滇池流域水生态功能一二级分区研究

水生态功能分区是流域水资源管理、水环境保护、水生态恢复的基础,尤其是与人类活动紧密相连而又矛盾重重的湖泊流域,其水生态功能分区是实现流域可持续发展的必要条件,而如何科学合理地对湖泊流域进行水生态功能分区,成为流域综合管理过程中亟需解决的问题.以滇池流域为例,立足于滇池流域水生态系统存在的问题,确定了流域一、二级水生态功能区的主导功能;以水文完整性为基础,分别针对一、二级分区划分子流域单元;以生态功能区划的生态系统服务功能、尺度效应、地域分异规律等相关理论为基础,识别影响滇池流域水生态功能的关键因子,构建滇池流域一、二级水生态功能区的指标体系;对多指标进行空间叠加聚类,并根据滇池流域的水量水质特征对分区边界进行微调,将滇池流域划分为5个一级区和10个二级区;同时采用着生藻、水丝蚓的生物密度对分区结果进行合理性评价;在此基础上,对水生态功能分区存在的问题进行探讨.     

鄱阳湖流域径流模型

流域径流是鄱阳湖主要来水,建立鄱阳湖流域径流模型对揭示湖泊水量平衡及其受流域自然和人类活动的影响具有重要意义.针对鄱阳湖-流域系统的特点:流域面积大(16.22×104km2)、多条入湖河流、湖滨区坡面入湖径流等,研究了相应的模拟方法,建立了考虑流域土壤属性和土地利用空间变化的鄱阳湖流域分布式径流模型.采用6个水文站1991-2001年的实测河道径流对模型进行了率定和验证.结果显示,模型整体模拟精度较高.其中,赣江、信江和饶河均取得了较好的模拟结果,月效率系数为0.82-0.95;抚河和修水模拟精度略低,为0.65-0.78.模型揭示了研究时段内年平均入湖径流总量为1623×108m3,其中,赣江最多,占47%,其次为信江和抚河,分别占13%和12%,湖滨区坡面入湖径流约占4%,其余24%来自饶河、修水以及其它入湖支流.模型将用于评估流域下垫面或气候变化引起的入湖水量变化,为湖泊水量平衡计算提供依据.     

新疆阿克苏河流域径流预报方法研究

阿克苏河(中吉国际河流)现已成为塔里木河的主河源,它对塔里木河干流的形成、发展和演变过程起着决定性作用.随着国家西部开发战略--塔里木河流域综合治理的深入开展和实施,阿克苏河流域的水文特征、水文预报等研究成为热点.特别是在干旱区中纬度高海拔流域的河流中,阿克苏河是以冰雪融水补充为主河流的典型代表,对阿克苏河流域径流进行预报研究具有理论和现实意义.鉴于此:(i)结合干旱区无资料或少资料的现状,利用现有的水文气象资料,尝试并构建日尺度水文预报方法;(ii)采用高空气温代替地面实测气温与日径流相关关系法、AR(p)预报模型、气温降雨修正的AR(p)预报模型和NAM降雨径流模型,对阿克苏流域的两大支流进行日径流模拟和预报;(iii)对4种方法模拟结果进行对比分析,表明利用气温和降雨修正后的AR(p)模型所用水文气象资料少、应用简便、预报精度较高、比较适用于资料较缺乏的阿克苏流域的短期径流预报.该研究以日尺度进行水文预报,在该流域尚属首次,不仅为阿克苏河、塔里木河的水文预报、洪水防治和全流域的水量调度等提供基础,也为干旱区其他流域的水文预报提供了参考方法.     

新疆阿克苏河流域径流预报方法研究

阿克苏河(中吉国际河流)现已成为塔里木河的主河源,它对塔里木河干流的形成、发展和演变过程起着决定性作用.随着国家西部开发战略--塔里木河流域综合治理的深入开展和实施,阿克苏河流域的水文特征、水文预报等研究成为热点.特别是在干旱区中纬度高海拔流域的河流中,阿克苏河是以冰雪融水补充为主河流的典型代表,对阿克苏河流域径流进行预报研究具有理论和现实意义.鉴于此(i)结合干旱区无资料或少资料的现状,利用现有的水文气象资料,尝试并构建日尺度水文预报方法;(ii)采用高空气温代替地面实测气温与日径流相关关系法、AR(p)预报模型、气温降雨修正的AR(p)预报模型和NAM降雨径流模型,对阿克苏流域的两大支流进行日径流模拟和预报;(iii)对4种方法模拟结果进行对比分析,表明利用气温和降雨修正后的AR(p)模型所用水文气象资料少、应用简便、预报精度较高、比较适用于资料较缺乏的阿克苏流域的短期径流预报.该研究以日尺度进行水文预报,在该流域尚属首次,不仅为阿克苏河、塔里木河的水文预报、洪水防治和全流域的水量调度等提供基础,也为干旱区其他流域的水文预报提供了参考方法.     

