降水和地下水开采对通辽市科尔沁区潜水位的影响

变化环境下(气候变化和人类活动)潜水位动态演化过程识别是当前我国乃至全球水资源领域面临的主要科学问题。为了分析多影响因素下的潜水位时空动态变化,以降水和地下水开采为例,基于通辽市科尔沁区2016年1月—2019年12月实测地下水位动态数据,采用Mann-Kendall(MK)趋势检验和栅格代数法分析了区域潜水位的时空变化规律,并利用交叉小波分析、斯皮尔曼相关系数和多元线性回归法进一步量化分析了不同区域降水和地下水开采对潜水位的影响。结果表明:研究时段内科尔沁区潜水位总体呈下降趋势,年均降幅为0.36 m,中部和西部地区潜水位下降较为严重;根据潜水位差值空间分布特征,将研究区划分为潜水位基本平衡区、下降区和严重下降区,其分别占研究区总面积的9.88%、49.65%和40.47%;基本平衡区的潜水位受降水因素影响显著,受地下水开采变化影响极小,下降区和严重下降区潜水位受地下水开采的影响相较于降水影响更大。

机器学习算法在降水和气温多模式集成中的应用

选取CMIP6中5种全球气候模式,利用算术平均、权重平均、多元线性回归、BP神经网络、长短期记忆(LSTM)神经网络和随机森林(RF)等6种多模式集成方法,基于黄河流域水源涵养区历史降水量和气温数据,评估不同集成方法的模拟效果,并选取模拟效果最好的多模式集成方法预估未来SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.53种情景下黄河流域水源涵养区的降水和气温变化趋势。结果表明:多模式集成能很好地再现基准期降水和气温变化,3种机器学习算法表现相对较好,其中LSTM神经网络最好;在未来3种情景下,多年平均降水量均有所增加,四季降水量变化各有差异;SSP1-2.6情景下年降水量峰值出现在各时段初期,SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的年降水量呈增长趋势,远期下降趋势较明显;3种情景下气温都呈上升趋势,但变化差异较大,增温幅度和速率由小到大为SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5,秋季气温增幅最大,冬季最小;多模式集成方法对未来降水量和气温的预估存在较大的不确定性,均表现为中远期大于近期,降水量预估的不确定性比气温大,其中降水量秋冬季不确定性明显大于春夏季。

基于监测与模型的典型合流制排水系统溢流污染来源解析

以北京中心城区某典型合流制分区为研究区,开展自“地表-管网-排口”的全过程监测,基于MIKE URBAN软件构建数值模型,构建一套结合监测与模型的溢流污染解析方法,量化分析不同降雨量级下溢流污染来源。结果表明:管道沉积物、地表径流和生活污水对COD的贡献率分别为43.4%~53.9%、27.4%~27.5%和18.6%~29.2%。中雨流量峰值晚于浓度峰值,大雨反之;两场降雨溢流水质浓度峰值差异小于流量峰值。随着降雨量级及强度增加,地表径流和管道沉积物的污染负荷增加,后者增加量更大。管道沉积物是合流制溢流污染的主要来源,应优先对其进行控制。

基于遥感和通量观测的实际蒸散发时空变化特征——以黄河流域水源涵养区为例

蒸散发是地表水热平衡的关键要素,分析蒸散发的时空分布特征及其影响因素,对于深入理解区域水文循环与生态系统过程至关重要。基于通量观测站数据,评估GLEAM、MTE、GLDAS和AVHRR共4种蒸散发产品在黄河流域水源涵养区的适用性,利用水量平衡方法验证其在流域尺度上的精度,并探讨实际蒸散发的影响因素。结果表明:在站点尺度上,GLEAM蒸散发产品精度最高;在流域尺度上,校正后的GLEAM蒸散发产品与实际蒸散发的相对误差在渭河南山支流区最小,其次是兰州以上地区;1982—2015年黄河流域水源涵养区实际蒸散发整体呈增加趋势,空间分布上自西到东逐渐增加;不同植被类型年均蒸散发差异较大,阔叶林的蒸散发最大(575.2 mm),其次是农田(504.3 mm),高山草甸的蒸散发最小(358.2 mm);实际蒸散发变化主要受到太阳辐射与气温的影响。

