水-粮食-能源关联系统述评:文献计量及解析

水、粮食和能源安全是联合国2030可持续发展议程的核心内容.世界范围内水资源短缺、能源短缺和粮食不足导致区域冲突加剧,因此需要重新审视水、粮食和能源安全及内在关联.以往研究大多关注单一独立要素,或在水、粮食和能源中的两元素之间建立二元局部联结,缺乏将三者作为一个系统的研究.本文通过对1995～2018年长时序中水-粮食-能源关联系统进行文献计量分析,应用引文空间(Cite Space)技术,梳理水-粮食-能源关联系统的研究历史与现状,为形成三元协同管理策略提供理论依据和决策支撑.分析发现:系统关联受到国际社会的普遍关注,其中水要素的研究社群相对活跃. 2010～2016年间的研究体现出日益加强的多领域交叉特点.在区分目前文献中"强关联"与"弱关联"的基础上,阐明水、粮食、能源作为彼此的投入与产出要素,相互之间存在密切关联并形成了跨越部门和区域的级联效应;水、粮食和能源3个资源要素构成一个整体的系统,即水-粮食-能源命运共同体.未来仍需针对关联系统的边界、影响因素和生态环境效应等建立研究框架,探讨多要素耦合驱动机制.采用"合奏式"的思路,可以克服现有的单一部门资源管理模式,突破不同部门相互割裂的局限,有利于协调不同自然资源,增加协同效应,提高系统效率.     

区域目标ET的理论与计算方法

目标ET(evapotranspiration)是当今水资源研究的前沿, 基于目标ET的区域水资源管理是针对一定范围(区域)内的综合ET值与当地的可利用水资源量的对比关系, 进行水资源的分配或对ET进行控制的管理办法. 通过提高水资源的利用效率, 减少社会水分循环系统中不可回收水量, 使同等水分消耗条件下生产效率得以大幅提高, 从而达到资源节水的目的; 在满足地下水不超采、农民不减收、环境不破坏的条件下进一步合理分配各部门和各行业可用水量, 通过调整产业结构和应用各种节水新技术新方法, 解决各部门和各行业(包括环境和生态用水)之间的竞争用水问题, 达到整个区域的水量平衡. 根据资源节水的理念, 提出区域目标ET的定义、分项指标体系和制定原则, 并结合分布式水文模型和土壤墒情提出一套计算区域目标ET的方法体系.     

夏玉米叶片和冠层尺度的水碳耦合模拟

蒸腾作用和光合作用是两个密切联系、相互耦合的过程,主导作物的生理活动及产量形成,研究不同尺度水碳耦合关系对提高水分利用效率(WUE)意义重大.以光合仪、涡度相关仪等实测数据为依据,分析了我国华北地区夏玉米叶片和冠层尺度的光合与蒸腾(蒸散)的变化规律,率定和验证了SMPT-SB模型在这两个尺度的应用效果.结果表明,在夏玉米生育期典型日内,叶片尺度的光合与蒸腾速率,以及冠层尺度的光合与蒸散速率日变化趋势基本一致,但冠层尺度蒸散受表层土壤含水量的影响较大.SMPT-SB耦合模型估算的叶片光合、蒸腾和WUE与实测值之间的回归系数接近1,确定系数大于0.74,二者之间的相对误差小于11%,能够较好反映叶片光合与蒸腾之间的耦合关系.SMPT-SB耦合模型估算的冠层尺度光合与实测值一致性也较好,但该模型低估了表层土壤含水量较高时的冠层蒸散量,并在一定程度上导致了冠层WUE的高估.该研究为理解不同尺度水碳耦合关系及提高水分利用效率提供科学依据.     

