内陆淡水湖博斯腾湖水质遥感反演及时空演变特征

湖泊作为干旱区重要的水源载体,旱区湖泊的水质变化对维持区域生态平衡和水分循环发挥着重要作用。因此,以我国内陆淡水湖泊博斯腾湖为研究区,对2001—2020年Landsat系列遥感影像进行大气校正、辐射定标等预处理;利用改进的归一化指数法提取水体分析其面积变化趋势,并结合实测矿化度浓度及叶绿素a浓度数据,利用经验方法对比分析波段及波段组合反射率与矿化度浓度以及叶绿素a浓度的相关性,并筛选出相关性最好的波段建立模型。以B5、B3/B4、B3+B4的波段组合构建矿化度浓度反演模型,以B2、B3、B2×B3的波段组合构建叶绿素a浓度反演模型。最后利用决定系数和均方根误差对遴选出的2个反演模型进行精度验证。结果表明:(1)湖区面积变化呈2001—2013年逐渐缩小、2013年后逐渐回升两阶段趋势。(2)博斯腾湖矿化度浓度空间分布具有湖中心浓度高,湖周边浓度低的特点;叶绿素a浓度空间分布与矿化度浓度分布相反。(3)长时间序列下的博斯腾湖区矿化度浓度与叶绿素a浓度在年尺度上均呈现先增加后减小的趋势。其中矿化度浓度最大值为2013年的1023.8 mg·L^(-1),叶绿素a浓度最大值为2015的5.04μg·L^(-1)。在过去的几十年里,中国在博斯腾湖的水质监控及其治理成果方面取得了显著进展,但在时空覆盖、指标列表、人与自然相互作用的结合、反演精度和模型泛化等方面还需进一步改进。

近50年博斯腾湖水位变化特征分析

以干旱区博斯腾湖为研究对象,依据博斯腾湖1956—2012年期间的水位监测数据,采用小波分析及MannKendall(M-K)趋势检验等统计学方法,揭示了近50a博斯腾湖水位变化趋势及规律。结果显示:博斯腾湖1956—2012年水位变化分为3个阶段下降(1956—1987年)—上升(1988—2002年)—下降(2003—2012年),其中1956—1987年水位下降了3.39m;1988—2002年上升了3.7m;2003—2012年再次下降了3.21m。水位总体上呈现出显著的下降趋势,且通过了α=0.05时的显著性检验。就其周期性变化规律而言,博斯腾湖水位存在18a的主周期,而38a的周期由于水位资料序列有限难以确定,需要更长的资料序列进行分析验证。

水动力模拟在渣场河道行洪分析中的应用

梯级开发水电站渣场设置的合理性是水土保持方案关注的重点。设置在河道两侧的渣场会束窄河道,对河道行洪等一系列问题产生影响。针对渣场设置是否会对河道行洪产生影响的问题,提出了河道水流的数值模拟计算方法。利用MIKE 21水动力模块对河道水流进行二维模拟,得到修建渣场前后河道水位及流场的变化。该方法的运用解决了编制水保方案时缺乏水文资料的水力计算问题,实现了计算的便捷化和合理化;同时还为渣场水土保持工程措施的设计提供了有力的依据。

灞河流域DOM荧光光谱特征及其对细菌组成的影响

为了探讨溶解性有机质(DOM)来源组成对细菌群落结构和多样性的影响,以及细菌群落结构在控制DOM组成及降解中的作用,本研究基于三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术研究了灞河水体枯水期(12月)DOM的荧光组分特征及空间分布变化;采用高通量测序技术分析了水体中细菌群落特征.结果表明:灞河水体DOM荧光组分中含有3个腐殖质类组分(C1:240,320/400nm;C2:260-295/478-504nm;C5:240/480nm)和2个蛋白类组分(C3:240,272~284/350~360nm;C4:255~275/326~336nm),5组分之间相关性较好,表明这2类荧光组分具有相似的来源属性;灞河水体门水平中相对丰度最高的为变形菌门(Proteobacteria,54.22%),其次为拟杆菌门(Bacteroidetes,19.40%)、厚壁菌门(Firmicutes,12.28%)、蓝藻菌门(Cyanobacteria,6.46%)和放线菌门(Actinobacteria,3.13%);河流水体中的营养盐含量、水温、电导率及pH值均对细菌群落组成有一定影响.DOM各组分与浮游菌群表现出一定相关关系,且腐殖类和蛋白类组分沿河流纵向梯度对比明显,不同细菌群落对DOM的质量和不稳定性可能有不同的反应.本研究可为河流生物地球化学过程对微生物种群组成和功能影响的研究提供一定的基础数据.

