DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 装配偏差仿真 比较成熟的容差分析软件有CATIA 3DCS，CETOL (Sigmetrix)，VisVSA [ 6 ] 以及西门子Siemens PLM Software软件中的数字化容差分配和分析模块等，分别采用TTRS模型、漂移模型进行公差表示，采用极值法、统计法或者蒙特卡洛仿真方法进行公差分析 [ 7 ] 。本文采用CATIA 3DCS软件研究装配偏差仿真分析技术在重型运载火箭铆接舱段装配过程中的应用方法。 4.1. 仿真分析流程 运载火箭铆接舱段零部组件多、协调关系复杂，装配偏差仿真需要根据最终分析目标简化模型，分阶段实施。仿真分析建模过程中，需要根据零件间的装配关系划分模块，忽略模块内部的装配关系，各个模块作为整体参与建模，以求缩短尺寸链，排除模块内部次要因素的干扰，到达最终的仿真目的。 装配偏差仿真涉及的输入条件包括：产品模型、零部件公差信息、柔性零件有限元数据、装配流程、定位及装配方式。其中，产品模型反映的是零部件的名义尺寸；零部件公差信息的定义需服从其制造工艺及技术水平并假设服从正态分布；柔性零件的有限元数据即其刚度矩阵；装配流程反映零件的装配顺序；定位及装配方式反映零件的受力及配合关系。输入条件确定后根据阶段分析目标建立装配偏差仿真分析模型，设置关键测点，进行基于统计学的装配偏差仿真，输出测点的装配偏差及各零部件(模块)公差对最终结果的贡献率，根据仿真结果调整零部件(模块)公差输入及装配流程并迭代仿真，得到最终的仿真分析结果，典型的装配偏差仿真分析流程如图7所示。 图7. 装配偏差仿真分析流程 4.2. 实例验证 根据上文重型运载火箭典型试验件舱段装配工艺流程，壳体与井字梁套装的过程是一个重要的工艺节点，工艺过程如图5所示，套装成功与否受壳体形位精度、井字梁尺寸及形位精度、井字梁定位精度、工装精度等多种偏差因素影响，风险较大。本文以井字梁套装的过程为对象，进行装配偏差仿真分析应用验证。 3DCS一般建模步骤：确定装配顺序和定位方式；考虑需要仿真计算的零件公差和装配公差；创建特征点以及DCS点；创建MOVE，实现虚拟模型在软件中的装配；获取柔性零件的模型网格文件(.inp)和刚度矩阵(.mtx)并与模型建立联系；定义公差；测量目标尺寸；虚拟制造，并统计分析结果。 对于壳体与井字梁套装偏差分析的实例，参与装配偏差分析的零组件包括：装配平台(含导向滑轨)、井字梁、壳体，其中壳体为柔性零件。装配过程：装配平台为定位基准，井字梁通过平面及孔销配合(2组)在装配平台上定位，壳体通过孔销配合与导向轨滑块装配(4组)，导向轨滑块与滑轨面–面接触配合。输入的主要公差包括：平台平面度0.3 mm、井字梁定位孔销位置度0.3 mm、井字梁圆度0.5 mm、壳体定位孔销位置度0.3 mm、滑轨滑块位置度0.5 mm、壳体圆度5 mm。测量目标为壳体与井字梁的装配间隙。壳体套装井字梁装配偏差分析的流程如图8所示，分析实例如图9所示。 图8. 壳体套装井字梁装配偏差仿真分析流程 图9. 装配偏差仿真分析实例 仿真分析2000次，假设装配间隙为±2 mm来表征壳体与井字梁是否套装成功，套装成功率为96.40%，最大间隙为2.17 mm，最小间隙为−2.44 mm，对结果影响最大的因素为壳体圆度，贡献率57.09%，其它因素的贡献率为：井字梁圆度35.94%、滑块位置度3.29%、井字梁定位孔销位置度1.45%、壳体定位孔销位置度1.37%，其它因素0.86%。
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user: 5. 装配变形仿真 常用的有变形仿真分析软件包括ABAQUS、ANSYS、Ls-Dyna等，均能解决弹塑性假设条件下的变形仿真问题 [ 8 ] 。变形仿真通常采用有限元近似计算的方法，将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成的，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推到求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解 [ 9 ] 。本文将采用ANSYS进行建模和前处理，采用Ls-Dyna软件求解的方法，研究装配变形仿真分析技术在重型运载火箭铆接舱段装配过程中的应用。 5.1. 仿真分析流程 运载火箭铆接舱段装配过程中，变形是贯穿始终的现象，主要的变形问题包括：铆钉成型变形对舱段局部应力应变的影响，大面积铆接对整个壳段应力及形位精度的影响，零件强迫装配对整个舱段应力及形位精度的影响等。装配变形仿真过程中也需要根据具体的分析目标简化模型，分步仿真。 装配变形仿真的输入包括：产品模型、材料特性、装配关系、载荷及边界条件。分析目标明确后，生成参与仿真的部件、定义特性、创建装配、创建分析步、创建相互作用、定义载荷、划分网格，完成前处理，建立有限元仿真分析模型并进行模拟计算，典型的装配变形仿真分析流程如图10所示。 图10. 装配变形仿真分析流程 5.2. 实例验证 装配变形仿真分析的实例验证同样以壳体套装井字梁的过程为对象。分析壳段在其自身重力作用下套装井字梁方案的可行性，以及过程中零件、工装各部分的应力、应变情况。 1) 仿真分析一：假设壳段铆接装配变形后圆度为5 mm，壳段依靠自身重力套装井字梁，壳段及井字梁的受力、变形情况。 划分网格(Hypermesh)：六面体网格；材料属性见表1；边界条件：井字梁底部端面固定约束，壳段上端面仅沿重力方向运动；载荷设置：重力加速度载荷。结果分析：取壳段壁上与井字梁一段接触线上的四个单元，得到单位沿轴向的位移。四个单位在5 s内发生的位移相同，圆度为5 mm的壳段可以依靠自身的重力套入井字梁。套入井字梁后，井字梁和壳段上的最大Mises应力分别为15.52 MPa和56.63 Mpa，远低于材料的屈服强度。因此，此过程中两者均处于弹性变形阶段。壳段的径向位移集中在套入过程中与井字梁的接触区域，最大值为18.92 mm，仿真分析流程及应力、应变结果如图11所示。 Table 1 Material propertie 项目 RO (kg/m 3 ) E (Pa) PR SIGY (Pa) ETAN (Pa) 壳段 2770 7.10e+10 0.33 4.27e+8 5.00e+8 井字梁 7750 1.93e+11 0.31 4.20e+8 1.80e+9 表1. 材料属性 图11. 套装变形仿真分析实例 2) 仿真分析二：为了克服壳段变形对套装的影响，装配工装上设计了导向滑轨，壳段通过锥销滑入导向滑轨，在滑轨作用下校正圆度并进一步滑入井字梁完成套装。仿真壳段在导向滑轨引导下，撑开2 mm，实现套装的过程以及各部分的应力、应变情况。 网格划分及材料属性同仿真分析一；边界条件：井字梁及导向滑轨底部端面固定约束，壳段上端面仅沿重力方向运动，导向轨滑块沿重力方向运动；载荷设置：重力加速度载荷。结果分析：壳段可以在重力的作用下依靠滑轨引导顺利实现与井字梁套装配合，在整个套装的过程中，开始下降的时候在导轨附近有应变产生，当壳段到达最底部时候，壳段的表面真实应变达到最大值，最大的真实应变(LE)为5.743e−4；当壳段到达最底部时候，壳段的表面应力达到最大值，最大的应力为6.477 Mpa，撑开壳段导向滑轨受反作用力为10 6 N (图12)。 图12. 导向滑轨引导套装变形仿真分析实例
