网发育正趋向于主干化和单一化;复杂特征上:水系分维呈下降趋势,华容河减小幅度较大,由1.646减少到1.421,水系复杂度出现简化趋势;水系工程的建设引起的河道水沙时空输移过程及输送量改变,是水系变化的主要驱动机制。     

京西水系联通调蓄规划研究

结合北京西部水系现状,联通相关河道、渠系及砂石坑,开展城市雨洪利用,联合调蓄雨洪水、外调水及地表水,构建了团城湖调节池周边、南旱河沿线及永定河引水渠等三处西部水系联通工程,并运用FEFLOW模型模拟调蓄回灌工程对当地地下水位时间和空间变化情况进行了分析。通过实施西部水系调蓄规划,恢复沟通北京西部水系,可增加地表调蓄能力791万m3。地下水回灌最大影响区域面积达到251.2 km2,年回灌量可达1.7亿m3。对于开展雨洪利用、水系联通设计及工程实施有着科学的借鉴意义。     

桃曲坡水库灌区河库渠水系连通浅析

桃曲坡水库灌区水资源紧缺日趋严重,供水区域缺水矛盾突出。根据水利部推进江河湖库水系连通精神,结合灌区实际与特点,提出在充分发挥并利用已成水利工程调蓄功能的基础上,通过实施新建水源、连通工程、生态补水等河库、渠库、库库连通工程,形成"多库串联、多源互补、丰枯调剂"的网状连通格局。构建引得进、蓄得住、排得出、可调控的河库水网体系,提高灌区水资源统筹调配水平和供水保障能力。     

基于图论的城市河网水系连通方案优选——以清潩河许昌段为例

对于复杂河网水系来说,水系连通方案的选择决定了河道是否有效连通以及各种功能能否得以保障。为了优选最佳水系连通方案,本文以清潩河许昌段为研究对象,借助图论法构建了城市水系河网图模型;考虑多闸联合调度以及各节点水量平衡关系,并利用图模型的邻接矩阵和加权邻接矩阵来描述河网水系对水量的分配作用,进而计算整个河网水系各河段和节点的流量值;以水生态景观面积最大为优选目标,结合河网水量分配关系和水力约束建立了多闸联合调度下的水系连通方案优选模型,优选得到在不同工况下的清潩河许昌段最佳水系连通方案。结果显示,在多数连通方案下河网流量可能会超出流量限值,而优选方案下的河网流量不仅可以满足流量约束、保障河网功能需求,还可有效提高水生态景观面积。     

智慧水务在朝阳区水系连通工程中应用设计初探

朝阳区水系连通工程利用引、调、自流等方式将朝阳区38条河流进行了物理连通,形成了地表河网,并研究了河流生态流量、防洪等不同目标的河网水系调度方案。为了高效利用朝阳区水系连通工程,更好地实现工程效益,直观展示河流闸坝泵站工作,以及不同调度方案下河流工况和水情,本文探讨了智慧水务系统平台在水系连通工程中的应用,初步设计了与水系连通工程运行调度相关的板块展示内容,是使用智慧水务信息化系统对河流水系硬件调度和管理的有益探索,为下一步河流生态化管护工作构建了相关指标体系。     

基于拓扑结构和空间网络结构的水系连通性评价

保持河湖水系连通是流域内物质流、能量流、信息流和物种流保持畅通的基本条件,河网水系连通性定量评价十分重要。利用图论理论、连通性指数和空间网络中心性评价指标,以湖北省大悟县滠水-刘家集河-上西大河片区为例,分析其水网连通情况。结果表明:①图论指标从整体上度量了水系网络的连接特征,研究区水系网络复杂程度一般;②水系网络连接度指标分析度量了各河链连接特征的重要程度,长度长或处于主干道的河链对水系网络整体连接特征的重要程度高;③水系网络的中心性分析能揭示汇点或是河链不同方面的重要程度,孤立的小的水系组分的中心性值易高。邻近中心性分析有助于发现水系中较主要的主干水系;中介中心性分析有助于发现水系中处于主要连通的汇点或河链;直线中心性能发现水系网络中较为曲折的河链。研究结果完善了水系连通性评价,对水系连通工程设计和河流健康治理工作具有一定参考价值。     

秦淮河流域水系结构及连通度变化分析

为定量分析城镇化所导致的河网结构及水系连通变化,通过计算1990年、2000年、2010年和2015年4个时期秦淮河流域的河网密度、水面率、河网复杂度、河网稳定度、河网连通度、水文连通度,得出秦淮河流域水系结构演变过程及连通度变化规律,并运用统计学方法得到水系结构指标与水系连通度之间的联系。结果表明:近25年来,秦淮河流域河网密度、水面率均呈不断减小趋势,河道呈现主干化特征,流域河网整体规模呈萎缩趋势,水系连通变化与河网结构变化总体趋势一致,均呈降低趋势,且其变化与水面率、河网密度和河网复杂度具有显著相关性。     

