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黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術/黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術叢書 版權信息
- ISBN：9787030720221
- 條形碼：9787030720221 ; 978-7-03-072022-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術/黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術叢書 本書特色
直接服務于黃河流域生態保護和高質量發展頂層設計、流域水資源管理和調度實踐。
黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術/黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術叢書 內容簡介
本書面向黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略需求，以黃河流域作為環境劇烈變化和缺水流域的典型代表，圍繞變化環境下流域水資源供需演變驅動機制、缺水流域水資源動態均衡配置理論、復雜梯級水庫群水沙電生態耦合機制與協同控制原理三大科學問題，以實現2030年前減少黃河流域缺水量10億~20億m3為攻關目標，突破了具有物理機制的黃河流域經濟社會-生態-高效輸沙精細需水預測技術，創新了統籌效率與公平的缺水流域水資源動態均衡調控理論方法，創建了復雜梯級水庫群水沙電生態多維協同調度技術與方法，發展了缺水流域水資源動態均衡配置與協同調度理論體系。本書的研究成果已在黃河流域分水方案優化和水量調度方案編制等工作中開展了業務化應用，直接服務于黃河流域生態保護和高質量發展頂層設計、流域水資源管理和調度實踐。 本書可供流域水資源規劃與管理、水庫群多目標協同調度等相關領域的科研人員、管理人員、技術人員閱讀參考，也可供水文水資源專業本科生和研究生參考閱讀。 審圖號：GS(2022)723號
黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術/黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術叢書 目錄
目錄
第1章緒論1
1.1研究意義1
1.2國內外研究進展1
1.3研究目標與技術路線31
1.4本章小結33
第2章黃河流域水資源系統演變規律34
2.1流域水資源系統概況34
2.2流域水資源演變態勢38
2.3流域水資源供需演變規律識別54
2.4未來30年黃河流域廣義水資源量動態評價65
2.5本章小結79
第3章黃河流域精細化需水預測81
3.1多因子驅動與多要素脅迫的流域經濟社會需水81
3.2水文-環境-生態復雜作用下黃河生態需水96
3.3黃河動態高效輸沙模式與需水量115
3.4黃河流域需水量集成131
3.5本章小結141
第4章黃河“八七”分水方案適應性綜合評價143
4.1黃河“八七”分水方案頒布背景與歷程143
4.2“八七”分水方案執行情況與實施效果151
4.3水量分配適應性評價方法與模型160
4.4適應性綜合評價169
4.5本章小結173
第5章流域水資源動態均衡配置理論方法與策略175
5.1流域水資源動態均衡配置研究思路與框架175
5.2基于水沙生態多因子的流域水資源動態配置機制177
5.3統籌公平與效率的流域水資源均衡調控原理184
5.4黃河流域水資源動態均衡配置方法及模型系統206
5.5分水方案優化場景設置分析213
5.6變化環境下分水方案優化多場景研究220
5.7本章小結231
第6章黃河梯級水庫群水沙電生態多維協同調度235
6.1水沙電生態多過程對水庫群調度的響應規律235
6.2梯級水庫群水沙電生態多過程間的耦合機制與控制原理242
6.3水沙電生態多維協同調度仿真模型與方案250
6.4黃河梯級水庫群協同調度規則260
6.5多因子擾動因素識別265
6.6擾動下的調度方案的調整恢復281
6.7本章小結290
第7章平臺研發與示范基地建設及應用292
7.1流域水量分配與綜合調度系統平臺研發292
7.2示范基地建設與應用294
7.3本章小結299
第8章主要成果和創新點300
8.1主要研究成果300
8.2主要創新點306
8.3研究展望312
參考文獻314
第1章緒論1
1.1研究意義1
1.2國內外研究進展1
