河湖水系连通研究:概念框架

河湖水系连通已经成为国家江河治理的重大需求,提高国家水资源统筹调配能力、改善河湖健康保障能力、增强抵御水旱灾害能力迫切需要加强河湖水系连通研究,但相关的理论和技术尚处于探索阶段,远远落后于实践。论文根据新形势下保障国家水安全和提高生态文明水平的新要求,讨论了河湖水系连通的概念及内涵,并讨论了河湖水系连通的系统性、复杂性、动态性和时空性等特征,在综合考虑河湖水系连通目标和任务的基础上,提出河湖水系连通战略研究可从机理分析、系统辨识与评价、连通工程规划、系统控制与调整4个方面展开,明确了研究的总体思路,对尺度、过程、格局、功能与控制等研究的基本问题进行了初步讨论。     

河湖水系连通的理论探讨

在全球气候变化和水资源形势日趋严峻的背景下,为了从根本上提高水资源统筹配置能力、改善河湖健康状况和增强抵御水旱灾害能力,河湖水系连通作为国家新时期的一个治水方略被提出。当前关于河湖水系连通的理论基础研究要落后于实践,尚在探索之中。论文尝试从河、湖与水系等水循环基本概念入手,探讨水系的结构、特征和连通性,揭示水系连通的水循环物理机制,并进一步分析河湖水系连通的战略思想,探明其中涉及的几个关键水循环基础问题,包括水量平衡、能量平衡、水资源可再生性、水循环尺度等问题,为河湖水系连通战略的实施和理论体系的建立奠定基础。     

河湖水系连通分类体系探讨

河湖水系连通是保障国家水安全的治水新方略,科学的分类体系是开展河湖水系连通研究和生产实践的必然要求。论文结合河湖水系连通特点和内涵,提出五项分类原则:科学性、系统性、主导性、区域性和可操作性。综合考虑河湖水系连通的自然属性和经济社会属性,遵循五项分类原则,从连通性质、连通功能、连通区域、连通尺度、连通对象、连通时效、空间格局和连通方向等方面进行分类,初步构建了河湖水系连通分类体系,并对国内典型案例进行了归类;选择基于连通性质的分类、基于连通功能的分类和基于地区水资源特征的分类等三个主要分类展开分析,探讨了三种类型的连通特性、连通目标等主要问题。     

城乡河湖水系连通工程的生态环境效应

城乡河湖水系在防洪排涝、水量保障、水质改善、景观文化等方面发挥着巨大的功能和价值。在高强度人类活动和气候变化影响下，河湖水系受到了多重胁迫，严重影响了河湖生态功能的正常发挥。为了复苏河湖生态，国内外开展了大量的河湖水系连通工程实践。尽管城乡河湖水系连通工程取得了系列成就，但其直接或间接带来的滞后性的生态环境负面影响也相继显现，在部分区域加剧了原有的生态环境问题。因此，以城乡河湖水系演变与驱动为切入点，重点关注城乡河湖水系连通工程对水量、水质、水热、水盐、水生态等带来的正负生态环境效应，并提出了未来的主要研究趋势。研究可为未来城乡河湖水系连通工程减缓或消除负效应、强化正效应提供科学基础。     

北方城市大型景观水系水体循环净化的数值模拟

静湖是中新天津生态城最大的景观湖,并连通故道河及惠风溪等水体一起形成了生态城独特的水生态系统,是北方城市大型景观水系的代表,其水环境改善和保障问题受到较大关注。在对生态城静湖水系水体循环净化设施建设和水质提升工程运行方案实施等重点调查分析的基础上,运用Delft3D FM构建静湖水系数值模型模拟水体水动力、水质演变过程,分析评估了工程运行对水质指标的改善效果。结果表明:静湖水系水质受降雨影响明显,对比汛前、汛后各河段水质浓度变化发现,汛后COD、TP浓度可升高10%,部分河段甚至升高60%,汛后NH₃-N降低20%~30%;通过设置补水、拆除隔离坝、增加循环泵和排水泵等工程措施,静湖水系水动力条件得到较大改善,NH₃-N、TP基本能达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准,ρ(NH₃-N)可降低3%~25%,ρ(TP)可降低6%~50%。工程措施应综合考虑水环境本底、污染源治理、水利设施运行等多因素共同制定水质提升策略。     

人水和谐的博弈论研究框架及关键问题讨论

论文首先简要介绍了人水和谐的概念及研究进展、博弈概念及博弈论主要内容,随后从博弈论的视野分析人水关系并提出人水博弈的概念和人水和谐的博弈特点;说明在人水和谐量化研究中引用博弈论的重要性,并提出人水和谐博弈论研究框架,介绍关键问题。     

铜陵市河湖水系功能连通性评估

以铜陵市河湖水系为研究区,利用土地利用类型、植被覆盖度、降雨侵蚀力、地形等数据,分别计算了针对总氮、总磷通量的功能连通性指数,对比分析了不同流域及其河湖水系的连通性情况,并提出相应的水文连通调控措施.结果 表明:基于总氮的功能连通性指数的平均值在菜子湖、岱冲湖、连城湖、白荡湖、枫沙湖、陈瑶湖、顺安河和黄浒河分别为0.9...     