太湖流域平原河网区水系连通性评价

河湖水系连通是流域及区域防洪、供水和水生态安全的重要基础。现有的基于水流阻力与图论的水系连通性评价方法并不适用于连通性受闸门工程调度影响较大的平原河网区,为此提出了改进的水系连通性评价方法,不仅考虑河网中不同类型河道的实际输水能力,还考虑了闸门启闭的开启度。以太湖流域平原河网区为例,运用太湖流域水量水质模型中的概化河网绘制河网图,结合模型计算出各河道水位及闸门开启度,构建出加权邻边矩阵,并利用MATLAB编程算出每个节点连通性,进行了平原河网区典型年时河网水系连通性评价。总体评价结论为太湖流域平原区总体水系连通性较高,但各水利分区的连通性有一定差异,其中阳澄淀泖区和太湖区水系连通性较高。评价结论符合太湖流域平原河网区的实际情况,和前期研究方法的结论基本一致。该方法实现了受闸门调度影响较大河网水系的连通性定量化评价,可用于河网水系连通性变化评估、改善水系连通工程设计等领域。     

引水改善平原感潮河网水质效果评估

以张家港市三大水循环体系为例,构建一维河网水动力水质数学模型,揭示了不同长江潮位与内河引水量的响应关系,不同引水量与河网水质改善效果、引水服务面积的响应关系。结果表明:随着长江高潮位的升高,内河引水量呈现线性增长趋势;当中部水系引水量达到1.4×10~7m~3时,氨氮浓度改善率达到50%以上,浓度变化指数达到0.6以上,且整体提升了1个水质类别;引水服务面积随着引水量的增大呈现线性增长趋势,而单位引水量服务面积呈现对数函数下降趋势,其中东北部水系单位引水量服务面积最大,为0.352～0.891 km~2/万m~3。     

长江荆南三口地区水系连通变异前后的径流变化特征研究

以长江荆南三口河系1956-2016年的实测径流量资料为基础,以1989年为水系连通变异分界点,运用趋势分析法和小波分析法研究基准期和变化期的径流量时空变化特征。结果表明：基准期和变化期年均径流量呈现下降趋势,下降速率分别为1.945 7×10⁸和0.768 2×10⁸ m³/a;径流主要集中在丰水季节,占比达60%~70%,变化期在4个水文季节的径流量比基准期下降了40%~80%,枯水季节下降幅度高达77%;径流量存在3类周期变化,变化期比基准期的小周期丰枯交替次数约增多2次,长周期范围和中心值约缩短6 a;新江口和管家铺两个水文站的径流量约为三口地区总流量的2/3,集中于松滋河的西支和藕池河的东支。研究结果可为荆南三口地区及洞庭湖的水资源调蓄提供科学技术参考。     

基于地下水回灌试验及数值模拟的秦岭山前洪积扇地下水库调蓄功能研究

实施秦岭山前截洪引渗工程,充分利用地下水库调蓄能力,对于解决水资源时空分布不均、改善关中地区水资源短缺、提高水资源利用率有重要意义。为进一步研究秦岭山前洪积扇地下水库调蓄功能,选取太平河洪积扇进行地下水回灌试验,并使用Visual MODFLOW软件对调蓄功能进行数值模拟。结果表明:在所设计的4种调蓄方式下,平均调蓄深度约为10 m,太平河、秦岭山前洪积扇调蓄估算量分别为3374.8万m3、27.04亿m3,如适度加强补采,可激发更大调蓄潜力。     

苏州古城区水系演变规律及水动力改善研究

苏州古城区水系是历代人工开凿,并且保存较为完整的历史文化遗产。以苏州古城区水系的产生、发展、破坏和恢复为主线,探讨了其水系演变规律及结构特征。结果表明:(1)苏州古城区水系有别于天然河道,具有一定规整性;(2)其水系消亡破坏过程与天然河道相同;(3)具备平原城市河网特点,存在一定水环境问题。进一步通过采用时空对比的研究方式,分析了苏州古城区水源的演变和特点,得出以下结果:(1)苏州古城区水系通江达湖,连通性好;(2)水系水流路径由20世纪80年代的西进东出转变为北进南出;(3)长江大通站的水位、水质和水量特征显示,长江能为苏州古城区水系提供具有优质水势、水质和水量的高保障率水源。以上论证显示,苏州古城区水系具备潜在的水质提升基础。     

Coupled Hydrological/Hydraulic Modelling of River Restoration Impacts and Floodplain Hydrodynamics