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user: 6. 结束语 本文针对重型运载火箭超大尺寸铆接舱段装配过程中的潜在工艺问题，分析了仿真技术的应用前景及方法，具体包括装配过程仿真分析、装配偏差仿真分析、装配变形仿真分析的应用流程及方法，并通过重型运载火箭某试验件舱段进行了仿真分析实例验证。
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user: 摘 要 以过硫酸钾(K 2 S 2 O 8 )为引发剂，以丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为单体，以N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂，以聚乙烯醇(PVA)和聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(PAMPS)为互穿高分子链，制备了共价交联半互穿网络水凝胶(sIPN)。随后通过冷冻–恢复室温三次循环，PVA链形成微晶交联网络，获得共价-微晶双网络水凝胶(CMDN)。再将水凝胶浸泡于氯化铁溶液中，通过阴阳离子静电吸附形成离子交联网络，获得P(AM-AA)/PVA/PAMPS共价–微晶–离子双网络(CMIDN)水凝胶。拉伸性能测试表明0.2PAMPS-0.4FeCl 3 水凝胶具备最好的力学性能，拉伸强度为3.90 MPa，断裂伸长率为278.0%。CMIDN水凝胶具有良好的还原响应形状记忆性能，在1 M抗坏血酸溶液中，0.2PAMPS-0.4FeCl 3 与0.5PAMPS-0.4FeCl 3 水凝胶分别可在120 min和150 min内恢复起始形状。 关键词 :水凝胶，双网络，形状记忆，pH响应性，溶胀性能 Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 水凝胶是一种具有三维网状结构的高分子材料，因其分子链含有亲水结构，可使三维网状高分子结合大量的水，形成具有较高含水量的材料 [ 1 ] [ 2 ] 。因水凝胶具备仿生结构、性能可灵活调节，使水凝胶在药物装载与释放 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ，环境保护 [ 6 ] ，细胞培养 [ 7 ] 及医用敷料 [ 8 ] [ 9 ] 等领域有重要的应用价值。 传统水凝胶通常由高分子链间形成化学交联或物理交联得到 [ 10 ] ，由于交联点分布不均匀，受力后容易出现应力集中，力学性能较差，使水凝胶在实际应用中受到很大限制。近十几年来，研究者们主要通过两条思路来提高水凝胶的力学性能。一是通过交联点的均匀化；二是有效引入能量耗散单元。并藉此开发出了多种高力学性能水凝胶材料 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。 其中一种高强度水凝胶——双网络(DN)水凝胶 [ 16 ] 是北海道大学龚剑萍教授提出的。DN水凝胶中存在两个互相贯穿的网络，其中第一网络为高度交联硬而脆的网络，为水凝胶提供刚性基础，而第二网络为低度交联软而韧的网络，有效耗散能量，两个网络互相搭配，使水凝胶力学强度大大提升。但该类双网络水凝胶中两个网络均是通过共价键的方式实现交联，共价键虽然键能较高，但具有不可逆性，一旦共价键被破坏，无法重新构建。因此，共价交联水凝胶的力学性能仍然有可提高的空间 [ 17 ] 。有研究发现，通过引入物理交联作用，如无机纳米材料复合 [ 18 ] ，微晶交联 [ 19 ] ，氢键交联 [ 20 ] ，疏水缔合 [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] ，阴阳离子静电吸附 [ 24 ] [ 25 ] 等，可使水凝胶的力学性能得到进一步的提升。同时，因物理交联作用的可逆性，可实现响应性的结合和断裂，使水凝胶具备形状记忆性能 [ 26 ] ，在医用材料 [ 27 ] [ 28 ] 、传感器 [ 29 ] 等领域体现出重要的应用价值，拓展了水凝胶的应用领域。 因此本文设计并制备了一种共价–微晶–离子双网络(CMIDN)水凝胶，共价交联的PAM柔性网络通过高分子链的运动有效吸收耗散外力产生的能量，PVA微晶交联网络为材料提供了刚性基础 [ 30 ] ，离子交联网络通过络合–解离的可逆性使水凝胶具备响应性形状记忆性能。该双网络结构由化学交联网络与物理交联网络互穿而成，实现化学交联与物理交联的协同作用。使水凝胶同时具备高力学强度和响应性形状记忆性能。通过红外光谱表征了水凝胶的结构，测试了水凝胶的pH响应溶胀–失水性能、力学拉伸性能及形状记忆性能。
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user: 2. 实验部分 2.1. 实验原料 实验所用的主要原料如下：聚乙烯醇(PVA， 98%，1799型)，无水三氯化铁(FeCl 3 ，AR)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙烯酰胺(AM，98%)，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA，98%)，丙烯酸(AA，98%)，过硫酸钾(K 2 S 2 O 8 ，AR)，氢氧化钠(NaOH，AR)，成都市科隆化学品有限公司；浓盐酸(HCl，36.0%~38.0%)，重庆川东化工(基团)有限公司；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS，98%)，抗坏血酸(99%)，阿达玛斯试剂有限公司。 2.2. 实验仪器 实验中所用到的主要仪器如下：恒温鼓风烘箱(型号DGX-9143B-1)，上海福玛实验设备有限公司；磁力搅拌器(型号85-1)，金坛市医疗仪器厂；电冰柜(型号BC/BD-102HT)，青岛海尔特种电冰柜有限公司；电子天平(型号CP64C)，奥豪斯仪器(上海)有限公司。 2.3. 实验方法 2.3.1. 实验步骤 典型的CMIDN水凝胶制备过程如下： 1) PAMPS的制备：将10 g AMPS加入10 mL去离子水中，搅拌直至AMPS完全溶解，再加入0.05 g过硫酸铵和0.025 g亚硫酸氢钠，搅拌使引发剂溶解，置于50℃鼓风烘箱中，聚合20 h。聚合结束后，加热使水挥发，再于50℃真空烘箱中烘干至恒重，得到PAMPS固体，将固体研磨成粉，备用。 2) 称取0.5 g PVA加入茄形反应瓶中，加入24 mL去离子水，加热至95℃，搅拌，使聚乙烯醇完全溶解。 