基于神经网络模型的全国用水量“四维”模拟

通过分析影响我国用水数据的因素,模拟我国各地级行政区的用水量数据,对于在全国开展用水情况评价、水资源高效利用与管理、实现经济可持续发展有重要意义。以2000-2010年全国地级行政区内土地利用分布、人口、经济和用水量统计数据为基础,采用两层前馈神经网络模型模拟用水量数据。研究结果表明,土地利用分布、人口和经济三类影响因素综合模拟用水量具有较高模拟精度。考虑到近年来经济技术、节水措施和用水效率不断提高对用水量的影响,而这种影响只体现在时间上,提出了"四维"用水量模拟理念,即在模拟用水量时补充土地利用、人口和经济的时间序列特征。结果分析表明,"四维"模拟理念进一步提高了全国各地级行政区的用水量模拟精度。     

基于遥感和GIS的流域社会经济数据空间化方法研究

人口和社会经济数据及其空间分布,在资源、环境及自然灾害评估中的重要性已被广泛认知。把遥感和GIS技术相结合,是探讨解决社会经济统计数据空间化的重要思路。以东江流域为例,以多期人口、GDP、土地利用数据为基础,建立东江流域人口与土地利用、GDP和土地利用的多元线性回归模型;以土地利用数据和100 m×100 m网格数据为基础,构建东江流域人口和GDP空间分布约束力指标图层;然后结合统计模型和面积内插,实现了东江流域2009年人口、GDP统计数据的空间化。在县域空间尺度上对模拟结果进行了验证,与同尺度研究工作进行了对比,结果显示模拟得到的人口和GDP空间分布数据,与同尺度的研究工作处于同一精度或者略高的精度水平,表明该方法是一种进行流域社会经济数据空间化处理的有效方法。     

城镇化与工业化进程对农业用水的影响

针对城镇化与工业化进程中农业用水保障问题,利用Mann-Kendall非参数秩次相关分析方法,分析了1997—2011年全国农业用水量、有效灌溉面积、每公顷用水量以及灌溉用水量等农业用水指标的变化,研究了农业用水量、总用水量、城镇化率等指标的整体变化及突变,构建了城镇化率、工农业产值与农业用水间的关系,发现全国农业用水量呈微弱减小趋势,其占总用水量的比例大幅下降,有效灌溉面积逐年上升,但每公顷用水量下降导致灌溉用水量基本稳定,城镇化率及工农业产值比例与农业用水占比具有显著的负相关性。系统分析了城镇化与工业化进程中影响农业用水的主要因素,得出人口结构及产业结构调整导致非农业用水需求提升,灌溉用水需求下降;经济导向驱动种植结构调整,间接影响农业用水量;水源污染主要对农业用水水质产生影响,污水灌溉将会减少新鲜水的取用比例;资金投入和科技支撑影响农业用水保障能力。     

1965—2013年中国用水量的时空演变

气候变暖、人口增加、经济增长过快共同加剧了我国水资源短缺问题。对我国大陆341个行政区综合运用BFAST趋势检验法和空间自相关分析法，探究了1965—2013年用水量的时空演变规律。结果表明:中国用水量不断增加，用水量趋势变化的突变点主要在1990年后，突变后增加与减少并存，使用水量增速减小。中国用水量的分布存在空间集聚特征，基本以胡焕庸线为界，用水量的集聚度东高西低（新疆除外）。中国用水量的集聚区域在1995年前与灌溉用水量相对一致，集聚度高的地区分布在新疆和长三角区域；1995年后与工业用水量较为相近。工业和城乡用水量集聚度高的地区分布在东北、华北和南方，集聚度低的地区分布在西部，其中农村用水量分布的集聚效应最为明显。探究我国用水变化的时空特征可为水资源保护及用水效率的提升提供科学依据。     

基于灰色模型的农村生活用水影响因子分析

我国农村人口多,生活用水总量大,农村用水在时间和空间上存在显著的差异和复杂性。对我国农村居民生活用水的特征和规律进行研究,是对农村用水和污水治理进行科学规划与管理的重要基础。基于全国农村居民用水抽样调查,将影响农村居民生活用水的因素分为家庭状况、经济水平、基础设施、生活习惯等4大类、8个具体指标,利用灰色系统理论与方法,对农村居民生活用水与影响因素进行了灰关联分析。结果表明：人均住房面积、家庭人均收入和家庭洗浴习惯是影响农村居民生活用水量的3个最主要的因子,在制定农村水资源和用水、污水治理规划时,应该结合区域发展情景,充分考虑和科学预测这些因素对农村用水和排水的影响;同时,也可以看出,推行居住地节水工程、加大加强节水意识宣传、培养优良节水习惯和改进农村用水基础设施对提高农村生活用水效率、缓解水资源矛盾具有重要意义。     

