基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究

洞庭湖区水系发达,水文地质条件复杂,人类活动强烈,地表水和地下水的水力联系变化频繁,其研究的难度以及由此造成的研究不足影响了对湖区地下水赋存和运动规律的深入认识。本文以洞庭湖整体为研究对象,采用水位动态分析和氡(222 Rn)同位素示踪法,定性和定量研究枯水期洞庭湖区地表水与地下水的交互作用关系与交互通量。枯水期洞庭湖区水位和氡浓度空间分布特征指示研究区内地下水向湖水排泄,尤以东洞庭湖最为显著。氡箱模型计算结果显示枯水期地下水排泄222 Rn通量为455.09 Bq/(m^(2)·d),占总输入222 Rn通量的60.07%,地下水排泄总量为0.29×10^(8)m^(3)/d,平均排泄速率为56.27 mm/d,地下水排泄对湖水的贡献率为7.04%。敏感性分析表明:风速、地下水和湖水222 Rn浓度以及湖面面积等参数较为敏感,合理布置取样点并提高敏感参数测量准确度能提高模型计算结果的可靠度。氡同位素示踪法物理意义明确、操作过程简便,是研究复杂区域地下水补、径、排特征的有效方法。研究成果一定程度上提供了洞庭湖区水量均衡的更多认识,可为洞庭湖区地下水资源评价和管理提供参考。

基于氢氧同位素的洞庭湖枯水期蒸发研究

【目的】通过探讨洞庭湖枯水期不同水体的蒸发特征,揭示湖区水文循环规律,为湖区水资源管理提供参考。【方法】采用氢氧同位素示踪方法比较枯水期湖区河流、湖泊和地下水氢氧同位素组成及蒸发特征,并利用水量平衡方程和同位素质量守恒方程初步估算了湖水蒸发量。【结果】河水中湘江氧同位素千分偏差值δ_(^(18)O)和氢同位素千分偏差值δ_(D)平均值最大,松滋河的最小,沅江、资江和澧水的与湘江的差别不大;资水的氘过量参数d_(excess)平均值最大,松滋河的最小,其他河流的相差较小。河水、湖水、地下水的δ_(^(18)O)和δ_(D)变化范围分别为-10.66‰~-2.84‰和-76.27‰~-21.69‰、-6.59‰~-4.66‰和-40.65‰~-28.56‰、-8.33‰~-4.60‰和-57.12‰~-27.50‰。采用最小二乘法拟合的三类水体的蒸发线分别为δ_(D)=8.04δ_(^(18)O)+10.17,δ_(D)=5.02δ_(^(18)O)-6.58和δ_(D)=8.08δ_(^(18)O)+11.32。经比较认为,湖水蒸发作用最强烈,其次为河水蒸发作用和地下水蒸发作用,河水中蒸发作用强度由大到小依次为松滋河、城陵矶、沅江、湘江、澧水、资水。采用水量平衡法和同位素质量守恒法估算湖水枯水期蒸发量为0.173×10^(8)m^(3)/d,占湖水水量损失的4.1%。【结论】枯水期洞庭湖区不同水体、不同河流氢氧同位素组成和蒸发差异是水汽条件、地形和水文特征的差异所致,由蒸发导致的湖水水量损失较小。

一种基于MIDBO-BP的地下水位预测系统

地下水位预测是合理开发利用地下水资源的重要手段,有助于减少消耗,节约地下水资源。针对地下水位与降水量、温度及地下水开采量等因素之间的复杂关系,文章提出了一种基于多策略改进蜣螂算法(MIDBO)优化BP神经网络(MIDBO-BP)的地下水位预测模型。首先,对蜣螂算法(DBO)加入融合策略和混沌策略,利用鱼鹰算法(OOA)的全局勘探阶段代替蜣螂算法的滚球阶段,再引入Sine混沌映射和自适应t分布策略增强算法的全局搜索能力,并利用6个基准测试函数检测MIDBO的性能,得出MIDBO性能更佳的结论。其次,建立MIDBO优化BP神经网络的地下水位预测模型,将MIDBO寻优得到的最佳权值和阈值赋予BP神经网络。最后,以2018—2021年益阳市气象数据和地下水开采量数据为依据,利用BP神经网络模型、DBO-BP模型及MIDBO-BP模型进行地下水位预测。结果表明,多策略改进蜣螂算法优化BP神经网络的地下水位预测模型具有最佳的预测精度和收敛速度。