3) 称取0.2 g PAMPS和5.33 g AM，加入PVA的水溶液中，搅拌使固体完全溶解，加入0.9 g AA和12 mg N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，搅拌使固体完全溶解。 4) 称取5 mg K 2 S 2 O 8 作为引发剂溶解在1 mL去离子水中，将引发剂溶液加入到步骤(3)配制好的溶液中，搅拌均匀。 5) 将溶液转移至厚度为3 mm的硅橡胶与玻璃片组成的模具中，将模具密封，于70℃鼓风烘箱中保温24 h。获得半互穿网络(sIPN)水凝胶。 6) 将制备好的sIPN水凝胶置于−18℃电冰柜中冷冻至少2 h，再置于室温下放置至少12 h，循环三次。获得CMDN水凝胶xPAMPS，其中x代表PAMPS的投料质量(g)。 7) 用哑铃型刀具将水凝胶压制成哑铃型，随后将样条分别置于FeCl 3 溶液中浸泡24 h，随后将样条置于去离子水中浸泡24 h。获得CMIDN水凝胶xPAMPS-yFeCl 3 ，其中x与y分别代表PAMPS的投料质量(g)和FeCl 3 溶液的浓度(mol/L)。 CMIDN水凝胶的结构示意图如图1所示。 图1. CMIDN水凝胶结构示意图 2.3.2. 实验配方 水凝胶的制备实验配方如表1所示。其中0.2 PAMPS水凝胶是以5 mg K 2 S 2 O 8 为引发剂，以5.33 g AM和0.9 g AA为单体，以12 mg MBAA为化学交联剂，以0.5 g PVA及0.2 g PAMPS为互穿高分子链，以25 mL去离子水为溶剂制备的。0.5 PAMPS水凝胶的制备配方中，除PAMPS的投料为0.5 g以外，其他投料均与0.2 PAMPS相同。 Table 1 The preparation formula of sIPN hydrogel 原料 0.2 PAMPS sIPN水凝胶 a /g 0.5 PAMPS sIPN水凝胶 b /g PVA 0.5 0.5 PAMPS 0.2 0.5 AM 5.33 5.33 AA 0.9 0.9 MBAA 0.012 0.012 K 2 S 2 O 8 0.005 0.005 H 2 O 25 25 表1. sIPN水凝胶制备实验配方 注：1) a 70℃保温时间24 h；2) b 70℃保温时间5 h。 2.4. 测试方法 2.4.1. 红外光谱 将已经过三次冷冻–恢复室温循环的CMDN水凝胶剪碎后于50℃鼓风烘箱中烘干，用研钵将干凝胶研磨成粉，使用Thermo Scientific公司的NICOLET6700型傅立叶红外光谱仪对其进行红外光谱吸收测试，光谱范围为4000~400 cm −1 。 2.4.2. 溶胀性能测试 1) 取一定质量的块状CMDN凝胶，于50℃鼓风烘箱中烘干，在电子天平上称样品干重m 0 ，然后将干凝胶浸没于去离子水中，室温下浸泡直至溶胀平衡。 2) 浸泡直至凝胶质量不再变化，达到溶胀平衡，称量记录干凝胶溶胀后的质量m 1 。 凝胶的平衡溶胀比ESR按式(1)计算。 E S R = m 1 − m 0 m 0 (1) 2.4.3. pH响应溶胀性能测试 分别用浓盐酸和氢氧化钠配置pH = 2和pH = 12的溶液，将块状CMDN水凝胶样品置于50℃鼓风干燥箱中烘干后称干重md，随后将其浸没于pH = 12的碱液中，浸泡15 min后取出样品并吸干表面多余碱液，称量样品质量ms1，用去离子水冲洗其表面残留的碱，用滤纸吸干样品表面水分后后将样品置于pH = 2的酸液中浸泡15 min，取出并吸干表面粘附的酸液后称量样品质量ms2，用去离子水冲洗其表面残留的酸，用滤纸吸干样品表面水分。重复上述循环操作，pH = 2和pH = 12的溶液在每次浸泡完后均重新更换。为更清楚样品溶胀度变化的规律，在浸泡过程中每隔5 min就取出样品，用滤纸吸干样品表面并称量。样品的溶胀比Q通过式(2)进行计算。 Q = m s − m d m d (2) 其中m s 和m d 分别代表样品溶胀后的质量和样品的干重。 2.4.4. 拉伸性能测试 水凝胶的拉伸性能测试由微机控制电子万能试验机[美特斯工业系统(中国)有限公司，型号CMT4104，电压220 V，功率0.85 kW]进行测试，拉伸速度为50 mm/min，定力衰减率70%。测试方案：哑铃型橡胶样条，500 N传感器，电子万能试验机直接记录拉伸过程中的应力与应变，可导出应力–应变曲线及应力–应变文本数据。 哑铃型水凝胶样条的应力σ通过式(3)运算获得，其中F代表样条所受的拉伸力，d和w分别代表哑铃型样条细颈部分的厚度和宽度。 σ = F d × w (3) 哑铃型水凝胶样条的应变ε通过式(4)运算获得，其中l 0 和l 1 分别代表样条的原长和拉伸后的长度。 ε = l 1 − l 0 l 0 × 100 % (4) 2.4.5. 形状记忆性能测试 分别将0.2 PAMPS及0.5 PAMPS CMDN水凝胶用哑铃型裁刀切割为哑铃型。随后用外力将水凝胶样条弯曲为U型，置于0.4 M FeCl 3 溶液中浸泡24 h，样条固定为U型的临时形状，取出样条后再置于去离子水中浸泡24 h以除去残留的Fe 3+ 离子。随后将U型水凝胶样条置于1 M抗坏血酸水溶液中浸泡，分别在一定的时间间隔拍照记录水凝胶样条形状，直至样条恢复至起始形状。
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user: 4. 结论 本文采用自由基聚合法制备了以PVA和PAMPS为互穿高分子链的sIPN水凝胶，经冷冻–恢复室温工艺制备了CMDN水凝胶。研究了不同PAMPS含量水凝胶的溶胀性能及pH响应溶胀性能。将CMDN水凝胶浸没于一定浓度的FeCl 3 溶液中，获得高强度且具备形状记忆性能的CMIDN水凝胶，研究了不同结构水凝胶的拉伸性能及形状记忆性能。对CMDN及CMIDN水凝胶的表征获得如下结果： 1) CMDN水凝胶具备良好的水溶胀性能，0.2PAMPS和0.5PAMPS CMDN水凝胶的平衡溶胀比分别为39.9和365.3。 2) CMDN水凝胶具备明显的pH响应溶胀性能。当水凝胶处于pH = 12的水体系中时，表现出快速的吸水溶胀过程，当水凝胶处于pH = 2的水体系中时，表现出快速的失水收缩过程。 3) CMIDN水凝胶的拉伸性能测试表明，CMIDN水凝胶具备较高的力学强度(>1 MPa)，其中0.2PAMPS-0.4FeCl 3 水凝胶具备最佳的综合力学性能：断裂强度为3.90 MPa，断裂伸长率为278.0%。 4) CMIDN水凝胶具备良好的还原响应性形状记忆性能，当CMIDN水凝胶浸没于1 M抗坏血酸水溶液中，可实现在150 min内完全恢复初始形状。其中0.2PAMPS-0.4FeCl 3 CMIDN水凝胶可在120 min内完全恢复初始形状，具备更快速的形状记忆性能。
