永定河上游流域水文气象要素的历史演变特征

利用永定河上游流域的气象站及典型水文站点的降水、气温及径流资料,分析了1960-2012年流域气温、降水的空间分布,揭示了永定河上游及主要支流的气温、降水、径流的演变特征。结果表明:流域的气温和降水在空间上差异显著;气温有显著的升高趋势,径流呈显著减少的趋势,而降水变化趋势不明显;流域的气温及径流均有显著的突变点,而降水无明显的突变点且年际波动幅度较大;流域内的年内降水分配不均衡,气温四季变化分明,20世纪80年代以前,流域的径流年内和年代变化与气温、降水的变化关联性较高,而80年代以后,其关联性较小;水利工程拦蓄及社会取用水等人类活动是径流变化的主要影响因素。因此,未来流域水资源不合理的开发利用应引起高度的重视。

基于自然解决方案的流域生态修复成效评估研究

针对流域系统治理、可持续发展的理念提出评估流域生态修复实施效果的概念框架,是以生态系统发展阶段特征、微栖息地地貌环境和现行生态保护法规为着眼点,结合河湖健康评价方法,将自然属性、社会投入和生态响应综合考虑,定量评估经济社会活动影响下的水生态系统演变态势。评估过程中,选取敏感水生生物指示物种鱼类对河流生态系统健康进行实时监测,综合运用数据分析、深度学习等手段开展大型脊椎动物特性的量化研究。借助河湖水质综合评价模型,依托适应性管理策略,对生态风险评估的方法和过程进行识别。借助环境可持续性指数以能值三角形为表征方法,对修复后的流域水生态多样性状况进行判定。提出的基于自然解决方案的流域生态修复成效评估方法可对不同治理及修复水平下的流域生态健康状况进行综合评估,为检验河湖生态系统的自然化修复效果提供方法参考。

浅谈物理学史在大学物理课堂教学中的作用

物理学史是人类探索和认识物理学现象、规律发展的历史,对形成科学素养、人文素养方面有着无可替代的重要作用。在大学物理学的教学过程中,引入物理学史料不仅能够促进学生对科学本质的理解,也能够培育学生科学的思维和创造力,对活跃大学物理学课堂教学具有重要的意义。

特殊区域地表水环境背景值表征技术方法研究与应用

选取黑龙江省源头水保护区作为研究对象,根据DEM数据对保护区内随机布设的水质监测点控制单元进行划分并提取单元内的相关指标建立监测点背景特性量化模型,基于量化结果提出地表水环境背景值监测方案,建立背景值数据库.选取研究区自然属性指标与空间属性指标,以空间叠置技术与聚类分析方法对研究区地表水进行背景值分区,最终将黑龙江省分为六大地表水水质背景值地理分区,并计算了各分区地表水环境背景值表征范围.表征范围显示:依据现行标准进行水质评价,保护区内水质背景值已超出II类水质标准限值.因此,基于水质背景值研究成果提出了考虑背景值影响下的水环境质量评价方法,并将方法应用于研究区,结果表明方法切实可行且优于单因子评价法.研究成果可为区域制定背景值影响下的水环境评价方法提供科学的数据支撑与理论依据.

复合植被根系作用对生态岸坡稳定性的影响

生态护岸中植被根系的固土护岸效果缺乏可测性和可控性,为了确定植物根系存在对岸坡稳定性提升的量化作用,以北京市永定河莲石湖段生态岸坡为试验区,测定生态岸坡上种植典型"草-灌-乔"植被根系的形态分布及特征参数,在根系参数测定结果的基础上分析生态岸坡稳定性。通过建立根系加筋作用的力学模型,并采用基于加筋理论的极限平衡法,对岸坡浅层稳定性进行分析计算,岸坡整体稳定性采用基于强度折减原理的ABAQUS有限元模型计算法。结果表明,草本和灌木根系的加筋作用有助于提升岸坡浅层土体的粘聚力、抗剪强度和稳定性;草本和灌木根系的加筋作用对岸坡整体稳定性的影响远小于乔木根系的锚固作用,乔木种植于坡脚处对岸坡稳定性的提高最有利,岸坡安全系数可提升5.16%;乔木根系长度是岸坡整体稳定性重要的影响因素,乔木根系长度由1 m增加至3 m,生态岸坡整体稳定安全系数较素土岸坡分别增加了1.25%和14.2%,且增强速率逐渐变大;在水位变动时,生态岸坡与素土岸坡相比,其稳定安全系数最高可提升7.87%。根据岸坡浅层稳定性及整体稳定性计算结果,可以明确植被根系浅根加筋作用及深根锚固作用对岸坡土体的稳固效果,从而确定各类植被的配置方式,为生态护岸工程设计与应用提供参考。

