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。

洞庭湖盆地地下水系统与环境研究综述

洞庭湖是长江中游重要的调蓄湖泊,其复杂的地下水系统与突出的地下水环境问题持续受到关注。本文从洞庭湖盆地第四纪构造演化、洞庭湖盆地地下水系统结构及洞庭湖区水循环特征、地下水环境及影响因素等3个方面归纳、总结和讨论了相关研究成果,并在此基础上对洞庭湖地下水系统与环境的研究前景进行了展望。洞庭湖盆地第四纪构造活动强烈,在此过程中沉积了平均厚度达150 m的第四纪沉积物,塑造了湖区地下水系统的构造与地层格局。区内地下水系统受盆地整体地形、基底构造格局、含水层分布、地表河湖系统等多因素控制,水循环过程非常复杂。受原生地球化学环境、人类活动等的影响,洞庭湖平原大部分区域地下水存在铁、锰、氨氮、硝酸盐等水质因子超标的问题,其中铁、锰与氨氮的含量还呈现出明显的自平原外围向湖盆腹地逐渐增大的空间分布规律。综合已有研究成果及洞庭湖平原在水资源配置、湿地保护、生态环境治理等方面的需求,认为未来洞庭湖地下水系统与环境的研究重点是:1)洞庭湖平原垂向交互带水分交换过程及生物地球化学演替规律;2)复杂河湖系统下洞庭湖地下水系统的尺度分异及地表水-地下水的交互作用;3)洞庭湖平原多要素耦合作用下湖区平原水环境演化机制。

洞庭湖水沙阶段性演变特征及驱动因素分析

【目的】通过分析洞庭湖三口年断流天数及同流量水位变化情况,研究其与径流量及输沙量之间的相互关系;结合水利工程建设情况,探究人类活动对洞庭湖水沙变化的影响。【方法】基于洞庭湖出入湖主要控制站1961—2017年实测水沙数据,采用Mann-Kendall检验法及Pettitt突变检验法分时段分析洞庭湖出入湖水沙演变特征。【结果】1)三口年均径流量持续减少,三口年径流量及汛期径流量在1985年左右发生显著突变。三口五站同流量水位抬高明显,三口输沙量随分流量的减少而减少,藕池口的输沙量下降幅度最大,三口总入湖输沙量在1990年发生显著突变;2)四水径流量未发生明显变化,但年输沙量和汛期输沙量均在1985年以后呈显著减少趋势;3)洞庭湖出入湖总径流量呈减少趋势,出入湖年输沙量呈显著减少趋势,出湖年输沙量的减少速度相对较慢,尤其是在2008年以后,出湖输沙量比入湖的多。【结论】下荆江裁弯、葛洲坝枢纽、三峡工程以及四水控制性工程的建设是造成洞庭湖水沙过程发生变化的主要原因。其中,三峡水库的运行使得三口分沙及太平口、藕池口非汛期分流量减少幅度达90.0%以上。四水水沙变化受湖南省大中型水库建设的影响较大。