灞河溶解性有机质三维荧光光谱特征及相对分子质量分布研究

为了研究溶解有机质(DOM)与水质的相关性,联合应用三维荧光光谱(3D-EEMs)和液相-有机碳-有机氮检测(LC-OCD-OND)技术,在河流上游源区、中游城镇与下游城市河段设置16个采样点,结合人类活动及河流地貌特征对灞河流域的影响,研究了西安市灞河水体DOM。结果表明,河水DOM主要由生物大分子、腐殖质类物质、腐殖质降解产物和低分子中性物质组成,平均质量浓度分别为0.157 mg/L、1.746 mg/L、0.478 mg/L、0.361 mg/L。类腐殖荧光物质(紫外光区富里酸和类腐殖酸)主要集中在相对分子质量为1000~20000的腐殖质类物质中,占DOM总量的46.5%;类蛋白荧光物质(可见光区色氨酸和酪氨酸)主要分布在相对分子质量大于20000的生物大分子和相对分子质量小于350的低分子中性物质中,约占DOM总量的15.1%。从源头到入灞河口,河水DOM含量水平由高到低的顺序为城市河段、城镇河段、源区河段。灞河水体总体腐殖化程度较弱,陆生源DOM贡献较小,下游城市河段DOM中自生源指数(BIX)相对较高,微生物及藻类代谢活动旺盛,新生自生源较多。下游污水处理厂出水对灞河下游水体中DOM组成及水质的变化具有关键作用,影响河水营养状态的潜在因子包括TN、EC、DO、生物大分子、腐殖质类物质和低分子中性物质。因此,3D-EEMs及LC-OCD-OND联用技术可以用来表征河流水质的空间异质性,并对污染物组分进行定量化判别和来源解析。

河-库连续体中溶解性无机碳及其同位素的时空分异特征——以澜沧江云南段为例

河流及水库等水生态系统中的溶解性无机碳(DIC)是全球碳循环与大气、陆地和海洋之间碳相互作用的重要组成部分.以澜沧江云南段上游天然河段及下游梯级水库群形成的连续体为研究对象,分析了河库连续体表层水体中水化学特征、溶解性无机碳浓度及其碳同位素时空分布特征.研究结果表明:河库连续体水体中溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ13 C DIC)组成特征总体表现为:DIC浓度丰水期较低,枯水期较高,平均值分别为2.59±0.44和3.30±0.37 mmol/L;δ13 C DIC值丰水期偏负、枯水期偏正,平均值分别为-8.52‰±0.38‰和-6.95‰±0.53‰,与自然河流的季节变化特征相似.水体DIC来源主要包括土壤及水体有机质分解生成的CO 2、碳酸盐风化和水气界面CO 2的交换过程.澜沧江河库连续体中DIC浓度及δ13 C DIC组成的时空异质性特征与流域岩性、土壤生物地球化学过程以及微生物活动强度等均有较大关系.当前,澜沧江梯级水库群建库时间短,梯级联合运行下调度复杂,水文条件多变,梯级水库对河流重要生源要素——碳累积影响方面的“水库效应”还不明显.

陕南土石山区坡改梯对坡面稳定性的影响

梯田是土石山区水土流失治理的主要措施。以陕南土石山区为研究对象,研究坡耕地改建成梯田后对坡面整体稳定性的影响,采用实地调查取样、室内试验和软件分析相结合的方法,分析了坡改梯前后梯田土层厚度、田坎坡度以及田面宽度对梯田坡面稳定性的影响。结果表明:(1)15°坡面修建梯田后坡面安全系数降低了45%,25°坡面修建梯田后坡面安全系数降低了73%,15°坡面修建梯田稳定性优于25°坡面;(2)在相同的坡长和坡度下,修建梯田后坡面安全系数与土层厚度成正比,与田坎坡度和田面宽度成反比。研究结果可为土石山区梯田的断面布局提供理论依据。

博斯腾湖生态系统健康状态与水位关系研究

基于熵权的概念,以干旱区博斯腾湖为研究对象,通过建立生态系统健康状态评估模型,采用1993—2012年期间博斯腾湖的水环境监测数据,分析近20年博斯腾湖的生态系统健康状态。结合水位数据,探讨了博斯腾湖生态健康状态与水位之间的相关性。研究结果表明:博斯腾湖水生态系统健康状态整体保持在中等水平,其生态系统健康状态与水位变化存在着较大的相关性,两者的Pearson相关系数为0.778。当水位低于1 046.2 m时,其生态健康状态较差,而水位超过1 046.8m时,生态健康状态较好。