基于知识图谱的暴雨灾害链挖掘与预测研究

暴雨灾害不仅会引发崩滑流、内涝等次生灾害,更会造成交通中断、供电中断、市政设施损毁等一系列衍生后果,这种现象被称为暴雨灾害链。为了把握暴雨灾害链演化发展的客观规律,有效防范暴雨灾害链的风险,本文提出了一种基于知识图谱的暴雨灾害链挖掘与预测方法。首先,将承灾体影响纳入暴雨灾害链本体模型,构建了暴雨灾害链知识图谱;其次,提出了基于链路耦合的暴雨灾害链挖掘方法,构建了基于贝叶斯网络的暴雨灾害链预测模型;再次,以珠三角地区为例,挖掘暴雨灾害链,并预测某次暴雨事件的灾害链。结果表明:①构建的暴雨灾害链知识图谱能够全面展示出暴雨次生灾害链及其衍生的承灾体后果;②基于知识图谱链路耦合的暴雨灾害链挖掘方法完整地挖掘出了暴雨灾害链,主要类型包括自然灾害类、城市生命线影响类、人员伤亡类、设备和建筑事故类、生产生活潜在影响类;③提出的基于贝叶斯网络的暴雨灾害链预测模型,在暴雨灾害发生初期就能准确预测出暴雨灾害链的发生概率。

苏北高邮湖菹草(Potamogeton crispus)生长衰亡过程对水质与浮游植物群落的影响

为探究菹草(Potamogeton crispus)生长、衰亡期对生态环境的效应,本文以南水北调东线源头调蓄湖泊——高邮湖为研究区域,通过分析湖泊水质及浮游植物群落随菹草生长衰亡过程的变化情况,揭示高邮湖菹草暴发下水环境状况变化。结果表明:在菹草生长期水体透明度明显提高,且总氮浓度有较大程度的下降;而在菹草衰亡期,菹草生物量越高的区域水质越差。菹草在生长期对水环境起到一定的净化效果,而菹草衰亡降解会造成水质恶化。菹草生长期浮游植物密度和生物量显著低于衰亡期,生长期菹草高、中生物量区的浮游植物密度和生物量低于低生物量区,而在菹草衰亡期高、中生物量区的浮游植物密度和生物量高于低生物量区。冗余分析结果表明,pH、溶解氧、氨氮、硝态氮、总磷、高锰酸盐指数是菹草生长衰亡过程影响浮游植物群落结构的主要环境因子。分段结构方程模型模拟结果表明,菹草生物量可对浮游植物生物量产生直接效应,也可以通过改变环境因子对浮游植物生物量产生间接效应。

澜沧江上游极端降水变化特征及未来预估研究

为探究澜沧江上游极端降水变化特征,基于中国区域地面气象要素驱动数据集(CMFD)再分析数据,对第六次国际耦合模拟比较计划(CMIP6)的10个气候模式降水数据进行了极端降水模拟评估,基于年降水总量对CMIP6多模式降水数据进行了偏差纠正,预估了未来时期(近期:2020—2049年、远期:2060—2089年)极端降水的变化趋势,并探讨了其趋势变化的驱动因素。结果表明:(1)偏差纠正后CMIP6多模式极端降水指数的不确定性减小,多模式集合平均的模拟效果优于多数单一模式。(2)未来研究区的降水总量增加,年内降水日数增多,降水频率上升。未来近期,研究区各极端降水指数的变化趋势并不明显,极端降水事件呈减少趋势;未来远期,尤其是高辐射强迫下,研究区极端降水的强度和频率都呈现显著的增加趋势。(3)气候变暖导致的空气含水量增加可能是极端降水增强的原因。