昆仑山隧道渗(漏)水水力联系及水动力参数试验研究

隧道施工过程中经常发生隧道涌(漏)水现象,对施工或运营安全可能造成较大影响。为了从根本上治理隧道渗漏水害,首先必须详细准确了解水害的根源,即渗漏水点与地表水源之间的水力联系。对于岩溶管道水比较有效的研究方法是开展连通试验,而对于渗透性能差、水力联系复杂的基岩裂隙水地区开展连通试验是不多的, 尤其是在高纬度、高海拔、以及多年冻土地区开展隧道渗漏水水力联系试验研究尚属首次,值得进一步深入探讨研究。本文针对青藏铁路昆仑山隧道渗漏水情况,在详细调查研究基础上,采用多种形式的连通试验,对昆仑山隧道渗漏水的径流条件和围岩渗透性能进行分析,并进行渗漏水的主要水动力参数计算,为该隧道渗漏水害的治理提供了科学依据。     

梯级河湖水系水环境治理综合技术的应用研究

当前形势下,经济环境不断变化,在此基础上,环境污染问题日益严重,主要污染因素就是因为污水排放量的不断增加,使得城市河湖水系的污染问题成为人们热议的重点,水体环境在污染问题的影响下,遭受严重破坏,城市环境建设体系有待完善。随着污染范围的不断扩大,对于人们的生活质量产生严重制约,人们日常用水安全受到严重影响。为了从根本提升人们的生活质量,必须对环境污染问题加强关注和重视,采用梯级河湖水系水环境治理综合技术对污染湖水进行科学、全面的治理,可以满足现实的发展需要。当下对个体水体的环境保护手段研究比较多,而对河湖为治理对象以及水环境综合治理相互协调的研究不足,本文针对水系水环境的现有情况以及治理的紧迫性,提出运用河湖相互治理、自然补水与人工工艺循环相结合等治理理念,并针对水系各种水体提出相对应的技术措施。     

自然·水·人

人类社会向前发展,人向自然界的索取不断增加,对自然的干扰也逐步加剧,致使自然界的承受能力受到影响,人与自然的关系出现紧张。为此,人必须处理好与自然的关系,以免人的生存环境受到威胁。水是自然界的重要因素,和人的生存与人类社会的发展关系密切。由于用水量不断增加和用水不当,一些地区出现水资源危机,人在和水旱灾害进行抗争中,也出现了由于措施不当带来的人为加大灾害的问题。因此,人必须在处理好与自然关系的框架中,认真处理好与水的关系,以保障水资源的永续利用和人类社会的可持续发展。     

宝鸡市人水和谐评价研究

以宝鸡市为例建立区域人水和谐评价指标体系及评价模型。在阐述人水和谐内涵的基础上,构建宝鸡市人水和谐评价指标体系。根据对立统一可变模糊集理论及合作博弈思想,建立基于合作博弈权重的可变模糊集模型,评价人水复合系统的综合发展水平;以水系统和人类系统的综合发展水平为基础,采用协调性指数模型揭示两系统间的相互协调关系,由人水系统的信息熵得到人水复合系统的协调度,以此建立信息熵协调度模型,评价人水复合系统协调度;以人水复合系统综合发展水平和协调度为基础,综合评价人水复合系统的和谐度。应用此模型对宝鸡市2001—2010 年的人水和谐程度进行评价,和谐度在0.631~0.833 之间。与模糊物元评价模型结果对比分析,评价结果基本一致,表明文中模型有效可行,结果可靠。通过对宝鸡市人水和谐评价指标体系和评价模型研究,以期为人水和谐的深入研究提供一种实用可操作的定量评价方法。     