浏阳河长沙段含藻水的自气浮混凝特性研究

【目的】改进蓝藻水华治理的化学混凝法,解决藻渣分离和收集等问题,优化化学混凝条件以提高目标污染物的去除率,同时降低二次污染风险。【方法】针对浏阳河长沙段含藻水的水质特征,提出具有自气浮作用的混凝处理新方法,即采用铝盐、亚铁盐、亲水性二氧化硅(SiO_(2))和碳酸钠进行含藻水的混凝处理,通过响应曲面二次回归模型确定除藻控磷的最佳混凝参数,结合混凝效果及藻絮体的表征分析探讨含藻水的混凝机理和自气浮特性。【结果】当n(CO_(2)^(3-))∶n(Fe+Al)(n为物质的量)和m(Si)∶m(Fe+Al)(m为质量)分别为1.75∶1和1∶2且投药量为0.525 mmol/L时,藻细胞和总磷去除效果以及藻絮体的自气浮效果最优,残余铝、铁的质量浓度降至水质标准限值以下。含藻水自气浮混凝处理的关键在于目标污染物与铝盐、亚铁盐水解产物及亲水性SiO_(2)之间的复杂相互作用:在混凝反应初期,压缩双电层和电性中和作用使藻细胞脱稳并凝聚;在混凝反应中后期,吸附架桥、网捕卷扫作用以及Si―C等官能团使目标污染物得以去除;总磷的高效去除源自磷酸铁和磷酸铝沉淀的生成,残余铝、铁的有效控制与亲水性SiO_(2)的吸附作用相关;Fe^(2+)与CO_(2)^(3-)发生双水解反应生成的CO_(2)气泡通过碰撞黏附在藻絮体上,从而使藻絮体自行上浮。【结论】用自气浮混凝方法处理含藻水,高效、稳定且安全,在洞庭湖水系藻类污染的应急处理或长效治理方面极具应用潜力。

高桩码头群桩绕流水动力特性数值分析

为探究高桩码头桩基础形式下的群桩水动力特征,基于Flow-3D软件对来流速度为0.25~1.50 m/s的3×3群桩阵列绕流的湍流流场进行三维数值模拟。研究结果表明:桩柱的两侧均形成高速区,随着来流速度的增加,高速区范围显示出逐渐扩大的趋势。上游桩后方的回流区范围较大,而中游桩和下游桩的回流区大小基本相同,均小于上游桩的回流区。随着来流速度的增加,剪切力和流体力逐渐增大,并随来流速度呈非线性增长趋势,且上游桩受力最大,下游桩次之,中游桩受力最小。随着来流速度的增加,群桩尾涡核心区的涡量随之增大,中游桩和下游桩后方的尾涡强度明显比上游桩的弱,中游桩和下游桩的尾迹涡长度保持稳定。随着来流速度的增加,漩涡强度显著提高,前桩与后桩之间的漩涡相互纠缠。研究成果对于理解群桩绕流的水动力特性具有重要意义,可为工程设计和实际应用提供参考。

基于拉格朗日粒子模型的洞庭湖微塑料迁移分布研究

【目的】探究微塑料进入洞庭湖后的迁移途径和输运过程。【方法】基于现场采样数据,利用水动力模型与拉格朗日粒子模型建立洞庭湖微塑料迁移数值模型。研究微塑料在平水期与丰水期的湖内迁移规律与分布差异,探讨微塑料聚集区分布原因并解析聚集区微塑料的来源。【结果】在平水期微塑料分布呈现出显著的非均匀性分布,存在4个聚集区。其中,东洞庭常年水体处聚集区面积最大,约为133 km^(2),在此聚集区内湘江所排微塑料的占比为97.96%;在丰水期微塑料分布不呈现显著的聚集性,但其整体扩散面积较平水期的增大33%。对比分析微塑料随湘、资、沅、澧四水入湖情况,平水期自资江入湖微塑料的扩散面积最大,而丰水期自沅江入湖微塑料的扩散面积最大。【结论】丰水期应关注迁移路径上的生态风险,而平水期除关注微塑料的迁移路径外更应关注聚集区处的生态风险控制,应重点加强对湘江入湖微塑料的管控和对湘江河道、东洞庭常年水体与各排放源附近区域微塑料的治理。本研究结果可为洞庭湖微塑料治理提供一定参考。