Channelization and embankment of rivers has led to major ecological degradation of aquatic habitats worldwide. River restoration can be used to restore favourable hydrological conditions for target species or processes. However, the effects of river restoration on hydraulic and hydrological processes are complex and are often difficult to determine because of the long‐term monitoring required before and after restoration works. Our study is based on rarely available, detailed pre‐restoration and post‐restoration hydrological data collected from a wet grassland meadow in Norfolk, UK, and provides important insights into the hydrological effects of river restoration. Groundwater hydrology and climate were monitored from 2007 to 2010. Based on our data, we developed coupled hydrological/hydraulic models of pre‐embankment and post‐embankment conditions using the MIKE‐SHE/MIKE 11 system. Simulated groundwater levels compared well with observed groundwater. Removal of the river embankments resulted in widespread floodplain inundation at high river flows (>1.7 m³ s^?1) and frequent localized flooding at the river edge during smaller events (>0.6 m³ s^?1). Subsequently, groundwater levels were higher and subsurface storage was greater. The restoration had a moderate effect on flood peak attenuation and improved free drainage to the river. Our results suggest that embankment removal can increase river–floodplain hydrological connectivity to form a more natural wetland ecotone, driven by frequent localized flood disturbance. This has important implications for the planning and management of river restoration projects that aim to enhance floodwater storage, floodplain species composition and biogeochemical cycling of nutrients. © 2016 The Authors. River Research and Applications Published by John Wiley & Sons Ltd.     

新安江上游生态系统产水服务及价值

为模拟新安江上游下垫面水分存储因素对其实际供水能力的影响,采用降雨和潜在蒸散发及下垫面特征参数,结合耗水量模拟2010年新安江上游实际供水量及水资源的能值价值。结果表明:流域为下游贡献汇流量71.1×108m3,总价值达到29.9亿元。率水、街源河子流域供水能力较强。中部河谷平原区由于人为耗水过程,原本产水高值区成为实际供水的低值区。模拟产水量精度达97.0%,适用性较好,但下垫面参数仍需结合实测进一步优化。     

若尔盖高原径流量变化与储水量计算

若尔盖高原的降水量微弱减少与蒸发量持续上升,使若尔盖高原径流量与储水量逐年降低,直接减少了若尔盖高原的湿地面积和对黄河上游径流量的补给。基于红原、若尔盖和玛曲站的气象数据和7个水文站的径流量数据(1981-2011年),并对数据序列进行插补与计算,获得若尔盖高原的径流量变化与气候因子的响应关系,进而计算储水量变化。计算结果表明:若尔盖高原向黄河年均补水(67. 08±14. 90)×108m3,并以0. 48×108m3/a速率持续减少。降水量每减少1 mm将导致黑河与白河的年径流量分别减少0. 02×108和0. 05×108m3。蒸发量每增加1 mm将导致黑河与白河的年径流量分别减少0. 12×108和0. 27×108m3。1981-2011年若尔盖高原的年均储水量为(59. 30±18. 69)×108m3,其年均递减速率为0. 49×108m3/a。本研究有助于认识若尔盖高原对于黄河上游水资源保障的重要性。     

石川河地下水库建库条件分析及地下水位动态预测

通过分析富平县石川河河谷阶地区的自然地理、气象、水文、地质等条件以及地下水资源开发利用情况,建立了水文地质结构三维模型,论证了建立石川河地下水库的可行性,初步计算了地下水库库容约为4.95亿m~3。利用Visual MODFLOW软件建立了地下水库库区的地下水数值模型,预测了不同降水和开采条件下,进行人工回灌0.52亿m~3/a、10年后地下水库库区的地下水位变化情况。结果表明,库区内的地下水位将大范围的抬升,大部分地区与1959年的水位相近,可基本满足当地的用水需求。     

不同回灌补源模式下石川河富平地下水库数值模拟

石川河富平地区地下水长期处于采补失衡状态,大范围含水层被疏干,形成区域性降落漏斗,针对拟建的石川河富平地下水库,设置5种开采回灌方案,建立地下水流数值模型模拟不同方案下地下水库水位和蓄水库容变化情况。结果表明：各回灌方案在消除降落漏斗的同时,均能较好地恢复地下水水位,且不超过地下水库的调蓄上限水位;回灌量相同、回灌方式不同时,逐日回灌方式的水位恢复效果优于灌期+非灌期回灌方式,较2018年地下水水位平均抬升13.55 m,蓄水库容增加2.99×10⁸ m³;回灌量不同时,较大回灌量对地下水水位的影响大于回灌方式,即泾惠渠水源回灌时,水位抬升程度最大,为19.77 m,蓄水库容相应增加4.36×10⁸ m³。模拟结果可为地下水库的调蓄与运行提供参考。