MIKE11模型在合肥市十五里河水质改善研究中的应用

城市河流治理是改善城市生态环境的重要一环,为了建设健康的城市水环境,有必要对改善河流水环境质量的可行技术方案进行研究。以合肥市十五里河为例,基于MIKE11软件平台构建河流一维水动力水质耦合模型,根据流域污染特征设定三种水质改善方案进行数值模拟分析,评价分析各情景方案的水质改善效果。结果表明:单纯依靠截污不能使国控断面水质达标,同时还会引起断流;考虑截污及污水处理厂尾水提标排放可使国控断面水质显著改善,但由于降雨径流非点源污染影响,部分时段水质不能达标;采取中水回用、就近引巢湖原水补水、截污及初期雨水截留组合措施,不需外调水补水,国控断面水质即可满足规划目标。     

调水前后对河流生态水质的影响探讨

探讨了城市调水工程中调水建筑物对河流生态系统的影响,以及具体调水系统对城市主要河网水质的影响。得出:大坝等水利工程对河流的割开以及局部区域气候的改变,城市引水工程常常会破坏影响河流生态系统的生物多样性。并利用MIKE11建立某市水动力和水质模型,数值模拟和分析了城市调水系统对水质的影响,结果表明通过科学的调度运行,城市主要河网中水质能得到一定改善。     

河流生态系统结构功能整体性概念模型

在完善与整合现有河流生态系统结构功能概念及模型的基础上,提出河流生态系统结构功能整体性概念模型。水文情势、水力条件和地貌景观格局是对河流生态系统结构与功能具有关键影响的3大生境要素,结构功能模型的核心是建立以3大生境要素为构架的生命支持系统与河流生命系统之间的相互作用和相互制约关系,同时考虑由于人类活动引起生境要素变化对于河流生态系统的影响。河流生态系统结构功能整体性概念模型由以下4种模型组成:河流四维连续体模型、水文情势-河流生态过程耦合模型、水力条件-生物生活史特征适宜模型以及地貌景观空间异质性-生物群落多样性关联模型,这4种模型的一体化整合,基本概括了河流生态系统结构功能的整体特征。     

永定河上游水体与底泥中污染物的分布规律

永定河上游官厅水库到三家店段水体和底泥淤积物中的污染物分布受上游工农业生产等人类活动控制。当人类活动较弱时，水体中绝大部分污染物自然降解明显，苯并（a）芘等一些有害组分的降解速率还十分迅速。虽然官厅水库水体中重金属元素低于国家标准，但河流淤泥中重金属元素聚集明显，淤泥中有引发“化学定时炸弹”的可能性。永定河上游河流底泥中大量多环芳烃污染物的积累情况说明，官厅水库上游及永定河沿途不充分燃烧的燃料可以导致水体的严重污染。     

气候变化对黄河流域生态径流影响预估

人类活动和气候变化严重改变了黄河水文情势和生态径流,分析未来气候变化对河流生态的影响对流域水资源管理和长期规划意义重大。本文对第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的13个全球气候模式数据进行偏差订正,驱动水文模型进行径流模拟,应用流量历时曲线方法分析SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5情景下2026年至21世纪末年、季节尺度的花园口生态径流变化。结果表明:订正能明显降低降水、气温模拟偏差;人类活动严重影响了1986-2010年花园口生态径流;2026-2100年年均气温和年降水量增加趋势显著,低排放情景增速慢,高排放情景增速快;气候变化可在一定程度上缓解水库调控、水土保持等人类活动对生态径流的负面影响,SSP5-8.5情景缓解程度最高,冬季缓解程度最高,夏、秋季最低。     

城市水利工程对京杭大运河无锡段水位影响分析

根据京杭大运河无锡段历年河流水位与降水量的关联,结合城市水利工程,分析了京杭大运河无锡段水位变化规律。重点研究了2003年前后水位变化的形成机制,推求出水利工程和气候条件下水位的变化特点,总结了城市水利工程对京杭大运河流向产生的影响。为本地区研究城市水利工程影响下河流水位变化情况及防汛应用提供了数据支持。     

