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。     

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。     

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。     

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。     

基于水量配置模型的江苏省南水北调工程受水区缺水量探讨

选取南水北调东线江苏省受水区作为研究区域,根据该区域下垫面具有多样性和降雨分布不均匀的特点,采用水面、水田、旱地和城镇道路4种产流模式模拟研究区产流量;概化受水区规划年(2020年)工业用水户23个;农业用水户92个、生活用水户25个、生态用水户11个和船闸用水户23个;建立研究区需水模型,计算该区域在3种年型下的需水量;初步进行供需水量平衡分析。结果表明:2020规划年遇平水年缺水0.28亿m³;遇一般干旱年缺水0.47亿m³;遇特殊干旱年缺水20.58亿m³。     

基于生态安全的阿瓦提灌区生态需水量研究

阿瓦提灌区地处塔里木盆地西北边缘,气候极端干旱,降水稀少,蒸发强烈。近年来,由于大批开荒、水资源不合理利用、土壤盐渍化等导致灌区生态环境越发脆弱,阻碍其经济的可持续发展。在灌区实地考察、分析整理多年新疆统计资料的基础上,考虑灌区生态用水安全,针对不同植被生态需水特点,分别采用彭曼公式法、定额法和比值法等相适宜的生态需水研究方法,计算其生态需水量。结果表明:阿瓦提灌区生态需水总量为13. 37×10~8m~3,其中,河道外生态需水量为6. 8×10~8m~3,河道内生态需水量为6. 57×10~8m~3。通过生态需水量研究,提出适宜的用水建议,为阿瓦提灌区生态系统的健康与稳定提供一定的理论依据。     

绿洲发展生态价值与社会经济价值的综合分析

干旱绿洲区水资源匮乏,绿洲的生态发展与社会经济发展之间矛盾突出,评估绿洲生态与经济的价值对于指导绿洲发展具有现实意义。基于2014-2018年的石羊河流域统计数据,考虑流域水资源因素、社会经济因素和绿洲景观因素的影响,结合情景假设的分析方法,分别对流域内绿洲适宜面积、耕地数量底线、绿洲生态价值和社会经济价值进行估算。结果表明：2014-2018年石羊河流域平均绿洲适宜面积为33.09×10⁴~50.26×10⁴ hm²,流域平均绿洲生态价值为170.77×10⁸ 元,二者均呈现减少趋势;绿洲生态价值的最小值为假设畜牧业增加情景中的149.44×10⁸ 元,绿洲生态价值和社会经济价值之和最大值为假设增加人口、增加耕地面积、增加畜牧业和增加工业组合下的945.85×10⁸ 元。     

基于水足迹的黄河流域生态补偿标准研究

流域生态补偿机制的建立为黄河流域生态保护与高质量发展提供了重要保障。基于水足迹视角,探讨了黄河流域九省(区)2011—2020年水资源利用情况,确定了生态补偿的主、客体及生态补偿标准。结果表明：黄河流域水足迹整体呈现增长态势,构成比例从大到小依次为农业、工业、生活、出口虚拟水、进口虚拟水足迹和生态水足迹;黄河流域生态补偿标准存在波动变化且为补偿主体,2015年补偿标准最高,为3 415.42×10⁸元,2020年最低,为12.75×10⁸元,补偿金额年均值为1 772.51×10⁸元。宁夏回族自治区、山西省、河南省和山东省为生态补偿的主体呈上升趋势,补偿金额年均值排名为河南省＞山东省＞山西省＞宁夏回族自治区。四川省是处于较快上升趋势的生态补偿客体,受补偿金额年均值为3 060.09×10⁸元;青海省为较慢上升趋势的生态补偿客体,补偿金额年均值为1 340.14×10⁸元。甘肃省是由生态补偿主体逐渐转变为客体;内蒙古自治区仅在2013年为生态补偿客体,其他年份则为补偿主体;陕西省生态补偿的主、客体身份不断发生变化。黄河流域应发挥区域优势推动农业高质量发展,建立完善的生态补偿机制,通过创新节水技术和提高用水效率等方式缓解水资源需求压力。     

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。     

乌裕尔河1951-2015年径流量变化对扎龙盐沼演替的影响

使用Mann-Kendall和滑动t检验方法探讨了乌裕尔河流域径流量的变化对扎龙湿地演替的影响。结果表明：扎龙湿地迅速退化与乌裕尔河流域径流量的变化密切相关。乌裕尔河中下游的径流量自20世纪80年代初显著性减少。上游来水进入湿地的径流量从20世纪60年代的8×10⁸ m³迅速减少至21世纪的不足3×10⁸ m³,最低年份不足1×10⁸ m³。径流减少导致扎龙湿地持续干旱缺水,并使湿地水质迅速恶化和大面积沼泽退化消失。1979年扎龙湿地盐渍土面积为150 km²,到2014盐渍土面积增加到245 km²以上。扎龙湿地大部分水体属于富营养化水体,部分区域达到极富营养化程度,并且整体上呈现恶化的趋势。长期干旱的胁迫将削弱扎龙湿地的生态功能,甚至影响整个松嫩平原西部的生态安全。     