降雨径流过程驱动因子的室内模拟实验研究

降雨径流过程的驱动作用可以归结为两个方面: 第一是降雨过程的影响, 第二是下垫面变化的影响. 通过179场室内降雨径流模拟实验发现, 无论是降雨历时还是降雨强度都会影响汇流的滞时, 这与传统的假设有明显的矛盾. 尤其是在降雨历时小于全面汇流时间和较小的降雨强度下这种非线性关系的影响十分明显. 由此可以推定, 单位线用于南方湿润地区的降雨径流过程模拟更为合理, 而在北方的干旱、半干旱地区, 由于降雨强度变化快, 降雨历时短, 所以使用时要特别注意降水条件. 这也说明了过去的水文模型在北方地区的产汇流效果不好的原因. 降水历时较小时, 流域的汇流特性有较为剧烈的变化, 因为此时流域未达到全流域汇流, 这反映了实际北方降雨径流情况, 因此单位线使用时必须进行适当的非线性校正. 当降雨历时大于流域的全面汇流时间以后整个流域达到蓄泄平衡, 适用于南方长时间降雨径流关系和产汇流的基础理论研究. 在充分降雨条件下, 洪峰流量、降雨强度呈线性关系, 而与下垫面无关, 降雨强度与峰现时间成负线性关系. 流域的调蓄量与降雨强度和洪峰流量呈线性关系, 受下垫面影响和作物截留作用十分明显, 而与作物截留的位置关系不大.     

气候变化对沅江流域径流影响研究

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响.本文在水量平衡基础上,建立考虑气象要素和地形变化的月水文模型,利用实测径流资料对模型在时空尺度上进行验证.利用全球气候模型(GCMs)预测的未来气候变化情形,对处于湿润区的沅江流域径流过程进行预测.分析结果表明,该区域径流过程对降雨和气温变化十分敏感.根据英国Hadcm2模型对本世纪中叶气候变化预测结果,沅江流域未来年降雨量减少0.43%气温升高1.55℃,丰水期降雨增加,而枯水期将有较大幅度减少.年径流量相应减少6.8%,丰水期径流量增大11%,枯水期径流减少47%,不利于防洪和水资源开发利用.     

巢湖流域塘西河上游分流制系统降雨径流污染特征及初期冲刷效应

研究城市径流水质变化及初期冲刷效应对控制与治理城市径流污染具有重要指导意义.对塘西河上游6次降雨径流水质水量进行监测分析,计算次降雨径流平均浓度(EMC)和单位面积次降雨径流污染负荷(EPL),作M(V)曲线图研究初期冲刷现象.结果表明:降雨径流中悬浮物(SS)、化学需氧量(CODCr)和总磷(TP)的EMC值相对较大;SS的EMC值波动最为显著;总氮(TN)、TP、COD_(Cr)、SS间的EMC值均呈正相关;TN的EMC值与降雨量呈负相关性.各污染物EPL值与各降雨特征间均呈正相关性,经估算2015年研究区在6-8月共有10.38 tTN、2.29 tTP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH_3-N随降雨径流排入巢湖;降雨量和雨前干期是城市径流污染的主要影响因素;以FF5050为初期冲刷效应判别依据,5种污染物均有初期冲刷效应出现,冲刷程度表现为SSCODCrTPTNNH_3-N;各水质指标的初期冲刷强度与降雨特征之间无相关性;雨型对初期冲刷现象影响较大;当降雨强度达1.36 mm/h即有径流汇集流出时开始截流,截流时间取440 min,截取的最大径流量取224319.14 m~3.     

城市场次降雨径流污染负荷快速估算方法

城市降雨径流污染是城市水质恶化的重要原因之一,定量计算城市降雨径流污染负荷,是实施城市水环境污染总量控制管理的基础和关键,可为城市水环境治理和污染控制提供科学依据.本文以污染物累积冲刷理论为基础,提出了“特征面积”的概念和计算公式,建立了场次降雨径流污染负荷数学模型,并结合案例,对数学模型在有效性、预测精度、适用性和局限性等方面进行评价.结果表明,特征面积较好地反映了污染物在各类土地上的污染负荷特性,场次降雨径流污染负荷与特征面积和降雨量的乘积呈正比.利用3场及以上降雨径流污染负荷结果,可较好地率定模型,从而可快速且较准确地估算单场次降雨径流污染负荷.该方法简单实用,获取数据工作量小,适用地区广.对于小降雨事件,建议采用降雨量相近的观测结果对模型进行率定,以提高模型的预测精度.     

鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟

本文以鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,鉴于该湖泊流域系统尺度较大,下垫面自然属性呈现高度空间异质性且具有流域-平原区-湖泊不同机制的水文水动力过程,为了真实描述湖泊流域间的水文水动力联系及反映不同过程间的作用机制,构建了鄱阳湖湖泊流域联合模拟模型.该模型基于自主研发的流域分布式水文模型WATLAC和湖滨平原区产流模型以及水动力模型MIKE 21 3个不同功能子模型的连接来实现该复杂系统的模拟.模型的联合采用输入-输出驱动及子模型的顺序执行进程,即将五大子流域与平原区入湖径流量作为输入条件来驱动湖泊水动力模型,模拟湖泊水位对流域入湖径流量的响应.以2000-2005年鄱阳湖流域6个水文站点的河道径流量、流域基流指数以及湖泊4个站点的水位资料来率定模型,其中各站点日径流量拟合的纳希效率系数E_ns为0.71~0.84,确定性系数R²介于0.70~0.88之间,而湖泊各站点水位拟合的纳希效率系数E_ns变化为0.88~0.98,确定性系数R²为0.96~0.98,均取得令人满意的率定结果.本文提出的鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟模型能较为理想再现湖泊水位对流域降雨-径流过程的响应.水位模拟结果进一步表明,该联合模型能用来获取重要的水动力空间变化特征.该模型可作为有效工具定量揭示湖泊流域系统水文水动力过程对气候变化和流域人类活动的响应.     

多源水联合调度重构滇池流域健康水循环模式

河湖生态用水被挤占并严重短缺是滇池水污染严重和恶化趋势难以遏制的根本原因之一.在对滇池流域"自然人工"二元水循环结构剖析的基础上,结合滇池治理"六大工程"实施现状及存在问题,以水资源的高效配置和循环利用为核心,提出了重构滇池流域健康水循环的总体框架.在水资源模拟系统MIKE BASIN平台上,通过水力联系将环湖截污、外流域调水与节水、入湖河道整治、农业农村面源治理、生态修复、生态清淤等整合为一个有机整体,以恢复流域自然水系循环为目标,将外流域引调水与本区水库水、滇池水、地下水、城市再生水等多源水资源进行水量和水质统一配置,得到滇池流域水资源总体配置方案.结果表明:在牛栏江向滇池年均补水5.72亿m3的前提下,昆明城市尾水可以全部直接外排至下游作为工业用水,削减滇池入湖污染负荷,从而加速滇池生态环境修复的进程.     

基于模拟优化与正交试验的库塘联合灌溉系统水资源调控

依托灌溉试验站田间降水-作物耗水-土壤水相互转化的长序列试验成果,构建灌区田间尺度水量蓄-耗-灌-排全过程的水资源模拟模块,结合系统仿真方法,建立库塘联合灌溉系统水量分配仿真模拟模型,以保障灌区基本需水(包括农村生活需水与生态环境需水)供水安全前提下的经济效益最大化为目标,运用正交试验选优原理,构建了库塘联合灌溉系统水资源优化调控模型,形成了基于仿真模拟与正交试验优化的库塘联合灌溉系统水资源优化调控技术体系,并应用于巢湖流域大官塘水库灌区,明确了灌区合理的工程布局规格与规模,确定了适宜的节水灌溉技术模式与灌溉制度,制定了塘坝和水库科学的调度规则,提出了具有可操作性的作物种植结构调整规则,提高了灌区径流拦蓄利用率,提升了塘坝和水库年际调蓄供水能力,增强了抗旱减灾能力,为巢湖流域水库灌区综合治理、库塘联合灌区水量分配方案、水库和塘坝调度规则及作物灌溉制度等地制定提供理论依据.     

洱海流域低污染水类型、污染负荷及分布

为科学、合理地评估湖泊流域低污染水的类型及其污染负荷,以洱海流域为例,系统研究低污染水的概念及类型,确定了低污染水调查方法,并分析了洱海流域低污染水的来源、类型、产生量、污染物量和分布特征.结果表明,洱海流域低污染水主要包括污水处理厂处理尾水、城镇地表径流、农田排水(含村落地表径流)3种主要类型,产生量为20069×104m3/a.由低污染水带来的总氮(TN)负荷为1393 t/a,总磷(TP)负荷为77 t/a.从空间分布上看,洱海流域西部和北部片区低污染水TN、TP负荷比例最大,分别达到88%和87%,因此应主要针对西部和北部片区特点制定洱海流域低污染水控制措施.     