VIC模型在西江流域的水文模拟及其应用

流域自然水文物理过程的研究对于保障流域水安全具有重要意义,以西江为研究区结合陆面水文模型VIC(Variable Infiltration Capacity, VIC)对流域自然水循环的水文模拟过程在不同时间尺度上的适用性情况进行了分析,无论是日尺度还是月尺度上,VIC模型在西江流域径流模拟过程中均表现出了良好的适用性,都达到或者超过NS>0.6同时BIAS的绝对值小于0.15的标准要求;其次对VIC模型进行更深层次应用,从模型输出的众多基于栅格的水文要素中,提取地表径流(R)、地下基流(B)、降水(P)、蒸散发(E)四大要素,并结合Mann-Kendall变化趋势检验方法对这四大要素在1971—2010年共40年内的变化趋势进行分析,得到西江流域的蒸散发存在37%以上、降水存在29%以上、地表径流存在65%以上的面积有显著增加趋势,而地下基流在这40年内的变化趋势并不显著这一结论。

土石坝漫顶溃决过程数值模拟研究

针对水动力条件变化复杂、水土耦合作用强烈的土石坝溃决过程,结合水库调洪演算、清水冲刷以及溃口冲刷侵蚀机理,在Breach模型基础上建立了土石坝漫顶溃口流量过程计算物理模型。结果表明:模型对JP水库大坝溃决过程的模拟,很好地再现了溃决洪水流量过程线、溃口展宽和下切过程,验证了模型的合理性和应用潜力。

博斯腾湖矿化度影响因子的敏感度分析

水位,吞吐流,风场从不同机理不同程度影响着博斯腾湖的矿化度分布。本文在定性分析博斯腾湖矿化度分布的影响因子的基础上,建立水流-盐度数学模型,通过采用单因子影响的分析的方法,进行矿化度分布对各影响因子的敏感度分析。研究表明:风场对博湖矿化度分布的影响最为明显,水位和吞吐流对博湖矿化度分布的影响均不明显。该研究对博湖的水环境综合治理有一定的指导意义。

焉耆盆地农田排渠水质变化及其空间分布

以焉耆盆地内的26条农田排渠为研究对象,选取CODCr、BOD5、矿化度等8项水质指标,采用因子分析和聚类分析对各个排渠的水质进行评价,并对排渠水体污染程度进行分类,在此基础上确定出对博斯腾湖咸化贡献大的农田排渠。结果表明,各排渠水质污染的主导因子是矿化度、硫酸盐、氯化物;本布图南干排、团结总干排、东大罕干排、黄水总干排综合污染程度高且是以矿化度等盐类污染为主要污染物;通过聚类分析可将农田排渠水体污染分为3类(综合污染程度高;综合污染度中等;综合污染度低);对博斯腾湖咸化贡献大的农田排渠是黄水总干排、团结总干排和解放一渠,应着重控制。

基于MIKE建模的城市生态公园行洪能力分析

[目的]预测并分析工程对河道行洪能力变化的影响,为城市生态公园工程防洪影响评价提供研究技术方法。[方法]基于MIKE 21建立城市生态公园工程河段的平面二维水流数学模型,以渭河宝鸡段为例,选取1954型洪水过程验证模型合理性,模拟3种典型流量下河道流场和水位的变化特征,讨论城市生态公园修建后对河道行洪能力的安全影响。[结果]3种典型流量洪水下沿线水位均低于堤顶高程,对城市行洪安全不构成威胁,因此行洪安全可以保证。但由于河道行洪宽度变窄左岸流速增大,加剧了对岸堤的冲刷,采取岸堤加固措施是极为必要的。[结论]河道形状的改变会影响水的流态,水流速度过大会影响河堤结构稳定性,最终影响河道的行洪能力。

浐灞河下游河段水质模拟研究

根据浐灞河下游河段水质系统的状况,从管理角度和水质模型的空间维数来考虑,选取河流一维稳态水质模型,依据大量的实测数据率定降解系数,设定现状调查排放源、许可固定排放源与规划排放源3种工况,模拟浐灞河下游河段沿程各断面水质影响变化。通过对比3种工况对水质影响关系,得出在现状调查排放源和许可固定排放源条件下,水质受到污染;在规划排放源条件下,呈现出较好的水质状况。研究结果为河道的水环境管理提供了依据。

