巢湖流域土地优化利用技术集成框架初探

为实现湖泊资源合理、有效、可持续开发利用,优化岸线土地利用结构和空间配置,从土地管理实际需求出发,从方法论的视角构建了土地优化利用技术研发框架,提出了以多学科模型为基础的具有标准和向导两种交互模式的插件式集成框架,阐述了巢湖流域土地优化利用决策支持系统的总体架构、插件结构和工作原理。     

海河流域地表水与地下水耦合模拟

近10年来海河流域地下水超采严重,急需加强流域地表水与地下水统一管理。地表水与地下水的耦合模拟研究是实现流域地表与地下水资源综合管理的重要支撑。本文探讨了当前3种不同的地表水与地下水耦合方式,基于现有数据条件和应用管理的需求,提出了将成熟的流域地表水SWAT与地下水MODFLOW模型进行松散耦合的技术框架,并构建了海河流域地表水与地下水耦合模型。在流域地表空间上,根据流域特性和管理需求,划分了283个子流域和2100个水文响应单元（HRU）;在平原区地下空间上,基于15个大的岩性分区剖分出若干个4km×4km网格。通过GIS平台,建立流域地表水与地下水计算单元的转换关系。并利用1995．2004年水文气象数据进行验证分析,取得较好模拟精度。该耦合模型不仅能够支撑流域现状管理,而且可用于气候变化与南水北调工程对流域水资源影响评估分析。     

基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置初探

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源。维持流域水资源可持续利用和湿地健康,实现流域内"人-水-湿地"和谐是新时期流域水资源管理的目标。在流域水资源供需不平衡和湿地生态系统退化的背景下,提出了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置的概念,并进行了全面阐述;剖析了流域湿地水资源合理配置的理论基础,着重探讨了流域湿地水资源合理配置的技术方法和研究内容,提出流域湿地水资源合理配置,以流域湿地水文模型为重要的技术手段,以流域整体可持续发展为总原则,重点考虑湿地生态需水变化过程,将湿地作为优先用水单元,其优先级仅次于生活用水,通过生态配水确保湿地生态需水量的研究思路,初步构建了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置研究框架;对有关流域湿地水资源合理配置的未来重点研究领域进行了展望。     

流域可持续性理想域和现实状态测度

可持续发展是当今世界各国公认的发展准则,但其概念的模糊性与测度方法的单一性阻碍了这一理念的有效应用。在水生态阈值、经济增长底限值和社会发展警戒值等共同约束下,水生态保护目标、经济增长目标与社会发展目标等多目标相互博弈而存在区间范围的基础上,提出了流域可持续性及其理想域的概念以及时间、空间、认知、子系统效益博弈关系、可行区间等决定要素。基于优化方法建立流域可持续性理想域测度模型,并以此为基准,提出了考虑流域系统内外相互作用现实状态的改进离差法测度模型。结果表明:流域可持续性理想域和现实状态测度模型更加符合实际情况,且能够反映流域内外的交互作用对可持续性的影响,为今后流域可持续发展评估提供了一种新思路和方法。     

流域水环境过程综合模拟研究进展

以流域为单元开展水环境多要素、多尺度过程的综合模拟已成为了自然地理学重要研究方向。水环境过程综合模拟模型可定量解析流域系统水环境变化,是流域水环境研究与管理的重要工具。论文围绕流域水环境过程模拟的发展历程和最新进展,梳理总结了流域非点源污染过程和河湖等受纳水体水环境过程模拟的理论方法和模型软件;面向模拟不确定性问题讨论了模型选择、开发与集成、率定验证等流域水环境过程综合模拟建模的关键环节;结合最新的研究进展及相关学科新方法新技术的发展,建议后续研究关注流域自然和人文多过程综合集成模拟(包括流域系统人与水环境耦合模拟、多过程综合集成模拟)以及新方法新技术应用(包括数据同化理论方法创新与应用、高性能计算技术和人工智能技术)。     

低成本流域空间数据库建库研究——以滇池流域为例

空间数据库在流域空间信息系统中占有十分重要的地位,是进行信息化流域管理的数据基础。以滇池流域为例,利用地理信息系统技术和计算机技术,采用一些公开免费的数据资源和软件平台,经过资料搜集、数据库建模、数据处理和数据录入,在很短时间内,迅速完成了滇池流域空间数据库的建立。该空间数据库具有成本低、实现快、更新简单等优点,能实现滇池流域地理空间数据的快速查询和结果展示、渲染,可满足市级环境管理工作的日常需求。     