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user: 摘 要 随着城市化的快速发展，极端气候的影响，福州城区内涝频繁，应对内涝风险已经成为城市治理中的难题之一。本文以福州市江北城区为例，利用Mann-Kendall (M-K)以及非参数化Sen方法分析短历时降水规律，借助ArcGIS工具处理分析垫面、河网、管网等致涝因素。认为短历时降雨的增强、不透水地面比例的增高、特殊的地形、闽江潮水位顶托、河道淤堵等是内涝形成的主要原因。针对城市地区小尺度的内涝风险评估，在指标体系评估法和情景模拟法的基础上，提出内涝风险综合评估法，根据福州主城区内涝风险评估结果划分了高、中、低风险区域，并采用“玛利亚”台风涝点对评估结果进行了验证，证明风险评估成果是合理的，对福州城市防洪排涝规划和内涝点的治理具有实用性和适用性。 关键词 :ArcGIS，城市内涝，内涝成因，风险评估 Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，在全球气候系统变暖的大背景下，暴雨等极端气候事件频发 [ 1 ]。据不完全统计，我国有300多个城市遭遇过不同程度的内涝灾害 [ 2 ] ，尤以经济发达的东南沿海城市最甚。福州因独特的地理位置使其备受内涝困扰，2005年的“龙王”台风和2016年的“鲇鱼”台风导致市区大面积积水、停水停电、交通中断，人民生命财产安全受到极大威胁。城市内涝问题引起了城市管理者的重视，2016年3月，福建省政府出台了《实施城市内涝防治三年行动计划(2016~2018年)》 [ 3 ] ，提出“从2016年起用三年时间，实现内涝防治水平明显提高”的目标。 解决内涝问题的当务之急是摸清内涝成因并进行内涝风险评估，对此，广大国内外专家学者也做了相关的研究，叶斌等 [ 4 ] 以内涝灾害频发的武汉、深圳、南昌等城市为例探析内涝灾害产生的原因，结果表明城市规划、排水管网以及市民防涝意识是易涝的主要原因；张维 [ 5 ] 认为降水量大、潮水顶托、城市排水设施不足、城市化发展迅速是广州市内涝的主因。上述研究表明，各城市地域特征具有差异性，内涝成因分析需要“因城而异”。进行内涝风险评估可以有针对性地预防和治理城市内涝，从而达到降低城市内涝灾害损失，保护人民的生命财产安全的目的。Benito等 [ 6 ] 根据欧洲某城市过去上千年的洪水资料和近50年的水文站记录，构建了一种评估城市洪水风险的方法；郭涛 [ 7 ] 利用2000多年的四川城市的水灾资料，研究分析了城市洪涝灾害的规律特征；Rygel等 [ 8 ] 基于指标体系法从国家尺度对洪灾风险进行区划和评估；Aleksandra [ 9 ] 基于洪涝风险理论，选择26个指标对英国曼彻斯特市洪水风险脆弱性进行评估，指明了该市洪涝高风险区域。目前，在情景模拟评估中用到的国外商业模型软件都很成熟，如：英国Wallingford的InfoWorks ICM、丹麦DHI的Mouse及Mike，美国EPA的SWMM等。栾慕、王丹、王滢等人 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] 分别在市、区、县尺度上运用SWMM、Mike及ICM模型进行内涝模拟与风险评估，等等。但是，上述风险评估基本都是采用单一方法研究，针对城市地区小尺度的内涝风险评估，很少有研究讨论在山洪影响下的感潮河网区域的交叉评估或综合评估。因此，本文利用福州市主城区的降雨、下垫面、河网水系、外江潮位等基础资料，对内涝产生的根源进行研究的同时，基于Infoworks ICM软件构建内涝模拟模型，提出适用于福州本地的内涝风险综合评估法，对福州主城区的内涝风险进行评估区划，以期为福州市及类似多河网的沿海城市预防内涝，降低洪涝灾害风险提供理论依据。
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user: 2. 内涝成因分析 2.1. 降水因素 高强度降水是造成城市内涝的主要自然因素。福州市年平均降水量为900~2100 mm，在对106 a (1900~2005年)来福建的台风进行统计分析，平均每年约2次，并且未来有增大的趋势 [ 13 ] ，多集中在7~9月，8月最盛，台风期间带来的连续高强度、历时短的降雨极易形成洪涝灾害。 基于福州城区国家级气象站福州站(1961~2012年)的120分钟的长系列降雨资料研究短历时降雨的变化特征，运用线性拟合、滑动平均、Mann-Kendall (M-K)以及非参数化Sen方法 [ 14 ] 对短历时降雨规律进行分析。表明，近52 a，2 h历时降雨量呈现波动变化特征，于2005年出现最大值176 mm，1986年出现最小值31.9 mm，均值为58 mm，根据拟合的线性曲线，降雨量按照3.6 mm/10年的速度增加，见图1；5 a滑动平均表明，2 h降水量变化存在明显的年代际特征，在1961~1980年期间，波动较小，基本与多年平均值持平，而在1980年以后，起伏较大且不稳定，就整个阶段来看，是正距平。经过Sen趋势度方法分析，在99%的置信度下β在−0.3~0.6之间变化，见图2，斜率估计值为0.087，大于0，表明2 h降水量为增加的趋势。M-K检验中的统计值Z为0.63，表明增加趋势不显著。 2.2. 地形地势 利用ArcGIS软件对江北主城区30 m精度的DEM进行渲染处理，见图3，表明主城区地势西高东低，北高南低，东西北三面群山环抱，南临闽江，主城区位于河口盆地中心。这种特殊的地形地势使得在强暴雨期间，北部和东西部山洪入侵时，城区排洪排涝压力加大；若此时适逢“半日潮型”闽江潮水顶托 [ 15 ] ，城区排水不畅，城区积水问题更加突出。 图1. 2 h降雨量年际变化过程 图2. 2 h降雨量Sen趋势度分析 图3. 福州主城区地形及水系拓扑图 2.3. 下垫面 1990年之后，福州城市化进度加快，原有的绿地、湿地和水体被各类不透水下垫面取代，导致地表水文循环中径流过程发生很大变化。不透水率与径流系数存在很好的线性关系，当把不透水率为15%的农耕地改变为85%的建筑用地时，在同等降雨条件下，产流速度加快，以道路、建筑为主的不透水路面的地表径流量会增加数倍 [ 16 ] ，对低洼地带排水造成很大压力。 将江北主城区下垫面划分为以下七种 [ 17 ] ：绿地、道路、房屋、广场(不渗水)、广场(渗水)、裸土、水体。利用ArcGIS工具将下垫面类型进行矢量化，见图4，并对各种类型的下垫面进行统计，统计结果表明，硬化地表(房屋、道路和不渗水广场)面积约占比48%，相比于杭州(硬化地表面积比例24%)等其他城市，不透水率较高。这种高的不透率会加剧内涝灾害的影响：暴雨期间，1) 下渗减少，地表径流增加，洪量加大；2) 地表径流汇流加快，导致洪峰提前。这是福州城区极易发生内涝灾害的重要原因。 图4. 福州主城区下垫面分布 2.4. 排水通道 1) 排水管道 根据管线普查资料统计结果，主城区内排水(雨水)管渠管径介于200~2400 mm之间，设计标准多为1年一遇(年多个样法)，其中低于500 mm管径比例约为63%。由于管径小，设计标准偏低等问题，也在很大程度上影响了雨水管排水能力。 2) 河道 近年来，福州城市化速度加快，内河、湖泊等水面被挤压，城市天然滞蓄空间在急剧减少。现如今，江北主城区水系状况如上图3所示，泄洪排涝主要依靠晋安河–光明港通道，不足以满足福州的排涝要求，并且还有不少断头河，除此之外，部分河道堵塞，淤积的问题也很严重，需清淤河道占比较高，见图3，大大限制河道排水通道的泄洪能力。