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。

洞庭湖北部地区多闸泵系统水资源优化配置模型及应用研究

【目的】研究洞庭湖北部地区科学合理的水资源优化配置方案,以期缓解该地区季节性和区域性缺水问题,提高区域水资源开发利用效率以及供水安全保障能力。【方法】以区域综合缺水率最小为目标,以垸和片区为基本配水单元,构建基于0-1规划的洞庭湖北部地区多闸泵系统水资源优化配置模型,模拟不同工况下区域水资源的供需关系,分析区域水资源优化配置方案及缺水时空特征。【结果】模型模拟结果表明:洞庭湖北部地区总缺水量较小,但存在明显的时空差异;安化垸、南鼎垸、集成垸、育乐垸以及和康垸缺水最为严重,现状条件下,特枯年(来水频率P=90%)的缺水率分别为70%、29%、29%、27%和20%;缺水时段主要为灌溉初期(4-5月)和灌溉末期(10月);考虑近期和远期的补水工程后,区域缺水范围大幅缩小,缺水时间大幅缩短,补水工程效益显著。合理性分析结果表明:各优化供水方案的供水总量均满足研究区域用水红线要求。【结论】现状条件下,洞庭湖北部地区季节性、区域性缺水严重,考虑近期和远期补水工程后,区域供需水矛盾得到缓解,基本实现水资源供需平衡。

基于PSO的新安江模型对资水流域柘桃区间洪水预报研究

无资料地区的洪水预报研究是当前水文研究的热点内容。资水流域柘桃区间是湖南省三大暴雨中心之一,产生的洪水占整个资水流域近60%。柘桃区间受客观条件限制无实测洪水资料,基于区间实测降水量数据,构建基于粒子群参数优化算法(PSO)的新安江三水源模型进行洪水预报,提高预报精度并计算此地区设计洪水保障防洪安全。结果表明:22场实测洪水率定和10场实测洪水验证的洪水预报精度均较高,基于PSO优化算法的新安江模型模拟效果较优;随着重现期增大,考虑柘桃区间与上游柘溪水库的最不利洪水组合,得到的资水流域控制站桃江站设计洪峰大于站点实测洪水计算得到的设计洪峰。研究结果可为资水流域柘桃区间梯级电站合理调度提供方案设计依据,为资水下游防洪安全和发电效益提供技术支持。

使用土壤微生物指标评估湿地生态修复的研究进展

近年来,使用土壤微生物指标评估湿地生态修复的研究得到越来越多的关注。土壤微生物在湿地生态系统中扮演按着重要角色,它们对湿地生态系统的生态功能和稳定性起着至关重要的作用。系统梳理了常见的湿地生态修复措施,综述了湿地生态修复对土壤微生物群落结构和多样性以及功能代谢的影响。在此基础上对今后使用土壤微生物指标评估湿地生态修复提出了3个方面的展望:(1)微生物指标的选择和标准化;(2)多指标综合评估;(3)长期监测和评估。研究以期为未来开展湿地保护和修复提供参考。

梯形透空丁坝局部水动力特性对底栖动物生境演替的影响机制

针对因梯形透空丁坝局部水动力特性对底栖动物栖息地的影响机制尚不明确,限制了此类结构的大范围推广应用的问题,依托长江深水航道建设的示范应用工程,构建三维水动力数值模型,选择中华绒螯蟹为指示物种,研究了不同径流条件下梯形透空丁坝局部水动力特性及其对指示物种栖息地的影响;结合梯形透空丁坝不同时期沉积物和底栖动物的监测数据,分析了梯形透空丁坝对底栖动物生境演替的影响机制。结果表明:梯形透空丁坝迎流面产生的上升流将主流引导至丁坝后上方,在汛期为中华绒螯蟹提供了避洪场所;坝内及坝后较小的流速和丰富的流场结构为中华绒螯蟹提供了索饵场和越冬场。