基于SWAT模型的平原河湖水网区小流域径流过程模拟

模拟湖北省松滋市小南海流域径流过程,为未来运用SWAT模型诊断小南海流域面源污染问题提供技术支撑。小南海流域地处洞庭湖生态经济区最上游,是洞庭湖上游重要的生态涵养地。流域处于山地丘陵地区与平原河湖地区的交界地段,上游地区为山地丘陵区,下游地区为平原河湖区,水系结构和产流汇流过程较为复杂。该流域内无水文站点,水文资料缺失。选择了洞庭湖流域、鄱阳湖流域与梁子湖流域3个相似流域运用SWAT模型时所采用的水文参数,运用参数移植法确定了小南海流域的水文参数;对比基于DEM直接定义水系、使用Burn In功能对河网进行修正和Pre-defined streams预定义水系3种水系定义方法,选择最适合的Pre-defined streams方法按照现状进行水文模拟。模型划分了25个子流域,验证结果表明确定系数R^2与Nash-Sutcliffe效率系数E_(ns)均大于0.85,表明使用水系预定义法及参数移植法的SWAT模型模拟小南海流域径流过程是可行的。

基于MIKE21的城市河流水质改善与达标分析

为进一步改善北京市潮白河顺义段的水质并分析其目标可达性,基于MIKE21模型,以COD、TP、NH3-N为特征性指标,在四种方案下分别对研究河段进行水动力与水质模拟。根据其模拟结果,定量分析四种方案,发现四种方案对潮白河的水质全面提升均有一定效果,方案2、3的出口断面水质可达到要求的Ⅳ类水标准。

大型底栖动物快速生物评价指数在城市河流生态评估中的应用

为提供更加全面和有效的生态评估方法用以指导城市河流修复和保护,2017年3-4月选择深圳典型城市化区域河流,设置21个监测样点,开展大型底栖动物快速生物评价指数的适用性研究。分别选择生物多样性指数、群落结构指数、敏感性指数和耐污性指数,在评估不同指数适用性的基础上,筛选和构建用于城市河流健康评价的大型底栖动物快速生物评价综合指数。龙岗河大型底栖动物共采集到28科43种,寡毛类是龙岗河的主要优势类群。基于底栖动物群落结构特征对6个大型底栖动物快速生物评估指数进行了比较和分析,其中3种指数较适用于龙岗河城市河流健康评估。在考虑各参数离散度和相关性的前提下,可选择物种数、寡毛类相对丰度和科级耐污生物指数(Family Biotic Index,FBI)构建综合指数用于深圳市河流快速生物评价。健康评价的结果表明龙岗河2个样点为"理想状态",6个样点属于"亚健康"等级,其余13个样点处于"不健康"和"病态"。我国城市河流的有机污染总体较重,以大型底栖动物耐污类群或者敏感类群构建的快速生物评价指数能够较为灵敏地指示河流生态修复成效。

基于生态脆弱性评价的松花湖湖滨带功能区划研究

通过收集松花湖湖滨带水文、水质、地貌等资料,对卫星遥感影像进行遥感解译和空间统计分析,选取丰水期和平水期两个时期,对不同土地利用类型附近的湖滨带近岸水体营养物质进行采样调查与实验分析,以压力-状态-响应模型为基础,围绕湖滨带人工干扰程度、湖岸稳定性、湖滨带植被覆盖情况、总氮浓度、总磷浓度、叶绿素浓度,建立松花湖湖滨带生态脆弱性评价指标体系,利用层次分析法对其生态脆弱性进行评价,结合各地点生态脆弱性评价结果与行政区划,对松花湖湖滨带进行功能区划,并针对各功能区提出生态修复措施。结果表明,松花湖湖滨带的土地利用方式以耕地为主,占湖滨带总面积44.91%,其次是水域及水利设施用地与草地,分别占19.96%和19.21%,林地、交通运输用地与住宅用地的比例较低,分别占7.97%、4.64%、3.30%;湖滨带水体总氮浓度为2.04mg/L,总磷浓度为0.23mg/L,叶绿素浓度为6.25μg/L,景区、耕地的总氮、总磷、叶绿素含量高于其它区域;湖滨带生态脆弱性指数1.412~7.953,平均值为3.78,总体处于轻度脆弱,西部地区处于轻度脆弱,东南部地区处于微度脆弱,东北部地区处于重度脆弱;根据脆弱性级别将湖滨带划分为4个功能区,为非点源污染防治区、旅游观光开发区、湿地生态保护区、蛟河生态重建区。对松花湖湖滨带进行区划并提出分区生态修复重点,可为该区域生态修复提供技术支撑。