1.3研究目標與技術路線31
1.4本章小結33
第2章黃河流域水資源系統演變規律34
2.1流域水資源系統概況34
2.2流域水資源演變態勢38
2.3流域水資源供需演變規律識別54
2.4未來30年黃河流域廣義水資源量動態評價65
2.5本章小結79
第3章黃河流域精細化需水預測81
3.1多因子驅動與多要素脅迫的流域經濟社會需水81
3.2水文-環境-生態復雜作用下黃河生態需水96
3.3黃河動態高效輸沙模式與需水量115
3.4黃河流域需水量集成131
3.5本章小結141
第4章黃河“八七”分水方案適應性綜合評價143
4.1黃河“八七”分水方案頒布背景與歷程143
4.2“八七”分水方案執行情況與實施效果151
4.3水量分配適應性評價方法與模型160
4.4適應性綜合評價169
4.5本章小結173
第5章流域水資源動態均衡配置理論方法與策略175
5.1流域水資源動態均衡配置研究思路與框架175
5.2基于水沙生態多因子的流域水資源動態配置機制177
5.3統籌公平與效率的流域水資源均衡調控原理184
5.4黃河流域水資源動態均衡配置方法及模型系統206
5.5分水方案優化場景設置分析213
5.6變化環境下分水方案優化多場景研究220
5.7本章小結231
第6章黃河梯級水庫群水沙電生態多維協同調度235
6.1水沙電生態多過程對水庫群調度的響應規律235
6.2梯級水庫群水沙電生態多過程間的耦合機制與控制原理242
6.3水沙電生態多維協同調度仿真模型與方案250
6.4黃河梯級水庫群協同調度規則260
6.5多因子擾動因素識別265
6.6擾動下的調度方案的調整恢復281
6.7本章小結290
第7章平臺研發與示范基地建設及應用292
7.1流域水量分配與綜合調度系統平臺研發292
7.2示范基地建設與應用294
7.3本章小結299
第8章主要成果和創新點300
8.1主要研究成果300
8.2主要創新點306
8.3研究展望312
參考文獻314
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黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術/黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術叢書 節選
第1章緒論 1.1研究意義 黃河水少、沙多、水沙關系不協調，流域土地、能源、礦產資源豐富，是我國重要的能源化工基地、糧食主產區，也是國家“兩屏三帶”的主要組成部分，在國家戰略格局中的地位十分突出。黃河是我國西北、華北地區的重要水源，以其占全國2%的徑流量承擔了全國15%的耕地和12%的人口供水任務，同時還承擔著向流域外部分地區遠距離調水的任務。黃河流域人均河川徑流量為473m3，不足全國平均水平的1/4，是我國水資源極其短缺的地區之一。黃河流域是國家重要能源基地和糧食主產區，自20世紀70年代以來流域用水剛性需求持續增長，水資源供需矛盾不斷加劇，黃河下游頻繁斷流。1987年國務院頒布的我國大江大河首*分水方案——《黃河可供水量分配方案》（黃河“八七”分水方案），是流域水資源管理和調度的依據，對黃河水資源合理利用及節約用水起到了積極的推動作用。但由于流域水資源情勢發生了重大變化：水資源量持續減少、時空分布變異，用水特征和結構變化顯著，常態問題與極端事件交織等，黃河流域未來將面臨經濟發展和水資源短缺的嚴峻挑戰。 本書面向黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略需求，以黃河流域作為環境劇烈變化和缺水流域的典型代表，圍繞變化環境下流域水資源供需演變驅動機制、缺水流域水資源動態均衡配置理論、復雜梯級水庫群水沙電生態耦合機制與協同控制原理三大科學問題，以實現2030年前減少黃河流域缺水量10億～20億m3為攻關目標，以變化環境下流域水資源供需演變—動態配置—協同調度為主線，按照機理識別—規律揭示—理論創新—技術創建—示范應用的總體思路，突破具有物理機制的黃河流域經濟社會-生態-高效輸沙精細需水預測技術，創新統籌效率與公平的缺水流域水資源動態均衡調控理論方法，創建復雜梯級水庫群水沙電生態多維協同調度技術與方法，發展缺水流域水資源動態均衡配置與協同調度理論體系，顯著提升我國在缺水流域水資源配置與調度的科技水平。 