流域非点源磷素输出负荷估算方法研究

目前水质常规监测频率较低,难以客观反映流域非点源污染物浓度随降雨径流过程的变化情况,结果会低估了流域非点源污染物的输出负荷。本文利用流域次降雨过程的连续水质水量同步监测资料,研究分析次降雨过程与流域非点源磷素输出负荷之间的因果关系,并建立次降雨总量与磷素输出负荷的定量相关关系。研究结果表明,流域次降雨总量与非点源磷素输出负荷之间存在较好的相关关系。通过这种定量关系,以流域次降雨总量为输入,可以更为合理地估算出流域非点源磷素输出负荷。     

太湖流域污染负荷模型研究

在大量参数试验和调查的基础上,通过研究太湖流域各种点源和非点源污染负荷的排放去向、产生量和处理系数,建立了太湖流域污染负荷模型。该模型的计算结果为太湖流域水质模型的模拟提供了污染源的各种污染负荷完整的输入资料,不再需要繁杂地整理和准备太湖流域水质模型必须输入的各种污染负荷数据。可以通过图形直观地显示太湖流域各种污染源的污染物产生量和处理量,使整个流域上难以直接量测的各种污染负荷得到量化。     

自贡市旭水河流域土地利用/覆被对非点源污染负荷的影响

水体污染的首要原因之一是面源污染,地表过多的营养物质通过地表径流进入水体从而产生污染。这里应用RS和GIS技术,结合输出系统模型,对贡井区旭水河流域非点源污染负荷进行多时相空间分布模拟。结果表明:贡井区非点源污染负荷TN、TP由于当地土地开发利用的缘故,从2007年到2009年呈逐渐上升趋势;在空间分布上TN、TP分布呈越来越离散趋势。研究表明:不同土地利用类型对非点源污染负荷的贡献率也存在着显著差异。     

非点源污染的流域分配方法研究

农业非点源污染的流域分配研究对于提高环境质量具有重要的现实意义。根据遥感技术得到的土地利用类型、河网、道路、圩区等信息,结合地理信息系统（GIS）的空间分析功能,对非点源污染负荷进行了定量计算及可视化分析,在此基础上,得到各主要河段的污染分配量,这可为寻求流域内合理的土地利用模式和农业非点源污染排放总量的控制方法提供决策依据。     

中国非点源污染负荷计算研究现状与存在问题

非点源污染负荷计算对水污染总量控制具有重要意义,为分析中国非点源污染负荷计算研究的现状与问题,在系统调研相关文献的基础上,将中国常用的非点源污染负荷计算方法总结为三大类:输出系数模型、实证模型和机理模型,阐述了各种模型的特点及其在中国的研究和应用情况;从非点源污染的界定、产污量和排污量的区别、国内和国外非点源污染产生环境的差异以及平原河网地区非点源污染负荷的计算4个方面分析了中国非点源污染负荷计算研究存在的主要问题;认为模型和计算方法适应研究区的环境特征是研究工作取得成功的关键,今后要加强实证研究、理论研究与模型开发的结合,逐步建立适应中国环境特点的非点源污染负荷计算方法体系。     

浑河沈阳城区段污染总量控制研究

排污总量控制是确定河道的纳污能力,然后向流域内分配允许排放量的过程。选用一维水质模型进行水环境状况的模拟,对浑河沈阳城区段水环境容量进行计算,在此基础上按功能区内各排污口及支流口所占污染负荷比进行了主要污染物控制排放量及削减量分配。     

基于水污染物通量的小流域生态补水研究

为改善水质环境,对福建省龙江中下流进行补水效果实验.根据控制断面测得的水质浓度和流量数据,计算水污染物通量.使用该通量评估污染负荷,计算生态补水量.所得污染物通量良好地反映出流域污染状况,实验效果显著,河流水质达到了国家规定标准.     

一维水质模型结合改进的输出系数法在流域非点源污染负荷估算中的应用

非点源污染是导致流域水体水质恶化的关键污染来源之一,为了估算流域非点源污染负荷,本文提出将一维水质模型应用于分离监测断面点源污染负荷和非点源污染负荷的方法,并结合了改进的输出系数法,以COD_Mn和NH₃-N为代表性指标,将该模型应用于潮河下游流域,并与传统的水文分割法结合改进的输出系数法估算非点源污染负荷的结果进行对比。结果表明,一维水质模型结合改进的输出系数法估算流域非点源COD_Mn和NH₃-N污染负荷模拟值的纳什系数均在0.800以上,具有良好的模拟精度,同时避免了水文分割法无法较好地模拟枯水期非点源污染负荷的弊端。该方法在运用SWAT（soil and water assessment tool）模型预测得到水文数据的情况下,能够预测流域非点源污染负荷,作为SWAT模型对COD模拟的补充。     