广州市产业用水驱动效应测度及机制研究

为探讨广州市产业用水的变化规律及其与各影响因素间的演变驱动机制,利用KAYA恒等式及LMDI分解法将产业用水的影响因素分为经济发展水平、人口规模、用水效率、产业结构等,分析各因素对广州市2000—2015年产业用水量变化的效应。结果表明:经济发展效应和人口规模效应分别是促进广州市产业用水量增加的主次因素,其累计贡献值分别为85.38亿、45.83亿m~3;用水效率效应和产业结构效应分别是抑制广州市产业用水量增加的主次因素,其累计贡献值分别为-117.89亿、-25.47亿m~3。     

长江经济带土地利用时空演变及相关社会要素分析

基于长江经济带五期土地利用遥感监测数据,利用土地利用转移矩阵、动态度及土地利用强度指数分析土地利用时空变化,并分析其与社会政策、人口密度及用水量的关系。结果表明：长江经济带土地利用变化主要表现为水田减少、城镇用地和水域增加;土地利用变化的时空差异较大,与上中游相比,下游土地利用变化时间较早,土地利用动态度和土地利用强度较大;1990年后土地利用强度持续增加且生态环境有所改善,土地利用动态度在2010～2015年最大,2000～2010年最小;土地利用变化受社会经济政策影响较为显著,同时土地利用强度与用水量、人口呈正相关关系。     

基于和谐论的郑州市用水总量指标分解方法

为了定量研究"三条红线"的考核指标,科学、公正、合理、公平的分解"三条红线"控制指标中的用水总量控制指标,文章利用和谐论方法,以郑州市2015年各二级行政区实际用水量为基础,确定郑州市2020年用水总量控制指标最优分解方案。结果表明,根据和谐度计算公式得出最优方案为方案5,其和谐度为0.97;通过和谐论方法分解得到的郑州市用水总量指标不超过郑州市用水总量红线指标22.47亿m~3。该方法充分考虑了各二级分区现状用水量,影响供水的可供水量、人口、面积等影响指标的各个因素,计算方法更加科学。     

中国用水量变化的驱动效应

为识别和量化导致用水量变化的主要影响因素及其驱动作用,准确把握用水变化趋势,将全国总用水量分为生活、工业和农业用水量,通过构建多层次对数均值迪氏指数（logarithmic mean Divisia index,LMDI）分解模型,在生活、工业及农业用水量变化的驱动因素分解的基础上,对全国总用水量驱动效应进行测度,并进一步量化研究用水驱动效应在时间和空间尺度上的分异特征。结果表明：2020年用水总量几乎与20年前持平,但各驱动要素的相对作用发生了显著变化,与此同时,用水量变化驱动效应存在较强的空间分异性,并且在“十三五”时期表现出了新的变化态势。结果可为我国水资源的高效利用和水资源管理政策的科学制定提供技术支撑与决策依据。     

基于聚类线性回归法的区域用水量影响因素分析

阐述了区域用水量内涵及其影响因素分析方法,把区域用水量影响归纳为区域经济发展驱动和水资源禀赋约束两方面;根据聚类线性回归计算原理,建立了区域用水量影响因素分析模型及其计算方法步骤。针对太湖流域的水资源利用影响因素,从人口规模、生产总值、产业结构等方面入手,利用聚类线性回归模型对太湖流域区域用水量的影响因素进行评价研究;从相关分析看,区域经济发展的用水刚性需求是太湖流域区域用水量的主要驱动因素,区域产业结构对太湖流域的用水形成显著的抑制效应;而在水资源禀赋约束方面,太湖流域受水资源短缺胁迫较小,区域用水量还存在增长的空间。     

