京津冀地区水-经济-生态系统耦合协调发展模拟

针对京津冀地区水资源、经济社会和生态环境系统未来可能面临的失衡失稳问题,构建水-经济-生态系统动力学模拟模型,设置开源节流、发展经济、保护环境等5种情景方案,预测京津冀地区水资源、经济社会和生态环境系统指标发展趋势,运用耦合协调度模型模拟京津冀地区2020—2035年不同情景下耦合协调发展趋势。结果表明:2020—2035年5种情景下北京、天津和河北水-经济-生态系统耦合协调度均呈上升趋势,其中延续现状型耦合协调度均最低,开源节流型、发展经济型和保护环境型次之,综合协调型均最高。说明在维持现状发展条件下,京津冀水-经济-生态系统耦合协调发展程度略有增加但变化较小,只有在节约用水和发展经济的同时充分考虑环境保护才能促进区域协调发展;2035年延续现状情景下北京、天津和河北耦合协调发展水平均属于中级耦合协调型,综合协调情景下北京和天津耦合协调发展属于良好耦合协调型,河北省经济发展相对滞后导致耦合协调发展缓慢,仍属于中级耦合协调型,未来应注重京津冀一体化发展。研究可为京津冀地区协调可持续发展提供参考依据。

基于水-经济社会-生态环境协同演变的生态流量阈值适宜性研究

针对天门河-汉北河流域生活-生产-生态“三生”用水矛盾突出、水生态退化及经济社会发展受限等问题,基于水系统理论与系统动力学方法,构建“水-经济社会-生态环境”耦合模型,从系统层面研究河道内生态流量阈值的适宜性。应用情景模拟法,考虑高效节水、再生水利用率提高等调控措施及未来天然来水的不确定性,设置9种情景模拟2022—2035年研究区高、中、低3种生态流量阈值下的水资源供需及经济社会发展态势。结果表明:高效节水和再生水利用率提高均有利于缓解因生态流量阈值增大而引起的区域水资源用户间的冲突问题;从“水-经济社会-生态环境”协调发展的角度分析,建议研究区丰水年(P=25%)生态流量阈值设置为年径流量的30%~50%,平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)生态流量阈值设置为年径流量的10%~30%;增大生态流量阈值的同时应采取提高水资源利用效率的调控措施。研究结果从“水-经济社会-生态环境”耦合系统的协同演化机制出发分析河流生态流量阈值的适宜性,为复杂水资源系统的优化运行与科学管理提供了理论基础。

干旱区流域水文-生态过程耦合分析与模拟研究框架

干旱区流域水资源短缺与生态恶化问题日趋严重,水文-生态过程耦合分析与模拟问题是实现干旱区流域水安全与生态安全亟待解决的核心科学问题。在总结国内外水文-生态过程耦合研究现状的基础上,探讨当前干旱区流域水文-生态过程耦合研究面临的关键科学问题,初步提出干旱区流域水文-生态过程耦合研究框架,包括水文-生态过程的作用机制、耦合关系和耦合模拟研究,旨在为干旱区流域水文-生态耦合研究提供参考。

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。

黑河流域水-生态-经济发展耦合模型及应用

以系统动力学模型为依据,根据黑河流域生态系统、生产系统和生活系统相互作用形成的水-生态-经济协调发展耦合关系式,建立了黑河流域水-生态-经济协调发展耦合模型;通过动态模拟和综合调试,从众多实验方案中选择生成水-生态保护型发展方案(WEP)、水-经济高效型发展方案(WEH)、水-生态-经济协调型发展方案(WEE) 3种有效方案。认为WEE方案耗水量介于WEP和WEH之间,经济效益和生态环境效益都比较显著,同时兼顾了黑河流域的经济发展目标和生态环境保护目标,虽然单纯从经济发展或生态保护角度分析,不是最好的方案,但从流域可持续发展和建设流域生态经济带的角度分析,却是一个最优化的方案。进而对WEE方案对应的水-生态-经济协调发展趋势做了分析。认为未来30年流域需水总量总体呈缓慢增加趋势,流域用水结构逐步呈合理化方向演变,流域上、中、下游需水总量和结构的动态变化趋势不尽一致,农业用地结构、粮-经-草种植结构和产业结构都不同程度地朝着合理化方向发展,单方水产值及经济效益总体呈显著增加趋势。