流域土地可持续利用规划方法及应用研究

土地利用既受自然环境条件的种种制约,又对生态环境,尤其是水资源和水环境,产生深刻影响。因此,进行系统规划优化土地利用结构、协调土地利用和其他经济活动及生态环境保护的关系是非常必要的。基于土地利用系统是一个本征性灰色系统,本文以灰色多目标规划(GMOP)方法为核心,提出了一套流域土地利用灰色多目标规划模型。该方法既可有效地处理信息的不完备性和系统的动态性,又可全面地表达土地利用的多目标性。在对密云土地利用规划研究中,通过应用交互式调整和情景分析方法,得到该模型在两种情景下的优化方案,并结合密云实际情况综合分析,进行了方案筛选。     

黑河流域水资源的统一管理与承载能力的提高

黑河流域中、下游水资源利用矛盾十分尖锐，利益调整也极为复杂，1999年成立了黑河流域管理局，为实现以流域为单元，进行统一规划、统一调度、统一管理，建立权威、高效、协调的流域管理体制创造了条件，并在2000年和2001年实施“全线闭口、集中下泄”全流域水资源定量分配。实践证明只要掌握山区水资源动态、实施退耕还林还草与退水、从农业节水开发流域水资源潜力，完全可以取得成功。尽管在实施国务院批准的跨省区的分水方案时，还存在诸多困难，但只要加紧采取“保护上游、整治中游、拯救下游”的综合治理、强化全流域水资源统一管理、加快流域全面节水步伐、加大科技投入等四方面措施，就能突破流域水资源瓶颈障碍，力求不增加流域消耗水量，而达到经济增长，并使流域生态系统逐步走向良性循环。     

流域径流离散处理和提取算法研究

通过对流域进行离散处理,从集合论角度出发,将流域看成点的集合,对流域进行离散化处理,在其上对流域源点、交汇点、出口点、单径流及复合径流各流域要素进行约束和定义,提出并实现了算法。该算法基于流域水文模拟方法,较好地解决了流域出口点和环流判别问题,使追踪出的径流更符合实际,具有简单、高效、实用的特点。根据算法设计开发了软件系统,并且应用到黄土丘陵沟壑区小流域分布式水文和侵蚀预报模型中,取得了较好的模拟效果。     

淮河流域空间开发区划研究

主体功能区划已经成为国家战略,但以行政区为基本划分单元的划分方法仍然没有遵循生态系统的完整性规律。论文将流域生态系统完整性规律引入到主体功能区划思想体系,以淮河全流域30mDEM为数据基础,运用Hydrology模型进行四级子流域划分及科学编码,以此为研究单元从空间开发约束、空间开发强度和空间开发引导三个维度构建空间开发区划指标体系,运用格网方法归并多图层要素进行流域空间开发区划,以精确反映流域覆被特征与图层对应关系,体现流域生态系统的完整性特征,同时也突破了主体功能区县域单元传统划分方法的行政区限制,最终将淮河流域划分为重点开发区、优化开发区、农业发展区、限制开发区、生态保护区,并提出相应的发展对策。     

流域系统综合模拟与情景分析——自然地理综合研究的新范式?

在全球环境变化和经济快速发展的背景下,经济发展与资源环境保护之间的矛盾日益激化,为解决或减弱这一矛盾,管理者需要新的知识体系和科学的决策工具。自然地理综合研究以自然地理要素空间变化及交互过程为主要研究内容,肩负着提供管理者所需新知识体系和科学决策工具的责任。流域作为空间上相对封闭的自然地理单元,其相对独立性为管理者的决策提供了天然的空间单元。流域内各地理要素的空间分布及其过程的交互机理自然成为管理者解决日益激化的矛盾所需的新知识体系,而流域系统综合模拟恰恰为建立这样的知识体系提供了极为有效的研究方式;在管理者评价各种决策的成效时,必须知道各种决策所产生的经济和环境效益,基于流域系统综合模拟的情景分析为管理者提供了所需要的科学决策工具。因此,从解决经济发展与资源环境保护之间矛盾的角度出发,流域系统综合模拟与情景分析应该成为新时代背景下自然地理学综合研究的新范式。文章结合2个小流域情景分析的研究案例,探讨了以流域系统综合模拟与情景分析为核心的现代自然地理综合研究需要解决的科学挑战,即流域系统综合模拟的系统化、空间化、定量化、易用化和决策化。     

