汉江流域上游污水处理厂中微生物多样性及PICRUSt功能预测分析

汉江流域上游污水排放是南水北调中线工程供水水质的主要威胁之一,以微生物为功能主体的处理工艺的精准调控和优化决定污水处理厂(Wastewaster Treatment Plants,WWTPs)的稳定运行和出水水质,但汉江流域上游WWTPs中微生物多样性及功能尚未清楚。利用高通量测序技术探究汉江流域上游WWTPs中微生物多样性和结构,利用PICRUSt功能预测分析微生物功能。结果表明,微生物组成优势门为Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Chloroflexi和Acidobacteria;构成活性污泥菌胶团的属为Comamonadaceae、Flavobacterium、Acinetobacter和Zoogloea;参与脱氮除磷的属有Anaerolineaceae、Sphingobacteriales、Xanthomonadaceae、Nitrosomonas、Nitrospira、Pseudomonas、Thauera、Terrimonas、Thiobacillus、Acinetobacter、Flavobacterium、Dechloromonas和Saprospiraceae。WWTPs活性污泥微生物主要涉及氨基酸代谢、膜转运和碳水化合物代谢等20个主要功能,表现出功能上的多样性,大部分预测功能基因占比相近。

基于RBF-SWAT的气候变化下汉江上游流域径流预测及特征分析

为研究气候变化下汉江上游流域的径流响应,基于RBF神经网络降尺度模型,利用2020—2099年CanESM2模式下RCP8.5(高温室气体排放)和RCP2.6(低温室气体排放)两种气候情景,生成未来气温与降水数据;耦合SWAT水文模型,模拟分析流域2020—2099年径流变化对不同气候情景的响应特征。结果表明,汉江上游年径流量均呈不明显增加趋势,RCP8.5情景下的径流增加趋势比RCP2.6情景稍小,径流量年内分配与基准期大致相同,两种情景下汛期径流量稍有减小,可能是降尺度模型生成的降水量极大值偏小导致的。研究结果可为汉江流域水文气象综合管理提供一定的科学依据。

南水北调中线水源地汉江上游流域主要生态环境问题及对策

汉江上游是南水北调中线水源地，流域生态环境建设是保障水源地水质安全的关键。针对上游流域水环境污染、土地利用以及水土流失等重大生态环境问题，结合流域数字高程模型及水质调查对其进行了系统分析。结果表明：（1）丹江流域、库区流域及汉中盆地水质较差，COD60和氨氮成为水源区主要污染物；（2）各子流域区植被覆盖占各自面积的71．2％～95．7％，表明流域植被覆盖较好，但沿河岸100m范围内农业用地占29．2％～43．4％，且多为坡耕地；（3）流域水土流失严重，2000年左右流域侵蚀图显示汉江源头、秦岭南及大巴山北均出现了大片年均侵蚀模数〉2200t／km^2的区域，且有日益增强的趋势。提出加大水环境污染整治力度、加强农业用肥管理及河岸带建设、水土保持建设以及加强流域水环境及水土保持监测和科研工作等对策。

汉江上游流域水资源对未来气候变化的响应

采用SWAT分布式水文模型,结合汉江上游流域1961—1990年实测气象数据和CMIP5多模式RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5情景下的输出数据集,在对汉江上游流域径流模拟检验的基础上,分析未来气候变化对汉江上游流域水资源的响应。结果表明,SWAT模型能较好地模拟汉江上游流域径流变化。2011—2100年不同气候变化情景下,汉江上游流域多年平均降水、径流与基准期(1961—1990年)相比均呈增加趋势,增加幅度从大到小依次为RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6,且降水量的增幅大于径流的增幅。3种情景下的多年平均月降水、月径流总体呈增加趋势,且在冬季(12月至次年2月)枯水期增加幅度较为明显。

汉江上游流域生态系统水源供给服务变化

[目的]研究汉江上游流域2000—2010年生态系统水源供给服务的时空变化及其影响因素,为区域水资源的科学管理与政策制定提供科学依据。[方法]基于InVEST模型的产水模块分析汉江上游流域生态系统的水源供给服务。[结果]10a间研究区林地、湿地和人工表面面积有所增加,耕地面积有所减少,草地面积基本稳定。年平均植被覆盖度总体呈上升趋势,变化率为0.005 1/a。2000,2005,2010年,汉江上游流域平均水源供给量分别为4.67×1010,5.22×1010,4.73×1010 m3。[结论]研究区水源供给量的时空变化是气候变化和土地利用共同作用的结果;降水增加对水源供给量增加起到一定的积极作用,土地利用变化导致的下垫面改变及生态系统好转可能是水源供给量下降的主要驱动力。