1950s以来洞庭湖调蓄特征及变化

针对洞庭湖区淤积、围垦和江湖关系变化对湖泊调蓄功能的影响,根据洞庭湖调蓄属于典型复合洪水波的实际情况,提出利用离散小波分解和计算入、出湖径流过程方差的方法揭示1950s以来洞庭湖调蓄特征及其实际调蓄作用的多年变化.结果发现:洞庭湖削减的洪峰主要是32 d以下的中短尺度洪水波,其全年整体削峰系数在0.13~0.56之间;从入、出湖径流方差多年变化体现的调蓄效果看,洞庭湖区近几十年淤积围垦虽然极大地改变了湖区面积和容积,但并未使湖泊调蓄作用发生大的变化.结合洞庭湖削峰系数与城陵矶-螺山段水位落差的对应关系,认为在整个江湖系统关系中洞庭湖的调蓄能力是被动的,其变化主要取决于城陵矶以下河段过水能力对洞庭湖泄流的制约.从整个江湖关系下的洞庭湖调蓄变化特征看,1990s以来湖区"小水大灾"的原因之一是入湖径流过程的短尺度方差和削峰系数较大,本质上是由荆江裁弯和三峡运行导致的江湖关系变化引起的长江螺山段出流使出湖径流方差减小造成的.     

基于水生态改善的太湖分区分时动态水质目标制定方法

科学、合理地制定水体主要污染物浓度控制目标,即水质目标是实施河、湖"水质目标管理"的基础和前提.本文基于环境条件决定生态系统结构以及自组织适应生态学原理,提出一种可促进水生态改善的太湖分区分时动态水质目标制定方法.该方法在出入湖河道流量情景及分区污染物浓度情景设计的基础上,进行不同情境下水生态系统要素时空演化的数值试验;然后以藻类生物量减小、沉水植物生物量增加为判据,构造水质目标优化模型;最后将湖泊水生态模型与水质目标优化模型耦合,判断各污染物浓度情景下水生态系统健康状况,进而确定不同时间尺度下太湖各分区总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数等主要污染物指标的动态控制目标.结果表明：本方法制定的太湖各湖区分时水质目标相比传统的"静态"目标更能促进太湖水生态系统健康发展,并为太湖水环境的精细化管理提供了可能.     

内蒙古呼伦湖水量平衡计算与分析

根据呼伦湖的实际水文过程,计算1963-1980年月水量平衡,在此基础上,分析库容与径流、径流+降雨、径流+降雨-蒸发的相关性.利用累积和分析水位、径流、降雨、蒸发年均值的突变情况,进而重点论述了2000年后水位持续降低的原因.同时,探讨各水平衡项的年内分布规律及相互关系.结果表明,2000年后水位的急剧降低是气候变化(暖干化)造成的.河川径流对水位的影响程度最大,其次为湖面降雨.每年4、5月,冰封期积累的降雪融化渗入地下补给湖泊,其他时间则由湖泊补给地下水.     

多目标驱动的太湖调度水位研究

太湖是流域洪水集散地、水资源调配中心,也是长三角水生态环境的晴雨表,其水位高低影响防洪、供水、水生态、水环境等系统功能,使得太湖面临统筹调度问题日益凸显。本文以太湖为主要研究对象,基于多年实测数据,采用数理统计、河网水动力模型计算,分析流域降雨、进出湖水量和水生态环境演变规律及其与太湖水位的互馈关系,综合考虑不同调度期流域防洪、供水、水生态、水环境目标及其承受风险的时空差异性,优化太湖调度水位,并在此基础上提出太湖调度功能区划图。结果表明,在设计洪水和供水条件下,通过调度水位调整,统筹调控流域水工程,前期预降太湖水位,后期适抬太湖水位,实现太湖多目标调度,可有效保障流域防洪、供水和航运安全,改善河湖生态环境,共绘美丽太湖。     