城市河流蜿蜒度变化对河流生态环境影响的量化研究

为进一步明确城市河流蜿蜒度变化对河流生态环境的影响,基于研究区域现状,从生物栖息地与河流水质两个方面入手,选取有效栖息地面积(WUA)与深潭浅滩变化、化学需氧量(COD)和总磷(TP)作为特征性指标,选择北京市南沙河老牛湾附近河段作为研究对象,通过梳理相关资料、现场调查等方式获取基本数据,以基础散点数据构建所选河段的不同平面蜿蜒程度,利用MIKE21和RIVER2D分别对其进行水动力水质模拟,根据模拟结果中鱼类有效栖息地面积与所选控制断面的水质变化进行分析,从而将河流平面蜿蜒形态变化对河流生态环境的影响进行量化研究。结果表明,随着河流蜿蜒度的变小,目标鱼类栖息地面积与深潭浅滩个数逐渐减少,WUA由占河道总面积的28.9%降至11.2%,深潭浅滩个数由10减少至4;河流水质也逐渐变差,COD与TP浓度都呈整体上升趋势。最终明确了河流生态环境会随着蜿蜒度的变小而发生恶化。

河湖水系生态连通工程技术体系构建

河湖水系是维系自然生态系统的重要组成部分,同时也是社会经济发展的重要支撑。河湖水系生态连通工程技术是生态修复工程补短板的重要手段。通过阐述河湖水系连通性的内涵,构建了基于三流四维生态模型的河湖水系生态连通工程技术体系,包括纵向连通工程技术、横向连通工程技术与垂向连通工程技术,并针对各连通维度具体阐述了各项工程技术。河湖水系生态连通规划工程技术体系的构建,可为国家及水利行业开展河湖水系连通相关工作提供有力的技术支撑。

生态补水后永定河北京山区段河流生境质量评价

河流生境作为河流生态系统的重要组成部分,准确评估河流生境质量可为河流生态保护与恢复管理提供重要的依据。结合永定河北京山区段生态环境特点,采用层次分析法构建了包括河道生境、河岸生境、滨岸带生境3个方面共12项指标的河流生境质量评价体系,分析生态补水后永定河北京山区段河流生境现状及其空间分布。研究结果表明:北京山区段河流生境质量总体偏好,30个样点中,处于极好、好、一般等级的样点数分别为8个、11个、11个,无差和极差等级样点。生境质量总体状况在空间上表现为官厅至珠窝水库河段>珠窝坝下至落坡岭水库河段>落坡岭坝下至三家店水库河段,各个河段的河道生境、河岸生境、滨岸带生境均存在显著性差异;人类活动、土地利用方式、河岸植被结构、河岸护坡类型等对生境质量及水质具有较大的影响。通过对河流生境质量评价不仅能够较好地反映生态补水后北京山区段河流生境质量现状,也可为进一步的河流生态恢复与管理提供科学依据。

生态补水措施对杞麓湖水质改善效果的模拟分析

为明确大龙潭生态补水工程及滇中引水工程措施对杞麓湖水质的影响,利用MIKE21水环境模型软件,构建杞麓湖二维水动力水质模型,定量研究水动力变化对湖泊流场及水质的影响。结果表明,杞麓湖以风生湖流为主,所建引水工程对杞麓湖整个流场无明显影响;叠加式采取大龙潭生态补水工程和滇中引水工程后(方案3、5),污染物平均浓度略有降低,但改善作用有限;采取相关水污染治理规划措施后(方案2、4、6),污染物平均浓度下降明显,湖体水质从劣Ⅴ类升至Ⅲ类。考虑杞麓湖水量平衡的因素,建议其水质改善必须坚持"水污染控制为主、生态补水为辅"的方针。