基于ParFlow.CLM的居民小区屋顶雨水断接水文效应研究

城市不透水面的快速扩张极大地改变了自然的水文循环过程,是造成城市内涝、河湖生态退化等城市水问题的主要原因之一。海绵城市建设及低影响开发利用源头海绵设施或城市绿地断接城市不透水面,减少不透水面的水文效应,是缓解城市水问题的重要措施。探究不透水面断接的水文效应对我国海绵城市建设具有重要意义。基于全分布式物理水文模型ParFlow.CLM,充分考虑城市地下构筑物,探究了不同土壤质地情景下西宁市某典型居民小区建筑屋顶断接在连续的降雨、蒸发过程中的水文效应。模拟结果显示,利用该居民小区自然绿地断接建筑屋顶能取得较好的径流控制效果:当土壤饱和导水率(K_(s))大于0.01m/h时,屋顶径流的年削减率能达到72.9%以上。屋顶断接在建筑物雨落管附近形成了集中入渗,增加了根区土壤湿度,且这一效应随着土壤渗透性的增加而增强。根区土壤湿度的增加进一步促进了绿地的蒸散发:与屋顶断接前相比,不同土壤质地情景下居民小区年蒸散发总量增加了6.2%~7.8%。另一方面,集中入渗在局部也形成了更深的湿润锋,使得更多下渗水量能够脱离植被根区的蒸散发作用,从而促进根区水分的深层渗漏。模拟结果表明,尽管该居民小区地下停车场限制了大部分区域的深层渗漏,当土壤K_(s)大于0.01m/h时,屋顶断接情景下的年深层渗漏总量仍能超过城市化前的水平。

地下水超采管控体系及水量水位双控体系研究进展

以《地下水管理条例》中空间管控和目标管控思想为指导,分类梳理了地下水超采管控体系和水量水位双控体系的研究进展及现状。地下水超采管控体系研究与我国具体国情结合日益紧密,但目前相关管理制度与规范仍亟待完善;地下水超采管控体系明确了已发生超采区域的划分标准,但缺少统一且全面的地下水资源管控区划标准;地下水水量水位双控体系克服了由于水位或水量单方面控制、未考虑地下水水位与水量的内在联系、难以有效缓解由水位或水量变化而导致的生态环境问题的局限性;水量水位双控体系研究的难点在于通过监管点状分布的水位控制面状分布的开采量,建议通过管理特定时间的水位控制一定时段的地下水开采量,或通过管理面状开采量来对点状水位进行控制。

考虑水力连通的羌塘内流区洼地单元提取与分类

羌塘内流区是青藏高原面积最大的内流区,气候变化正在加剧其湖泊水系结构与水量的演变,开展内流区流域调查并科学估算其水资源的变化具有重要意义。本文提出一种新型内流区流域划分方法,该方法通过引入高程-面积联合阈值,以解决由气候变化与数字高程模型分辨率等因素引起的洼地单元提取难题。基于已监测的羌塘内流区流域重组与湖泊水位的变动幅度,确定了高程-面积联合阈值分别为10 m和50 km^(2),并对洼地单元进行划分,共识别出163个具有合理集水面积、永久性分水岭的封闭内流区洼地单元。引入多个相关数据集及已有算法评估本方法,结果表明:该方法适用于大尺度内流区洼地单元提取,提取精度优于现有算法及数据产品;依据洼地单元间水力连通特征,将全区163个洼地单元划分为5种主要类型,其中以“上下游互通型”(Ⅱ型)、“高山型”(Ⅳ型)洼地单元为主,“凹陷型”(Ⅴ型)洼地单元则多与其他类型复合存在,受气候条件的影响更加显著。

基于高分一号遥感影像的水体提取方法对比分析与改进

以高分一号遥感影像为数据源,以安徽省黄山市屯溪流域内的东方红水库为研究对象,采用单波段阈值法、两波段差值法、波段比值法、归一化差分水体指数(NDWI)法、归一化差分植被指数(NDVI)法共5种水陆像元度量方法,分别应用平均值法和最大类间方差迭代法两种阈值选取方法对东方红水库进行水体提取,探索最大类间方差迭代法在水体提取变量上的改进效果,在此基础上提出了一种改进的最大类间方差联合水体提取法,并对比了改进前后的水体提取效果。结果表明:改进后的水体提取方法可以很好地降低影像提取中产生的噪点,提高水体提取的精度,提取成果的平均相对误差为4.69%,决定系数为0.8579,相比于改进前平均相对误差降低了0.68%,决定系数提高了0.0539。