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user: 3. 内涝风险评估 3.1. 内涝风险评估方法选择 目前，城市内涝风险评估的方法有多种，较为常用的主要有以下三种方法：历史灾情数理统计评估法、指标体系评估法和情景模拟评估法 [ 18 ]。历史灾情数理统计的内涝灾害评估法虽然计算简便，不需要详尽的地理背景数据，但难点在于获得长历时历史灾情资料；基于指标体系评估应用虽最广泛，但主要应用于较大的空间尺度，精度相对不高；情景模拟法运用成熟的水文水力学模型在不同降雨情景下进行数值模拟，适用于城市等小尺度区域，难点是降雨情景的设置以及基础资料的收集。经过分析上述三种评估方法的各自的优缺点，结合福州市的具体情况，在指标体系评估法和情景模拟法的基础上，提出福州内涝风险综合评估法。其思路为：首先确定内涝风险评估标准，然后通过水文水力模型进行模拟(包括积水区域、深度、时间)。最后基于模拟结果和评估标准划分内涝风险区。 3.2. 内涝风险评估标准 1) 影响因素 与内涝风险相关的因素主要包含两类：积水程度(含积水深度和积水历时等)和区块重要性。其中积水程度属于致灾因子，需采用水文水力模型进行精细化模拟；区块重要性属于承灾体，根据社会公众承受能力定性确定。内涝风险可用函数表示为： R = f ( h ，   t ，   x ) (1) 式中：h——积水深度；t——积水历时；x——区块重要性。 2) 确定权重和风险分值 按照三个影响因素的重要性，结合专家评分结果，确定积水深度和积水历时的权重为0.4，区域重要性的权重为0.2。对各影响因素的不同分级进行专家打分 [ 19 ] ，确定风险分值，见表1。 Table 1 Statistical results of graded risk scores of waterlogging influencing factor 影响因素 风险权重 分级 风险分值 积水深度(cm) 0.4 h < 15 1.5 15 ≤ h < 30 2 30 ≤ h < 50 2.5 h ≥ 50 3 积水历时(h) 0.4 t < 1 1 1 ≤ t < 2 2 t ≥ 2 3 区域重要性 0.2 一般重要 1.5 比较重要 2 重要 2.5 特别重要 3 表1. 内涝影响因素分级风险分值统计结果 3) 风险评估标准 按照各影响因素的权重和风险分值，可以通过下式进行内涝风险值计算： R = Q h × W h + Q t × W t + Q x × W x (2) 式中：R——区域内涝风险值；Q h ——积水深度的风险分值；W h ——积水深度的风险权重；Q t ——积水历时的风险分值；W t ——积水历时的风险权重；Q x ——区域重要性的风险分值；W x ——区域重要性的风险权重。 基于表1，通过式(2)对不同分级进行内涝风险值计算，根据风险值计算结果以及遵循从严掌控的原则，设定划分高中低风险区的界值为1.8和2.4，拟定福州市内涝风险等级标准，见表2。 Table 2 Waterlogging risk assessment criteri 内涝风险值R 风险情况描述 内涝风险等级 R < 1.8 区域内积水点零星分布，深度小于15公分，积水很快消散，对居民出行基本无影响，且区域内无重要的公共设施。 低风险 1.8 ≤ R < 2.4 区域内积水点主要分布在道路沿线，小区内无积水，积水深度15~30公分，虽然对居民出行有一定影响，但不会造成财产损失和人员伤亡，区域内有重要的公共设施，如学校，政府机构等。 中风险 R ≥ 2.4 区域内积水点分布较多，范围广，小区内和道路同时出现积水，且积水深度在30公分以上，影响居民出行，并可能造成人员伤亡和损失财产，且区域内有重要的公共设施，如交通枢纽、医院等。 高风险 表2. 内涝风险评估标准 3.3. 内涝灾害模型模拟与风险评估 基于江北主城区排水防涝基础设施资料，采用Infoworks ICM软件对内涝风险情景进行模拟分析。模型中设置新店溪、登云溪等12个上游边界入流，采用50年一遇的的山洪入流；下游边界条件采用彬德水闸、五孔闸等4个闸站的外江多年平均高潮位。住建部颁发的《城市排水(雨水)防涝大纲》要求城市中心城区需有效应对50年一遇的暴雨，因此本研究的设计暴雨采用图5所示的TM = 50年的24 h降雨雨型。 图5. 50年一遇的24 h设计降雨雨型 当江北主城区遭遇50年一遇暴雨时，城区大部分内河均出现漫溢现象，区域内五四河、湖前河、晋安河等多条河道内的洪涝水漫溢至周边地块，总体上，积水严重区域主要分布在晋安河流域以及城区其他低洼地区。通过计算积水区的风险值，按照风险评估标准，判定积水区域风险类型，利用ArcGIS软件绘制洪涝风险区，见图6。对各类风险区面积进行统计，得出内涝风险评估结论：高风险区面积达23.4 km 2 ，占比23%，主要分布在晋安河中上游区域；中风险区面积约20.2 km 2 ，占比19%，主要分布在凤坂河、浦东河河区域；低风险区面积60.4 km 2 ，占比58%，主要分布在北部山区、新西河以西以及磨洋河以东。 图6. 福州主城区区洪涝风险区划及“玛利亚”涝点分布图
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user: 4. 结语 城市内涝成因具有复杂性，受多变量因素的制约。本文以福州主城区为研究对象，仅分析降雨、下垫面、地形及排水通道因素对洪涝形成的影响，也可从管理、规划、排涝设施等角度展开成因分析。在50年一遇暴雨重现期下，借助模型手段，采用内涝风险综合评估法开展了福州主城区的内涝风险评估，对评价结果进行了高、中、低风险分区。利用2018年第八号台风“玛利亚”(降雨重现期超50年一遇)在主城区形成的涝点对评估结果的合理性进行验证，如图6所示，有67%的涝点发生在高风险区，有82%的涝点发生在中风险区以上，与风险评估的结果大致相符，表明评估研究成果具有可适用性和实用性。开展内涝风险评估，可以提前告知风险，达到减灾降险的目的，亦可辅助内涝成因分析，结合工程手段为城市防洪排涝规划和内涝点的治理方案提供有力的参考。