基于数据驱动模型的河流水温异变研究

河流水温是重要的生态和环境评价因子,人类活动的干预(如大坝建设)会引起河流水温异常变化,对河流生态系统造成一定负面影响。有效的水温预测能够为河流的长期演变趋势提供良好指示,将一种新型的数据驱动水温预测模型——Air2stream模型,应用于长江三峡大坝上游寸滩站和下游宜昌站建坝前后的水温预测,模型的预测效果通过均方根误差和纳什效率系数两种指标衡量,并与其它经验回归模型进行对比分析。结果表明Air2stream模型相比经验回归模型具有精度高、稳定性好的优点,可用于判断影响河流水温变化的主要因子,检测河流水温的异变现象和幅度。该模型适用于反演自然演化条件下(即不考虑大型水利工程等强人类活动影响)河流水温的中长期变化,其中实测值和模拟值之差可作为大型水利工程等强人类活动的影响指标。可为河流生态系统监测及管理提供重要技术支撑。     

陆地水循环过程的综合集成与模拟

在气候变化与人类活动的影响下,陆地水循环过程发生了明显改变,并导致了一系列资源环境问题。深入认识陆地水循环过程的变化机理,发展陆地水循环过程综合集成模拟技术,预估未来陆地水循环的变化趋势,是当前水循环研究面临的重要任务。主要关注人类活动影响下的大尺度(大河流域或大陆尺度)陆地表层系统水循环模拟,梳理了近年来陆地水循环过程综合集成与模拟相关的研究进展,指出当前大尺度陆地表层系统水循环模拟模型的主要问题是对自然过程与人类活动过程间相互作用描述不足,以及人类活动参数化方案的不完善。因此,完善人类活动参数化方案,构建陆地水循环过程的综合集成模型,是模拟研究的重要发展方向之一。同时,考虑多要素过程的综合集成模型有助于解释气候变化与人类用水活动影响水循环变化的关键机制,为探索变化环境下陆地水循环变化成因及其效应提供理论与实践基础,其结果将为区域水资源配置及应对全球变化的战略决策提供科学依据。     

基于地表水-地下水耦合模型的未来气候变化对西北干旱区水资源影响研究——以黑河中游为例

基于物理过程的地表-地下水耦合模型能全面、系统地刻画流域水循环过程,并为水资源管理提供详细信息。同时,未来水资源的变化趋势受到气候变化的影响显著,在未来气候情景下水资源如何变化将影响水资源管理措施。本文以黑河中游盆地为例,基于地表水-地下水耦合模型GSFLOW,评估区域水资源对气候变化的响应,预测未来气候情景(CMIP5)下区域水资源变化趋势,为西北干旱区水资源管理提供参考。研究表明:(1)GSFLOW模型能很好地模拟黑河中游盆地复杂的水循环过程。(2)在中等排放强度(RCP4.5)下,平均每年降水上升0.6 mm,温度上升0.03℃,地下水储量减少0.38亿m3;在高排放强度(RCP8.5)下,降水上升0.8 mm,温度上升0.06℃,地下水储量减少0.34亿m3。     

全球变化与区域可持续发展耦合模型及调控对策

全球气候变化和土地利用/覆盖变化已经导致许多地区水资源短缺、生态系统服务退化和巨灾风险增加等一系列生态环境问题。如何有效地应对气候变化风险,促进全球和区域的可持续发展,是当前全球变化研究中的一个重要论题。国家重点基础研究发展计划项目"全球变化与区域可持续发展耦合模型及调控对策(2014CB954300)"以可持续性科学为主要依据,以有序人类活动理念为指导思想,以实地观测、模型模拟和情景分析为主要手段,揭示气候变化和人类活动的定量关系,评估气候变化条件下人类活动对区域生态系统服务和人类福祉的影响,建立气候变化—有序人类活动—区域可持续发展耦合模型,提出景观及区域尺度上人类适应全球变化的综合策略。该研究项目将有助于发展和完善景观可持续性科学,促进我国半干旱地区主动适应全球气候变化的土地系统设计的理论和实践。     

Assessing the influence of climate change and inter-basin water diversion on Haihe River basin,eastern China: a coupled model approach