栾川矿集区钼矿尾渣与土壤中钼的迁移转化机理

为提供栾川矿集区所在流域下游水源地陆浑水库Mo污染的源头控制依据,开展了6座钼矿尾矿库尾渣和土壤的野外调查及三道庄尾矿库尾渣和土壤的Mo赋存形态分析和降雨淋滤试验,以探讨Mo在钼矿尾渣与土壤中的迁移转化机理。结果显示,尾矿库尾渣Mo平均含量为238.24 mg/kg,浸出液Mo含量达0.26 mg/L;土壤Mo平均含量为125.88 mg/kg;尾渣残渣态Mo占比97.71%,土壤残渣态Mo占比63.66%,可交换态和碳酸盐结合态分别占比22.35%和11.80%。酸-偏碱性降雨淋滤后,尾渣中残渣态Mo占比不同程度减少,中-偏碱性降雨更利于尾渣残渣态Mo向碳酸盐结合态转化,使之由淋滤前的1.19%分别增加到18.85%和24.14%,提高了尾渣中Mo的迁移性。酸性降雨时土壤铁锰氧化态和有机态Mo占比大幅度升高,其他形态Mo占比均一定幅度降低;中性-偏碱性降雨时土壤残渣态和有机态Mo占比升高,碳酸盐结合态和铁锰氧化态大幅度降低,表示酸性降雨可促进土壤中形成铁锰等钼酸盐,而中-偏碱性降雨可能有利于土壤中形成铁锰等氢氧化物和碳酸盐,阻碍了铁锰等钼酸盐的产生,一定程度上提高了Mo的迁移性。因尾渣和土壤矿物组成和理化性质不同,降雨淋滤下Mo在两者中的迁移转化机理存在一定差异,但总体而言,酸-偏碱性降雨均可促进Mo的迁移转化,从而影响水土环境。

洞庭湖水沙变化分析及影响初探

水沙变化是洞庭湖演变和江湖关系调整的关键因子。综合运用数理统计、小波分析、Mann-Kendall法和累加过滤器等方法,分析1956～2008年洞庭湖入湖和出湖径流和输沙量的变化特征。结果表明:①洞庭湖入湖水量以湘、资、沅、澧四水入流为主,洞庭湖入湖泥沙以荆江三口分沙为主。四水年均入湖水量约占洞庭湖出湖总水量的59.2%;三口入湖沙量约占入湖总沙量的80.9%。②由于荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄以及长江上游的水土保持措施的影响,从三口河道进入洞庭湖的水沙呈现明显的衰减趋势,入湖水量所占比重已由荆江裁弯前的42.6%下降到了三峡水库运用初期的21.7%;入湖沙量所占比重已由荆江裁弯前的87.7%下降到了三峡水库运用初期的59.6%。③近50年洞庭湖的泥沙沉积总量达52.9×108t,但泥沙沉积比已由荆江裁弯前的73.3%下降到了三峡水库运用初期的34.0%,洞庭湖泥沙淤积的趋势明显减弱,有利于保持洞庭湖的调洪湖容,延长洞庭湖的寿命;但三峡水库运用初期,三口分流的衰减将加剧洞庭湖区西部地区枯水供水的紧张态势,并使水环境容量下降;同时城陵矶下游长江河道的淤积导致洞庭湖洪水位抬升。

洞庭湖富营养化支持向量机评价模型研究

基于支持向量机模型良好的推广和泛化能力,构建了洞庭湖水体富营养化支持向量机评价模型。针对评价标准,采用均匀分布随机函数形成50个样本训练集用于支持向量机的训练,并分别选取东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖3个典型代表断面,实现了对洞庭湖水体富营养化程度的综合评价。结果表明,近10 a来洞庭湖水质整体处于中富营养化,呈西洞庭湖富营养化程度最高、南洞庭湖其次、东洞庭湖最轻的格局。