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user: 摘 要 水足迹评价是一种衡量人类活动对水资源影响的新技术，有助于人类科学合理地利用水资源。本文简要分析了水资源利用现状，阐述了水足迹理论的内涵，总结了基于生命周期评价理论的水足迹评价方法，综述了水足迹量化评价及其应用领域内的研究状况，并展望了今后的研究方向。 关键词 :水资源，水足迹，生命周期，评价 Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 人类活动需要消耗和污染大量的水资源，水资源危机是人类发展需要面对的严重问题之一。随着工业化、城镇化的深入发展，水资源稀缺和水质恶化的形势将更加严峻。水资源利用和管理问题已逐渐成为全球可持续发展争论的焦点。科学合理的水资源利用方式和管理模式是实现水资源可持续开发利用和生态环境平衡的重要基础。 传统的工农业生产过程对水资源的利用率较低。为提高生产效率和经济效益，生产者或水资源利用者往往会忽略对水资源自身和潜在的环境影响。为了更好地理解和量化人类活动对水资源及与水相关环境的影响，有必要开发一种科学、通用的水资源利用评价技术，以规范水资源的合理利用和科学管理，为行业、区域、国家和全球层面制定水资源政策提供技术支撑。水足迹评价技术便是其中的一种。 荷兰水资源专家Hoekstra于2002年在虚拟水理论研究的基础上，提出“水足迹”的概念 [ 1 ] 。虚拟水最早在农业生产领域被提出用于表达农业产品生产过程中所需要的水资源量，后被扩展为生产商品和服务所需要的水资源量 [ 2 ] 。虚拟水考虑到了生产过程中整个产品系统的用水情况，但对排放所产生的水劣化足迹关注较少。水足迹的提出不仅核算了产品在整个生命周期内对水资源的输入，还充分考虑了输出对环境，尤其是水资源的影响。狭义的水足迹定义是指一种产品(商品或服务)整个生产供应链中的用水量之和 [ 3 ] ；广义的水足迹是指用于量化与水相关潜在环境影响的指标，考虑对所有环境相关属性，即与水相关的生态系统、人类健康和自然资源属性的影响 [ 4 ] 。与前些年提出的碳足迹一样，水足迹亦属于生态足迹的范畴，其核心思想均源自加拿大经济学家William在1992年提出的“生态足迹理论” [ 5 ] ，它们以不同的方式衡量人类对自然资源的利用和影响，都是产品生命周期评价过程中需要考虑的重要内容。 水足迹概念的提出，量化了人类活动对水资源的影响，拓展了传统水资源利用的评价内容。从消耗水与生产过程密切程度的角度来说，水足迹包括直接水足迹和间接水足迹。直接水足迹是指产品系统生产运行中的直接取水；间接用水是指供应链原材料、能耗、同化吸收排放等产生的水足迹。 水足迹不仅体现消耗的水量数据，还体现水源类型、污染类型、污染量等多层面的指标。从这个角度来说，可将其分为蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹三部分。蓝水足迹是指产品系统运行过程中对蓝水资源(地表水和地下水)的消耗；绿水足迹是指对绿水资源(地表和土壤中不径流的水)的消耗；灰水足迹是指同化吸收产品系统排放对水资源影响所需淡水的消耗。 水足迹研究及应用领域广泛，不仅仅局限在具体产品的生产过程，还体现在行业布局、区域发展以及国家水质资源战略规划等方面。从研究领域的角度可将水足迹分为产品水足迹、行业水足迹、区域水足迹、国家水足迹等。产品水足迹属于微观领域的水足迹，是我们最早研究，也是相对来说研究比较成熟的领域，其研究成果能为我们改进生产工艺、提高水资源利用效率和改革生产管理制度提供指导性建议。行业、区域、国家等宏观领域的水足迹研究能够为与水相关的行业布局、区域发展、国家规划等政策的制定提供依据。 依据研究目的和范围的不同，在水足迹分析和评价过程中，既可以综合评价人类活动对与水相关环境的潜在影响，也可以研究影响类型中的某些方面。前者称之为综合水足迹，后者称为非综合水足迹。我们通常所说的水足迹即为综合水足迹，其研究评价内容更全面科学。非综合水足迹的类型较多，有水可利用性足迹、水劣化足迹等 [ 4 ] 。水可利用性足迹如果只考虑水量，也称为水稀缺足迹。水劣化足迹包括水富营养化足迹、水酸化足迹、水生态毒性足迹等。
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user: 2. 水足迹评价方法 作为水足迹评价的国际标准方法，水足迹网络组织(WFN)于2011年出版的《水足迹评价手册》一直以来都是科研人员和水相关资源管理者开展水足迹评价的指导性方法 [ 6 ] ，是全球首部有关水足迹评价的国际标准手册。它详细阐述了水足迹的概念和开展水足迹评价的过程，介绍了蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹、产品水足迹、企业水足迹、国家水足迹的计算方法和步骤，实用性较强。规定了实施水足迹评价过程的四个阶段包括设定目标和范围、水足迹核算、水足迹可持续评价和制定水足迹响应方案。对每个阶段的实施过程都有详细的规定和说明。 另一种开展水足迹评价的方法，是基于国际标准化组织(ISO)于2014年发布的国际标准《ISO14046 Environmental management water footprint-principles， requirements and guidelines》而建立起的一种新的，更全面的水足迹评价方法 [ 7 ] 。ISO14046规定了基于生命周期评价(LCA)理论开展产品、过程和组织水足迹评价的基本原则、要求和指南。与WFN水足迹评价注重“水用量”相比，ISO水足迹评价充分考虑到了资源和环境的“影响”评估，其评价内容更科学全面。近年来，在借鉴国外相关标准和研究成果的基础上，我国也陆续发布实施了GB/T 33859、GB/T 24040、GB/T 24040等多项有关生命周期和水足迹评价领域内的标准 [ 4 ] [ 8 ] [ 9 ] 。下面以产品水足迹评价为例，上述标准为参考，总结归纳基于生命周期评价理论开展水足迹评价的具体过程。 基于生命周期评价标准的水足迹评价以产品周期为视角，焦聚与水相关的环境影响，实施过程中包括研究目的和范围、水足迹清单分析、水足迹影响评价、结果解释四部分内容。它们之间互相联系，相互影响，共同构成了水足迹评价的完整过程。如图1。 图1. 水足迹评价的四个阶段 2.1. 目的和范围的确定 为保证水足迹评价的透明准确，在水足迹核算前必须明确说明研究目的和范围。研究目的包括研究对象、研究理由、应用意图等内容。研究范围应与研究目的相一致，其内容包括产品系统及边界、功能单位、数据质量要求、数据分配原则、取舍准则，影响评价方法和影响类型等。水足迹研究过程具有反复性，为了保证研究过程的一致性和研究结果的完整性，在实施过程中往往需要根据其它阶段的研究成果不断地调整研究范围和目的。作为一种耗水分析手段，水足迹评价可以关注产品整个生命周期内某个特定过程，如生产过程的水足迹，也可以关注产品消费过程的水足迹，而边界条件的界定就是确定水足迹评价包含哪些单元过程以及输入输出的空间尺度。确认产品系统、划定边界条件、确认采集数据范围是下一步开展水足迹核算分析的基础。原则上凡是对产品系统水足迹有显著贡献的环节都需要进行核算。 2.2. 水足迹清单分析 水足迹清单分析就是量化产品系统内各单元过程的输入和输出，包括直接用水和间接用水 [ 10 ] [ 11 ] 。直接用水数据包括用水量、水源类型、水质参数、用水方式等；间接用水数据包括原材料、能耗、能量种类和来源、排放等。数据要求原则上应采集生产系统实际运行过程中的原始数据，当原始数据无法收集或数据经审定不准确时，可使用来源于文献资料、计算数据、模型预测等二手数据。在水足迹核算过程中，物料和能量的回收利用不应被核算在水足迹的范畴之内。清单分析得到各单元过程的输入输出数据后，可按照水足迹评价手册提供的方法分别计算蓝水、绿水、灰水足迹，三者相加即可得到单元过程的水足迹 [ 3 ] 。