交汇区水流结构对水温分布特征的影响机理

为分析交汇区复杂的水温分布规律及其受水流结构影响的机理,采用Fluent数值模拟软件,通过改变汇流角和汇流比,模拟了不同条件下交汇区的时均流场、紊动特性和水温分布,分析了各工况下交汇区水平面及断面水温分布特征(水温非均匀性指数)和水流结构特征参量(紊动能和涡量)间的关系,探究了不同水流结构对水温分布的影响机理。结果表明:水流剪切影响热掺混层的位置,二次环流影响热掺混层的形态;汇流角或汇流比越大,断面非均匀指数越小,水温掺混越快,热掺混层随剪切层位置的改变越靠近外岸壁(交汇口对侧壁面),热掺混层弯曲程度随二次环流强度增大而增大;紊动能及涡量与断面非均匀指数之间呈现良好的线性关系。

长江上游卫星反演与再分析降水数据的适用性评估

为评估不同降水数据在长江上游的适用性,基于气象站点观测数据,采用多种评价指标,定量评估了卫星反演降水数据(IMERG-Final、GSMaP-Gauge)及再分析降水数据(ERA5-Land)在长江上游的应用精度,并分析了各降水数据在不同等级降水的误差结构。结果表明:3套降水数据均能准确捕捉流域降水东高西低的空间格局,与观测降水有着良好的相关性,且2015—2019年表现平稳,有可长期应用的潜力;各降水数据时间分辨率越高,误差相对越大,在流域地形变化剧烈的中部误差更大;对弱降水易错报高估,对强降水的低估随降水强度上升而加剧;两套卫星反演降水数据总体误差较小,适用性良好,IMERG-Final有更好的误差控制能力,GSMaP-Gauge对降水发生的识别更为准确;ERA5-Land明显高估流域降水,尤其在西南部地区。

基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法

为了科学评估自然-社会系统影响下非平稳水文干旱,考虑气候变化(降水、气温)和人类活动(取用水、水库)四元要素的影响,通过基于四元驱动的GAMLSS模型构建非平稳标准化径流指数(NSRI),提出了基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法。黄河流域非平稳水文干旱实例评估结果表明:黄河流域花园口站径流序列呈现出明显的非平稳特征,径流量1961—2020年发生显著下降,并在1990年发生突变;基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法能够更好地对径流数据进行非平稳概率分布拟合;对于历史干旱事件的识别,NSRI识别的干旱过程与实际更加接近,NSRI比标准化径流指数(SRI)识别效果更好,可以更好地反映变化环境下的水文干旱演变趋势。

不同降水驱动的SWAT模型参数不确定性研究

以抚河流域与黑河流域为研究区,应用4种降水产品(CMORPH CMA、CMFD、CMADS、MSWEP)驱动SWAT模型模拟日流量,评估4种降水产品在湿润区与干旱区的适用性;使用自适应降维评估法选出流域的敏感参数,并进行一致性检验。结果表明:抚河流域4种降水产品的纳什效率系数(NSE)均在0.70以上,其中CMORPH CMA和CMADS的NSE均能达到0.82;黑河流域CMORPH CMA和CMADS的NSE大于等于0.76,而CMFD和MSWEP的NSE分别为0.72和0.74。抚河流域4种降水产品具有相同的敏感参数;黑河流域CMORPH CMA和CMADS有相同的6个敏感参数,而CMFD和MSWEP则分别有5个和8个敏感参数。4种降水产品在湿润流域和干旱流域都能得到较好的应用效果,但是CMORPH CMA和CMADS的模拟效果要优于CMFD和MSWEP。不同的降水输入也会对模型参数敏感性分析的结果产生影响,当降水表现越接近时,所筛选的敏感性参数也越相似。

黄河-渭河交汇处水流结构与河道演变实测结果分析

黄河-渭河交汇处是黄河流域典型的大型河道交汇处之一,亦是中下游水动力和泥沙输移的重要控制节点。为进一步认识该处大宽深比、高含沙、复杂地形条件下的三维水流结构及河道演变规律,运用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对该交汇处15个横断面的流场进行现场测量,采用动能校正系数(α)和动量校正系数(β)分析水动力调整过程。通过遥感影像数据提取河道平面形态,分析交汇处及上下游的河道演变规律。结果表明,黄河-渭河交汇处可观测到明显的停滞区、最大流速区、流速恢复区等水动力特征区;拐角处未发现明显分离区,主要是因为该处河道过渡平顺。黄河与渭河交汇初期,由于流速差异大和河道缩窄导致流速不均匀性较强,α、β分别约为1.5、1.2,随着河道向下游展宽,流速不均匀性迅速减小。交汇处断面内存在较强的二次流,其流速可达主流流速的1/8,并向下游衰减。遥感研究表明交汇处所属黄河河段不稳定,且存在顶点的岸线淤长和对岸的岸线后退现象。

