典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI)3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响藻类的垂向迁移,使藻类沿水深方向强烈掺混,导致区域藻华面积下降。此外,持续且更大流量的调水将不断增强水动力扰动,减小区域藻华面积。本研究揭示了典型风力条件及水力调度下太湖藻华分布特征和迁移机理,可为湖泊藻华的精确动态监测预警和科学管控提供重要技术支撑。

拟建鄱阳湖水利枢纽对湖区水环境容量的影响

采用水动力水质模型模拟了鄱阳湖在极端退水年(2016年)和一般退水年(2017年)两种退水工况下拟建鄱阳湖水利枢纽建设前后的水动力水质过程,并构建湖区水环境容量模型评估了鄱阳湖拟建水利枢纽对湖区水质和水环境容量的影响。模拟结果表明:枢纽建设运行能显著增加鄱阳湖的水体体积,每月最大可增加77%;在退水初期主要降低湖泊中部的TP质量浓度,在极端退水年的退水后期会导致闸上TP质量浓度升高,在一般退水年则会导致闸上TP质量浓度降低,但对COD_(Mn)和NH_(3)-N质量浓度空间分布无明显影响;在极端退水年,枢纽建设运行会导致COD_(Mn)、NH_(3)-N和TP质量浓度增大,而在一般退水年则会导致TP的质量浓度降低;枢纽建设运行能显著提升COD_(Mn)和NH_(3)-N的水环境容量,在一般退水年会增大TP的水环境容量,但在极端退水年TP的水环境容量可能降低。

基于MikeFlood的组合情景洪水风险分析

针对模拟河道洪水淹没时,干、支流同频率暴雨组合情景不能合理反映洪水漫堤真实情景的缺陷,考虑到洪水汇流淹没过程中干、支流实际降水情况的差异,构建基于干、支流不同频率组合方案下洪水淹没情景的MikeFlood耦合水动力模型。以典型丘陵地貌地区修水为研究对象,模拟研究区域内干流以及主要支流分别发生20年、50年、100年不同频率暴雨时的24种组合情景,选取其中几种情景与干、支流发生同一种频率暴雨的典型暴雨情景进行对比。结果表明,选取的组合情景与典型情景相比,其淹没水深的分布、大小均有较大的变化,可多样性地反映洪水来临时洪水漫堤的情景,为丘陵地区的洪水风险预报和紧急避洪转移工作提供决策依据和技术支撑。

基于Mike Flood模型的丘陵地区叉网式河流洪水风险分析

针对丘陵地区叉网式河流洪水因地形地势复杂和民房散乱等因素引起的控制管理难度较大且居民生命财产安全易受到威胁等问题,以江西省修河郭家滩至安坪港段为研究对象,基于Mike Flood模型将Mike11一维河道模型和Mike21二维洪泛区模型进行动态耦合,对实际洪水在研究区的演进过程进行数值仿真模拟,以及计算出不同频率设计洪水条件下研究区行洪过程和淹没范围,分析可能受灾地区的淹没程度及数种风险要素。结果表明:文中所建模型较好地模拟丘陵地区叉网式河流在5种不同频率下的洪水演进过程,有效预测了相应频率降雨下洪水的淹没范围及流态等情况,可为丘陵地区的洪水风险预报和紧急避洪转移工作提供决策依据和技术支撑。

基于水动力与模糊综合模型的洪水风险评价

针对传统洪水风险评价模型指标的单一性,不能多方面综合评价洪水风险的不足,创建多指标模糊综合评价模型(Multi-index Fuzzy Comprehensive Evaluation Model, MFCE)。该模型使用水动力耦合模型计算洪水淹没过程,利用GIS处理地形和社会影响因子,结合完整的多指标模糊综合评价体系评估研究区洪水风险等级。以江西省修水县为例,评价该区50a洪水风险。结果表明:(1)在传统的情景模拟法中,高风险区域集中在淹没深度大、淹没时间长的地区。由于洪水灾害给城区带来的损失远大于山体和林地,所以本文所建模型结果中的高风险区域主要集中在城区和公共建设密集的地区,提高了评价模型的准确性和可信度。(2)相比于传统模型,MFCE模型考虑了经济和复杂地形的影响,部分地区风险等级改变:传统模型评价为高风险的山体和林地(57.13%)和较高风险的农田(28.36%)风险等级降为低风险。城区周边较高风险地区(9.65%)提升至高风险。(3)改进模型模拟结果为高风险、较高风险、中等风险、较低风险和低风险面积分别为0.37 km^(2)、0.62 km^(2)、0.49 km^(2)、1.46 km^(2)和0.96 km^(2)。由此可见,所构模型可以提高洪水风险评估结果的全面性和可靠性,为洪水防洪减灾规划和灾害风险分析提供新的依据和方法。