1.2國內外研究進展 隨著氣候變化和人類活動影響的深入，流域水循環過程及通量發生了改變，對水資源產生了顯著影響，水循環演變是應對水危機的重要基礎和支撐，受國際社會、政府部門和學術界的高度重視，是政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）、美國國家自然科學基金會（National Science Foundation，NSF）等國際組織和政府部門關注的重大問題，是國際地圈生物圈計劃（International GeosphereBiosphere Program，IGBP）和國際水文計劃（International Hydrological Programme，IHP）等關注的重大熱點和前沿命題。解決水資源量不足短期在節水、長期靠調水；解決水資源時空分布不均的關鍵在于優化調配。美國依靠需水控制在20世紀80年代實現了用水負增長，以色列憑借先進節水技術支撐經濟發展，新加坡、澳大利亞等國家通過多水源+嚴格管理+科學調配破解了水資源不足的問題。國際上，過去30年間，水資源優化配置與調度技術從以單純追求一個目標*優的擇優準則，向由復雜事物固有的多目標優化滿意準則轉化；從單一整體、功能有限的模型結構形式，發展為分散的、多層次的而且能協調和聚合的多功能模型系統。流域水資源配置未來的一個發展方向就是要平衡各類關系、遵循各類決策機制，實現綜合用水效率*高。水資源調度向統籌供水、發電、生態等需求的綜合調度技術發展。 1.2.1流域廣義水資源評價方面 1.我國北方氣候變化觀測事實及未來預估 地表水資源量受降水、氣溫、日照等多個氣象因素影響，在全球氣候變化的大背景下，我國北方各類氣象因素呈現出不同的時空變化特征。高繼卿等（2015）基于實測站點的分析結果表明，我國北方降水以小雨、中雨為主，降水日數和小雨頻數均有不同程度減少。降水的季節性和區域性特征明顯，夏、秋季節降水日數和降水量均有下降，冬季降水有所增加（寧亮和錢永甫，2008）。暴雨在華北地區和北方半干旱地區有所減少，而在西北地區有所增加（王炳欽等，2016）。與之相比，年均氣溫、極端氣溫普遍呈顯著上升趨勢，高緯度地區無霜期明顯延長（翟盤茂和潘曉華，2003；郭志梅等，2005）。受變暖影響，我國北方大約80%地區干旱有加劇跡象，其中春季干旱化尤為嚴重（史尚渝等，2019）。海河流域潛在蒸散發呈現出下降趨勢，而黃河中上游區域均有所上升，風速、輻射等氣象要素在整個區域都呈下降趨勢，其中風速下降趨勢十分顯著（劉昌明和張丹，2011；周志鵬等，2019）。 基于大型環流模型（general circulation models，GCMs）和區域氣候模式（regional climate models，RCMs）的模擬結果表明我國北方氣溫升高的形勢更為嚴峻，極端天氣發生頻率也將持續增加。在全球升溫2℃的背景下，我國北方氣溫增幅在3℃左右，且在排放情景特別報告（special report on emissions scenarios，SRES）A1B、A2和B1情景下，增暖幅度均隨海拔增大（姜大膀和富元海，2012；李博和周天軍，2010）。Chen和Frauenfeld（2014）評估了20個第五次耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）模式數據模擬我國氣溫變化的精度，在低、中、高三種典型濃度路徑(representative concentration pathway，RCP)（RCP2.6/RCP4.5/RCP8.5）下，我國氣溫變化傾向率分別為0.1℃、0.27℃、0.6℃，其中北方氣溫增幅更大。此外，極端氣象事件仍將持續變化，SRES B2情景下高溫事件增加，作物生長季隨之延長，低溫天氣發生頻率顯著減少，極端降水事件基本呈上升趨勢。基于CMIP5的多模式結果評估同樣表明，我國未來年降水量、小雨、中雨、極端暴雨的量值均有明顯增加，其中我國西北地區各項降水指標增加*為明顯，其次為華北地區（Chen，2013；Zhou et al，2014）。 2.水文模型水循環模擬 水文模型同樣基于水量平衡，將復雜的水文過程概化，采用不同的經驗公式估算流域內植被截流、下滲、蒸發、產匯流等水文循環中的關鍵過程，從而可以描述不同氣候條件下流域中水文循環各要素的演變。水文模型是在水文預報方法的基礎上發展而來的，但受計算機能力限制，早期的集總式模型將流域看作一個整體，通常以降水等氣象條件作為主要輸入，使用可調整的經驗參數描述流域內植被、土壤、河道等信息，集總式水文模型結構簡單、便于應用，在20世紀60～80年代得到了廣泛的應用，常用的集總式水文模型主要包括斯坦福水文模型（Stanford watershed model）、水箱模型（tank model）、新安江模型等（呂允剛等，2008）。與Budyko方法類似，集總式水文模型也是用于模擬流域內整體的水量變化情況，但其能模擬更精細的時間尺度（小時、日尺度），也常應用于洪水預報（陳洋波和朱德華，2005）。