干旱区与湿润区旱涝急转演变特征对比研究

以长江、黄河和淮河流域为研究对象,基于标准化旱涝急转指数,利用趋势分析、变点检验、小波分析、随机森林等方法探究典型干旱区与湿润区旱涝急转演变特征及其驱动因子。结果表明:湿润和半湿润区是极端旱涝急转事件的高频发生区,干旱区是极端旱转涝事件的高频发生区;干旱区的突变发生在1998年,湿润区的突变在1978年,未来干旱区更易发生旱转涝事件,湿润区则相反;气象因子在湿润区对旱涝急转的贡献度更大,大气环流对干旱区的影响突出,旱涝急转与不同驱动因子间存在非线性关系。

黄河流域植被总初级生产力对持续性干旱水分亏缺的响应

利用植被总初级生产力和高精度分层土壤含水量数据分析了2001—2020年黄河流域生长季总初级生产力时空分布和变化特征,量化了流域不同深度土壤湿度之间的相关关系,探究了不同植被类型在生长季的总初级生产力对土壤连续水分亏缺事件的响应关系。结果表明:黄河流域总初级生产力空间上呈东高西低、南高北低的分布特征,生长季耕地累积总初级生产力最大、林地次之、草地最小,研究期内流域总初级生产力整体呈上升趋势,耕地相对增速最大、草地次之、林地最小;流域土壤湿度在空间和时间上均有显著差异,表层土壤含水量波动对深层土壤含水量的影响随深度增加而减小,林地和耕地表层与深层土壤含水量的相关性远高于草地;流域草地和耕地总初级生产力对土壤水分的深度敏感区间为0~40 cm,林地的深度敏感区间为0~100 cm,在深度敏感区间内,随着土壤连续水分亏缺天数的增加,草地和耕地总初级生产力依次经历短暂平稳、加速下降、降速趋缓的变化过程,而林地总初级生产力则表现出短暂下挫、长时间平稳、加速下降的变化特征。

近20年来人类活动对洪泽湖水质影响归因

为研究人类活动对湖泊水质的影响,改善湖泊水环境,以洪泽湖及其周边地区为例,分析1996年~2020年高锰酸盐指数(I_(Mn))、总氮(TN)、总磷(TP)浓度的演变特征,利用Pearson相关和多元线性回归模型识别影响因子并量化其贡献作用。结果表明:研究期间,洪泽湖水质因子浓度均呈现显著下降趋势,并且与周边地区的社会经济指标变化显著相关;影响I_(Mn)、TN、TP浓度的主要指标分别是工业污水排放量、人口和耕地面积,贡献度分别为32.89%、24.60%和49.1%;区域上,淮阴区和盱眙县的人口、洪泽区和盱眙县的工业污水排放、盱眙县和泗洪县的耕地面积分别对TN、I_(Mn)、TP浓度贡献较大。研究结果可为该地区针对性解决湖泊水环境问题提供一定参考。

黄河流域植被水分利用效率对干旱的时空累积响应

利用植被总初级生产力和蒸散发数据,结合标准化降水蒸散发指数(SPEI)数据,分析了1982—2018年黄河流域植被水分利用效率的变化特征,量化了干旱对植被水分利用效率的累积效应。结果表明:干旱对植被水分利用效率的累积影响可利用多尺度SPEI和植被水分利用效率之间具有最大显著相关性的月份来衡量;黄河流域多年平均植被水分利用效率呈北低南高的分布格局,与多年平均植被总初级生产力的空间分布呈现一定的相似性,植被水分利用效率呈上升趋势,主要原因是植被总初级生产力增速大于蒸散发增速;干旱对黄河流域内58.48%区域的植被水分利用效率存在累积效应,其中累积时间尺度为1~2月、6~8月和19~24月尺度的占比分别达到了43.58%、23.10%和16.96%;干旱对植被水分利用效率的累积时间尺度因植被类型和水文气候条件而异,干旱对北部靠近沙漠区域的草地和农田的累积影响是长期(>18月)的,对湿润半湿润区的草地和森林的累积影响是短期(≤4月)的;平均累积时间尺度随着年均SPEI的增加而下降,SPEI越大,干旱对植被水分利用效率的累积时间尺度越短。