内陆河流域用水结构与产业结构双向优化仿真模型及应用

在西部大开发战略实施过程当中,我国内陆河流域由于用水结构与产业结构严重错位,水资源短缺问题日益严峻。传统的以满足水资源供需平衡为目标的水资源优化配置模式,已解决不了水资源短缺问题。因此,在内陆河流域用水结构与产业结构双向优化理论与机制分析的基础之上,以系统动力学模型为主模型,以投入产出模型、多目标决策模型、灰色系统模型、多元统计回归分析法等为辅助模型,通过主模型与辅助模型对接,建立了内陆河流域用水结构与产业结构双向优化仿真模型。该模型把水资源总量作为“总阀门”,并以产业结构调整为切入点,通过产业结构调整来优化生产用水结构,进而优化“三生”用水结构,通过“三生”用水结构的优化来确保用水总量不超过水资源承载力,以此反复循环,最终实现流域用水结构与产业结构的双向优化。以我国典型的内陆河流域——黑河(干流)流域为例,对该模型进行了应用与分析。结果表明,该模型能够较好地协调流域上中下游之间、生态生产生活系统之间、用水结构产业结构系统之间的矛盾,可以为内陆河流域水资源的持续利用提供新的方法和思路。     

基于流域单元的泥石流区域危险性评价

进行泥石流区域危险性评价时,首先要选取合适的单元作为评价单元。在前人的研究成果中已有多种评价单元,如栅格单元、斜坡单元、单一条件单元等。作者认为国内评价工作中常采用的栅格单元、行政区划单元都没有体现泥石流发生特定的地貌条件,故提出以流域为评价单元的思路。根据水文学D8方法,介绍了在计算机协助下基于DEM数据自动完成流域单元划分的方法,并以辽宁省鞍山市岫岩满族自治县作为实例,将全区划分为1024个流域单元。将流域划分结果与历史灾害点位置相对比,每个流域内基本上只包含一个灾害点,该情况说明流域划分精度满足研究工作需要。在此基础上利用人工神经网络进行泥石流区域危险性评价。结果显示,以流域作为评价单元能充分体现泥石流发生的地貌特征和物理机制,利于评价指标取值,而且危险性结果与实际情况吻合较好,可为政府部门制定减灾防灾决策提供参考。     

基于SOM的流域分类和无资料区径流模拟

无资料区的径流模拟问题是国内外水文研究的难点之一。基于相似流域的参数移植法是常用的解决方法之一,但如何判断相似流域是制约此类方法发展的难点。本文以滇池流域为例,采用自组织映射神经网络(SOM)和层次聚类分析(HCA)联合模式,选取16个流域物理特征为指标进行子流域分类,以确定相似流域。运用无分层的K-means分类的SOM法将整个滇池流域划分为7类具有水文属性的子流域组,分类情景与HCA基本一致,两者实现相互验证。采用HBV水文模型模拟子流域径流过程,并选择部分子流域进行组内参数移植交叉检验。结果显示,HBV模型可较好的模拟滇池流域径流过程;此外,子流域交叉检验结果优良,表明同组内参数可以相互移植。本文不仅为解决滇池流域无资料问题提供了可靠手段,而且由于SOM实现了高维流域特征可视化展示,有助于管理者全面、深入的把握滇池流域水文属性的空间分布特征,为进行水资源管理提供指导。     

基于水利益共享的跨境流域水资源多目标分配研究——以澜沧江-湄公河为例

以水利益共享代替分水的理念有利于充分发挥水资源效益和减少区域矛盾冲突,但由于缺乏具体可实施的分配模式一直停留在设想阶段。基于水利益共享理念,建立跨境流域水资源多目标分配指标体系,并结合澜沧江-湄公河流域跨境水资源利用现状及需求,提出澜沧江-湄公河流域跨境水资源多目标分配模型。为基于水利益共享的跨境水资源多目标分配提供了具有充分可操作性的指标体系和分配模型,有助于推进跨境流域水利益共享的实施,实现区域双边或多边在水资源利用上的共赢和发展目标。     