CMIP5RCP情景下汉江上游流域径流对气候变化的响应

以汉江上游流域为研究流域,建立SWAT分布式水文模型,以黄家港站1981—1990年月径流数据对模型进行校准和验证。采用CMIP5模式RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5情景下的输出数据集,利用率定好的SWAT模型模拟未来气候变化对研究流域径流的影响。结果表明,不同RCP情景下2021—2050年汉江上游流域平均气温、降水量、径流量较基准期都呈增加趋势,增幅从大到小依次为RCP8.5、RCP 4.5、RCP 2.6,并且降水量的增幅均大于径流量的增幅。3种情景下冬季降水量和径流量均呈增加趋势,且增幅较大;春季降水量和径流量均呈减少趋势,RCP 4.5和RCP 8.5情景下减幅较大;夏季和秋季降水量和径流量均呈增加趋势,RCP 8.5情景下增幅较大,RCP 2.6情景下增幅较小。

汉江上游流域水文循环过程对气候变化的响应

气候变化对水资源的时空格局及水循环产生了不同程度的影响。以汉江上游流域为例,采用线性回归法、Mann-Kendall非参数检验等方法,分析了1961-2013年的水文气象要素变化特征;构建了分布式时变增益模型(DTVGM),验证了模型在该流域的适用性;根据CMIP5多模式集合平均的结果,分析了RCP4.5和RCP8.5情景下2011-2099年的降水、气温及径流的响应过程。结果表明,1961-2013年汉江上游流域年降水量随时间缓慢减少,气温显著上升,年均径流量显著减少;在两种气候情景下,未来该流域降水量较基准期有所增加,气温随时间将显著上升,径流量较基准期减少但是随时间呈现增加趋势。结果预示着在未来气候变化的情况下,汉江上游流域水文循环将受到较大影响,可能出现一定程度的水资源短缺。

基于AWRI指数的汉江上游流域水资源量评估

为了科学评价汉江上游水资源量,提出了一个能够综合反映流域水资源量的指数——AWRI(Aggregate Water Resource Index)。该指数以流域月降水量、蒸发量、平均径流量以及水库平均蓄水量作为输入变量,运用主成分分析法(PCA)分别对每个月份系列进行计算,经标准化第一主成分分析计算后即可得到水资源量。在此基础上,对汉江流域上游进行了AWRI计算与分析。分析结果表明:AWRI指数综合考虑了气象、水文、人为因素对水资源量的影响,能够较全面和准确地反映水资源量的年际变化情况,有利于对流域水资源量改变情况进行评估。

基于CVI指数的汉江上游流域水资源系统临界状态分析

水资源系统临界状态的出现通常导致水资源系统异常事件的发生,而现有的研究对水资源系统临界状态的判定并没有形成共识。在流域水资源量综合评估指数AWRI(Aggregate Water Resource Index)的基础上,提出临界值指数CVI(Critical Value Index)以综合评估水资源从前期演变到后期过程中的突变和异常程度,同时定义并计算CVI的阈值CVIt作为甄别流域水资源系统临界状态的标准。以汉江上游流域为例进行计算,得到该流域1992-2017年逐月CVI指数,并借助于CVIt判别出处于临界状态的月份。结果表明,CVI指数能够较好地反映突变性水资源异常事件的发生。利用CVI指数对流域水资源系统临界状态进行判别有利于识别流域突发性水资源异常事件并有助于流域水资源系统应急管理。

气候变化和人类活动对汉江上游径流变化影响的定量研究

以汉江上游为例,基于弹性系数法和水文模拟法定量估算气候变化和人类活动对流域径流的影响,探讨了变化环境下流域径流对气候变化和人类活动的响应特征。研究结果表明:1961年-2013年汉江上游流域径流呈明显下降趋势,并在1985年前后发生了突变;降水及潜在蒸散发在同时期内也逐渐降低,但变化趋势不显著。气候变化对径流变化的贡献率为42.8%~43.5%,人类活动对径流变化的贡献率为56.5%~57.2%,相比人类活动对汉江上游径流的影响稍大,且其对径流变化的影响呈现增长的趋势。

基于SDSM-SWAT模型的汉江上游径流变化模拟

为分析汉江上游流域径流对气候变化的水文响应过程,耦合了SWAT水文模型和SDSM降尺度模型,选用石泉和黄家港水文站1990～2005年历史月径流资料,对水文模型进行率定和验证,并将2011～2100年CanESM2模式下低等排放情景(RCP2.6)和高等排放情景(RCP8.5)两种情景输出因子降尺度到汉江上游流域各站点,生成未来气候情景数据,模拟流域未来气候变化下的径流响应过程。结果表明,SWAT模型在该流域径流模拟中具有很好的适用性;未来流域径流会呈现增加态势,RCP8.5情景较RCP2.6情景变化剧烈,且未来各月径流相对基准期变化更加剧烈,这为流域水资源管理与保护提供了参考与支持。