基于环境同位素技术的怀沙河流域地表水和地下水转化关系研究

地表水和地下水是流域水循环的重要组成部分, 流域内地表水和地下水之间的相互作用历来是流域水循环研究的关键环节. 环境同位素和水化学作为水循环研究中的示踪剂, 可以有效地揭示流域内地表水和地下水之间的转化关系. 在对位于北京市怀柔区的怀沙河流域进行现场调查并对泉水、河水和井水采样进行氢氧稳定同位素和水化学组成测定的基础上, 分析了流域内沿河道不同部位的泉水、河水和井水的氢氧稳定同位素和水化学组成的空间分布规律和演化趋势. 依据泉水出露的高程和氧同位素含量之间的关系, 揭示出泉水的氧同位素高程效应, 为推断泉水的补给来源提供了理论依据; 运用氯离子质量平衡方法, 估计了流域内年平均地下水补给率. 根据地下水补给来源, 联系流域内水文地质状况和现场调查结果, 以及对比怀沙河流域和密云水库以上的潮白河流域20世纪60~90年代同期降雨径流系数, 初步推断出流域内相当一部分地下水来源于流域之外高程较高的区域, 流域为非封闭流域. 在综合分析的基础上, 结合氢氧稳定同位素和水化学组成及流域内地形地质和水系特征, 分析了流域内不同部位地表径流和地下径流对河川径流的相对贡献, 并揭示了地表水和地下水之间的补给-排泄相互转化关系.     

设施农业生产区降雨径流和氮磷输出特征及模拟——以滇池东岸花卉大棚种植区为例

为掌握滇池流域花卉大棚种植区的非点源污染特征,提高和改善滇池水环境质量,本研究选取呈贡县斗南村花卉大棚种植区作为研究对象,在实测降雨径流数据的基础上,通过建立Storm Water Management Model模型分别对全年连续降雨条件下和典型设计降雨条件下的降雨径流水质、水量进行了模拟.研究结果表明:1)模型的流量、化学需氧量(COD_(Cr))、悬浮物(SS)、总氮(TN)和总磷(TP)的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.858、0.835、0.803、0.712和0.752,能够较好地模拟研究区域的水质、水量变化.2)研究区域的平均径流系数为0.59,CODCr、SS、TN和TP的单位面积负荷率分别为118.34、82.90、54.64和5.46 kg/(hm~2·a),TN和TP是主要控制的污染物.3)各污染物浓度峰值的出现时间均早于流量峰值出现的时间,因此对滇池东岸花卉大棚种植区应进行污染物尤其是TP、TN浓度与流量错峰控制.     

红壤农田小流域径流组分对氮素流失动态的影响

明确关键带中农田流域水文过程对氮负荷的影响,对于理解关键带中的物质迁移过程,尤其是农业面源污染中氮素的迁移转化具有重要意义.文章以红壤关键带丘陵区孙家农田小流域为对象,在2017年3月至2018年2月水文年对流域降水、土壤水、地下水及径流进行了较为系统的水量和水质监测,借助端元混合模型,探究了径流组分动态对氮素流失的影响.结果表明,流域不同水体之间氮素浓度差异显著.土壤水和地下水的氮素浓度最高,约为降水和灌溉水的3～5倍,流域径流氮素浓度的2倍.红壤农田流域氮素负荷较高.孙家小流域全氮(TN)年净流失量占总氮肥投入的15%.雨季是氮流失的高风险期,仅降水量最为丰沛的6月氮素流失就占到全年总流失量的1/3以上.地下径流是农田小流域氮素流失的重要途径,其径流量占到流域径流量的25%左右.径流组分的改变是径流氮素浓度变化的重要因素,且径流组分可以用来预测水田与旱地生态系统交错存在的小流域的氮素负荷,其预测结果与实测结果的线性决定系数达到0.9左右(p0.001).本研究的结果对于提高红壤农田小流域的水肥管理水平和加深对红壤关键带水氮耦合关系均具有重要指导价值.     

流域科学:连接水文学与流域可持续管理的枢纽

近几十年来,为了更好地认识和管理不同时空尺度的水循环,许多水科学和管理项目相继问世,如生态水文学、全球水文学、社会水文学、供水管理、需水管理和水资源综合管理(Integrated Water Resources Management, IWRM)等.与此同时,示踪、制图、遥感、机器学习和模拟等先进技术也广泛应用于水文过程和水资源研究中.尽管如此,全球水危机仍日益加剧.究其原因在于水文水资源研究和管理之间未能在不同时空尺度建立有效的链接和交流来实现联合国可持续发展目标.流域是水资源管理的基本单元,流域科学有望搭建水文水资源研究与管理之间的桥梁.本文首先回顾水文研究和水资源管理的进展,进而讨论了全球水资源界面临的问题和挑战.在此基础上,提出了流域科学的四个核心组成部分:(1)水文分析;(2)水资源政策;(3)综合治理;(4)管理与反馈.该构架综合考虑水资源拥有量和用水量及水质,量化水循环的储存、通量和质量,基于地球环境边界条件理论确定当地水资源阈值;提出水资源管理的具体可行措施.流域科学为应对当前全球水危机和实现联合国可持续发展目标提供了互补性水资源管理途径.