大禹节水:将传统节水灌溉升级为智能水利

正作为国内第一家专业从事节水灌溉的创业板上市公司,大禹节水集团股份有限公司(下简称大禹节水)专注和致力于全球农业、农村、水资源问题的解决和服务。2017—2020年,大禹节水由过去的节水设备生产施工企业变成现在的智慧水利全产业链企业,完成了转型升级。"三年的时间,大禹节水智慧农水项目建设占比超过55%,农水科技产品服务与销售占比6%,同时农水信息化和项目运营服务占比超过2%。现在,大禹节水已成为一家现代农业科技公司。"董事长王浩宇表示。     

城市水资源需求场理论及应用初探

随着人类社会的发展进步及城市化进程的加快,人类活动对水资源的需求日益增加.水循环也从最初的自然水循环演变成"自然-社会"二元水循环.二元水循环理论的提出,为水文水资源学科的发展指明了新方向.迄今为止仍然没有统一的数理公式对二元水循环过程进行精确描述.本研究以城市为重点,深入剖析了社会经济用水需求对水循环的干扰和驱动原理,通过类比物理学中的麦克斯韦方程组,初步定义了城市水资源需求场——"水场"的概念,提出了城市"水场"强度的计算公式.以海河流域22个主要城市为例,应用水场强度计算公式定量描述了海河流域的水场强度,分析了水资源的流动趋势.结果表明,水场强度公式能够较好地描述城市水资源的驱动力和流动趋势.     

北京奥运村洪水淹没风险模型研究

随着城市化的加剧, 城市暴雨积水的风险越来越大, 城市洪水问题已成为全球性环境灾害的热点问题. 如何有效分析城市水文过程, 准确评估城市洪水风险是市政建设和水资源管理的迫切需要. 城区人工下垫面复杂, 水利设施众多, 传统的水文模型和水动力模型均难以准确地模拟洪水非恒定演变过程. 以城市复杂环境下的产汇流、排水、积水等过程作为研究对象, 首先建立水文模型实时模拟降雨径流过程, 进而分别建立适用于排水系统的一维水动力模型和适用于地表洪水漫流的二维水动力模型, 最终在地理信息系统平台上将这三类模型进行在线耦合, 最终建立起适用于城市洪水预测模拟的耦合模型系统. 以北京奥运村为例, 针对不同的典型降雨过程, 对该模型系统进行验证和分析, 模拟结果表明该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程, 能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估, 切实指导区域水利设施建设和水资源管理.     

横断山地水土要素时空分布格局与耦合特征

水土要素耦合是影响横断山地资源环境安全、防灾减灾及生态环境保育的重要因素。根据横断山地地理环境与水土要素构成特征,构建了面向农业生产空间的水土要素耦合指数,利用多源空间数据计算得到了横断山地时间序列月、年水土要素耦合指数值。研究表明:横断山地水土要素耦合格局受宏观气候-地貌格局控制,西南季风、东南季风以及横断山地纵向岭谷的"阻隔-通道"作用造就了横断山地3个水土要素耦合明显分异的区域;地形起伏度、海拔、坡度和坡位等地形指标对水土要素耦合指数都有明显影响,在微观尺度上坡度对水土要素耦合的影响最大;受两大季风气候进退、水热时空匹配、气候-植被耦合作用的影响,横断山地水土要素耦合指数年内分异明显,在6月份水土要素耦合指数最高,在年际尺度上近15年来横断山地水土要素耦合指数无明显变化趋势,以年际波动为主。本文初步揭示了横断山地耕地的水土要素耦合时空格局特征,对横断山地的水土要素调控及国土空间功能优化管理有参考意义。     

有限容积法与格子Boltzmann方法耦合模拟传热流动问题

自然界和工程领域中的许多物理现象的发生通常涵盖几个数量级的几何空间及时间范围, 我们将其统称为多尺度物理现象. 在模拟多尺度问题时, 如果仅采用宏观方法, 则会存在一些不足, 如无法预知微小部分的细节以及引入复杂的经验关联式; 如果仅采用介观/微观方法, 则需要消耗大量的计算资源. 构造宏观-介观、宏观-微观、宏观-介观-微观等多种层次上方法的耦合体系, 可以在很大程度上克服这些不足. 构造了宏观有限容积法(FVM)与介观格子Boltzmann方法(LBM)的耦合模型(CFVLBM), 给出了由宏观物理量重构密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子, 解决了LBM与宏观方法耦合的关键难题. 选取二维、三维典型传热流动问题对耦合模型进行了考核, 计算结果同基准解符合得很好. 最后将CFVLBM应用于计算多孔介质内的复杂流动问题. 研究表明, 基于文中重构算子的CFVLBM可以准确有效地应用于模拟传热流动问题.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