人水系统的自组织演化模拟与实证

人水系统是一个开放的复杂巨系统,研究其自组织演化过程对促进区域人水和谐和可持续发展具有重要意义。论文在辨析人水系统基本内涵的基础上提出了其概念模型,基于自组织理论分析了人水系统的演化具有开放性、涨落、非线性、反馈、不稳定性和支配性等特点。在此基础上借鉴协同学、耗散结构论等将序参量判据和熵判据结合,构建了人水系统的自组织演化模型,并应用到人水矛盾突出的石羊河流域。案例分析表明：石羊河流域人水系统的社会经济、生态环境和资源开发利用三个子系统在2001-2011 年的协同度总体呈“S”型上升趋势,具体演化路径略有不同;人水系统的整体演化以2006 年为涨落点,在政策驱动下,系统不断输入负熵,由混乱无序向协调有序的良性发展方向演化,开始趋向新的稳态,结果验证了模型应用的可行性。     

人水系统演变模拟的嵌入式系统动力学模型

论文首先提出人水系统的概念,并针对人水系统演变模拟的难点和特点,基于系统动力学原理,提出了更具实用意义的嵌入式系统动力学模型(ESD模型)。ESD模型是在系统动力学理论方法的基础上,考虑到社会经济系统、水循环系统(包括社会水循环系统、自然水循环系统)自身的特点和规律,充分利用现有的相关理论方法,在系统动力学模型的基础上,加入其他学科的定量化模型,形成耦合的模型。该模型既全面吸收系统动力学的优点,同时又接纳了相关学科的研究成果,大大提升了系统动力学的应用研究能力,同时也解决了复杂而又有专业特点的系统模拟问题,适用于人水系统演变模拟。     

上海宝山快速城市化进程对河网演变影响分析

以我国快速城市化区域——上海宝山区为例,基于近20 a经济发展和河系水网变化相关数据,探讨区域河网水系的时空变化规律,不同功能区的河网变化分异特征及其驱动因子。分析结果表明:(1)宝山区的河网水系数量变化经历了基本稳定(1994-2003年)、快速消亡(2003-2006年)、缓慢回升(2006-2008年)3个阶段,这与其城市化发展进程有较好的对应关系;(2)不同功能区域河网数量和水环境质量变化具有分异性,其中水面率大小关系为Ⅲ区>Ⅰ区>Ⅱ区,有机污染综合指数和总磷为Ⅱ区7Ⅰ区7Ⅲ区;(3)不同功能区的河网水系数量和水环境质量对城市化响应具有明显差异,居住用地、工业用地和设施用地的增加是各功能区河网水系变化的主要驱动因素。在此基础上,对于区域防洪除涝问题提出建议,即在城市化进程中,不仅应重视河道数量,更应重视河道长宽度的保护,才能改善河网水质和水生态环境。     

城市用地扩展对长沙市水系变化的影响

为了探讨水系变化与城市用地扩展之间的联系,为未来水生态修复及城市与生态环境协调发展提供依据及经验借鉴,基于长沙市1950s、1970s、1990s、2010s和2016年五期地形图及同期城市建设用地数据,对长沙市中心城区近60年来的五期水系及城市用地扩张情况进行统计,选取河网密度、水面率、干流河流曲度、河网发育系数指标定量描述水系变化特征。同时,运用城市用地扩张特征分析方法分析同期城市扩张的强弱与快慢,并叠加各流域范围内同期水系变化指标与城市拓展强度指标,分析长沙各阶段水系变迁与城市用地扩张强度之间的关系。研究表明：（1）城市建设用地扩展对城市水系数量及形态变化有直接影响;（2）各时期城市拓展强度均与水系特征指标值衰减速度呈正相关关系;（3）在城市扩展过程中破坏水系特征将加大水系生态、自然灾害风险,而有效的水生态保护政策和保护措施不仅可以使片区水系缩减趋势放缓,还可以加快周边用地扩展速度。     

城市河网水系多参数水质系统模拟研究

近年来,随着城市水环境综合治理的进行,城市河网水环境的污染特征由有机类污染向富营养化污染发生转变。从污染组分的相互影响机理出发,利用物质守恒的基本原理模拟污染水体多参数水质组分的迁移转化规律,并且对水质模型中的各项参数进行了优化处理。以苏州市古城区应用为例,其水质模型验证结果为：CODMn计算值与实测值相对误差小于30%的点据占总点据的100%;氨氮计算值与实测值相对误差小于35%的为86.67%,研究结果说明经过参数优化处理的水质模拟系统能够较为精确地模拟城市河网水体的污染特征。     