丹江鹦鹉沟小流域氮素随径流的迁移及对水质的影响

计算小流域非点源氮素流失负荷,并以此开展丹江水源区水体污染源解析和控制研究。基于流域断面及小区监测试验,利用平均浓度法对鹦鹉沟流域氮素年均流失模数和不同土地利用类型的非点源污染负荷进行计算分析。结果表明:径流水质中主要是总氮质量浓度超标,且硝氮质量浓度均大于氨氮质量浓度;当坡耕地坡度大于25°时,氮素流失严重,水质极差;农村生产生活污染物排放对水质有很大影响,从断面1到把口站,硝氮质量浓度和总氮质量浓度增加较大;农地、草地和林地的总氮年均径流流失模数分别为0.36、0.22和0.09t/(a·km2);流域出口非点源污染物氨氮、硝氮和总氮的平均质量浓度分别为0.17,4.71和7.55mg/L,点源污染物氨氮、硝氮和总氮的平均质量浓度分别为0.20、2.12和4.08mg/L。总体来说,鹦鹉沟流域径流中总氮的流失模数为0.89t/(a·km2),总氮是影响水质的主要污染物,需加强对坡耕地氮素流失和农村生活垃圾的治理。     

滁州花山水文实验流域径流与氮素耦合模拟研究

采用SWAT模型方法对滁州花山水文实验流域进行了径流与氮素耦合模拟,探讨了流域土地利用对氮素输移的影响。构建了花山水文实验流域SWAT模型,采用2008年1月~2013年12月的降雨、径流等数据对径流模型进行率定和验证,以2012年5月~2013年12月的氮浓度监测数据对氮负荷模型进行验证。利用所建立的模型对现状土地利用情形和土地利用变化情景假设下进行了径流与氮素耦合模拟,计算了现状和不同土地利用情景假设下流域的径流深和氮负荷。结果表明:汛期的氮流失量占全年氮流失的比重较大,每年的汛期是控制氮流失的关键时期;旱地的氮流失潜力较水田大,林地的增加对氮负荷具有一定的消减作用;控制氮肥的使用,加强水土保持能力,可以有效减少流域氮负荷。     

Simulation of surface runoff in theWujiang River watershed based on GIS

Surface runoff in the Wujiang River watershed was simulated by a GIS-based method using precipitation, hydrology data, and land-use data. The volume of surface runoff is chiefly controlled by climates, topographical characteristics and types of land use at the watershed. Five subwatersheds that can represent the whole watershed were chosen and their average annual precipitation, average annual surface runoff and current land use were calculated respectively in the grid model of the Wujiang River watershed based on the climate and hydrology data from 1965 to 2000 and the land-use data acquired in the year of 2000. Surface runoff is assumed to be a function of precipitation and land use and the multiple regression tool is used to determine the relationship between surface runoff, precipitation and present land use. Thus, the rainfall-runoff model for each land-use type has been established. When calibrating these models, the results show that the percent errors are all below 7%, which indicates that the accuracy of this simulation is high.     

Assessing impact of urban impervious surface on watershed hydrology using distributed object-oriented simulation and spatial regression

In this study, we investigated the relationship between watershed characteristics and hydrology using high spatial resolution impervious surface area (ISA), hydrologic simulations and spatial regression. We selected 20 watersheds at HUC 12 level with different degrees of urbanization and performed hydrologic simulation using a distributed object-oriented rainfall and runoff simulation model. We extracted the discharge per area and ratio of runoff to base flow from simulation results and used them as indicators of hydrology pattern. We derived percentage of ISA, distance from ISA to streams, and stream density as the watershed characteristics to evaluate the relationship with hydrology pattern in watersheds using ordinary least square, spatial error and spatial lag regression models. The comparison indicates that spatial lag regression model can achieve better performance for the evaluation of relationship between ratio of runoff to base flow and watershed characteristics, and that three models provide similar performance for the evaluation of relationship between discharge per area and watershed characteristics. The results from regression analyses demonstrate that ISA plays an important role in watershed hydrology. Ignorance of spatial dependence in analyses will likely cause inaccurate evaluation for relationship between ISA and watershed hydrology. The hydrologic model, regression methods and relationships between watershed characteristics and hydrology pattern provide important tools and information for decision makers to evaluate the effect of different scenarios in land management.     