风电工程施工过程中的边坡防护

边坡防护是风电场建设中最常见的水土保持工程措施之一。边坡防护的形式众多,选择合理的边坡防护形式对于减少风电场建设造成的水土流失、保持边坡稳定具有重要的意义。系统总结了不同地质条件下(土质边坡、岩质边坡和岩土混合边坡)风电场建设常见的边坡防护形式及其施工要点,并从安全性、经济性和美观的角度评判了常见边坡防护形式的优缺点,研究结论能为风电场建设过程中选择合理的边坡防护形式提供参考。

基于Mike Flood模型的老旧小区海绵化改造研究

在城市化进程中,由于下垫面透水性及滞水性能的明显降低,减弱了下垫面的雨水调蓄能力。文中以山西太原某老旧小区为例,运用Mike Flood模型模拟了小区海绵化改造效果。结果表明,适宜的海绵措施,能够有效降低小区洪峰流量和径流总量,并能有效改善小区局部积水问题。研究结果可为涵养局部水资源、增强小区防涝能力提供思路,为旧城海绵城市建设提供参考。

车尔臣河流域土地利用变化及生态环境效应分析

借助ArcGIS与ERDAS软件,以1990年、2000年、2010年遥感影像Landsat TM/ETM为数据源,提取3期车尔臣河流域土地利用/覆盖利用图.在土地利用类型与区域生态风险之间的经验联系基础上,推求出土地利用类型生态风险指数,进而获得研究区域生态安全指数,建立了车尔臣河土地利用类型与生态环境之间的数量关系.同时,在空间尺度上将研究区分为若干特定研究单元,并对整体及局部地区进行生态环境质量动态分析.结果表明:1990—2010年间,车尔臣河流域总体生态环境指数呈逐步升高趋势,但生态环境质量的改善与恶化两种趋势并存,并在特定研究单元上出现明显的区域分异特征;盐碱地向耕地、林地及低覆盖度草地的转化,低覆盖度草地向林地的转化和未利用地向耕地的转化是环境改善的主导因素,林地与中覆盖度草地向盐碱地和未利用地的转化是环境恶化的主导因素.

灞河流域溶解性有机质分子量分级表征及其与水质的相关性

溶解性有机质是水体中有机质分解与营养盐再生的核心载体之一,是碳、氮等生源要素生物地球化学循环的重要环节,也是水环境科学研究的重点内容.本研究应用液相-有机碳-有机氮检测(LC-OCD-OND)技术研究了西安市灞河流域水体中溶解性有机质(DOM)不同分子量组分特征,分析其与河水水质的相关性.结果表明:河水DOM按照分子量分布,主要由生物大分子、腐殖质类物质、腐殖质降解产物、低分子中性物质和低分子酸组成,各组分平均浓度分别为0.15、1.75、0.48、0.36和0.002 mg·L^(-1),河水中DOM总体含量水平由高到低的顺序为城市河段>城镇河段>源区河段.组分中分子量介于1000～20000 Da的腐殖质类物质占DOM总量的49.0%,含量及丰度从高到低依次为中游城镇段>污水厂出口段>污水厂下游河口段>上游源头段;分子量>20000 Da的生物大分子约占DOM总量的5.1%,丰度由高到低依次为污水厂出口>污水厂下游河口>上游源头>中游城镇段,污水处理厂出水所产生的外生源有机质对河流DOM的贡献最大.DOM不同分子量组分与水质的相关性明显,表明基于LC-OCD-OND分级表征的DOM各分子量组分和丰度不仅可以作为水质监测的一个综合性指标,也可以用来表征河流水质的空间异质性,并能对污染物各组分进行定量化判别和来源解析.

工程与材料科学部重大项目立项与管理机制改革探索及思考

国家自然科学基金重大项目是国家自然科学基金委员会(简称“自然科学基金委”)资助体系中重要的项目类型之一,在发挥学科支撑和引领作用、推动产生原创性重大成果方面具有重要战略地位。本文全面回顾并分析了工程与材料科学部重大项目资助现状,重点阐述了当前在立项与管理机制方面存在的一些问题,阐明了重大项目深化改革的必要性和紧迫性,介绍了自然科学基金委工程与材料科学部的具体改革思路和举措,以及进行的实践和探索,提出了一些思考,为新时期国家自然科学基金重大项目深化改革提供了重要参考。

2022年度工程与材料科学部基金项目评审工作综述

本文总结了2022年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部项目评审工作情况,对各类项目申请、受理、评审和资助情况进行了整理及分析,重点回顾了本年度工程与材料科学部深化科学基金改革新举措的实施情况,并提出了下一年度评审工作的思路及建议,以进一步提高工程与材料科学基础研究资助质量。