汉江上游干流和秦岭南麓典型支流的底栖动物群落特征及水质生物评价

汉江上游是丹江口水库的水源区,其生态环境状况对保障汉江全流域及南水北调中线生态安全起着举足轻重的作用.本研究于2017年11月和2018年4月对汉江上游干流及源于秦岭南麓的5条典型支流开展了系统调查,旨在摸清汉江上游干支流的底栖动物群落特征,以及评价其水质状况.共采集到大型底栖动物240种,其中水生昆虫209种,软体动物13种,环节动物9种,其他类群9种.其中四节蜉Baetis sp.在各条河流中均为优势种,此外其他优势种还有拟细裳蜉Paraleptophlebia sp.、细蜉Caenis sp.、扁蜉Heptagenia sp.、花翅蜉Baetiella sp.、直突摇蚊Orthocladius sp.、纹石蛾Hydropsyche sp.、蜉蝣Ephemera sp.、带肋蜉Cincticostella sp.、高翔蜉Epeorus sp.、似波摇蚊Sympotthastia sp.和真开摇蚊Eukiefferiella sp..从各类群的密度来看,水生昆虫在汉江及五条支流中均占有绝对优势,占总密度的90.8%~98.9%,而在生物量上,除汉江干流中软体动物占绝对优势外,水生昆虫在各支流中均占绝对优势,占总生物量的47.0%~98.9%.就功能摄食类群的密度而言,直接收集者在汉江干支流中均为最主要功能摄食类群,而从生物量方面来看则表现出差异性,捕食者是金水河和旬河中最主要功能摄食类群,刮食者为汉江干流和月河中最主要功能摄食类群,直接收集者是金钱河中最主要功能摄食类群,滤食者为湑水河中最主要功能摄食类群.冗余分析结果表明,流速、总磷和电导率为影响汉江干支流底栖动物分布的关键环境因子.采用底栖动物生物指数(BI)和Shannon-Wiener指数进行水质生物评价,结果显示除汉江的极个别断面、湑水河和月河下游及旬河的中下游河段处于轻-中度污染状态外,其他调查河段均处于清洁状态.本研究结果可为汉江上游流域生态管理和科学保护提供依据.

基于AFI指数的汉江上游流域洪涝突变辨识

洪涝灾害往往容易在短期内突然发生,从而造成巨大的人员伤亡和财产损失,但目前有关突发性洪涝现象的甄别与分析并没有达成共识。在利用标准化前期降水指数SAPI(Standardized Antecedent Precipitation Index)评估出逐日洪涝状态的基础上,提出突变性洪涝指数AFI(Abrupt Flood Index)以综合反映水量由前期(当天)到后期(后10天)突变及后期洪涝程度,同时定义并计算AFI阈值AFIt,认为AFI超过AFIt的日期为临界状态,后期将发生突变性洪涝事件。以汉江上游流域为例计算出该流域1972~2017年逐日AFI指数,并利用AFIt判别出了处于临界状态的日期。进一步分析表明,AFI指数能够较好地反映突变性洪涝现象,利用AFI指数甄别出的洪涝临界状态有利于识别流域突变性洪涝事件并有助于流域水资源系统应急管理。

气候变化下汉江上游林地植被生态需水量的时空演变

研究气候变化下林地植被生态需水量的时空变化,对于保护涵养水源的林地植被系统,合理规划管理流域水资源有着重要作用。以汉江上游流域11个气象站点1971~2010年的气象资料为依据,采用结合[1]土壤含水量与植物类型修正蒸散发量得到植被生态需水量的方式,从时空角度定量研究了在生长季4~10月份流域林地植被生态需水量及其趋势性变化,并且分析了生态需水量对各气象因子变化的敏感性程度。结果表明：汉江上游流域林地植被多年平均生长季生态需水量为6.915 8×109 m3,整体上呈现非显著性增加趋势,在空间分布上具有明显的地带性特征。生态需水量对不同气象因子有不同程度的敏感性：最高温度〉水汽压〉太阳辐射〉风速〉最低温度,生态需水量对各气象因子敏感程度的地带性分布特征还与各区域的纬度、海拔、植被类型和下垫面情况有关。

基于神经网络的近地面气温遥感反演研究

为了获取近地面气温的空间分布格局,鉴于遥感技术在获取地表时空分布信息方面所具有的优势,提出了利用BP神经网络进行遥感反演近地面日平均气温、日最高和最低气温的算法。采用汉江上游流域的气象站点观测数据和Landsat ETM+遥感图像进行了试验研究。研究结果表明,遥感反演近地面日平均气温和日最高气温时,单纯利用遥感信息或者地形信息,都不能得到精度最高的结果,只有把两者结合起来,才能准确地获取近地面气温的空间分布信息。

基于层次分析法的长时间尺度 水资源综合评估

水资源系统在长时间尺度下的综合水资源量不仅与天然来水相关,同时受下垫面及人类活动的影响较大,故长时间尺度综合水资源量变化的影响因素较多且与社会发展联系密切,但目前有关结合多个因素评估长时间尺度综合水资源量变化的研究尚未达成共识。利用层次分析法分天然来水、综合用水、社会因素3个方面构建了包含10个指标的区域综合水资源量评估体系。以汉江上游流域为例进行计算,发现该流域综合水资源量年际间波动较大,但总体上呈现下降的趋势。将综合水资源量状态按照不同的得分区间划分为5种类型,并在此基础上对汉江上游流域综合水资源量的发展趋势进行分析,结果表明未来汉江上游流域综合水资源量短缺的风险较大,需采取合理的措施提高用水效率。