基于随机森林模型的长江流域分区多源融合降水模拟方法研究

基于3种卫星降水产品,提出了一种基于随机森林模型的长江流域分区多源融合降水模拟算法(FCM-RF算法)。采用模糊C均值算法,结合地面观测站点资料对长江流域进行降水区域划分,引入降水比降刻画降水空间性,进一步通过普通克里金插值法优化融合结果,得到一套长江流域空间分辨率为0.25°×0.25°的多源融合降水产品,并对其进行了评估。结果表明:FCM-RF算法在长江流域具有良好的表现,可以有效提高原始卫星降水产品对于降水事件的捕捉能力,在验证站点模拟降水量与实测降水量的相关系数可达到0.76;FCM-RF算法在年际上具有相似变化特征,对于春秋季降水的敏感性较高,在夏季由于强降水影响表现欠佳,冬季由于雨量稀少、存在固态降水,呈现出误差小、相关系数较低的特点;FCM-RF算法在东南地区具有较强的降水捕捉能力,在青藏高原地区的准确性较低。

黄河流域未来陆地水储量时空演变趋势

在气候变化和人类活动影响下,流域水循环发生了显著变化,水资源保护形势愈加严峻。为解决黄河流域陆地水储量难监测的问题,利用GRACE数据和可变下渗容量(VIC)模型预测黄河流域2030—2100年陆地水储量变化,剖析气候变化对陆地水储量的影响机制。研究表明:1)利用GRACE数据和VIC模型通过组分相加法计算的陆地水储量变化一致性较强,能很好模拟黄河流域陆地水储量时空演变特征;2)2030—2100年黄河流域陆地水储量呈现不显著的增加趋势,SSP585情景陆地水储量的增加幅度最大;3)预测期黄河流域降水量、气温和蒸散发量均比历史时期上升,预测期黄河源区和兰州附近的径流深比历史期减小,虽然预测期黄河流域整体陆地水储量呈现不显著增加趋势,但仅内蒙古部分地区陆地水储量增加。

基于社会经济指标的城市洪水韧性评估算法——以郑州市黄科苑小区为例

为更好的应对城市超标准洪水,开展城市洪水韧性建设十分必要。构建合理有效的城市洪水韧性评价体系是城市洪水韧性建设的重点和难点。提出一套城市洪水韧性建设评价算法,以郑州市金水区黄科苑小区为例,综合考虑社会经济因素,选取脆弱性人口、车辆、电网三种韧性评价指标开展城市洪水韧性建设评价。结论如下:研究区城市洪水韧性最低点在洪水历时的第32小时;实施城市洪水韧性措施后,在同等强度洪水下城市洪水韧性由原来的0.58提升至0.65,有效提高了城市洪水韧性,也缩短了城市恢复正常功能的进程。该套城市洪水韧性建设评估算法可为量化城市洪水韧性水平提供支撑。

水生植物附着细菌群落组成特征及构建机制研究进展

水生植物根叶表面定殖了高度多样化的细菌群落,这些细菌类群在促进植物生长发育、提高养分吸收以及增强环境适应性等方面发挥重要作用,并通过与植物形成复杂的共生功能体,深刻影响着水生生态系统中的生物地球化学循环过程。然而,当前对水生植物附着细菌群落的认识及应用尚显不足。深入理解水生植物附着细菌群落组成及构建机制,阐明其与宿主间复杂的相互作用关系,对揭示和调控水生植物-微生物组的生态功能以及维持水生生态系统健康具有重要意义。本文系统总结了水生植物附着细菌群落的多样性及组成特征,从宿主植物的选择效应、环境响应以及细菌的种间相互作用等方面梳理了水生植物附着细菌群落的形成机理和驱动机制,并介绍了调控水生植物附着细菌群落构建的生态学过程,阐述了水生植物附着细菌群落在湖泊碳、氮循环过程中的作用。此外,对水生植物附着细菌群落的进一步研究进行了展望,建议未来可以从水生植物附着细菌群落的功能特征、核心菌群挖掘、合成群落应用、对全球变化的响应规律以及水生植物-微生物协同降污增汇技术等方面开展深入研究。