流域生态补偿研究进展

本文结合生态补偿的理论,综述流域生态补偿的基本概念和理论,总结补偿标准制定方法,概括补偿的原则、政策、措施等主要环节,提出目前存在的问题(过于依赖政府主导,补偿重点不明确,补偿范围不明晰,立法未完善等)。并提出了今后应注意的问题,展望了未来的研究重点:首先,继续保持政府监督,引入市场手段论证实施流域生态补偿;二是分清保护性和破坏性生态资源利用行为,采取灵活方式,对相应行为补偿额度进行调整,以有效筹措补偿资金、优化补偿资本来源;三是东西部地区流域内人口、资源、环境等各方面特点不同,补偿应分清"有水无水"和"水好水坏"的问题,采取不同的侧重点.随着丝绸之路经济带建设的推进,西北地区祁连山生态保护与治理已经列为所在各省的战略之一,内陆河流域资源禀赋的发挥要综合考虑生态效益、社会效益和经济效益;四是加强针对生态要素的立法,如土壤保护法、清洁空气法等,建立健全法律制度,保障流域生态补偿的有效进行。     

基于IMOP的流域环境-经济系统规划

流域是涵盖众多因素的复杂巨系统,其健康持续的发展需要科学的综合规划。作者采用不确定性多目标规划 (IMOP) 模型来研究这一复杂系统。该模型是传统多目标规划法的一种拓展,它将多种系统组分纳入一个框架综合考虑,较好地协调多个目标,尤其能有效处理系统中的不确定性信息。基于此模型,针对流域环境-经济系统特点,建立了流域环境-经济系统不确定性多目标规划模型 (IMOPWEES)。同时,将模型运用于四川省邛海流域规划,得到2种情景不同阶段下的优化方案,以种植结构、旅游服务业结构、水资源配置、污染物排放、森林扩展及水土流失为例予以结果说明和情景比较。研究表明,IMOPWEES用于流域环境-经济系统规划,具有科学性,实用性和可操作性,其为流域相关研究工作提供了一种有效工具。     

嫩江流域城镇结构与产业结构初探

本文以嫩江流域经济区域为例,探索了区域城镇结构与产业结构的关系,对区域经济形态、运动规律及其产业布局调整提出了一些看法。(1)协同进行城镇布局和产业布局;(2)培育以城市群为主体的产业带;(3)依靠中心城市促进区域产业结构演进。     

干旱区典型流域土壤微量元素的空间变异特征研究

采用地统计方法,以新疆三工河流域为例,研究了干旱区流域土壤微量元素的空间异质性特征。结果表明,四种微量元素为对数正态分布;流域内土壤微量元素的空间异质性明显,微量元素含量绿洲区普遍高于荒漠区;其中,有效铁和有效锌含量基本属正常范围,有效锰含量处于普遍缺乏状态,有效铜含量较高;微量元素变异系数在42.28%~83.24%;四种微量元素含量空间变异具有各向异性特征,为中等强度的空间自相关性,表现为二阶趋势效应。用简单克立格法进行最优内插,考虑各向异性及趋势效应,制作研究区土壤微量元素含量的等值线图,分析结果表明其具有明显的空间分布规律。利用地统计学方法,对认识本区土壤微量元素的空间变异结构,流域农业生产合理布局、土壤资源综合治理都具有重要的意义。     

基于Dyna-CLUE模型的滇池流域土地利用情景设计与模拟

以滇池流域为研究对象,基于1999年、2002年两期TM遥感解译数据和区域自然与社会经济数据,应用Dyna-CLUE模型模拟2008年滇池土地利用空间分布。结合滇池流域土地利用变化趋势与退耕还林政策,设定了三种土地需求情景,模拟2022年区域土地利用空间分布情况。研究结果表明：① 两期模拟结果Kappa系数分别为0.6814与0.7124,具有高度的一致性,表明Dyna-CLUE模型在滇池流域有较强的适用性。② 三种情景的模拟结果显示,至2022年流域内未利用地、耕地显著减少,建设用地、林地显著增加,水域与草地相对变化较小,因加大退耕还林政策实施力度,三种情景中,位于官渡区、呈贡区、嵩明县及晋宁县的耕地与林地呈现不同的变化情况。③ 滇池流域建设用地扩张,增加了滇池非点源污染负荷。不合理的土地利用布局,将会恶化滇池水质,加剧水环境压力。研究结果可为未来滇池流域土地利用合理规划与非点源污染控制提供参考依据和决策支持。