北方典型小水库退役前后秋季浮游植物群落特征及其与环境因子的关系

为了研究平山水库退役前后秋季浮游植物群落特征及其与环境因子的关系,选取2015-2018年水库退役前后秋季的4次监测数据,分析了浮游植物的种类、数量在组成上的变化,利用冗余分析法(Redundancy analysis,RDA)研究了浮游植物群落与环境因子的关系,同时对平山水库退役前后Margalef D指数、Shannon-Wiener指数H′、Pielou指数J进行研究并分析水质状况。结果表明:水库退役前以绿藻(42.25%)、硅藻(36.36%)为主,退役后4个月蓝藻数量比例最大(73.11%),2017、2018年秋季硅藻数量占优势,比例分别为77.22%和28.80%;影响浮游植物群落的主要环境因子为总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、总悬浮固体TSS和电导率EC;平山水库浮游植物多样性处于较低水平,其退役后浮游植物Shannon-Wiener指数和Margalef指数均出现上升趋势,水库退役后水体中浮游植物多样性逐渐增加,生态系统逐渐恢复。

中美排污许可证制度比较及对策研究

排污许可证制度是国际通行的一项环境管理基本制度,作为污染控制的支柱,在美国等发达国家都已经有了良好的实践。中国排污许可证制度处于不断改革阶段,需要借鉴美国等国的先进经验。系统梳理了美国排污许可证制度的法律法规、标准与控制技术和中国排污许可证制度的实施进展、实施机制和最佳可行技术管理体系。重点比较了中美两国排污许可制度的异同点,分析出中国在排污许可证证后监管、公众参与制度、相关环境管理制度的衔接和可行技术体系方面存在不足。针对存在的问题,为完善排污许可证制度提供一些建议。

岸坡型湿地基质配置优选及水质净化效果研究

设计一种新型污水修复技术——多结构岸坡型湿地水质净化系统,以其中核心单元岸坡型湿地为研究对象,分别进行不同进水浓度条件下基质配置优选与不同水力停留时间条件下水质净化效果试验研究,探究岸坡型湿地最优基质配置及水质净化效果。试验结果表明:岸坡型湿地填充25%轮胎颗粒+50%沸石+25%无烟煤组合的基质配置对氮有较好的净化效果,填充25%沸石+50%陶粒+25%无烟煤组合的基质配置对磷有较好的净化效果;岸坡型湿地对TN、NH 3-N、TP平均去除率分别为34.0%、43.7%和56.2%,春季净化效果好于冬季,最佳水力停留时间选取2~4 d。该技术适用于入河流面源污染负荷削减及河流微污染水体的循环净化。本试验研究将对防治河流水质污染有一定的参考意义。

生态净水堰填料及布局系统试验研究

为了解决传统透水堰对污染物迁徙转化效果有限的问题,采用陶粒、天然沸石、红砖屑、轮胎颗粒、火山岩构建生态净水堰,通过对生态净水堰内填料的特性分析,对填料区填料的质量比和铺设型式、反应器构型的比选,研究不同组合系统下生态净水堰的净化效果。结果表明:天然沸石对氨氮的吸附能力最好;陶粒对磷的吸附能力最优。6种不同的填料质量比为陶粒:火山岩:天然沸石:轮胎颗粒(1:1:2:1)的填料对氨氮和磷的吸附能力最好。在不同的进水浓度和水力停留时间下,通过对动态试验数据进行多元方差分析,在以截留、吸附为主的污染物去除过程中,推流式反应器结构和垂直分层铺设的布局系统效果最优。

