京津冀水资源-粮食-能源-生态协同调控研究Ⅰ：方法与模型

京津冀是我国重要的粮食、能源消费地,但水资源已经成为制约区域粮食、能源和生态可持续发展的关键要素。为优化水-粮-能-生系统间关系,实现水-粮-能-生关联视角下多水源协同调控,本文以GWAS模型为基础,通过改进水资源调配模块,添加粮食生产、能源消耗和层次化需水预测模块,构建了实现各系统关键要素传递和互馈的水-粮-能-生协同调控模型。根据京津冀水-粮-能-生系统紧密耦合的特征,建立保障水安全、粮食安全、低碳发展路径和生态健康的协同发展目标,提出了基于NSGA-Ⅱ和耦合协调度的协同优化算法与综合协同指数,以实现水-粮-能-生耦合系统协同调控方案优化求解。     

用水竞争力指数评价方法及其应用研究

水资源短缺加剧了区域、行业间水资源竞争的程度,影响了水资源的演变格局,也对水资源供需管理提出了新的要求。为了定量化描述用水竞争现象,辨析了用水竞争力概念、内涵及其驱动因素,引入了用水竞争力指数（WCI）,并采用驱动增长率、刚性需水量、用水效益和用水紧缺程度四类指标构建了用水竞争力评价模型,以京津冀地区为例,定量分析得到京津冀地区2001—2015年农业、工业和生活分行业多年平均用水竞争力指数分别为0.09、0.17和0.56,其中生活用水竞争力指数最大并长期保持增长趋势,成为影响京津冀地区用水竞争力的主要行业,其次是工业用水竞争力指数,但呈波动性变化特征,农业用水竞争力指数最小但呈持续增加的趋势。     

基于标准水资源指数(SWRI)的流域水文干旱评估——以海河北系为例

构建了一个新的水文干旱评估指标——标准水资源指数(SWRI),结合分布式水循环模型、Copula函数及统计检验等方法,形成了一套完整的水文干旱识别、评估及特征分析的基本框架。以海河北系为例,定量识别了1956—2009年间的水文干旱事件,并对其干旱特征及变化规律进行了剖析。结果表明:海河北系近54年发生的34次水文干旱主要集中在短历时、低强度、小面积区间内,空间上主要分布在张家口、大同及北京等地区;干旱指标的联动关系上,干旱历时、强度与面积指标间呈显著的线性或指数相关关系,90%的水文干旱历时低于40个月、干旱面积占比不超过43%,干旱强度低于9.0;在给定的干旱特征指标值(如干旱面积)条件下,另一干旱指标值越大(如强度越大)干旱发生概率越小,且存在明显的特征区间;单变量水文干旱重现期介于联合重现期和同现重现期之间。     

大黑河平原区地下水时空演变及归因辨识分析

针对大黑河平原区地下水超采及其溯源追踪问题,基于2010~2014年的气象、水文及地下水资料,分析了大黑河平原区地下水补排平衡关系及地下水时空演变特征,采用水量平衡法定量分析了降水、地下水开采等要素对该平原区地下水补排平衡的贡献率。结果表明,大黑河平原区地下水位整体下降,市区下降最为显著;地下水变化的主要驱动要素依次为地下水开采(28.76%)降水入渗补给(23.44%)潜水蒸发(21.20%)山前侧渗补给(18.94%);时间上,5~6月地下水开采对地下水变化贡献最大(52%),8~9月降水入渗补给是地下水变化的第一驱动要素(56%);空间上,大黑河平原区大部分区域降水是地下水变化的第一驱动要素,而在市区地下水开采是地下水位变化的主要驱动要素。研究成果可为地下水管理提供技术支撑。     

海河北系1956年-2012年降水时序演变特征

采用海河流域北系20个气象站1956年-2012年降水时间序列,从趋势、周期、突变和空间差异四个方面分析了该地区降水时空变化特征。结果显示:海河北系年降水以14.9mm/(10a)的速度减少;降水具有多时间尺度下的显著差异特征:月尺度较平稳,仅10月、11月发生显著下降,5月、6月发生显著增加;季尺度上,春、秋季较平稳,夏、冬季呈现下降趋势;年降雨呈现28年显著周期,并且在20世纪80年代前后转入枯水期。地区差异上,山区较平原区降水变化幅度更大,但周期平稳,突变时间更早。     