太湖流域腹部地区水位对降水变化及城镇化的响应

20世纪80年代以来,在气候和人类活动因素的影响下,太湖流域汛期河网水位上升明显,洪涝频发。论文基于流域腹部地区站点日降水和水位资料,对历年降水和水位进行分等级研究,分析它们的变化趋势及差异;并采用两变量弹性分析方法探讨水位对降水变化和以城镇化为代表的人类活动响应的敏感性。结果表明:①1954-2006年汛期和非汛期高等级(8~10级)降水占相应时段总降水的贡献率呈上升趋势,而低等级(1~3级)降水贡献率呈下降趋势,即降水集中程度在增加。水位变化呈现类似特点,并且高等级水位的集中程度增加更为显著。②基准期(汛期1954-1985年,非汛期1954-1987年)水位变化对城镇化的弹性系数均未达到显著性水平,而相对期(汛期1986-2006年,非汛期1988-2006年)的城镇化弹性系数比较显著,其造成水位变化的贡献率在非讯期已接近降水的贡献率。因此,以快速城镇化为代表的人类活动影响,在研究区水位变化中发挥越来越重要的作用。     

基于Matlab软件自动化求取参数的HEC-RAS模型构建

水质模型是水环境模拟的重要工具,近年来越来越多的应用于水环境预测与管理中,但平原河网水质模拟一直是个难点.本研究采用HEC-RAS模型开展湖州市长兴城区平原河网水动力和水质模拟.模型的水质模块率定采用Matlab软件自动化求取参数,代替常规试错法求参率定,减少了人工干预,提高了模型率定效率.HEC-RAS模型在平原河网地区水动力模拟结果较好,水质模拟结果基本符合要求,证明了HEC-RAS模型在平原河网应用的可行性,但模型的精度通常受水系概化、水文状况、污染源信息等因素影响,对于信息比较充分的短时段水质模拟其精度相对较好.     

河网城市不透水面的河流生态系统响应:方法论框架

河网城市不透水面快速扩展,已成为影响河流生态系统健康的主要因素,理解掌握区域不透水面与河流生态系统之间的压力响应关系十分必要。以国外研究为重点,从不透水面的识别技术方法、 流域不透水面与河流生态系统状况之间的压力响应关系、 不透水面在流域土地利用规划调控和河流管理应用等三个方面,回顾了不透水面研究的主要进展,特别对不透水面影响河流生态系统的阈值效应进行了较细致梳理。从研究区域、 研究视角、 研究方法、 决策应用等四个方面,讨论了当前研究可能存在的问题。结合河网地区较为特殊的水文地貌特点,提出了河网城市开展相关研究的主要任务,认为必须解决的若干关键技术方法问题包括:不透水面实地调查方法及与有效不透水面转换、 汇水单元及其多尺度体系、 压力响应体系构建,以及数据分析技术方法等。最后以上海地区为案例,分析了河岸带尺度上的不透水面与河流生态系统之间的压力响应关系。这一研究体系框架试图为相关实证研究提供可实际操作的方法论参考。     

A strategy to deal with water crisis under climate change for mainstream in the middle reaches of Yellow River

Our planet is increasingly threatened by degradation in water quantity and quality due to climate change, population growth and development pressures. Water shortage is one of the most challenging environmental problems to humankind in the 21st century under the changing climate. Water shortages and scarcity escalate risks to food security and economic viability. For decades, water management has been dominated by supply oriented paradigm of expanding the capacity of accessible water (e.g. building dams). While large scale infrastructure projects provided effective solutions for chronic water crises in the past, they have come at expensive, irreversible and delayed ecological, economic and social costs. As more questions are raised concerning over reliance on infrastructure solutions, discussions about a sustainable future suggest a greater focus on the demand side of the equation is needed. In this paper, we use multi-recursive and runoff coefficient analysis methods to analyze the annual runoff of the mainstreams (Kuye River, Tuwei River, Wuding River and Jialu River) in the middle reaches of Yellow River. The main objective is to estimate the impacts of climate change and human activity on water resources in the study area and test the potential of water demand management to lessen the gap between supply and demand. Results show remarkable drop in the average annual runoff as a combined effect of climate change and human activity. Moreover, results show that human activities are the direct reason for the changes of river runoff, and the proportion of human activities account the biggest is Wuding river, next is Kuye river, Jialu river is smallest, these changes lead to the decrease of river runoff, and even drying up in recent years. This result highlights the importance of using WDM to diminish the increasing gap between demand and supply. Motivated by this, the paper presents a comprehensive framework for implementation WDM in the middle reaches of Yellow River. The framework includes a wide range of instruments: legislative, economic, technological and educational. The core step of the framework, collaboration among water planners, water service providers and end-users lies as an essential mechanism for achieving long term trade-offs between ecological and socio-economic water needs.