松花湖水质空间差异及富营养化空间自相关分析

为识别中国东北地区最大的人工湖——松花湖水质空间差异与富营养化的空间分布特征,运用方差分析与因子分析对丰满水库主库区、松花江三湖保护区实验区和蛟河回水区这3个区域2017年的水质采样检测结果进行了分析,运用综合营养状态指数法评价了湖区的营养状况,采用空间自相关分析对松花湖湖区富营养化水平的空间相关性与聚集度状况进行了研究.主要结果如下:(1)方差分析结果表明,除溶解氧(DO)与叶绿素a(Chla)外,总氮(TN)、总磷(TP)、水温(WT)和p H值在松花湖3个区域内存在显著性差异(P <0.05),其中TN与TP区域差异最为明显;(2)因子分析结果表明,气候条件因子(WT)、营养盐因子(TN、TP)与藻类生物量因子(Chla)变化主导着湖区水质的变化;(3)综合营养状态指数法结果表明,松花湖湖区营养状态整体为轻度富营养化,3个区域的富营养化水平由强到弱依次为:蛟河回水区>丰满水库主库区>松花江三湖保护区实验区;(4)全局空间自相关的结果表明,湖区富营养化水平整体呈现显著的正空间自相关关系,由于区域富营养化水平影响范围较大,松花湖富营养化水平的空间异质性不强;(5)局部空间自相关的结果表明,蛟河回水区的中部及北部地区是湖区富营养化水平的热点(高/高集聚)区域(P <0.01),松花江三湖保护区实验区的中部是湖区富营养化水平的冷点(低/低集聚)(P <0.05).因此进行松花湖水环境治理时,应将富营养化防治的重点区域落在蛟河回水区与丰满水库主库区.

永定河流域大型底栖动物群落分布格局及其影响因子

人类干扰造成了全球河流生态系统的普遍退化。流域尺度的水生生物分布特征及其影响因素研究对于河流生态系统的保护与恢复具有重要意义。本研究以永定河流域大型底栖动物群落为研究对象,分别于2017年春季(3月)、夏季(7月)、秋季(11月)开展全流域尺度的大型底栖动物调查。研究表明:永定河流域以摇蚊科为主,优势类群包括直突摇蚊属、摇蚊属、雕翅摇蚊属以及多足摇蚊属。聚类分析表明,大型底栖动物群落结构存在显著的空间差异性,按照群落相似性可分为2组:组1主要包含桑干河和东洋河水系,以直突摇蚊为主要优势种;组2主要包含洋河、妫水河以及永定河干流部分河段,以雕翅摇蚊为主要优势种。单因素方差分析表明,组2生物量、Shannon指数、Margalef指数、Pielou均匀度指数以及物种丰富度均显著高于组1,指示了该区域内更好的生态状况。大型底栖动物的季节差异显著,夏季的密度、生物量和各多样性指数均显著低于春季和秋季。典范对应分析显示,影响永定河大型底栖动物空间分布的环境因子主要包括水温、铵氮、pH、溶解氧和总磷。从水文因子的角度,流量和流速与主要生物参数存在显著相关性。组2中流速和流量与大型底栖动物密度和EPT%存在显著的正相关关系,表明急流生境有利于EPT(蜉蝣目、襀翅目、毛翅目)敏感类群的生存;但流量和流速与多样性指数呈负相关关系,表明过高流量和流速的生境条件不利于大型底栖动物多样性的维持。总之,水环境因子、水文因子都显示出了对大型底栖动物群落结构和多样性特征的影响,表明永定河流域生态系统受到多类型人为活动的影响。减少水质污染、适度恢复部分河段的流量是永定河流域生态系统修复的重要环节。

基于探索性数据分析的汉丰湖富营养化驱动因子研究

为了探究汉丰湖富营养化驱动因子和营养状况,基于2014年水质监测数据,应用探索性数据分析方法初步研究了汉丰湖水动力条件与环境因子的相关性、水质主成分、相关环境因子熵权和营养健康指数。回归分析结果表明:水位与透明度呈正相关,流量与DO呈负相关,与流速呈负相关的因子为Chla、COD_(Mn)、NH_4^+-N和DTP;主成分分析提取的3个主成分分别反映了营养盐、有机污染以及藻类信息;DO、TN和TP的熵权表明汉丰湖水体的富营养状况受制于耗氧有机污染和氮、磷营养盐;营养健康指数S1>S3>S6(湖心)>S7(湖尾)>S5(湖首)>S4>S2。汉丰湖水体营养状况介于中营养到轻富营养,其中南河营养状态较高,湖心营养程度高于湖首和湖尾。减少有机污染物、营养盐的输入和改善局部水域的水动力条件可抑制藻类生长,有利于防治富营养化。