流域生态用水与需水研究

水资源不合理利用导致了严重的生态环境问题，流域生态用水与需水研究对流域水资源配置具有重要意义，应用水量平衡原理，提出计算不同频率流域生态用水与需水方法，并以海河流域为例，计算了不同保证率时的生态用水量与需水量，主要结论为，水循环与水量平衡理论是研究流域生态需水的基本原理；生态用水等于水资源总量减去生活生产耗水量；根据不同水资源条件下年生态需水量进行生态配水。     

渭河流域上游气候变化及其对径流的影响

气候要素变化对水文循环有很大的影响。依据包括气温、降水量、风速、日照时间、蒸发量等气候要素在内的渭河上游25个气象站1960-2017年的数据及4个水文站1960-2010年的径流数据,利用气候诊断法、相关分析法、双累积曲线法分析各气候要素与径流量的时空变化特征及其相关关系,探讨自然气候和不同强度人类活动对区域径流量变化的贡献率。结果表明：渭河上游区域年均温上升速率为0.29 ℃/10a,年降水量、年均风速、日照时间、蒸发量的减少速率分别为-14.36 mm/10a、-0.05 (m·s^-1)/10a、-19.91 h/10a、-4.64 mm/10a,林家村、北道、武山、渭源水文站径流量分别以-5.074×10⁸、-2.895×10⁸、-1.201×10⁸、-0.033×10⁸ m³/10a减少;气候要素季节变化与年变化基本一致,但空间变化有所差异;各气候要素表现出20～30 a的主周期变化,同时也存在突变特征。相关分析表明,径流量与气温、日照时间和蒸发量呈显著负相关,气温升高0.1℃、日照时间增加1 h、蒸发量增加10 mm,径流量分别减少1.09×10⁸、0.03×10⁸、0.53×10⁸ m³;与降水量正相关关系显著,降水量增加10 mm,则径流量增加0.61×10⁸ m³;与风速关系较差。气候变化对径流量减少的贡献率在各区域及年代均不同,人类活动强度大的干流下游区域在5%～25%之间,强度较低的上游及源头区域在11%～43%之间,这与区域人类活动程度及气候要素的异常变化有密切关系。     

金沙江中上游流域未来径流模拟研究

为了探究金沙江中上游流域未来径流变化趋势,为流域防洪规划提供依据,基于SWAT水文模型,选用CMIP5数据集建立未来时段的全球气候模式,从时间和空间尺度解析研究区2022—2050年径流变化趋势。结果表明：流域2022—2050年降水量和平均气温均高于基准期,并且呈现上升趋势,其中流域南部降水量增幅较大,流域北部气温增幅较大。在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5 3种气候情景下,2022—2050年年径流量均呈现增大趋势,变化率分别为5.79×10⁸、5.53×10⁸、2.99×10⁸ m³/a。相较于基准期,未来春季和秋季径流量呈现减少趋势,夏季和冬季径流量呈现增加趋势,冬季径流量增幅达到了10%。流域产流量呈现从西北到东南依次增加的特点,相较于基准期,流域南部产流量均呈现增加趋势。未来径流量呈现增加趋势,冬季径流量增幅较大,可能会发生冬汛等极端水文事件,流域南部受洪水威胁的可能性进一步增大。     

水足迹视角下辽宁省春玉米生育期水土资源匹配特征研究

随着气候变化及种植结构调整,农业水土资源配置状况发生改变,研究农业水土资源匹配特征对农业可持续发展具有重要意义。基于作物生产水足迹视角,采用广义农业水土资源匹配系数的计算方法,对 1985—2018年辽宁省春玉米生育期的水土资源匹配特征进行分析。结果表明：1985—2018 年间辽宁省春玉米农业水土资源匹配系数变化波动明显,总体以 14 m³/（hm²·a）增长,多年平均农业水土资源匹配系数值为 5733 m³/hm²。同时,1985—2018 年间辽宁省春玉米农业水土资源匹配状况呈现向好趋势,东部农业水土资源匹配良好的地区增多,西北部农业水土资源匹配较差的范围缩小。未来辽宁省玉米种植结构调整,应立足各地区农业水土资源匹配特征,构建水土资源空间均衡的农业生产体系。     