河北省井灌区灌溉用水与耗能变化规律研究

开展农业灌溉节水、节能研究既是支撑区域农业可持续发展必然要求,也是支撑国家节能减排承诺的具体实践。受农业节水、地下水位下降的影响,河北省井灌区灌溉用水和灌溉耗能之间关系复杂,分析了1980-2015年河北省井灌区灌溉用水、灌溉耗能、地下水位变化等规律,得出以下结论:(1)地下水埋深与提取单方水耗电量呈幂函数关系,地下水埋深越大,地下水位下降带来灌溉能耗的增加幅度越来越大;(2)由于地下水位下降,每度电可开采水量从1980年的8m~3减少到2015年的0.9m~3,相比1980年2015年灌溉水量减少了13亿m~3,但是灌溉能耗增加了131亿kW·h。(3)1997年后由于灌溉水量减少而降低的能耗不足以弥补地下水位下降增加的能耗,由此导致1998-2015年每公顷灌溉能耗额外损失为20 850kW·h。本研究对指导河北省农业灌溉水-能关系协调发展提供有益的参考。     

澜沧江-湄公河流域温度和降水变化趋势分析

利用澜沧江-湄公河流域7个代表气象站1980—2009年的温度和降水观测资料,采用线性倾向估计、滑动平均和Mann-Kendall检验方法对流域年、季温度和降水变化趋势进行分析。结果表明:流域年平均温度呈明显上升趋势,线性倾向率为0.02℃/a;流域北部高海拔地区温度增加趋势比南部明显,而温度季节增加趋势不明显。流域年平均降水呈增加趋势,线性倾向率为10.49mm/a,不同地区降水增减趋势不同;雨季降水增加趋势明显,而旱季降水增加趋势不明显。     

华北典型地下水大深埋区 潜水层垂向补给特征及其给水度

针对华北平原地下水大埋深区面积大,而其地下水垂向补给特征及含水层给水度认识不足的问题,以河北栾城试验站附近某研究区为典型区,基于大田试验的水循环模拟,量化了地下水补给及潜水层给水度大小,并探讨了地下水垂向补给特点等关键问题。研究表明:研究区在两个丰水年2012年及2013年地下水潜在补给量约为236.6mm和223.5mm,当年实际补给量约为144.1mm和129.8mm,日补给量在0.37～0.40mm及0.33～0.38mm之间;经过厚包气带的迟滞和调节作用,地下水补给过程较为平稳,年际年内差异较小;研究区当前地下水埋深条件下潜水含水层给水度约为0.03。     

北京地区干旱长期演变规律及未来趋势预测

针对北京地区持续干旱、水资源短缺问题,基于1470～2010年历史旱涝等级资料,采用滑动t检验、小波分析、均生函数等方法分析了长期干旱的变化趋势、突变特征和周期性规律,并对未来的干旱趋势进行预测。结果表明,近500多年北京地区总体偏旱,17、20世纪干旱最为严重,出现了6个显著的大尺度旱涝突变,未来30年的干旱强度将逐步减弱并向涝转变。     

中国煤炭基地水与能源协同发展评估

鉴于中国煤电生产主要集中于黄河中、上游和西北内陆河流域,水资源极为紧缺,扩大火电规模势必加重当地的水资源压力,进而带来严重的生态环境问题。基于全国14大煤炭基地的发展规划和最严格水资源管理制度的用水总量控制指标,分析2020年煤炭基地的火电发展是否超出当地的水资源支撑能力。结果显示,到2020年14大煤炭基地新增燃煤发电的用水量为19.32×108 m3,煤炭基地的新增可供水资源量为45×108 m3,大部分煤炭基地可通过新建水源工程、水源置换等途径满足需求,但神东、晋东、黄陇、河南等四大煤炭基地的新增可供水量不能满足新增煤电用水需求,需要根据当地水资源情况合理控制火电资源开发,该结论为实现水与能源的协同管理提供了依据。