如何合理利用水资源综述

水,是生命之源,也是人类生存的基础.水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质,是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源.水资源匮乏已成为我们不得不面对的全球性课题.从长远来看,要冲破这个制约人类可持续发展的"瓶颈",只有利用海水,被冰山、冻土固化的淡水等,扩大传统的水资源范围,树立"大水资源"的观念,这样才能挣脱社会和环境条件的制约,实现水资源合理利用的可持续发展.与此同时,加大科技力度,不断创新,人类才能完成"呼风唤雨"的农业的终极革命目标.     

水旱稻分化与节水抗旱稻

 普通野生稻在向栽培稻演化的过程中,形成旱稻和水稻两类适应不同土壤水分条件的生态类型,其中旱稻先于水稻驯化且长期受到“产量-抗旱性”的“双向选择”。采用“双向选择”策略,可将水稻的高产优质特性与旱稻的节水抗旱特性整合,育成节水抗旱稻。节水抗旱稻的水分利用效率高、抗旱性强,适合于“旱直播旱管”的绿色栽培模式,既可在水田不淹水栽培,又可在旱地或山坡地直播种植,拓展了栽培稻的种植空间。节水抗旱稻生产过程中可大幅度节约灌溉用水、减少面源污染和甲烷排放,降低劳动成本。     

黄土高原-青藏高原过渡带农户生产系统的经济效益——以通渭-渭源-夏河样带为例

黄土高原-青藏高原过渡区是我国地形第一阶梯向第二阶梯过渡的重要生态区,农户生产与独特生态环境相互作用、相互影响,为了实现这一人类-环境耦合系统的可持续发展,需要认识其农户生产系统的结构与特征.为此,建立通渭-渭源-夏河样带,根据统计年鉴、实地问卷调查和各类政府报告统计,收集目标数据,分析农户作物、家畜和综合系统的生产要素投入-产出结构、生产系统水平和农户占比.结果显示,过渡带农户生产系统水平自东向西呈梯度变化,根据Logistic预测模型拟合,农户占比和农户生产系统水平显著相关(P=0.000),农户占比对农户生产系统水平响应速度和阈值点处农户生产系统经济效益不同.(1)作物生产:过渡带自东向西户均耕地面积、劳动力、作物投入和产出递减,其中劳动力和化肥投入量占总投入75%以上,马铃薯、玉米经济效益高于小麦;农户占比在阈值点50%时的经济效益递减,通渭(13.67千元/户)渭源(12.65千元/户)夏河(-2.68千元/户).(2)家畜生产:家畜养殖规模、天然草地面积、投入递增,产出东西高,通渭、渭源、夏河的农户的动物生产分别以猪(0.14千元/户)、羊(1.84千元/户)和牛的经济效益最高(32.79千元/户).(3)综合生产:经济投入,夏河农户占比响应速率为1.30,比通渭和渭源分别高0.61和0.70;经济产出,夏河农户占比响应速率最低(0.085),低于通渭(0.17)和渭源(0.37);农户占比增长到阈值点50%时,经济效益夏河(30.57千元/户)通渭(20.22千元/户)渭源(13.07千元/户).农户占比由增长拐点进入饱和期时,通渭、渭源和夏河农户占比对于投入分别增加了45.76%,47.98%和45.60%,而产出分别增加了43.20%,42.60%和45.60%,阈值点处经济效益分别为30.52,16.32和64.70千元/户.为实现过渡带农户生产系统的生态效益和经济效益有效耦合,可加强作物副产品和"废弃物"补饲家畜,在阈值点附近调控农户占比,减少草地资源消费"搭便车"现象.     

