长江经济带水资源-水环境-社会经济复杂系统韧性调控模型及应用

水资源-水环境-社会经济复杂系统韧性研究是规避外来冲击和挑战、保持区域和平稳定发展的重要途径之一。借鉴投影寻踪和微分方程的思想构建了一种新的韧性调控模型, 对长江经济带整体和省级尺度1999—2018年间的水资源-水环境-社会经济复杂系统韧性及其调控因素进行了评估。结果表明: 长江经济带韧性水平以2011年为突变点, 2011年之前较为稳定, 2011年之后稳步提升; 影响韧性特征的因素在江西省和云南省为自然禀赋条件, 在上海市为科学技术水平和政府宏观政策, 而其他地区则经历了两者之间的过渡; 韧性的优控因素排序为适应性>恢复性>抵抗性, 且逐渐从抵抗性转移为适应性。     

水资源空间均衡评估模型构建及应用

为弥补当前水资源空间均衡评估中对指标模糊性和信息动态性考虑不足的缺陷,基于可变集原理及偏联系数方法构建一种新的水资源空间均衡评估模型。采用可变集方法计算评价对象的相对隶属度,获取级别特征值;利用偏联系数方法探究信息演化对级别的影响,得到基于支持度最大原则的定级策略;综合二者结果对水资源空间均衡状况进行评估。将模型应用于2017年中国31个省级行政区的结果表明:①中国东南地区水资源空间均衡程度良好,西北地区较差,南方优于北方、东部优于西部;②北京市等17个省级行政区的水资源空间均衡状态呈现不同程度的负向演化态势,亟待进一步加强管理,其余地区呈现良性的发展态势;③四川等省份各指标的均衡程度差异较大,需针对性地进行调控与优化。     

水文地理研究发展若干问题商榷

水问题研究一直是我们国家最重要的课题之一,关系到社会稳定、民生福祉、经济发展等一系列国家重大需求。水文地理是水文学与地理学交叉学科,主要采用地理学原理、观点和方法。陆地表层系统的提出对水文地理的系统性研究具有重要的启发作用。首先,对水文地理学的交叉关联、研究内容、全球水系统和生态水文研究的兴起进行阐述;其次,在总结陆地表层系统论思想的主要倡导者及其观点后,讨论了地理研究综合性和区域性的关系,提出综合性、区域性和时空动态过程机理等“三性”应是水文地理系统的研究思想;再次,基于学科基础理论的扩展,给出深化水文地理时空动态过程机理的系统科学技术的几个案例;最后,讨论了中国水文地理研究的几个重点发展方向,主要包括气候变化与人类活动对水循环过程的影响、生态水文四大平衡动态演变过程机理、水资源可再生性维护、“蓝绿水”的认知意义、水文地理区划与制图技术及智能技术等。     

嫩江流域径流时空演化规律分析

以流域时空分布理论框架为基础,分析嫩江流域径流时空演化规律,并着重从地形地貌影响因素方面进行归因分析。采用1955-2003年49 a的降水资料和1955-1973年19 a的径流资料,通过对代表性水文站自上游至下游（空间上）径流、地表径流和地下径流的年内与年际（时间上）演变规律进行分析。结果表明：1）嫩江流域降水年内变化及年际变化过程基本一致,可以忽略降水时空分布对径流时空演化规律的影响。2）从径流年内演化规律上可以判定上下游水源组合的差异性：上游以地表径流为主,在春季来源于融雪,汛期来源于大气降水,枯水季节来源于地下水补给;下游全年以地下径流为主。3）由于坡度和水文地质条件作用,上游更容易产流,下游受下垫面调蓄作用更强,不易产流;因此,从径流年际演化规律上可以判定径流产量自上游至下游逐渐减小。     

青藏高原生态地质环境遥感综合评价系统的设计与实现

以青藏高原生态地质环境评价为例,选用层叠计算、层次分析和模糊灰度复合法等3种综合评价模型,以模型运行平台、模型空间数据库和模型属性数据库的相互配套为特色,设计开发了区域生态地质环境遥感综合评价系统。该系统不但解决了评价模型的可选问题和多种评价方法的对比问题,也解决了不同来源数据的格式转换问题、多种应用软件之间的交互替应使用问题以及评价结果图制作不便的问题。系统采用层叠法和模糊灰度复合法,以青藏高原地质灾害、荒漠化、湿地、冰川和断层等5个评价指标的应用示范结果表明,评价结果与实际调查结果具有较好的一致性。     