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO2到深部咸水层(CO2地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO2向大气排放的途径。CO2地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO2在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO2捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO2注入后地层中的温度、压力、CO2饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万t/a的CO2注入量;压力上升的范围远远大于CO2运移和温度降低的范围,注入20a后,其最大距离分别达到接近边界10km、620m和100m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO2注入能力。

半连续精馏过程分离甲酸甲酯-甲醇-水体系的模拟研究

采用半连续精馏对甲酸甲酯-甲醇-水体系进行分离,通过多目标遗传算法优化关键操作参数,并应用动态模拟实现半连续精馏的多模式操作。研究进料的中间组成对传统连续精馏、隔壁塔精馏和半连续精馏过程的经济性影响。结果表明,相对于传统连续精馏,中间组成甲醇含量逐渐增大时,半连续精馏在处理年产量的上限方面表现更加适宜,其相应数值为15.78、15.21以及11.74 Mmol;与隔壁塔精馏相比,半连续精馏适宜年处理量上限值分别为8.52、8.23、12.63 Mmol。

京津冀地区水-经济-生态耦合协调发展特征评价

运用耦合协调度模型评价了2006—2019年京津冀地区水资源-经济社会-生态环境的耦合协调发展状态,并利用灰色关联法分析了影响京津冀地区耦合协调发展的主要因素。结果表明:2006—2019年京津冀地区水资源-经济社会-生态环境耦合协调发展水平总体呈上升趋势;京津冀地区和北京水资源系统持续滞后,天津水资源和生态环境系统交互滞后,河北处于经济社会系统滞后的状态;北京始终处于耦合协调发展最好水平,天津其次,河北耦合协调发展缓慢;水资源总量和地下水储变量是影响京津冀地区耦合协调度最重要的因素,人口变化情况次之。

干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考

系统识别全球变化和高强度人类活动影响下干旱区流域生态水文耦合作用机制及演变规律,并通过综合生态水文调控,构建健康水循环和生态安全格局,是干旱区流域亟待解决的关键科学问题。传统的基于水文过程与生态过程的分离模拟与调控,尚不能满足上述实践需求;需结合原型观测与实验,对大气模式、水文模型、生态模式(包括天然生态模拟模型和作物生长模式)进行耦合开发,构建具有统一物理机制的流域生态水文模型。以此为支撑,对干旱区流域生态水文过程演变规律及阈值特征进行系统识别;并结合水生态服务功能评价,提出流域生态安全修复及水资源合理配置与调度方案;制定有效的风险管理措施,对流域生态水文过程进行动态调控。

基于GSFLOW的青土湖生态输水量-湖水面积关系研究

西北地区水资源匮乏,生态环境脆弱,如何科学处理生产用水与生态用水的关系一直是西北干旱区水资源开发利用中关注和研究的热点难点课题之一。关于流域中上游生态输水与尾闾湖水域面积(或湿地面积)关系的定量化研究较少。以我国西北干旱区河西走廊石羊河流域的尾闾湖—青土湖为例,利用GSFLOW建立了区域地表水-地下水耦合模型,其中采用LAK模块及SFR2模块分别处理湖泊和输水渠道,在此基础上预测了不同生态输水方案下湖泊湖面面积的变化情况,分析了青土湖生态输水量-湖水面积关系,确定了青土湖生态输水的合理范围。研究结果显示:当前3100×10^(4) m^(3)/a的生态输水量可以保证青土湖维持年内最高湖水水位1212.23 m(平均水位1211.68 m),稳定最大面积可达16.27 km^(2);当输水量为2000×10^(4)~3700×10^(4) m^(3)/a时,随输水量增大水面面积线性增加,面积变化率相对稳定;当输水量为3700×10^(4)~4500×10^(4) m^(3)/a时,水面面积随生态输水量增多,面积增大率逐渐减小;当输水量大于4500×10^(4) m^(3)/a时,水面面积随生态输水增多增大幅度很小,特别是当生态输水量大于5500×10^(4) m^(3)/a时,面积变化率趋近于0。从维持当前青土湖水面面积和向青土湖生态输水的效益考虑,红崖山水库向青土湖的生态输水量应保持在3100×10^(4)~4500×10^(4) m^(3)/a。研究成果对于确定西北干旱区合理生态需水,协调生态、经济、社会用水可持续发展具有一定的参考价值。