The modeling of changes in surface water and groundwater in the areas of inter-basin water diversion projects is quite difficult because surface water and groundwater models are run separately most of the time and the lack of sufficient data limits the application of complex surface-water/groundwater coupling models based on physical laws, especially for developing countries. In this study, a distributed surface-water and groundwater coupling model, named the distributed time variant gain model–groundwater model (DTVGM-GWM), was used to assess the influence of climate change and inter-basin water diversion on a watershed hydrological cycle. The DTVGM-GWM model can reflect the interaction processes of surface water and groundwater at basin scale. The model was applied to the Haihe River Basin (HRB) in eastern China. The possible influences of climate change and the South-to-North Water Diversion Project (SNWDP) on surface water and groundwater in the HRB were analyzed under various scenarios. The results showed that the newly constructed model DTVGM-GWM can reasonably simulate the surface and river runoff, and describe the spatiotemporal distribution characteristics of groundwater level, groundwater storage and phreatic recharge. The prediction results under different scenarios showed a decline in annual groundwater exploitation and also runoff in the HRB, while an increase of groundwater storage and groundwater level after the SNWDP’s operation. Additionally, as the project also addresses future scenarios, a slight increase is predicted in the actual evapotranspiration, soil water content and phreatic recharge. This study provides valuable insights for developing sustainable groundwater management options for the HRB.     

数值模型在黑河干流中游水资源管理中的应用

以黑河干流中游水资源管理为例,利用地下水数值模型研究了天然和人工活动作用下泉水、地下水向地表水排泄量的变化规律;预测分析了不同情景下的水资源开发利用状况.研究表明,地下水向河-泉的排泄量呈衰减趋势,且地下水的增采量和渠系防渗节约的水量主要来源于地下水储存量的消耗;指出在目前有限的水资源条件下,为保护生态地质环境,必须限制地下水的持续超采.     

基于数值模拟的区域水量水质联合调度研究

针对太湖流域存在的主要水问题,在引江济太原型试验引分水控制模式分析的基础上,建立了区域水量水质模拟与调度的耦合模型。针对模型优化的复杂性,对水量水质数值模拟的格式算法、优化调度的目标函数及约束条件、模拟与优化模型的协调衔接等关键环节,提出了合理可行的处理方法。应用研究中,针对引江济太原型试验中暴露的引水分配不合理问题,研究了特定时段内望虞河引水的合理调度,并重点分析不同工况下调水对太湖水生态环境的影响。计算结果表明,所建立的模型是可行的,对区域水量水质联合模拟与调度有一定的借鉴价值。     

生态海绵智慧流域建设——从状态改变到能力提升

在气候变化和人类活动日趋增强的影响下,同一流域往往面临着水资源、水环境、水生态和水沙等多种水问题,且干旱和洪涝等极端事件发生的频率日渐增强;系统治理及减缓极值化,成为流域综合治理关键任务,而提升流域对水循环多过程的调节能力则是其关键。在对中国水问题发展形势进行研判的基础上,系统剖析了传统治水模式中强调“状态改变”、“末端治理”、“过程分离”等的不足;明晰了变化环境下水问题系统治理的总体需求和生态海绵智慧流域建设的总体思路;提出了生态海绵智慧流域建设的总体技术框架和若干关键问题。生态海绵智慧流域建设将充分遵循水循环多过程的演变规律,规范人类水土资源开发活动,实现地表-土壤-地下多过程、水量-水质-泥沙-水生态的联合调控,最大限度实现“去极值化”,建设健全流域的综合服务功能,保育“山水林田湖”生命体功能。     

喀斯特断陷盆地水资源高效开发利用模式构建

在调查研究典型喀斯特断陷盆地水文地质特征、地表水文过程、“五水”转换及水资源均衡,研发地下水高效开发利用、地表水调蓄、水污染风险评估与水质修复、农田节水灌溉及土壤保墒、水资源优化调控等系列技术的基础上,以可持续发展和系统科学理论为指导,构建了喀斯特断陷盆地水资源高效开发利用模式,包括理论与技术支撑体系和开发利用工程体系两个层次。前者的基本构成及内涵为:水资源高效开发利用工作流程、理论依据及技术支撑,是模式的理论与技术内涵;后者为沿着盆地地表、地下水的形成、运动和转换过程,从上游山区到下游河谷区,逐级分区部署的水资源开发利用工程体系,工程布局做到因地制宜、科学合理,大、中、小、微型并举,集中供水与分散供水兼顾,同时系统推进水质修复、水循环利用、节约用水等措施,实现水资源的高效和可持续开发利用。      