开封凹陷区地热资源评价

开展开封凹陷区地热资源定量评价,为合理开发利用地热资源提供科学依据。采用改进的均匀布井法计算地热水可开采量,采用热储法计算地热能总量、采用回采系数法和地热水可开采量换算法计算地热能可开采量。计算和评价结果表明：在开采期限30年、水位最大允许降深50m条件下,开封凹陷区的地热水可开采量为105345.1m³/d,地热能总量、可开采量分别为283.9069×10¹⁵kJ和236.5542×10¹²kJ。     

基于改进粒子群算法的多水库复杂联合供水优化调度研究

丹凤县县城不断增长的用水需求与工程供水能力之间的矛盾日益突出,为了充分挖掘工程供水的潜力,解决现有供水工程运行中弃水多、供水保证率低的问题,以弃水量最小为目标建立模型,采用改进粒子群算法对青峰水库和龙潭水库的联合供水进行优化求解。以月为计算时段,在优先考虑河道生态流量、蒸散发和渗漏损失的情况下,针对青峰水库200×10⁴ m³和220×10⁴ m³两种拟定兴利库容方案情景进行模拟。结果表明：迭代次数达36次时目标函数趋于稳定;与常规调度相比,两库的年平均弃水量明显减少,供水保证率有所提高;采用线性递减惯性权重改进的粒子群算法在青峰和龙潭两水库联合优化供水计算中具有优越性和可行性。     

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。     

大通河流域生态流量确定及预警方案研究

生态流量是维护河流生态健康和功能的重要基础和保障。以大通河流域青石嘴站、天堂站、连城站、享堂站的长序列径流资料作为基础数据,采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保证率法和7Q10法计算大通河流域生态流量,同时研究流域生态流量预警方案和预警流量控制指标。结果表明：基流比例法计算结果更具全面性和合理性,可以反映各年际各时段的流域生态流量;大通河流域生态流量的流量范围为多年平均流量的11%~35%,相应的青石嘴站、天堂站、连城站和享堂站的生态流量分别为5.57~17.73 m³/s、8.68~27.61 m³/s、9.08~28.88 m³/s和9.39~29.89 m³/s,经过保障度分析,各水文站全年生态流量保障度达到90%;依据确定的生态流量,将生态预警划分为蓝色预警、橙色预警、红色预警3个等级,并制定预警方案,该方案可以提高流量监测的可靠性和准确性,优化水库调度,维护生态环境健康。     

基于系统动力学的珠澳地区取用水系统水资源承载力

珠澳地区经济社会快速发展导致水资源问题日益突出。综合考虑珠澳地区经济社会发展和水资源开发保护,基于系统动力学理论设置现状趋势发展、经济优先发展、环境优先发展及综合发展4个情景方案,分析4个情景下珠澳地区“水-社会-生态”复杂水系统水资源承载力状况,并预测2020-2030年综合水资源承载力发展趋势。结果表明：预测期内各情景下的水资源承载力均呈上升趋势,而综合发展情景下至2030年用水总量低于广东省最严格水资源管理制度中所要求的6.84×10⁸ m³,整体优于其他情景;珠海市对澳门供水约占供水总量的15%,经济发展及人口增长会导致澳门用水出现供需缺口,综合发展情景可以缓解珠海市的供水压力;对各发展情景下用水效率分析发现,降低工业用水有利于环境保护,但会阻碍经济发展,提高工业用水效率并实施节水措施可实现环境保护与经济发展的双赢。珠海市与澳门取用水具有联动调控特点,水资源面临较大承载压力,采取适宜措施有利于提高珠澳地区水资源承载力。     

堰塞湖关键工程措施快速、定量分析方法研究——以2018年“11.03”白格堰塞湖为例

堰塞湖一旦失控溃决,将对下游造成极大威胁。其可供应急处置的时间极为有限,急需采取切实有效的应急处置技术,其中关键工程措施的选择尤为重要。在归纳总结国内外多座堰塞湖应急处置经验的基础上,选择基于物理机制的DB-IWHR溃决分析方法和参数化溃决分析方法结合白格堰塞湖实例开展关键工程措施对比论证。结果表明：物理机制分析方法能够快速、定量地确定堰塞湖关键工程措施——开挖引流槽。2018年“11.03”白格堰塞湖紧急开挖的一条长220 m、深15 m、顶宽42 m、底宽3 m的引流槽,可使堰塞湖库容由8.08×10⁸ m³减小至5.79×10⁸ m³,溃决洪峰流量由39 277.35 m³/s减小至31 000 m³/s。DB-IWHR物理机制分析方法快速实用,可在1 h内完成方案论证,适用于堰塞湖应急处置的快速、定量需求。通过与参数化溃决分析方法对比,表明物理机制分析方法具有更详细的结果,可为堰塞湖应急处置关键工程措施的确定提供科学支撑。