岩体中热-水-力耦合模型的新进展

本文综述了岩五力学中热－水－力耦合模型的发展，特别介绍了国际合作项目DECOVAIEX在这一方向上的新进展。

区域水资源与经济社会耦合系统可持续发展的量化分析

通过对水资源-生态环境-经济社会耦合系统互动关系的分析和对该耦合系统可持续发展模式的探讨,利用模糊优选模型将多个评价指标转化为单一指标,采用模糊隶属度描述可持续度来衡量复杂水资源系统可持续发展水平的评价方法,并结合辽宁省水资源开发与利用的实际情况,研究区域水资源可持续利用与经济社会协调发展的关系。研究结果表明,目前辽宁水资源系统可持续发展水平相对较低(全省水资源系统的可持续度仅为0.2456),尚有较大的开发潜力和提升空间。研究成果可为辽宁省水资源可持续利用及其管理提供定量的决策依据。

陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的基本科学问题、理论框架与研究方法

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生态系统生态学和全球变化科学研究长期被关注的三大物质循环,它们表征着全球、区域及典型生态系统的能量流动、养分循环和水循环。然而,自然界的生态系统碳循环、氮循环和水循环是相互联动、不可分割的耦合体系,在生态学、生理学、生物化学等方面受多个生物、物理、化学和生物学过程的调节和控制。本文在综合论述陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义的基础上,探讨了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的关键过程,提出该研究领域的基本科学问题,重点分析了植被-大气、土壤-大气和根系-土壤3个界面上碳、氮、水交换的生物物理过程,典型生态系统碳-氮-水耦合循环的生物学化学过程,制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生态系统生态学机制,以及制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理生态学机制。在现有科学研究的基础上,构建了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架系统,讨论了开展陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的主要技术途径与方法。

流域数学模拟系统发展方向及关键技术

重点介绍了黑河流域综合模型、数字流域模型、二元演化模拟系统以及黄河数学模拟系统等4个流域模拟系统的新进展;从发展理念、生产方式、质量评测、集成建模以及支撑途径等5个方面,凝练了系统模拟系统发展新态势,突出水-经济-生态过程的耦合模拟,注重构件化组装的集约化生产方式,突出模型科学评价和公共开发环境建设,重视多源数据同化和模型参数化.今后一个时期,要重点做好数学模型不确定性及评价技术、数学模型复杂数据高效存取及其仿真可视化、协调大尺度和跨学科模型集成及云服务技术、三维/四维变分同化技术、基于物联网的混合虚拟河流试验技术、水循环及其多物质输移过程和模拟技术等方面研究工作.

桑沟湾水动力特征及其对养殖容量影响的研究——观测与模型

主要介绍了从动力学研究桑沟湾养殖容量的主要思路、方法及结果。研究以精细过程观测为基础,以数值模型为手段,从物理海洋学角度考察养殖海区水动力特征,研究水动力对物质循环的影响、对颗粒态/溶解态营养物质的补充和对养殖生物量的影响,探寻不同养殖模式效果的技术路线;介绍了两个航次设计方案与目的。通过观测发现养殖对水动力垂直结构有很大影响,底层流速最大并滞后表层,发现弱动力条件下海底颗粒物和营养盐无法进入水体上层的事实。据此提出双边界层动力模型,建立一维数值模型进行机制探讨,将养殖阻力三维化建立水动力数值模型,定量给出养殖对水动力和水交换的阻碍;以此驱动三维养殖生态模型,充分考虑养殖对水动力的影响、水动力对生源要素的输运。建立了一个真正的物理-生物过程耦合模型。利用该模型进行的数值模拟和实验表明,贝藻兼养多元养殖是健康、高效养殖的有利措施;桑沟湾在现有养殖模式下,目前已基本达到了它的养殖容量,养殖品种分布不变,减少养殖密度至目前的0.9倍会略微提高产量,降低成本;减少湾口海带养殖密度,会大幅度提高贝藻兼养区的营养盐总量和养殖生物产量,从海带与贝类经济价值对比会有更高的效益。人为提高水动力混合或许是解决湾内营养盐缺乏的途径。

黄河数学模拟系统建设规划

为推动"数字黄河"工程深度发展,开展"数字黄河"工程黄河数学模拟系统建设规划,明确"十二五"期间黄河数学模拟系统建设目标与原则,设计模拟系统总体结构,提出面向防汛减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持、流域规划等业务亟待建设的模型及集成实现工作,明确支撑系统的模型不确定性及评价、复杂数据高效存取及其仿真可视化、协调大尺度和跨学科模型集成及云服务、卡尔曼滤波法和三维/四维变分同化,以及水循环及其多物质输移过程模拟等关键技术。