由单元过程水足迹计算产品水足迹时一般可采用链式求和法、阶段累积法等。链式求和法适用于单一产品系统水足迹的核算，阶段求合法适用于多产品系统水足迹的核算。在多产品系统水足迹的核算过程中，单元过程的输入输出数据应根据分配程序，按一定规则分配到不同的中间产品或最终产品上。 2.3. 水足迹影响评价 水足迹影响评价是确定产品系统的输入输出过程会产生哪些与水资源相关的环境影响类型，并通过特征化模型量化影响程度的过程 [ 4 ] 。人类活动对水资源的影响与环境机制有关，不同的环境机制对应着不同的影响类型，可量化出不同的类型参数。水足迹影响评价应根据研究目的和范围合理确定影响类型、类型参数和特征化模型。水足迹清单分析与核算可以得到产品生产过程的总耗水量，水足迹影响评价则能够确定产品生产过程对与水相关环境潜在影响的具体方式和程度的大小，可理解为对水足迹清单分析数据的深层次处理，其中涉及到根据影响类型对清单分析数据进行分类、特征化、归一化等处理。在水足迹影响评价过程中，常见的影响类型有水富营养化、水酸化、热污染、水生态毒性等，根据研究目的和范围的规定，影响评价过程可以得到水可利用性、水劣化、水富营养化足迹等数据中的一种或多种。水足迹影响评价的直接目的是得到水足迹概要，就是一系列与水相关潜在环境影响类型参数结果的汇编。此外，水资源具有时空属性，在影响评价的特征化过程中还应考虑地域和时间因素的影响。 2.4. 结果的解释 水足迹评价的解释是为了确认水足迹评价过程是按照研究目的和范围的要求实施，并实现了研究意图而实施的一系列识别和评估过程。包括重大问题的识别，完整性、敏感性和一致性的检查评估和给出结论、局限和建议三部分内容。水足迹评价是一种迭代分析过程，具有反复性，水足迹评价的每个阶段都使用其它阶段的研究结果，确保了研究成果的完整性，并与研究目的和范围保持一致。完整性检查是验证研究得到的数据和结论是否全面完整。一致性检查是验证研究过程中不同阶段使用的假设、方法和数据等是否前后一致。敏感性检查是为了验证重要数据信息、核算方法、量化模型对研究结果是否具有显著影响。水足迹评价的最终结果要给出研究结论，以研究结论为依据提出改进建议并指出研究成果的局限性。 需要特别说明的是，水足迹评价尽管是一种更科学合理的评价水资源利用的手段，但仍具有一定的局限性。水足迹研究不考虑经济和社会效益，仅衡量人类活动对水资源和与水相关环境影响的大小，并不能充分描述产品和过程的全部潜在环境影响，更不是评价产品优劣和过程合理与否的决定性指标。水足迹核算的结果可作为耗水指标的参考，与其它评价技术相结合使用。总体来说，水足迹的研究还处于起步发展阶段，其研究过程和结果还有很多不足之处。水足迹清单分析的核算方法目前还不够完善准确。在环境影响评价过程中，影响类型、特征化模型的选择也没有统一公认的标准。由于水足迹理论研究和发展在在我国起步相对较晚，研究领域较窄，可用于核算水消耗的数据库很少或是没有相对可靠的数据，统计数据收集困难，很多重要的一手数据很难获得，尤其是来源于上下游产业和过程的间接水足迹数据匮乏，多数情况下会采用耗水量数据作为参考，没有充分考虑“影响”的评估，导致水足迹核算结果还具有较大的不确定性。
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user: 3. 水足迹评价研究进展 作为一种新兴的水资源利用分析管理方法，水足迹的概念自提出以来得到了众多科研工作者关注。很多国家和地区相继对其开展了广泛深入的研究，以下从水足迹的核算评价和以水足迹评价为基础的应用研究两个方面叙述。 3.1. 水足迹的量化计算及评价研究 水足迹的量化计算是水足迹评价及应用的基础，也是目前研究相对成熟的领域。人们最早在农牧业领域开展了农牧产品水足迹的核算研究，Hoekstra、Chapagain等 [ 12 ] [ 13 ] 对咖啡、棉花、肉类等产品的水足迹进行了核算，国外这方面的研究成果较多。鉴于水足迹核算评价的时空属性，这里重点介绍国内的研究状况。国内对水足迹的研究虽然起步较晚，但在各领域水足迹的量化计算模型及评价方法的研究方面，均取得了较多的研究成果。 在纺织品、服装、丝绸等轻工业产品生产领域，王来力等 [ 14 ] 引入水足迹理论，对纺织品与服装的工业水足迹进行了核算和评价，重点探讨了边界条件、核算方法、数据分配和结果评价等关键性问题，提出了提高水足迹核算结果的准确度、减少蓝水水足迹、降低单类产品水耗的方法。张音等 [ 15 ] 以水足迹理论和方法为基础，界定了纺织服装工业用能源及物料水足迹系数的基本概念，通过对能源供给和核算方法的研究，对能源及物料水足迹系数进行了计算和不确定分析，确定了原煤、石油天然气、火电等能源和纸制品、塑料制品、金属制品等物料的水足迹系数，为相关领域内工业产品水足迹的准确核算奠定了基础。何琬文等 [ 16 ] 对丝绸产品生产加工阶段的基准水足迹进行了核算和评价，重点关注了水资源消耗和水污染物排放的水环境负荷，细化并准确核算了各种非综合性水足迹。 在水稻、小麦、棉花等农作物生产领域，何浩等 [ 17 ] 运用水足迹理论和方法计算了湖南省水稻生产的水足迹，分析了其变化和构成特征。在研究成果的基础上对湖南省今后的水稻种植策略提出了建议。邓晓军等 [ 18 ] 根据棉花生产水资源消费的特征，以水足迹评价理论与方法为基础，提出了棉花消费水足迹的概念和模型，对新疆地区棉花生产的水足迹进行了计算和分析，通过影响评价研究探讨了棉花生产带来的生态环境问题。盖力强等 [ 19 ] 核算了我国河北、北京、天津等华北地区小麦、玉米的虚拟水含量及其生长生产水足迹，并重点分析评价了绿水的重要性和灰水对环境的影响。 在钢铁、煤炭、氯碱化工等高耗水重污染产品生产领域，尹婷婷等 [ 20 ] 对我国钢铁生产过程中的虚拟水和水足迹进行了核算和影响分析，提出了钢铁生产过程中水资源合理利用的建议。丁宁等 [ 21 ] 在基于生命周期水足迹评价方法的基础上，提出了包含蓝水足迹、灰水足迹和间接水足迹的能源系统水足迹评价模型，并将此模型应用于煤炭生产过程的水足迹计算。该研究为能源系统水足迹的评价提供了理论方法，并为以煤炭为原料或燃料的下游产品水足迹的核算评价提供了数据支撑，具有重要意义。油惠仙等 [ 5 ] 通过分析氯碱行业产品生产过程中耗水的结构，提出了化工产品水足迹的核算模型，并以此模型为基础计算出了氯碱产业链中各产品耗水账户的水足迹。张明等 [ 22 ] 对我国造纸行业的用水和排水情况进行了分析总结，对生产过程的水足迹进行了核算，并对水足迹的构成做了分析评价。 此外，食品 [ 23 ] [ 24 ] 、养殖 [ 25 ] [ 26 ] 、能源 [ 27 ] [ 28 ] 、建材 [ 29 ] 、服务 [ 30 ] 等其它领域的水足迹核算评价研究，在近几年也有一定的报道。研究多集中在生产过程、日常消费、环境影响等领域，总的来说研究视角相对狭窄，研究内容还有待深入。通过对近十余年来我国水足迹研究情况的梳理和分析，可以明确的是对水足迹的量化计算研究，目前已形成了较为系统的理论基础和分析核算方法，完成了多个领域产品水足迹的核算分析，其准确性虽有不足，但也在不断提高。