不同水位下拟建鄱阳湖水利枢纽对食块茎鸟类栖息地适宜性的影响研究

鄱阳湖为亚洲最大的候鸟栖息地,近十余年发生了枯水期提前且延长及湖区生态环境日益恶化的问题,对于此问题江西政府提出了一种科学的工程措施——鄱阳湖水利枢纽(简称枢纽)。然而,枢纽对越冬候鸟栖息地的影响尚无定量研究。以鄱阳湖食块茎鸟类——白鹤(Grus leucogeranus)、白枕鹤(Grus vipio)和小天鹅(Cygnus columbianus)的栖息地为研究对象,利用3S技术结合生态学知识,在ArcGIS平台上搭建了食块茎鸟类栖息地适宜性评价模型,使用二维水动力模型联合适宜性评价模型,生成鄱阳湖在兴建枢纽前、后的食块茎鸟类栖息地适宜性分布图。选取工程调度时期水位相对稳定时段,以鄱阳湖无枢纽状态下星子水位为基础,探究鄱阳湖在不同水位时,有拟建枢纽和无拟建枢纽状态下食块茎鸟类的栖息地适宜性的变化,定量分析拟建枢纽对候鸟栖息地适宜性造成的影响。研究发现:枢纽的调度规则具有一定的科学性,水位调度方案对湖泊食块茎鸟类越冬初期栖息产生的影响较小,但会牺牲一部分越冬后期适合食块茎鸟类栖息的区域。拟建枢纽选址处至都昌站的食块茎鸟类栖息地适宜性受枢纽的负面影响最为显著,各级自然保护区之中,北部省级候鸟自然保护区受其负面影响最大,此保护区将减少18.01—39.80 km^(2)适合食块茎鸟类栖息的面积。但是枢纽的运行能增加湖泊土壤水含量,使食块茎鸟类更易于觅食,且能增加喜食块茎鸟类的食物丰富度。本研究可为为今后鄱阳湖湖区水环境规划和水生态管理维护提供一定的科学参考。

基于压力-状态-响应和物元可拓模型的城市河流健康评价

城市河流作为人类活动和自然过程相互作用强烈的区域,承受着人类资源开发利用和污染物排放的压力,但近些年来随着对河流健康的重视,针对城市河流实施了大量的生态治理措施。综合考虑人类正负面影响对河流健康状态的影响,进行河流健康状态的评价,对于城市河流的修复效果检验和管理保护具有重要意义。以南京市鼓楼区典型城市河流西北护城河为研究区,根据河流周边土地利用类型、物理形态差异及城市管网分布将其划分为6个河段,考虑人类修复措施对河流健康水平的影响,构建了基于压力-状态-响应(Pressure-State-Response,PSR)模型的城市河流健康评价指标体系,采用物元可拓模型确定了河段健康等级,并根据各等级综合关联度之间的距离判断河流健康水平的发展趋势。结果表明:压力、状态以及响应准则层的权重分别为0.458、0.311、0.231,压力指标为影响城市河流健康水平的主要因素;西北护城河6个河段的健康水平表现出较强的空间异质性,河段A—F的健康等级分别为中等、健康、亚健康、中等、亚病态和病态,流经公园绿地的河段健康水平明显高于流经居民住宅区的河段,河段B、C、D的健康水平有进一步提升的趋势,而河段A、E、F的健康状态则有进一步恶化的趋势,需要进行重点关注。

基于改进元胞自动机-马尔可夫模型的土地利用格局演变模拟与预测:以新余市为例

针对经典元胞自动机(Cellular Automata,CA)-马尔可夫(Markov)模型在仿真推求土地利用格局时线性演变过程存在技术局限以致预测精度不足的问题,将多指标评价准则(Multi-Criteria Evaluation,MCE)引入经典模型的转化机制,从而构建可以模拟土地利用格局非线性变化的MCE-CA-Markov预测模型。基于中小型城市(以江西省新余市为例)的2008年与2013年遥感影像及数据资料,运用该优化模型模拟和预测研究区2018年及2028年土地利用格局。结果显示:(1)对MCE-CA-Markov模型的可行性进行验证,精度检验系数Kappa值为0.882,说明该模型具有可靠性。(2)改进模型在模拟过程中所产生的漏分错分现象大为减少,优化模拟所得到的水域地类错分误差与耕地漏分误差分别为经典模型的0.5%及10%,模拟精度提高了14.94%。(3)2018—2028年新余市土地利用类型中水域和草地面积基本不变,建设用地面积增加61.86 km^(2),林地、耕地面积分别减少1.67%、1.24%。研究结果可以为中小型城市土地利用变化、城市建设以及生态保护提供决策支撑。