黄河近期主要科技进展与需求

从防洪减灾、水沙调控、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持、数学模型研发等方面凝练了近期黄河水利科技的主要进展。提出了当前及今后一段时期的主要需求,包括:①黄河水沙变化及趋势预测;②流域水沙调控理论与技术;③支撑最严格的水资源管理技术;④黄河泥沙处理与资源利用技术;⑤黄河下游河道改造与滩区治理;⑥黄土高原砒砂岩区抗蚀促生技术;⑦黄河数学模拟系统建设等。

REGCM2和SUCROS模式的双向耦合模拟试验

文中利用NCAR区域气候模式REGCM2和荷兰WAGENINGEN农业大学的作物生长过程模式SUCROS在中国东部平原进行了作物 大气双向耦合的模拟试验。初步的研究结果表明 ,该双向耦合模拟试验 (R/S)能较好地描述大气和农作物间动态的基于生物过程的相互作用。R/S模拟试验不仅能真实合理地反映植物叶面积指数的逐日变化特征 ,更好地描述中国东部平原的陆面物理过程 ,而且改善了REGCM2对中国东部地区夏季降水和地面温度的数值模拟。该项研究对进一步认识和研究气候系统与陆地生态系统的相互作用具有一定的意义。

黄河近期主要科技进展与需求

凝练了近期黄河水利科技的主要进展:①防洪减灾方面,主要包括基于卫星的黄河流域水监测和河流预报系统、游荡型河道整治理论与技术、水下根石探测技术、移动式不抢险潜坝技术、堤防安全与病害防治技术、宁蒙河段冰凌观测技术等;②水沙调控方面,主要包括调水调沙理论与实践、小浪底水库拦沙后期运行方式、水沙调控体系联合调控技术等;③水资源管理与调度方面,主要包括黄河水资源统一管理与调度、水权转换理论与实践等;④水资源保护方面,主要包括黄河流域生态保护目标及生态需水、高含沙环境下水污染物迁移转化过程及预报技术等;⑤水土保持方面,主要包括黄河中游多沙粗沙区域界定及产输规律、黄河多沙粗沙区分布式土壤流失评价预测模拟技术、水保措施作用机理及其优化配置等。同时,在黄河健康生命指标体系、数学模拟系统建设、实体模型理论与技术等方面取得了突破性进展。剖析了未来一个时期黄河治理开发、保护与管理面临的新问题,提出了黄河健康生命维持和流域经济社会可持续协调发展的科技需求,主要包括:①黄河水沙情势变化过程及趋势预测;②流域水沙调控理论与技术;③支撑最严格的水资源管理技术;④黄河泥沙处理与资源利用技术;⑤黄河下游河道改造与滩区治理;⑥黄土高原治理关键技术;⑦古贤水利枢纽和南水北调西线重大技术;⑧河流自然过程-生态环境过程-经济社会过程耦合的黄河数学模拟系统建设等工作。

温带次生林生态系统塔群监测研究平台(清原科尔塔群)

森林生态系统结构调控与功能优化是森林生态与管理的核心研究主题。然而,受技术与理论限制,复杂地形下森林三维精细结构监测能力不足、功能估测精度不高;森林生态系统结构的复杂性和人类社会对其服务功能的迫切需求对上述研究主题提出前所未有的挑战。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站于2019年在典型独立小流域内建成了观测塔群(3座观测塔)、水文站网、长期固定样地群,辅以综合数据中心;打造以激光雷达为主要森林结构监测、以涡动通量系统和水文站网为主要功能监测手段的"温带次生林生态系统塔群监测研究平台"(以下简称"科尔塔群")。科尔塔群集成了观测塔群-水文站网-长期固定样地群,构成以遥感技术-涡度相关法-测树学法-森林信息学法为主要手段的协同、跨学科观测体系,具有多方法、多尺度、多要素的核心特征,可开展多类相关研究以满足国家需求、探索国际前沿。基于上述优势,科尔塔群可准确获取森林三维结构,以全息新视角探索森林生态学规律,发展复杂地形下森林生态系统碳-氮-水和其他痕量气体通量观测新理论与方法,研究全球变化背景下森林生态系统碳-氮-水等循环过程与响应,阐明森林水文过程及调控机制,为森林结构调控与功能优化提供基础数据和理论支持,使森林为人类社会提供广泛且可持续的生态服务。