洞庭湖环保疏浚生态系统恢复效益研究

洞庭湖是长江中游的重要调蓄湖泊，由于接纳湘、资、沅、澧四水和长江三口洪水、泥沙，造成淤塞河道湖泊泥沙淤积，洪水位抬高。在加重湖区的防洪负担、造成严重洪涝灾害的同时，也降低了湖泊水体的稀释自净能力和水环境承载能力，使湖区生态环境严重恶化。根据洞庭湖环境疏浚规划，通过对典型河段疏浚前后水情、水环境承载能力和自然生态条件变化等的深入分析，定量与定性相结合对洞庭湖环保疏浚的生态系统恢复效益等进行了研究和预测。

基于支持向量机的洞庭湖水量交换模型

针对洞庭湖区河网密布、水流交错、水量调蓄与分配是洞庭湖演变和江湖关系调整的关键因子,在对其河网结构概化和洞庭湖区水量交互变化特点分析的基础上,建立了洞庭湖区水量交换支持向量机模型,并对1956-2008年洞庭湖入湖和出湖系列径流进行了模拟和检验。结果表明,实测值与拟合值吻合良好,且精度明显高于人工神经网络和线性回归方法。

基于不同排放情景的洞庭湖流域水资源演化研究

流域水资源演化与气候变化和人类活动紧密相关,气候变化与人类活动的加剧极大地改变了流域水文循环。通过相似性和独立性分析,从CMIP5公开发布的47个气候模式中筛选出5个代表性气候模式,然后计算未来高、中、低3种不同排放情景下的气温和降水,构造符合研究区产汇流特性的水文模型,计算洞庭湖流域水资源量并分析其演化规律。结果表明:不论温室气体排放水平如何,洞庭湖流域水资源量在未来60a呈现增加态势,汛期水量增加概率加大,而在高排放情景下枯季水资源量表现为减少趋势;未来洞庭湖流域水资源的时程分配将更趋不均匀化,而温室气体的持续排放将使其变化加剧。

洞庭湖河湖疏浚综合效益研究

根据洞庭湖河湖疏浚规划,通过对典型河段疏浚前后水情、水环境质量及承载能力变化的深入分析,定量与定性相结合对洞庭湖河湖疏浚的防洪减灾效益、水环境修复效益和生态系统恢复效益等进行了分析研究和预测。

基于支持向量机的洞庭湖区域水沙模拟

在对复杂的荆江—洞庭湖河网水系概化和洞庭湖区水沙特性分析的基础上,建立洞庭湖区水沙支持向量机模型,通过对1956～2008年城陵矶出湖系列输沙量模拟和检验,实测值与拟合值吻合良好,且精度明显高于人工神经网络和线性回归等方法。

基于Copula函数的湘江流域气象干旱向水文干旱传播特性

水文干旱的发生往往与气象干旱的发生密切相关,因此揭示两者间的响应关系对干旱预警及水资源管理具有极其重要意义。该研究以湘江流域为研究对象,采用标准化降水指数(standard precipitation index,SPI)和标准化径流指数(standard runoff index,SRI)分别表征气象干旱和水文干旱,采用皮尔逊相关系数确定干旱响应时间,并结合游程理论识别、融合和剔除干旱事件,分析湘江流域上、中、下游不同季节干旱的趋势性及周期性,最后建立基于Copula函数耦合贝叶斯网络模型的气象-水文干旱特征响应概率曲线。结果表明:湘江流域气象干旱到水文干旱的传播时间为2个月,阈值组合[0.5、0、-0.5]相较于组合[0、-0.3、-0.5]识别得到的干旱事件更优;下游发生水文干旱的情况最为严重,中游气象干旱最为严重,整体上水文干旱发生历时和烈度的最大值均大于气象干旱;流域整体有湿润化趋势,但是在夏季和秋季,存在干旱化的趋势;干湿变化存在几个较为明显的震荡周期,分别为3~5、6~10和18~21 a;对于联合分布函数,除了上游和下游气象-水文干旱烈度的最优联合分布为Gumbel Copula函数,其余干旱特征变量的最优联合分布均为Frank Copula函数;水文干旱历时、烈度的响应概率随气象干旱特征变量的增加而增加,但当气象干旱历时超出特定阈值时,水文干旱历时对其响应概率将趋于稳定,即当气象干旱历时超过特定阈值后,将不会进一步延长水文干旱的发生时长。该研究对深入了解湘江流域的干旱机理以及指导该地区防旱抗旱工作均具有重大意义。