渌水流域水沙演变规律及其对土地利用变化的响应研究

【目的】探究渌水流域土地利用变化对水沙变化的影响。【方法】基于遥感影像数据及实测水沙数据,分析渌水流域水沙变化趋势及其对土地利用变化的响应,进一步构建CA-Markov城市扩张模型及水文模拟模型(hydrologic simulation program-Fortran,HSPF),量化土地利用变化和气候变化对水沙的影响;基于模型开展渌水流域未来土地利用情景预测及未来水沙过程模拟。【结果】1980年以来渌水流域内建设用地面积持续增长,渌水流域实测径流量呈增加趋势,输沙量呈减少趋势,两者的突变点分别在1988年及1998年;气候变化和人类活动对径流增加的贡献率分别为49.53%、50.47%,对输沙减少的贡献率分别为3.45%和96.55%;实施耕地保护政策的2030年土地利用情景在保障耕地面积的同时,并未明显加剧水土流失问题,还能兼顾社会经济发展和城市化建设。【结论】1988年之后渌水流域径流量增加是土地利用变化和气候变化共同作用的结果;而1998年之后流域输沙量显著减少的主要原因为土地利用变化。

水封石油洞库污染物运移规律研究

水封石油洞库储油可能造成地下水污染。明晰石油污染物在裂隙岩体中的运移规律是库区地下水污染防控的前提。为揭示石油污染物在洞周围岩地下水中的运移规律,基于裂隙-孔隙双重介质模型,采用数值模拟方法研究了石油中的特征污染物——苯的运移扩散过程,并分析了裂隙倾角、裂隙开度、基质渗透率和纵向弥散度对苯运移规律的影响。研究表明:储库正常运行50 a后,苯的迁移被限制在较小的范围内,不会到达水幕系统,也不会进入到地面表层下的水体中。在长期运行条件下,相邻洞周围岩中的污染晕可相互连通,并将引起相邻洞罐中油品污染物之间的交叉污染。苯的竖向污染距离对纵向弥散度和裂隙倾角大小敏感性强,而对裂隙开度和基质渗透率的敏感性较弱。洞室间岩柱中轴线上苯的最大浓度对裂隙倾角最为敏感,且随裂隙倾角和基质渗透率的增大而减小,随纵向弥散度和裂隙开度的增加而增大。

建设项目入河排污口设置论证分析——以长沙县某污水处理厂一期工程为例

以长沙县某污水处理厂一期工程项目为例,全面的论述了建设项目入河排污口设置论证报告中主要内容:排污口所在水功能区管理要求和取排水状况分析,排污口设置后污水排放对水功能区的影响范围,排污口设置对水功能区水质和水生态影响分析,排污口设置对有利害关系的第三者权益的影响分析,排污口设置合理性分析等。建设项目入河排污口设置论证工作的开展,为各级水行政主管部门或流域管理机构审批入河排污口以及建设单位合理设置入河排污口提供科学依据,以保障生活、生产和生态用水安全。为建设项目入河排污口设置论证工作提供了有利指导。

铁山水库流域非点源污染负荷研究

【目的】研究铁山水库流域非点源污染负荷的空间分布规律及影响因素,为铁山水库流域水质保护与非点源污染控制提供参考。【方法】建立了铁山水库流域的水土评价模型(soil and water assessment tool,SWAT),并运用该模型研究了流域总氮和总磷非点源污染排放强度与贡献率的空间分布特征及3种不同土地利用情景下非点源污染的变化情况。【结果】SWAT模型在模拟铁山水库流域水流和污染物运移过程方面精度良好。铁山水库流域非点源氮素主要来源于库区农田耕作过程中施加的化肥,而流域非点源磷素则主要来源于库区分散农村人口排放的生活污水及库区农田耕作过程中施加的化肥。流域非点源总氮和总磷污染负荷量在1995—2015年间分别下降了49.26%和86.66%。【结论】在流域内进行退耕还林及人口集中与外迁安置对流域非点源污染控制具有积极作用。