Applicability of artificial neural networks for obtaining velocity models from synthetic seismic data

Seismic velocity analysis is a crucial part of seismic data processing and interpretation which has been practiced using different methods. In contrast to time consuming and complicated numerical methods, artificial neural networks (ANNs) are found to be of potential applicability. ANN ability to establish a relationship between an input and output space is considered to be appropriate for mapping seismic velocity corresponding to travel times picked from seismograms. Accordingly a preliminary attempt is made to evaluate the applicability of ANNs to determine velocity and dips of dipping layered earth models corresponding to travel time data. The study is based on synthetic data generated using inverse modeling approach for three earth models. The models include a three-layer structure with same dips and same directions, a three-layer model with different dips and same directions, as well as a two-layer model with different dips and directions. An ANN structure is designed in three layers, namely, input, output, and hidden ones. The training and testing process of the ANN is successfully accomplished using the synthetic data. The evaluation of the applicability of the trained ANN to unknown data sets indicates that the ANN can satisfactorily compute velocity and dips corresponding to travel times. The error intervals between the desired and calculated velocity and dips are shown to be acceptably small in all cases. The applicability of the trained ANN in extrapolating is also evaluated using a number of data outside of the range already known to ANN. The results indicate that the trained ANN acceptably approximates the velocity and dips. Furthermore, the trained ANN is also evaluated in terms of capability of handling deficiency in input data where acceptable results were also achieved in velocity and dip calculations. Generally, this study shows that velocity analysis using ANNs can promisingly tackle the challenge of retrieving an initial velocity model from the travel time hyperbolas of seismic data.     

数字黑河的思考与实践3:模型集成

介绍了"数字黑河"模型集成研究的进展.①流域科学研究中的模型集成由发展流域集成模型和建模环境这2个主题所构成,前者可概括为"水-土-气-生-人"集成模型,后者是支持集成模型的高效开发的软件工具,注重于应用先进的信息技术为建模提供支撑.②将模型集成分为知识途径和技术途径,讨论了建模环境在模型集成中的作用,以及科学模型和流域管理模型的关系.③回顾了黑河流域模型集成的总体目标是发展两种类型的集成模型,其中第一种回应科学目标,是地球系统模型在流域尺度上的具体体现,以建成能够综合反映流域水文-生态-经济相互作用的模型为标志;第二种集成模型回应管理目标,以建成空间显式的流域水资源决策支持系统为目标.④对黑河流域已有的水文、地下水、水资源、陆面过程、土地利用、生态、社会经济与生态经济建模工作做了系统的综述.⑤分析了黑河流域集成模型研究中存在的问题和所面临的挑战.     

Quantifying and analyzing neighborhood configuration characteristics to cellular automata for land use simulation considering data source error

Cellular Automata (CA) simulation models have been increasingly used in land use studies. However, neighborhood configuration, an essential element of CA model, remarkably impacts the accuracy of simulated results. Moreover, errors from data source may propagate through the CA modeling process. The objective of this study is to analyze the effect of neighborhood configuration to CA model and further on to explore its capacity of resisting disturbance from data source error. With statistic-based CA model and several neighborhood configurations respectively, the land use changes of Wuhan, China were analyzed. It is demonstrated that there are significant differences on the simulated results produced by different neighborhoods. Besides, different neighborhoods respond differently to data source error. In light of these results, we find out that (1) neighborhood configurations with larger neighborhood size and planar neighborhood type, introduced in this paper, contribute to higher prediction accuracy; and (2) the neighborhood configurations above also have higher capacity of resisting disturbance from data source error and give rise to more stable simulated results. This study provides a comprehensive basis for scale selection of CA model with a meaningful consideration of data source error and thus will improve the research on land use change.     

中国过去300年土地利用变化及其气候效应

以两种植被数据为基础,分别利用区域和全球气候模式对过去300年土地利用和地表覆盖变化的气候效应进行了模拟研究。结果表明,耕地面积不断扩大所造成的自然植被破坏可能对区域性气候产生显著影响。通过对不同时期植被特征下地面温度、降水和低层大气环流的比较分析发现,中国东部地区耕地取代自然植被后,全年平均温度有所降低,且存在明显季节差异。植被退化地区的夏季温度有明显升高而冬季温度则显著降低; 同时夏季降水和850hPa风场发生显著变化： 夏季降水明显减少,而这一结果与低层(850hPa)大气环流的反气旋性增强相联系,即植被退化使中国东部夏季风环流减弱,这与目前观测事实是一致的。土地利用引起的地表覆盖的变化可能是东亚季风减弱的原因之一。     