不同来水条件下洞庭湖二维水动力水质模拟

为研究不同来水条件对洞庭湖水动力水质的影响,本文构建了洞庭湖二维水动力–水质耦合模型,通过改变模型水动力边界和水质边界过程,模拟并分析了江湖水量交换变化和入湖污染负荷变化下洞庭湖水动力水质的响应过程,研究结果表明:① 三峡运行后三口入湖水量、江湖连接处的水力特性发生变化,进而影响湖区水动力水质的时空分布情况,如10月份三峡进入蓄水期,入湖水量减少,湖区TP、TN浓度整体呈上升趋势,但由于长江干流来水减少,出湖口水力坡度加大,东洞庭湖站至出湖口区域的TN、TP浓度有明显的减少趋势;② 当保持基准年入湖流量过程不变,使入湖污染负荷量整体减少10%时,西洞庭湖北部、南洞庭湖南部区域TP、TN浓度下降幅度较明显,东洞庭湖站6、7月份,万子湖站5、10月份TP将达到III类水标准,东洞庭湖站9月份、小河咀站7~10月份TN将达到III类水标准。

人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律

为了解人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律,基于标准化降水指数(SPI)和径流干旱指数(SDI)分析了气象、水文干旱的变化特征,探讨了人类活动对气象干旱向水文干旱传播规律的影响。研究结果表明:源流区气象、水文干旱均呈减弱趋势,干流气象干旱呈减弱趋势,水文干旱与之相反;随时间尺度增大,干旱历时延长;源流区气象、水文干旱以及干流气象干旱的发生频率受人类活动影响后(1993年后)均降低,仅干流水文干旱的发生频率升高;受人类活动影响后,源流区不同季节气象干旱向水文干旱的传播时间均变长,干流干旱传播时间除春季外均缩短;源流区干旱传播时间延长与气候变化有关,而干流干旱传播时间缩短主要是受人类活动的影响。

基于两阶段分解和可解释机器学习的中长期径流预测

为提高月径流预测精度,提出了基于两阶段分解策略的预测模型。首先通过基于加权回归的季节趋势分解(Seasonal-Trend Decomposition Using Loess,STL)将原始径流序列分解为趋势项、季节项和残差项,再通过变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)将随机性较强的残差项进一步分解以剔除噪声,利用长短期记忆网络(Long-Short Term Memory,LSTM)、卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)3种机器学习模型对各分量逐一预测,月径流预测结果为各分量预测值的线性集合。以澧水流域石门站为研究对象,选取平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)、平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)和纳什效率系数(Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient,NSE)等指标对模型预测精度进行综合评估,并结合SHAP(SHapley Additive exPlanations)可解释机器学习方法探究最优模型中各输入特征对径流预测结果的贡献程度。结果表明:LSTM和CNN模型预测精度整体优于SVR模型,但模型结构差异造成的预测精度变化小于输入项差异造成的变化;两阶段分解后各分量对预测结果的贡献优于其他输入特征,模型预测精度整体提升,且对高流量事件预测精度的提升尤为显著。

间歇性输水条件下塔里木河下游地下水时空变化模拟

为确定适宜的输水策略以实现塔里木河下游地下水位的快速抬升,提高生态系统的恢复力,运用GMS软件构建了塔里木河下游地下水动态模拟模型,设计单阶段、双阶段和多阶段输水情景模拟预测了地下水对不同输水情景的时空响应特征。结果表明:制定输水策略时应保证年输水量大于有效水量,当输水总量一定时,延长输水时间、扩大输水间隔有助于地下水位的快速抬升;最佳输水策略是以1月和3—11月为输水期分两个阶段输水4 500万m^(3);地下水埋深和水位变化量沿河道对称分布,地下水埋深与距河道两侧距离成正比,地下水位变化量和抬升量与时间成反比。

基于多目标混合蛙跳差分进化算法的皂市水库优化调度

随着社会经济的发展和对生态保护需求的增强,以防洪和兴利为目标的传统水库综合调度已经不能满足多样化的需求,进行多目标的水库综合优化调度显得尤为重要。为实现皂市水库水资源综合效益最优化,平衡社会效益、经济效益和生态效益,面向水库的发电、供水和生态要求,在不同来水条件下建立基于多目标混合蛙跳差分进化算法(Multi-objective Shuffled Frog Leaping Differential Evolution Algorithm,MSFL-DEA)求解的皂市水库优化调度模型,并采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)与逼近理想点法(Technique for Oder Preference by Similarity to Ideal Solu⁃tion,TOPSIS)的组合赋权法进行不同决策偏好的方案优选。结果表明:随上游来水减少,水库的发电效益下降最为显著,其次为生态效益和供水效益;各来水频率下,生态与发电、供水与生态的竞争关系相对更为明显,发电与供水之间相对较弱;根据不同决策偏好,得出供水优先、发电优先、生态优先以及均衡优化4组方案,对比认为均衡方案偏向折中,且年内各月的供水、生态及发电过程也相对协调(以P=75%为例);该方案在来水频率分别为50%、75%和95%时,年发电量分别为3.697、2.981、2.155亿kWh,供水满足度为0.871、0.775、0.702,生态满足度为0.861、0.699、0.615。研究成果有利于提高水资源利用效率,为皂市水库的科学调度决策提供参考。