洞庭湖区微塑料污染及其与农村、农业的相互影响

新兴污染物——微塑料可引发持久而复杂的生态效应。在复杂多样的微塑料污染源影响下,洞庭湖区的微塑料问题值得关注。基于过往相关研究获得的成果,对洞庭湖区微塑料污染特征及其与农业、农村的相互关系进行综述。洞庭湖区面临中等水平的微塑料污染威胁,农村居民生活以及农业生产都会使大量微塑料进入洞庭湖区生态系统。进入洞庭湖区生态系统的微塑料对洞庭湖区居民、游客的健康、动物养殖及农作物生长发育都存在威胁。根据洞庭湖区农村、农业环境特征及微塑料污染现状,建议后续的相关研究应该着眼于:1)开展更加系统科学的监测工作;2)追溯洞庭湖区微塑料污染来源;3)进行更加贴合实际情况的生物毒性研究;4)制定具有针对性的微塑料污染管控措施。

资水流域柘桃区间设计暴雨时空分布分析

【目的】通过研究资水流域暴雨中心柘桃区间设计暴雨的时空分布规律,为柘桃区间流域梯级水库洪水预报和防洪调度优化提供科学依据。【方法】以柘桃区间17个雨量站近30 a不同历时的年最大暴雨为研究数据,进行站点和面暴雨频率分析计算;采用不同历时降雨强度-历时-频率曲线和设计暴雨空间分布变化特征,分析雨量站网的设计暴雨时空分布规律。【结果】柘桃区间雨量站网设计暴雨的时空分布极不均匀,短历时内设计暴雨强度增幅较大;在空间分布上,随着重现期的增长,设计暴雨中心位置从资水流域中游扩大到下游;随着设计暴雨历时的增长,暴雨中心范围逐渐变小。【结论】柘桃区间雨量站点设计暴雨具有短历时内暴雨强度增速快、中游设计暴雨较大的特点,研究结果可为资水柘溪以下流域重要城市的防洪安全提供理论依据。

聚焦波作用下悬浮隧道水动力特性数值模拟研究

【目的】研究聚焦波作用下悬浮隧道水动力及结构动态响应特性。【方法】采用高精度有限体积方法数值求解不可压缩两相流动控制方程,建立高精度数值波浪水槽模型。应用嵌套网格技术,采用四阶Runge-Kutta方法,数值计算了波浪荷载作用下悬浮隧道动态响应的弹簧-质量-阻尼系统。通过设计合理的计算工况,系统分析不同波浪要素及结构动力参数对悬浮隧道水动力特性及结构动态响应的影响。【结果】聚焦波作用下悬浮隧道所受最大水平荷载稍大于竖向荷载,最大水平位移远大于最大竖向位移,约为最大竖向位移的5倍。【结论】随着有效波高的增加,悬浮隧道所受水动力荷载逐渐增大,结构动态响应逐渐增强;水深和谱峰周期对悬浮隧道水动力及结构动态响应的影响有限;随着淹没深度的增加,悬浮隧道所受波浪荷载逐渐减小,结构动态响应逐渐减弱;在相同入射波条件下,悬浮隧道直径越小,动态响应越小。上述研究结果可为悬浮隧道的参数设计提供一定参考。

压气储能地下储气库衬砌裂缝分布特征及演化规律研究

地下储气库衬砌的主要作用是将内压传递给围岩,且同时作为柔性密封层的附着基层。高内压作用下衬砌开裂可导致密封层出现反射型裂缝,进而引起高压气体的泄漏。为深入认识地下储气库衬砌的开裂特征,开发了基于FLAC3D平台的衬砌裂缝分析程序,研究了衬砌配筋方式、配筋率、钢筋保护层厚度、围岩类别和温压循环荷载作用等因素对衬砌开裂演化特征的影响。研究成果表明:对衬砌采取合理的配筋方式和改善围岩质量的措施可有效控制衬砌裂缝的宽度;采用分区配筋的方式可有效控制圆形断面隧洞式储气库衬砌中的最大裂缝宽度,同时降低衬砌的配筋量。空气压力和温度同步变化引起的热力耦合效应还有助于减小衬砌中出现的裂缝宽度。