随着经济社会的快速发展，来自水资源短缺和环境保护领域的压力会逐渐加大，未来第三产业和重污染领域产品水足迹的量化计算研究会成为研究的重要方向。 3.2. 水足迹理论为基础的宏观应用研究 水足迹评价的研究不仅能够为高耗水产品的工艺技术改进和生产管理提供建议，也能为行业、区域、国家水资源利用政策的规划指明方向。基于水足迹核算评价方法研究成果的不断完善，越来越多的学者开始关注行业、区域、国家等宏观水足迹的研究，并在此基础上提出了新的节水供水和可持续发展策略。YU Y，VANHAM D等 [ 31 ] [ 32 ] 开展了英国、欧盟、全球的水足迹评价，并对相关区域水资源的利用战略进行了分析和规划。国内在此领域内的研究也越来越多，亦取得了一定的研究成果。 为了实现水资源的高效、可持续利用，张吉辉等 [ 33 ] 分析了经济社会系统和自然生态系统水资源循环流动原理，构建了基于水足迹核算的区域水资源协调优化模型和协调后效性分析指标体系。并以天津市为例，测算了其水资源足迹，评价分析了水资源足迹的构成、水资源贸易和经济社会效益，构建了对应的水资源协调优化模型和协调后效性评价指标体系，以此为依据从水资源全生命周期角度提出了协调与控制策略，为天津市及同类区域水资源的高效利用和协调提供了决策参考。孙义鹏等 [ 34 ] 引用虚拟水及水足迹相关理论、模型和方法，对大连市26种农、牧及工业产品的虚拟水贸易和大连市的水足迹进行了计算，并分析评价了其结构特征和可持续性，提出了实现大连市水资源可持续利用的贸易政策。尚海洋等 [ 35 ] 通过对水足迹与碳足迹在概念、研究方法和应对策略等方面进行比较研究，提出了开展水足迹消费、水足迹贸易等相关政策研究的可能性，指出了提高水资源利用效率和经济效率的几种可能途径。 基于流域内，区域间的水资源合理分配和协同发展理念，耿涌等 [ 36 ] 借用水足迹评价的理论和方法，界定了流域水足迹的内涵。通过分析流域沿岸各区域水资源利用、环保投入和生态服务的耗费情况，提出了流域生态补偿标准计量流程及不同情况下的流域生态补偿标准测算模型，能够客观准确地量化流域生态补偿额度，为管理决策者正确分析和解决流域各区域间的协作提供了科学的依据和支持。郭瑞鹏等 [ 37 ] 以水足迹理论为基础，提出了流域生态补偿定量模型，并以浑河流域的抚顺市和沈阳市为例，开展了浑河流域生态补偿的定量研究，研究成果可为全国各流域不同区域水资源的合理利用和协同发展提供借鉴。苑清敏等 [ 38 ] 基于虚拟水足迹模型，对京津冀地区水足迹与水盈余/赤字的空间变化进行了研究，构建出了基于水足迹的生态补偿标准模型，量化了京津冀三地间的生态补偿额度，给出了京津冀水资源合作的补偿机制。为京津冀地区用水安全保障体系的构建和生态环境的共建共享提供了参考。 未来水足迹的量化评价将逐渐成为基础性的研究工具，其量化评价理论、核算方法和影响模型的准确性仍有待进一步的提高。统计数据的准确性，以及来源的多样化、差异性都会导致水足迹核算结果和影响评价产生偏差，尤其灰水足迹、间接水足迹的核算较为复杂。随着水足迹理论和评价技术的不断发展，相关领域数据库的不断完善，水足迹评价的科学性和准确性将不断得到提高，其在相关领域的应用研究也将越来越广泛，如衡量人类水资源消耗对生态环境的影响、提出新的科学的水资源管理政策、产业结构优化等。
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user: 摘 要 澜沧江–湄公河是流经五国的东南亚第一长河，随着澜沧江干流出境前最后一个水电站景洪站的投入运行，其对澜沧江出境水量变化的影响倍受下游国家及国际社会的关注。本文运用景洪电站下游的允景洪、关累水文站径流资料，开展景洪站建立前后对其下游河段径流量的影响研究。结果显示，1) 建库后的下泄水量较建库前上游来水量具有明显减少趋势；2) 枯季时，建库后下泄水量较建库前上游来水量增大，而汛期则体现为减少；3) 枯季的下泄水量比重占全年下泄水量的比重增大，且损失水量随枯季下泄水量的增大而增大。该研究结果可为澜沧江流域水电开发及其流域管理提供基础依据。 关键词 :径流量，变化分析，景洪水电站，澜沧江下游 Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 澜沧江–湄公河乃我国与东南亚五国共饮一江水，我国境内澜沧江段自然资源开发等对我国西南地区地缘政治、地缘经济有着重要影响作用。澜沧江中下游开发条件理想，水能资源丰富，在云南河段内实现了梯级水电开发，汇集了全流域70%的水能资源。水利水电工程作为调控水资源的重要手段，解决区域水资源供需矛盾的同时，其建设也带来了径流改变、泥沙淤积、农田淹没、局域生态系统破坏等环境问题 [ 1 ] [ 2 ]。梯级水电开发通过对河流入库流量的调节，改变了河道径流原本分配过程，致使河流径流量减少，甚至断流，且该影响自上游到下游逐渐增大 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]。钟华平等人研究发现澜沧江梯级水电站对径流影响具有累积效应，对下湄公河径流量具有显著的调节作用，尤其在梯级大坝蓄水前期，影响作用更加显著 [ 6 ]。顾颖等人对澜沧江梯级电站建设对下游水文情势展开研究，发现随着建成电站的增多，对下游的扰动影响也随之增大，且在下游出境处径流过程受扰动程度最大 [ 7 ]。随着澜沧江干流出境前最后一个水电站景洪站的投入运行，其对澜沧江出境水量变化的影响倍受下游国家及国际社会的关注。 本文运用景洪电站下游的允景洪、关累水文站径流资料，对建库前后水库下泄水量进行对比分析，可为该国际河流流域水资源管理提供一定的理论依据。
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user: 2. 水文观测站与水电开发 本研究流域如图1所示，澜沧江属典型的山地河流，主要由降水、地下水、冰雪融水补给。下游河段处在相对宽阔的槽型谷段，河谷沿程有宽窄相间的变化，主要呈现为中低山宽峡谷的特征，地势趋平缓，河道呈束放状，出国境后河道比较开阔平缓。 图1. 研究流域示意图 2.1. 水文站 允景洪水文站断面位于澜沧江下游河段，地理位置为东经100˚47'，北纬22˚02'，积水面积141，779 km 2 。断面上游3.5 km为景洪电站，其间无支流汇入，断面下游104 km处为出境口。允景洪水文站断面来水主要是景洪电站下泄水量 [ 8 ] [ 9 ]。 关累水文站于2007年1月由云南华能澜沧江水电有限公司设立，位于东经101˚10'，北纬21˚45'，积水面积158，300 km 2 ，距上游允景洪水文站断面约78 km，距澜沧江出境口约26 km，基本断面控制良好呈U字形。关累水文站与允景洪水文站之间有流沙河、补远江和南阿河三条较大支流汇入。 2.2. 水电开发 目前，澜沧江干流上已先后建成了功果桥、漫湾、大朝山、小湾、糯扎渡和景洪等水电站。电站分布在分析断面上游各个河段，所以对分析断面的来水量起着至关重要的调节作用。特别是2008年6月19日蓄水发电的景洪电站，直接决定了允景洪水文站控制断面的水量，景洪电站的下泄流量就是允景洪水文站的控制来水水量。目前允景洪水文站下游无水利工程对澜沧江水量起到影响作用。