复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型

复杂水资源系统的基础结构是供用水网络,网络节点包括供水节点和受水单元,其中供水节点又分为当地地表水、地下水、外调水、再生水等若干类型.水资源系统的供用水过程是一个随时间变化的过程,由于当地地表水、外调水等来水过程随着气象过程的变化而呈现出随机性,而受水单元的需水过程相对稳定(主要取决于单元的人口、经济发展情况和季节特点).要实现水资源系统的供需平衡,往往需要增加调蓄节点,进行调蓄计算.本研究应用复杂系统网络理论,构建了复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型,建立了多水源、多用户的时变耦合矩阵及其相关算法.模型被用于引汉济渭配水工程的调蓄计算,得到了不同频率年引汉济渭工程的调蓄容量需求,为引汉济渭配水工程调蓄设计奠定了基础.     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

区域生态学核心理论探究

随着区域发展一体化,区域生态环境问题日益突出.为此亟需完善区域生态保护理论,建立区域生态学学科体系.本文基于区域生态问题特征,提出"生态供体-生态受体双耦合""生态格局-过程-功能三位一体"和"生态承载力与区域发展相适宜"三大区域生态保护核心理论;指出在生态域内,生态供体和生态受体之间格局完整、过程连续和功能匹配是区域协调的基本特征,建立与生态承载力相适宜的产业结构与布局,提高人居适宜性,是实现人与自然环境协调的关键.该研究为解决当前的区域环境问题提供了新的认识论和方法论.     

冻土水热变化对东亚气候影响的模拟

利用气候模式Community Atmosphere Model(CAM3.1)作为工具,在保持模式陆-气之间能量、水量守恒的状况下,通过在其陆面模式Community Land Model(CLM3.0)中引入了未冻水过程,改变了冻土中的水热属性,分析了欧亚区域气候对冻土变化的敏感性、东亚季风对冻土变化的响应等相关问题.研究发现:(1)未冻水过程较为显著的改变土壤中冰、水比例,其对地表温度、土壤温度有显著影响.(2)欧亚区域(包括东亚)气候对冻土变化较为敏感,1月海平面阿留申低压有所加强,500hPa乌拉尔阻塞高压减弱,东亚大槽减弱.7月阿留申群岛地区海平面气压显著减弱,500hPa位势高度大陆有显著的负异常,海洋有显著的正异常.(3)1月东亚地区850hPa风场南风分量增大,冬季风减弱;7月大陆气旋性异常,海洋反气旋性异常,东部沿海地区夏季风加强.(4)东亚夏季降水有显著改变,其中青藏高原南部、长江流域中部地区和东北地区降水显著增大,华南、海南岛地区显著较少,我国中部、华北地区减少,但不显著.进一步分析发现,30°N附近,有显著的空气上升运动,其南北两侧有显著的下沉运动,中高纬度太平洋暖湿气流在东北与北方冷空气汇合,这些因素是上述降水异常的主要原因.     

冻干人血小板复水过程的优化研究

血小板临床应用供不应求, 迫切需要一种长期稳定的保存方法. 冷冻干燥为血小板的长期稳定保存提供了一种理想方法. 其中, 复水过程是冻干血小板活性恢复的一个重要环节. 研究了1和2 mL冻干血小板样品的复水过程, 包括在37℃水蒸气中预复水不同的时间(15, 30 60, 90, 120和150 min)以及不同浓度的复水溶液(25%, 50%, 75%和100%的血浆)对细胞恢复率、MPV(血小板平均体积)和PDW(血小板分布宽度)的影响. 同时, 对预复水过程中冻干血小板样品的质量变化进行了研究. 实验得到最佳复水条件为: (1) 对1和2 mL冻干样品, 最佳预复水时间分别为15和90 min; (2) 75%血浆溶液可作为最佳复水溶液. 在此条件下复水后的冻干血小板形态恢复正常, 超微结构保持完整, 对凝血酶(1 U/mL)的聚集率达到新鲜血小板的82.8%. 该研究结果对人血小板冷冻干燥保存的研究具有重要意义.     