流域科学研究中的观测和模型系统建设

流域是地球系统的缩微,是自然界的基本单元。流域科学从基础研究角度可以被看作是地球系统科学研究方法在流域尺度上的具体体现;从流域综合管理的应用角度看,流域科学是在流域尺度上通过对自然资源和人类活动的优化配置而为可持续发展服务的应用科学。流域观测系统和模型系统的建设是发展流域科学的前提。提出了建立遥感—地面观测一体化的、覆盖流域能水和生物化学循环及社会经济活动的流域观测系统的设想,规划了系统各组成部分,以高效、高分辨率、高精度、多尺度、集成和现代化为流域观测系统的基本衡量准则。流域模型系统可概括为“水—土—气—生—人”集成模型的发展,[JP2]应该科学目标和流域管理目标并重,既要发展具有综合模拟能力的流域集成模型,也要建成流域水土资源和社会经济资源可持续利用决策支持系统。流域集成模型应由分布式水文模型、陆面过程模型、地下水模型、渠系模型、动态植被模型和社会经济模型构成。     

水沙物理模型CASC2D-SED的DEM尺度效应发生机制

DEM分辨率对分布式水沙过程模拟具有重要影响,然而,产生影响的内部机制尚不明确。改进水沙物理模型CASC2D-SED的结构,将坡度由DEM在模型内部直接提取改为由模块单独计算,并将坡度设计为模型的独立输入参数,通过单独改变坡度参数来研究坡度对水沙模拟DEM尺度效应的影响。基于改进的CASC2D-SED模型,以内蒙古准格尔旗沙圪堵镇附近的一个小流域为研究对象,以无人机航测的1m分辨率DEM数据、野外实测与室内实验获得的土壤特性数据、土地利用数据和降雨数据为基础,采用3种水沙模拟方案进行多象元尺度的水沙过程模拟,进而探索水沙过程模拟的DEM尺度效应及发生机制。研究表明:⑴在4~20m GRID分辨率区间模拟的径流量位于323.18m3和411.43m3之间,波动不大;⑵2~20m GRID分辨率区间内,模拟的侵蚀流量在3.43m3和65.61m3间变化,波动很大;(3)坡度和径流路径是水文过程模拟DEM尺度效应的两个对立影响因子,是水文过程模拟DEM尺度效应不明显的主要原因;⑷DEM尺度效应对侵蚀输沙具有重要影响,地形坡度是侵蚀输沙DEM尺度效应的主要控制因子;⑸地形坡度随DEM分辨率降低而发生的空间上的波动变化是侵蚀输沙量随DEM分辨率降低而波动变化的原因。     

黄河流域蒸散量分布式模拟

针对传统区域蒸散计算模型中净辐射及其各组成要素的计算直接采用国外经验公式或点上观测资料空间内插的不足,利用基于中国气象站观测资料建立的净辐射及其各组成要素的计算公式和遥感反演的地表反照率,以黄河流域作为研究区域,在考虑地形起伏和下垫面多样性等地表非均匀性因素的基础上,实现了黄河流域净辐射及其各组成要素的分布式模拟;在印证流域尺度存在蒸散互补相关关系的基础上,将净辐射、气温、水汽压等系列要素分布式拟合结果与基于区域蒸散互补理论的AA（Advection-Aridity model）模型耦合,实现了黄河流域蒸散量的分布式模拟。与基于水量平衡的黄河流域多年平均蒸散量空间分布图对照表明,二者趋势分布吻合很好,分区验证的最小相对偏差为1.14%,最大为26.80%,全流域平均相对偏差为1.50%,且分布式蒸散拟合结果更加细致地体现了蒸散量的空间变化情况。集成的区域蒸散分布式模型,以蒸散互补理论为基础,考虑了区域蒸散对近地层大气的反馈作用,仅以数字高程模型和常规气象站观测数据为输入项,应用方便。     

水文模型系统在峨嵋河流域洪水模拟中的应用

研究目的是采用水文模型系统(HMS)模拟峨嵋河流域暴雨水文过程,并为长江上游地区气候和水文响应研究提供可靠的信息。HMS是一种分布式水文模型可用于研究各种气候因子和地表覆盖变化而引起的水文过程响应,该系统(HMS)利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨径流等资料,研究气候、陆面、地表水和地下水的相互作用机理。在本次研究中,采用SCS Curve Number(CN)和Green-Ampt(GA)方法来计算径流过程,用GIS来数字化DEM、土壤、土地利用和陆地覆盖数据。通过用不同时间间隔的降雨和不同计算方法的水力参数模拟水文过程,来检验降雨的时间尺度效应和水力参数的空间变异性对水文过程的影响。结果表明,HMS对峨嵋河流域暴雨洪水的模拟及预测具有较好的适用性。