参证流域选择的灰关联度分析方法

本文在定性分析与定量研究相结合的基础上，提出了水文参证流域选择的灰关联度分析方法．实例表明，这种方法比较合理，对于水文参证流域的优选有一定意义．

ADCP与转子式流速仪流量测验比测分析试验研究

通过对ADCP和转子式流速仪在湖南湘潭、邵阳和桃源三站进行比测试验,根据流量比测资料,分析研究了洪水过程、走航船速、同速同断面情况、左右岸边盲区流量估算、外延盲区流速分布率定对断面流量的影响,验证了ADCP的测流精度,明确了其适用环境以及测验使用条件,得出:湖南省大多数河流适合ADCP进行流量测验,且精度满足要求。

论三峡工程建成后长江城汉河段的综合整治

分析了长江城陵矶～螺山河段行洪能力的变化和三峡水库运行后该河段面临的防洪形势,指出降低城陵矶河段水位的有效措施之一是恢复河道原有的泄洪能力,实施牌洲裁弯、清淤疏浚和削矶扩卡等为主的工程措施。并以典型洪水为例对牌洲裁弯前后相关河段的水位、水面线及水位流量关系的变化进行了对比分析,论证了牌洲裁弯对降低上游水位的明显作用和该工程实施的必要性。

洞庭湖河湖疏浚综合效益研究

洞庭湖是长江中游的重要调蓄湖泊,但由于接纳湘、资、沅、澧四水和长江三口洪水、泥沙,造成湖内河道淤塞、湖泊泥沙淤积,洪水位抬高,在加重湖区的防洪负担、造成严重的洪涝灾害的同时,降低湖泊水体的稀释自净能力和水环境承载能力,使湖区生态环境恶化。本文根据洞庭湖河湖疏浚规划,对典型河段疏浚前后水情、水环境质量及承载能力变化分析,定量与定性相结合对洞庭湖河湖疏浚的防洪减灾效益、水环境修复效益和生态系统恢复效益等进行了分析研究和预测。

洞庭湖环保疏浚生态系统恢复效益研究

洞庭湖环境疏浚后可降低湖区高洪水位,有利于提高水环境容量。经计算,整个疏挖工程完工后,全湖CODMn的浓度可降低0.3mg/L,水环境容量可达到74460t/年。疏浚对洞庭湖生态系统恢复具有十分显著的效益:(1)河湖疏挖将抑制洲滩湿地向水面的发展,有利于洞庭湖湿地的稳定;(2)极大改善湖区生态环境,湖区动植物无论在种类、数量和质量上都将会发生新的变化;(3)将破坏湿地的阶段性积水、调整主要植被覆盖度和植物群落类型,改变钉螺的孳生的环境因子,降低土壤含水量和地下水水位,造成不利于钉螺生长的环境,可以有效地控制钉螺的孳生和限制钉螺的生长;(4)降低地下水位,抑制和缓解稻田土壤次生潜育化,而且湖泊底泥含有丰富氮、磷、钾等多种营养元素,可以调整土壤结构,增强土壤肥力,促进洞庭湖区农业的可持续发展;(5)为洞庭湖区的景观恢复和生态旅游开发提供环境技术支持。

最小一乘方松弛计算法

以加权最小二乘法为基础的最小一乘方松弛算法，能有效削弱异常数据的影响，获得更稳健的回归方程。该算法适用于多无线性回归模型的参数估计，并以实例验证了该算法的稳健性。

区域水环境质量多目标模糊灰色评价

区域水环境是一个多层次、多目标、多因素影响的复杂控制系统［１］．基于区域水环境质量评价的模糊和灰性特点，本文将模糊数学中的中介过渡函数等概念引入灰色局势决策中，构成区域水环境质量模糊灰色评价模式．对湖南湘江株洲至长沙区域河段水质进行综合评价，实例研究表明该模式具有评价信息量多，结论可靠等优点．

参证流域灰色系统优选理论模型及应用

在定性分析与定量研究相结合的基础上，提出了水文参证流域灰色系统优选理论模型。实例表明，这种模型比较合理，对水文参证流域的优选有一定意义。