地层水促进原油裂解成气的模拟实验证据

原油裂解成气是决定深部油气资源勘探潜力和策略的关键,查明影响原油裂解成气下限、潜力大小及可能影响因素将为深层油气勘探提供科学依据.本文通过对比原油、原油加水及各种水介质的恒温(350℃)热解模拟实验,发现水在原油裂解成气过程中起着巨大的作用:①有水参与的情况下,天然气产量有明显的增加,这其中包括烷烃气和非烃类气体:烷烃气产量增加幅度为1.8～3倍;H2,CO2产量也有明显增加.表明水参与了原油裂解生气过程,为其提供了氢.因此,水的存在将大幅提高原油裂解气的潜力;②地层水中Mg2+对原油+水的反应有一定促进作用,使烷烃气总量、H2与CO2产量均有所增加;更为有意思的是,i-C4/n-C4与i-C5/n-C5比值具有明显的增加.说明地层水中Mg2+起到催化作用,在原油+水的反应中增加了歧化反应进程.本项研究对认识影响原油裂解气的因素、评价沉积盆地中的油气资源具有重要意义.     

一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型

介绍了一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型. 在模型中, 人工肾看成是一个由两个不相连通的多孔流动区域组成的多孔介质区域. 首先, 将透析液流动区域看成是一个多孔介质区域; 然后固定透析液流动区域和纤维膜所占区域, 人工肾中剩下的区域(也就是血液流动区域)也看成是一个多孔介质区域; 最后, 这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜, 通过纤维膜进行质量交换. 透析液流动和血液流动均用带Darcy动量源项的Navier-Stokes方程描述, Kedem-Katchalsky方程作为其他的源项加进Navier-Stokes方程模拟通过纤维膜的渗透流. 计算过程中所有方程耦合求解, 模型被文献中的实验数据验证. 模拟结果显示, 模型预测的人工肾清除率与文献中的实验数据吻合, 并且优于其他模型对清除率的预测.     

空中水资源及其降水转化分析

本文在回顾空中水资源利用的愿景和相关研究成果、分析空中水资源的概念和内涵的基础上,定义了白水,用以代表空中水资源.白水指的是通过地表某处上空的统计意义上具备降水潜力的水物质通量.白水和其他水资源一样,一般表述为年度水量,其本质是水物质的更新通量.将空中水物质的水平运动垂直积分投影到地表二维空间,对于地表任一点,白水的量纲为[L~2 T~(-1)],与地表水资源常用的[L~3 T~(-1)]不同.将某地的降水通量与相应时段的白水的比值定义为白水降水效率,量纲为L~(-1),代表白水每运动单位距离产生的降水量占其自身的比例.将白水概念扩展到地表流域,则可通过沿流域边界积分得到进入某一流域的白水,量纲为[L~3 T~(-1)].将该流域上空全部白水输送路径上的降水效率沿各自路径积分后加权平均,即得到流域的白水降水转化率(无量纲)为流域内的降水占进入该流域的白水的比例,可以采用降水量除以白水与径流量的1/2之差来近似计算.本文采用再分析数据研究了我国大陆附近的白水降水效率的空间分布特征,并选择长江、黄河、珠江、三江源流域开展相关特征参量对比分析.结果表明,白水降水效率是反映气候和地理条件的降水转化能力的公允度量,可直接用于不同地区的对比分析;流域的白水降水转化率可用于分析流域空地水资源循环中的数量关系.研究和评估白水及其降水转化特征,是空地水资源耦合分析及空中水资源开发利用的基础.通过技术手段提高局部地区的白水降水转化率,并与地表水利工程联合调控,有望实现一定规模的空地水资源耦合利用,是水资源开源的新机遇.