DSF-GWO算法在玛纳斯河灌区种植结构优化中的应用

针对水资源总量约束条件下玛纳斯河灌区种植结构优化和农业用水合理配置的科学问题,以玛纳斯河灌区(石河子灌区、莫索湾灌区和下野地灌区)小麦、棉花、玉米、葡萄4种典型作物种植结构为基础,构建多目标优化配置模型对作物种植结构进行优化调整,采用改进后的灰狼优化算法(DSF-GWO)求解社会满足型(方案1)、节水优先型(方案2)、经济成本型(方案3)、综合发展型(方案4)4种发展情景下的子灌区农业种植结构优化方案.结果表明:石河子灌区方案2和方案3产生相同经济效益时,方案3的生态、社会效益比方案2分别低4.3%和7.3%,因此,方案2较适合石河子灌区规划年种植结构发展要求;莫索湾灌区方案4产生的经济效益分别高于方案1和方案3的3.6%和4.2%,生态效益高于方案2的0.5%,因此,选择方案4符合莫索湾灌区规划年种植结构发展需求;下野地灌区方案4产生的经济、社会效益均高于其他方案,生态效益对比其他方案相差较小,所以选择方案4对下野地灌区规划年种植结构进行调整.

基于改进RVA法的水利工程对塔里木河生态水文情势影响评估

采用水文变异指标及变化范围法(IHA/RVA)定量评估塔里木河上游水库运行后,干流代表站的水文指标改变程度及其生态影响。研究结果表明:水库运行导致塔里木河干流水文情势发生高度改变,改变度高达60%以上;指标体系中3月和6月平均流量,最小1 d和3 d流量、最大30 d和90 d流量,年发生低流量次数及逆转次数等指标发生严重变异。水库运行对塔里木河周边生态系统影响较大,迫切需要对河流的流量进行适时调控,实现区域经济和生态环境保护的协调发展。

基于样本熵的降雨和径流时间序列突变检验

传统的突变检验方法 Mann-Kendall法主要基于线性和概率统计理论,对于高度复杂和非线性的水文时间序列检测能力不足。采用基于非线性动力学参数的样本熵方法,结合滑动技术和滑动移除技术,利用湘江流域1961~2009年多个气象站点日降雨资料和控制站湘潭站日径流资料,对降雨和径流时间序列进行突变检验。结果表明：日尺度降雨和径流时间序列样本熵值最小,复杂度最低,可预测性最高;径流分别在1966年、1983年、1992年以及2002年发生突变,降雨在1966年、1987年以及2002年发生突变;滑动样本熵与滑动移除样本熵相结合不仅能有效地识别突变,更能发现突变前后时间序列的动力学变化特征。

基于改进的综合气象干旱指数的洞庭湖流域干旱时空特征

运用改进的综合气象干旱指数,根据洞庭湖流域19个气象站1961—2009年的实测气象资料,运用小波理论分析洞庭湖流域发生的干旱时间差异,并对洞庭湖流域的干旱特征进行空间格局分析。结果表明:从时间格局上,洞庭湖流域发生90%以上范围的干旱周期四季依次为:春季16a,夏季13 a,秋季9 a,冬季16 a;在空间格局上,洞庭湖流域干旱发生程度整体上是以衡阳、邵阳,芷江、通道以西,石门、南县以北三个地区为中心向其四周递减;从季节尺度来看,整体上秋季干旱最为严重,冬季次之,春季干旱最轻。

塔里木灌区引水前后环境流特性变化

基于水文改变指标基本分析方法,筛选建立了环境流评价指标,着重分析了塔里木灌区引水对塔里木河干流阿拉尔和新渠满断面环境流变化的影响。结果表明:在灌区大量引水灌溉前后,干流两个主要水文站的环境流组成分别呈现出不同程度的变化,环境流组成趋于单一化;各水文站的流量事件以枯水流量事件为主;引水对特枯流量事件、高流量脉冲事件和大洪水事件的影响较大。结合环境流指标和生态系统响应关系,制定了面向生态的水资源优化调度方案,为流域生态治理和水量分配提供了参考。