京津冀地区适水发展问题与战略对策

阐述了适水发展理论的产生背景、内涵及对象与任务。适水发展是依靠科技进步,开发利用广义水资源、提高用水效率,根据水资源条件转变用水模式、优化用水结构和水资源配置,拓展水资源开发利用新空间,实现水资源可持续利用。从适水发展的角度,系统分析了京津冀发展面临的严峻的水资源问题,主要有水资源极度短缺、用水压力大、生态持续恶化和非常规资源资源利用程度低等问题,严重制约京津冀协同与可持续发展。针对存在的主要问题,提出了京津冀走适水发展道路的战略对策,实行水资源开发利用的多方面战略性转变,重塑京津冀适水型产业体系,构建适水型现代工业,发展适水型现代农业,建设适水型城市,实现京津冀地区社会-经济-生态健康永续发展。     

基于因素分解与总量控制的区域社会经济用水分析

考虑到经济产业结构调整和用水效率控制对社会水循环过程调控的重要性,以江苏沿海开发区域内的盐城市为研究区,根据其社会经济现状与发展计划、水资源开发利用战略与目标、节水型社会建设规划方案等实际情况,采用水资源利用驱动因素分析法和数学规划解析法相结合的手段,建立了纳入驱动因素分解效应量化值的非线性规划模型,计算了2010-2015年研究区基于用水总量控制的社会经济发展规模、产业结构比例及其用水效率的合理方案。最后,根据计算成果,分析了研究区产业结构、用水定额、经济水平与人口规模四个因素对区域用水总量变化的影响。     

基于水量水质双控的缺水地区水资源优化配置

开展水量水质双控约束下水资源优化配置研究是落实新时期"节水优先"方针、保障区域水安全和促进水资源可持续利用的基础支撑。针对我国北方地区资源型缺水、工程型缺水并存的问题,以山东省昌乐县为例,结合WEAP模型与传统水资源配置理论方法,根据区域用水需求与总量控制及水功能区限制纳污管控要求,统筹协调生活、生产、生态用水,建立基于水量水质双控的区域水资源优化配置模型,采用AHP法、熵权法、AHP-熵权耦合法计算不同情景方案的配置效益并优选配置方案。结果表明:规划水平年农业、城市供水保证率分别为50%、95%时,基于用水总量控制的跨流域调水、强化行业节水和水污染治理以及加大再生水回用相结合的配置方案(B4方案)综合效益最大,各行业用水需求均能得到满足,GDP较现状水平年增加709.01亿元,再生水利用率提高至25%。     

河南省水资源承载力评价

选择10项指标,采用主成份分析法对河南省水资源承载能力进行了定量评价,结果表明,河南省水资源承载力的主要影响因素是人口与经济、城市发展和水资源开发利用,特别是国内生产总值、固定资产值和总人口对水资源承载力的影响最大;对比不同城市,济源市、三门峡市、鹤壁市、驻马店市和漯河市等具有较强的水资源承载能力,而郑州市、洛阳市、新乡市和许昌市等则承受着较大的水资源压力。     

基于区间两阶段随机规划方法的 北京市水资源优化配置

针对缺水型城市水资源配置过程中的不确定性,建立了基于不确定性基本理论的区间两阶段随机规划模型,应用于北京市2025年水资源优化配置的研究。以北京市用水综合效益最大为目标函数,引入概率分布和区间数表示多重不确定性,求得北京市2025年城六区与郊区在生活、工业、农业与生态用水上的优化供水目标以及不同来水水平下的配水方案。结果表明:北京市2025年优化供水目标为47.39亿m~3,城六区工业用水与郊区农业用水的供水目标应采取保守值;不同来水水平下的优化配置水量为[36.49,47.39]亿m~3,仅北京为丰水年时不存在缺水现象,北京与丹江口水库同时遇枯时的缺水量高达[5.48,10.90]亿m~3,对北京市供水安全造成极大的威胁。该模型充分考虑不确定因素对水资源配置的影响,权衡用水收益与缺水风险的关系,并以区间的形式给出配置结果,可为北京市2025年供水目标与水资源优化配置方案的制定以及水资源安全保障措施的分析提供科学依据。     