混沌理论及在水科学中的应用与存在的问题

在简要介绍表征系统混沌特征常用方法的基础上,认为混沌理论在水科学中的应用主要集中在水文时间序列性质的判定和非线性预测模型研究上,并就这两方面的国内外研究进展进行了综述。通过对其应用中存在的主要问题:延迟时间的确定、数据量大小、噪声等进行分析和讨论,认为水科学问题中混沌的假设是合理的。但对于任何有限长度和受噪声干扰的时间序列来说,严格判定其相空间是确定性系统还是随机系统几乎是不可能的,纯粹的混沌和纯粹的随机都只是数学上的一种理想状态。因此,对于所研究的水科学问题是否存在混沌现象,仅采用单一的方法所取得的结论,不能作为判定依据,而仅表明可能存在混沌特征。所以有必要采用多种研究方法,综合刻划某一水科学问题中的混沌迹象,判定该序列是以混沌成分为主还是以随机性成分为主。提出分形上的混沌动力系统以及混沌与神经网络相结合的方法,可为水科学问题的研究能提供一些新的思路。     

南水北调进京后的北京市水资源短缺风险研究

基于趋势预测和用水定额法对北京市的用水情况进行了预测,采用皮尔逊水文频率曲线模拟了中长期不同降水的经验概率,计算南水北调进京后的水资源短缺量和风险变化。研究表明:南水北调进京后,正常年能够保证北京用水;在枯水年可降低缺水比例60%以上,在平水年降低缺水比例40%以上,在丰水年缺水比例降低至零,且随时间推移南水北调工程对缺水比例降低的效果增大;南水北调工程实施后北京市2015~2030年水资源短缺风险由70%~80%降低到26%~36%,降低了40%以上,且随着时间推移,南水北调工程对水资源短缺风险的降低作用将继续增大。     

区域生态地质环境综合评价系统设计与示范应用——以青海省为例

借鉴环境评价领域的成熟案例和经典方法，在遥感影像解译成果数据的基础上，构建了综合评价模型运行平台、模型空间数据库和模型属性数据库。研究选用了3种综合评价算法，开发了区域生态地质环境综合评价系统，为区域生态地质环境评价研究人员提供了一个有效的工具，并以青海省为例进行了示范应用。     

国际及省际贸易视角下的中国虚拟水和隐含能源流通规律分析

核算了世界各国（地区）与中国,以及中国省际间的资源流通量,量化了贸易视角下水资源与能源的相互消耗量,从“源”与“汇”的视角描绘了各类资源从自然界进入经济系统到最终使用的整个过程。结果表明：① 中国虚拟水呈净流出状态,国际虚拟水贸易加重了中国的水资源压力;国际隐含能源贸易抵消了虚拟水净出口量的三分之一,缓解了中国的水资源压力。② 中国隐含能源呈净进口状态,国际隐含能源贸易缓解了中国的能源使用压力;国际虚拟水贸易加重了中国的能源使用压力,但影响程度较弱。③ 虚拟水主要通过农业和制造业进入社会经济系统,隐含能源主要通过矿业和制造业进入社会经济系统;固定资本形成和城镇生活消费是虚拟水和隐含能源的主要最终使用方式,数值分别为1735.42亿m³和2117.24亿m³,6.25×10⁷ TJ和2.73×10⁷ TJ。④ 中国各省份最终使用的水耗能源总量为8.73×10⁶ TJ,占隐含能源总量的3.27%,低于能源耗水在虚拟水中的比重（9.63%）。能源省际贸易相比于水资源而言更为活跃,能源耗水在水?能纽带关系中起主导作用。     

基于时序分解与机器学习的非平稳径流序列集成模型与应用

揭示变化环境下非平稳径流序列波动特征,可为提高径流预测精度和涉水工程规划提供支撑。针对径流序列具有非平稳性、周期性和异方差性的特征,收集长江流域攀枝花、城陵矶和大通站2008—2018年实测径流资料,基于周期趋势分解法(STL)将原始数据分解为周期项、趋势项和剩余项,结合各子序列特征采用多模型集成获取未来径流的综合预测值,并将预测结果与Prophet、LSTM和GARCH等单一模型进行对比。结果表明：联合机器学习和时序分解的集成模型在多个评价指标上均优于单一模型,且对异方差效应显著的站点模拟精度提升明显;验证期内3个站点的纳什效率系数分别为0.96、0.95和0.93,表明该模型能有效模拟长江流域径流波动过程。