外界胁迫作用下塔里木河流域径流变化响应的敏感性

采用Pettitt检验法及累积距平等方法相互验证,合理地将历史长序列划分确定为基准期(1960—1971年)、改变期Ⅰ(1972—1985年)及改变期Ⅱ(1986—2015年)。采用基于Budyko假设的Choudhury公式和水量平衡方法,计算分析塔里木河流域径流变化对外界气候变化和人类活动的响应敏感性及其敏感性系数的空间分布。研究表明:(a)径流变化对人类活动的敏感性较高。(b)降水增加对径流增加起促进作用,而潜在蒸发和下垫面参数增加使径流减少;自基准期到改变期Ⅱ,径流变化对降水、潜在蒸散发和下垫面参数的敏感性系数显著增加,在改变期Ⅱ敏感性系数分别为1.26、-0.26、-1.88。(c)敏感性系数空间分布存在差异性,流域中下游敏感性系数较上游敏感性系数高。(d)根据径流变化的敏感性及时采取应对措施对流域水资源开发利用与调配管理具有积极作用。

感潮河道引江工程综合调度应用研究

以长江中下游地区感潮河道引江调水为实验基础 ,建立了适合感潮河网的非稳态水量水质耦合模型 ,分别采用Preissmann隐式差分格式和新的迎风全隐格式求解水动力方程及流扩散方程 ,改进了河道节点污染物质量浓度的平衡连接和边界污染物质量浓度的处理方法 .根据实际水力、水质条件以及引江调水工况 ,重点模拟了市区包括感潮入河口及出河口水系水流水质变化规律 ,经过率定与验证 ,提出了一套参数稳定的感潮河道工程调度方案 ,并分析了各种引水方案下河段污染物质量浓度过程 ,最大限度地解决了环境容量在空间和时间上的重新分配 .模型在实际工程综合调度中运行稳定 ,结果可靠 ,实现了地区水资源的有效利用 .

基于投影寻踪的湖泊生态健康评价

提出基于投影寻踪的模糊模式识别模型进行湖泊生态健康评价,介绍其主要的4个步骤:1筛选能够反映湖泊健康状况的指标体系;2建立评价标准;3用投影寻踪法确定各指标权重;4采用模糊模式识别模型评价湖泊健康等级,将此模型应用于洪泽湖生态健康评价。结果表明:洪泽湖健康状态处于微病态状态,TN、TP含量过高是影响洪泽湖健康的主要原因;基于投影寻踪的模糊模式识别模型的评价结果符合湖泊实际生态健康状况;模型可推广应用于其他生态系统评价。

基于PSR模型的塔里木河流域生态脆弱性评价

采用"压力-状态-响应"(PSR)评价框架,结合模糊层次分析法定量评价塔里木河流域2005—2015年生态脆弱性,分析其时空分布和动态变化。研究结果表明:塔里木河流域2005—2015年生态脆弱性指数平均值为0. 538,处于重度脆弱Ⅲ级;生态脆弱性持续增加,综合指数最小值为2005年的1. 14,2009年到达一个峰值3. 07,2015年达到最大值3. 69;各地区的综合指数都处于2～3范围,总体呈现由西向东递增趋势,流域生态脆弱性空间分布呈现西低东高状态;研究时段内高度脆弱地区的脆弱性增加显著,而低度脆弱地区脆弱性变化不显著,处于中间过渡阶段。

区域地下水位预报的季节型神经网络模型

根据西北干旱区地下水位周期性变化趋势明显的特点 ,提出了测井水位预报的季节型神经网络模型。同时 ,针对系列不同周期内变幅各异的特点 ,对监测序列进行了光滑处理。预报结果表明 :该模型预测效果较好 ,运行合理 ,对规律性不强的地下水位动态预报具有一定的实用价值。

湖水-沉积物界面内源物质交换动态复水模拟研究

分布式采集了玄武湖底长期暴露的底泥,分析了底泥营养物的分层分布及其理化特性对湖泊水质的影响强度。通过动态换水试验,研究了复水过程中暴露底泥营养盐的释放过程和上覆水总磷、总氮浓度变化对水 土界面物质交换的作用关系以及对水体富营养化程度的影响机制。实验及模拟表明:由于湖泥表层长期暴露,有机及结合态营养盐降解为无机态营养盐,即使复水过程中使用清水,但由于干涸湖床沉积物总磷T P、总氮T N的垂直分布,也将严重导致内源营养盐释放总量持续增加,在相对长时间内,上覆水总磷浓度仍维持在较高(0 1mg/L)水平。研究成果为实施生态修复,治理复水后湖体富营养化提供了理论和实验依据。