内蒙古准格尔旗地下水环境承载力评价

地下水环境承载力是水环境承载力研究的重要组成部分,是衡量人类社会经济发展与区域水环境协调程度的判别依据。以内蒙古自治区准格尔旗为研究区,建立地下水环境承载力评价体系,并利用层次分析法(AHP)判断矩阵确定各指标的权重值,进行研究区地下水环境承载力评价。结果表明,准格尔旗地区地下水环境承载力在0.308 3~0.731 1之间,平均为0.521 5,属于中等偏弱程度。评价结果与研究区水文地质条件和社会经济发展现状基本吻合,可为准格尔旗在未来工业化进程中地下水资源管理和地下水环境保护决策提供依据。     

水资源工业生产价值能值评估及空间分布

从生态经济学的角度,运用能值分析方法,以黄河流域60个地市为研究对象,量化了流域水资源工业生产价值,并通过空间自相关分析法,研究了水资源工业生产价值空间分布特征。结果表明:黄河流域水资源工业生产价值介于16.3～26.9元/m~3,流域中东部价值较高;黄河流域水资源工业生产价值全局Moran(莫兰)指数为0.327 1,呈显著的正向空间自相关特征;Moran散点图和LISI(局部空间关联)聚集图显示,黄河流域水资源工业生产价值以"H-H"(高值)型集聚为主,主要集中在流域中东部。研究成果可为黄河流域工业系统水量分配提供理论支撑,为流域水资源优化配置提供数据参考。     

粒子追踪迹线长度的灵敏度分析及 地下水源地保护区划分 -以甘河子地下水水源地为例

地下水水源地的供水安全对保障居民安全用水和保护地下水具有重要意义,合理地划分地下水水源地保护区,对水源充分利用和水质保护有着重要作用。以甘河子地下水水源地为计算背景,采用数值模拟的方式建立水源地地下水流模型,基于Morris方法,对渗透系数和有效孔隙度对粒子追踪迹线长度的影响进行局部和全局灵敏度分析。利用ArcMap,分别对根据局部、全局灵敏度计算出的粒子追踪迹线长度进行一级、二级地下水源地保护区初步划分,作为日后根据当地实际情况进行多方协调、最终确认保护区范围的基础,并分析不同分析方法、不同影响因子对保护区面积的模拟结果的影响。结果显示,全局灵敏度与局部灵敏度并非简单线性关系,并且相同条件下,有效孔隙度对于粒子追踪迹线长度和地下水源地保护区范围的影响程度均大于渗透系数。根据局部、全局灵敏度划分的一级、二级地下水源地保护区面积大小关系均为:局部灵敏度(参数为渗透系数)全局灵敏度局部灵敏度(参数为有效孔隙度)。     

分布式水文模型对水质监测数据的补充及污染源分析

水质现状监测对水环境影响评价、水环境治理具有重要作用。目前,水质现状监测数据存在监测频率低、监测难度大、影响因素复杂及信息化程度低等问题。为此,采用了分布式水文模型对水质监测数据进行补足,并追根溯源分析污染物来源。以都匀市剑江河流域为例,基于水文气象、下垫面数据及仅有的2010-2014年的四个断面不同步的水质数据,建立SWAT分布式水文模型模拟总磷污染物。结果表明,使用分布式水文模型不仅可以补足剑江河流域四个监测断面同期的总磷数据,还可以追根溯源得出该流域总磷污染主要来源于面源污染,同时可以分析出面源污染的空间分布情况以及不同污染类别的占比,该流域中肥料流失为主要污染源,尤其是丰水年的污染占比高达近66%。     

考虑水文情势变化的黄柏河流域纳污能力

水体的纳污能力是指在满足水功能区水环境质量达标的基础上,水体最大允许的纳污量,其精确核定对水资源合理开发利用与有效保护具有重要的现实意义。水利工程、人类活动等使河流原有水文情势发生了不同程度的改变,水文情势变化影响下的纳污能力精确核定现已逐渐成为当前亟待研究和解决的问题。以长江流域的黄柏河为例,选取汇入支流、水库和调(引)水工程3个主要影响因素分析了对河道水文情势及其对纳污能力的影响,根据水文情势的差异性变化提出了相应的纳污参数确定方法,并基于一维水质数学模型计算得出黄柏河流域水体的纳污能力,最后以典型区段黄柏河东支保护区为例与传统法的纳污能力结果进行了对比分析。结果表明考虑水文情势变化的纳污能力研究中所提出的纳污参数确定方法在一定程度上有助于水域纳污能力的准确核定。研究结果可以为区域有效保护水资源,防治水污染,改善水环境提供一定的技术参考。