不過，集總式水文模型無法考慮流域內氣象、植被、地形、土壤等關鍵參數在空間上的差異性，且其參數的物理意義并不明確，因此不能準確地反映氣候和下墊面變化的影響，近年來已經無法滿足人們在水資源精細化管理等方面的要求。 隨著科學技術的日益進步，國內外的學者們更趨向于定量地描述水文循環過程中各要素的時空變化特征。基于數字高程信息的流域分布式水文模型在*近三四十年發展迅速，為定量模擬氣候變化和人類活動對水文循環的影響提供了技術支撐。分布式水文模型也稱為物理性水文模型，其根據數字高程模型（digital elevation model，DEM）將流域劃分為若干個網格，每個網格都具有對應的土壤、植被信息，在能量和水量平衡的基礎上，采用具有明確物理意義的公式，模擬每個網格的水文循環過程，模型每個網格間存在水量交互，根據DEM可以確定網格間的流向信息，詳盡的時空分布結果可為政策制定和管理提供更準確的數據支撐。分布式水文模型內部參數都具有明確的物理意義，因此從理論上來說各參數（如河道坡度、土壤孔隙度、下滲能力、反射率、導水系數、植被不同季節的葉面積指數、根系深度等）數值都可以通過野外實測得到，能直接應用于無徑流觀測資料地區的水文模擬。目前開發的分布式水文模型主要有分布式水文土壤植被模型（distributed hydrology soil vegetation model，DHSVM）、丹麥水力學研究所開發的MIKE SHE分布式水文模型、適用于干旱半干旱地區的中小尺度分布式水文模型（Tsinghua Integrated Hydrological Models for Small Watershed，THIHMSSW）等（陳仁升等，2003；王中根等，2003；劉聞等，2012）。相較概念式模型，分布式水文模型能更準確地描述流域下墊面變化的影響。 分布式水文模型的發展為水資源的精細化管理提供了便利，但在應用中仍存在一些問題及困難：①模型在結構和參數上存在不確定性。模型中用來描述水量、能量平衡過程及下墊面特征的參數眾多，模型中假定各參數間互相獨立，但實際上氣候因子、土壤、植被之間存在緊密聯系，例如葉面積指數對根系發育有較大的影響。②模型結構復雜，參數的率定及驗證過程緩慢，計算負荷較大，同時存在多組參數返回相同的模擬結果這一問題（異參同效），因此*優參數可能與實際情況相悖，這使得模型參數確定變得更加復雜。③為滿足模型中物理公式的計算要求，模型對輸入數據要求高，通常要求高分辨時空尺度的氣象數據和精細的土壤、植被、地形等下墊面數據，在人類活動影響下往往還需要結合人類活動取用水信息進行模擬，因此在無資料和資料缺乏地區難以構建分布式水文模型，也往往無法驗證模擬結果。 為滿足水資源時空變化分析的需求，同時減少計算負荷，半分布式水文模型根據流域特征劃分計算單元，在計算單元上采用集總式模型進行計算。目前常用的半分布式水文模型主要有SWAT（soil & water assessment tool）、HBV（hydrologiska Byrans vattenbalans）、WEP（water and energy transfer process）、VIC（variable infiltration capacity）、TOPMODEL（topography based hydrological model）等；诎敕植际剿哪Ｐ涂梢缘玫搅饔騼雀饔嬎銌卧系恼舭l、入滲、截流、產流、土壤水等信息對氣候和下墊面條件的響應。以SWAT為例，模型先將流域劃分為多個子流域，并根據地形、土壤、植被、管理措施等信息，進一步將子流域劃分為若干個水文響應單元（hydrological response units，HRU）。HRU即為SWAT模擬中*基本的計算單元，HRU內部包含了降水、植被截流、蒸發、下滲、產流等水循環過程中的基本要素。類似地，WEP模型也將流域劃分為多個子流域和等高帶，不過HRU之間并不存在空間關系，而等高帶之間具有上下關系，即等高帶間存在水量流入、流出的交互過程。 3.水文過程對氣候和人類活動的響應 氣候變化和人類活動對天然水文過程造成的影響是長遠且深久的，一方面，降水、氣溫等氣象條件的變化使區域水量、能量平衡狀態發生改變，直接影響著區域蒸散發和徑流量；另一方面，水利工程的興建改變了徑流的年內過程，蒸散發條件、降水入滲和產匯流過程受地形和植物覆被影響（Kramer and Soden，2016；張成鳳等，2019）。觀測事實和模擬結果表明我國氣候已經發生了很大的變化且仍將持續，社會經濟的發展也使得人類活動的影響無可避免，因此，研究水文過程在變化環境下的演變規律可為水資源
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