近50年来降水变化和人类活动对黄河入海径流通量的影响

以黄河流域的降水、实测径流量、天然径流量、净引水量以及上中游流域的水土保持措施面积等资料为基础,运用经验统计分析法,研究了近50年来黄河入海径流通量的变化及其与降水和人类活动的关系。结果表明,不同的径流来源区降水的变化对入海径流通量的影响是不同的。引水所形成的侧支循环强度的急剧增大,使入海径流通量大幅度下降。上中游大规模水土保持生效后,这一地区的天然年径流有所减少,也导致入海径流通量的减少,入海径流通量与历年梯田、造林、种草面积之间具有一定的负相关。以入海径流通量作为因变量,以净引水量、流域年降水量和上中游梯田、林草面积作为自变量,建立了多元回归方程。     

干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考

系统识别全球变化和高强度人类活动影响下干旱区流域生态水文耦合作用机制及演变规律,并通过综合生态水文调控,构建健康水循环和生态安全格局,是干旱区流域亟待解决的关键科学问题。传统的基于水文过程与生态过程的分离模拟与调控,尚不能满足上述实践需求;需结合原型观测与实验,对大气模式、水文模型、生态模式（包括天然生态模拟模型和作物生长模式）进行耦合开发,构建具有统一物理机制的流域生态水文模型。以此为支撑,对干旱区流域生态水文过程演变规律及阈值特征进行系统识别;并结合水生态服务功能评价,提出流域生态安全修复及水资源合理配置与调度方案;制定有效的风险管理措施,对流域生态水文过程进行动态调控。     

GIS网络分析技术在河流水污染追踪中的应用

在分析河流水环境系统特征的基础上,探讨了GIS网络分析技术在河流水污染追踪中的应用方法。主要内容包括数字化河系网络模型的建立、河流水环境数据库的建立与集成、河流水污染追踪应用的方法与步骤,并以汉江流域河系为例,进行了原型研究。     

亚热带中小型山溪性河流—宽陆架系统“源—汇”过程

中小型山溪性河流易受极端事件和人类活动影响,且对环境变化响应敏感,在大陆边缘物质循环过程中发挥着十分重要的作用,但学术界对它们的重视程度不够。以闽江—东海陆架系统为例,通过资料收集、遥感解译、样品采集与分析等方法,系统研究了亚热带中小型山溪性河流—宽陆架系统的“源—汇”过程。研究结果表明,人类活动引起的土地利用变化使得闽江入海径流量和泥沙通量在波动中略有增加,但水库的建设显著减少了入海泥沙通量,并且减弱了水沙通量的季节差异,河流入海泥沙通量变化对流域人类活动敏感且响应迅速;河口水体环境、悬浮体浓度、沉积物粒度组成及陆源有机碳埋藏的空间分布格局均显示,闽江入海泥沙主要分布在闽江河口附近海域,其中粗颗粒泥沙在水动力的作用下主要堆积在河口水下三角洲平原及前缘,细颗粒泥沙主要堆积在水下三角洲前缘斜坡及前三角洲附近海域,仅有少量细颗粒泥沙沿岸向外输运并沿途沉积,与大河流—宽陆架系统及中小型山溪性河流—窄陆架系统显著不同。河口人类活动及极端事件通过改变沉积物组成、环境动力、入海泥沙通量等方式对河流—陆架系统的“源—汇”过程产生显著影响。在当前流域来沙量锐减、河口地区海砂开采等人类活动强度增大的情况下,有必要加强相关研究。     

土地利用变化对流域生态需水的影响分析

人类对流域生态系统的干预,导致季节性淹没区减少,天然湿地丧失,生态环境的恶化和生物多样性锐减,土地利用方式发生了剧烈变化。以流域整体性理论、物种多样性理论、物种耐性理论和景观生态学理论为基础,分析了土地利用方式对生态需水的影响。结果表明,河岸天然植被生态系统通过削减洪峰、增补枯水和截留污染物的作用,来影响流域的水量分配和水质改善,使流域受水分不足威胁的程度降低,即在更大的时间与空间尺度上,保证了流域对生态水的需求。因此,为了流域生态系统的可持续发展,应采取保护湿地、河溪森林植被、水陆交错带等合理的土地利用方式。