三峡建库前后水沙对城汉河段剩余水深的影响研究

河流深泓线沿程剩余水深是研究河床演变的重要参数。近年来强人类活动显著改变了河流深泓线剩余水深的演变趋势,为探明三峡工程蓄水后水沙条件改变对下游城汉河道剩余水深的影响,基于1998~2017年城汉河道深泓线高程数据,结合螺山站水沙资料,梳理了蓄水前后该段剩余水深的变化,并探讨了这些变化与河段水沙条件的关系。结果表明,三峡蓄水后输沙量骤减导致城汉河段汛期水流冲刷强度由15.61大幅增加为49.49;冲刷强度的增大导致该段剩余水深由2003年的6.31 m持续增大至2017年的7.41 m,增幅达17%;剩余水深标准差则随冲刷强度的增大先增后减,2010年达到峰值6.62,相比于2003年增大了约10%。由回归分析可知,冲刷强度与剩余水深均值之间呈对数正相关关系,且在35~45区间内存在某一最适冲刷强度使得剩余水深标准差最大。

江苏省里下河腹部地区河湖连通后的水动力提升效果模拟

里下河湖泊湖荡的水动力状况优劣对于湖区水质及周边地区的供水安全具有重要意义。通过概化里下河湖泊河网水系,分析了退圩及河道挖深前后的地形变化,利用EFDC模型模拟了穿湖河道挖深前后的里下河湖泊湖荡及河网水动力情况。结果表明:穿湖河道挖深后里下河湖泊湖荡整体的水动力情况有了一定的改善,尤其是广洋湖、大凹子圩、射阳湖等中北部湖泊水动力提升效果显著,水动力弱区面积有了明显的减少。本研究结果可为里下河湖泊湖荡连通规划提供一定的参考。

平原河网区湖泊湖荡群沉积相重金属污染特征及来源解析

里下河腹部地区是典型的平原河网区与水产养殖基地,湖泊湖荡多用于围圩开发,受水系交错、水流缓慢的影响,重金属污染一旦进入水体极易发生滞留,引发一系列水环境问题,进而危害食品安全。通过地累积指数法及Hakanson潜在生态危害指数法,对里下河地区28个典型湖泊湖荡沉积相重金属污染风险进行评价;基于重金属污染与当地工厂空间分布特征,结合主成分分析法,半定性、半定量地分析重金属污染来源,并通过相关性分析讨论工业排放与水产养殖对重金属含量的影响。结果表明:该区域沉积相Hg、Zn和Cd元素构成污染,含量分别是背景值的5.6、1.9和1.4倍,重金属综合潜在生态风险指数为152.4~599.4。沉积相Hg与其余重金属元素来源均不相同,历史上火电生产可能对Hg含量产生影响,湖泊湖荡与化工厂距离越近,沉积相Hg含量越高(r=0.42);水体中有机质易与沉积相Hg结合,故有机碳含量越高,沉积相Hg含量越高(r=0.54)。湖泊湖荡越靠近合金、电镀等金属材料加工行业,沉积相Zn(r=0.68)和Cd(r=0.59)的含量越高;且由于围圩养殖引起的湖泊湖荡水流不畅通,易导致Zn和Cd在沉积物中累积。以上研究结论可为平原河网地区重金属污染治理与食品安全保障提供科学依据。

城市闸控河流浮游植物群落结构特征及影响因素

以典型城市闸控河流—南京市西北护城河为研究对象,通过开展2019-2020年4个不同季度的水环境及浮游植物采样调查,综合分析了城市闸控河流浮游植物群落结构的时空变化特征,探讨了环境因子、水位调控和护岸类型等对浮游植物群落结构的影响.结果显示,南京市西北护城河四季共采集到浮游植物7门90种,主要隶属于硅藻门(Bacillariophyta)和绿藻门(Chlorophyta),夏季和春季物种数多,冬季和秋季物种数少.浮游植物密度为2.1×10^(3)~5.47×10^(6) cells·L^(-1),生物量为2×10^(-3)~6.28 mg·L^(-1);浮游植物Shannon-Wiener多样性指数为0.60~2.35,Pielou均匀度指数为0.17~0.59,处于中度污染状态.西北护城河浮游植物群落结构不仅受水温及营养盐等环境因子影响,还与水位调控及河流护岸类型密切相关.高频率水位调控能有效减少有害藻类的聚集爆发,生态护岸保留了自然河流中的生态循环系统,可为浮游植物提供更有利的生境条件.