序 北京师范大学校级创新研究群体--流域水沙过程模拟

近年来,随着我国经济社会的快速发展,加之气候变化的双重影响,洪水、干旱、水污染事件时有发生,人水矛盾日益凸显,长江洪水、黄河断流、西南地区持续性特大干旱、松花江水污染事件,尤其是最近发生在北京的突发性城市暴雨洪水,造成重大的经济损失和人员伤亡,给人们敲响了警钟,经济社会可持续发展中一些重大水问题亟待我们做出回答。

水文科学在北京师范大学：回顾、机会与挑战

简要介绍了水文科学的学科体系,回顾了水文科学的发展历史,系统梳理了水文科学在北京师范大学的发展历程.介绍了北京师范大学水科学研究院在水文学及水资源领域的主要成就与发展进程.事实说明,科学技术的发展是水文科学发展的动力,不断增长的社会需求是水文科学发展的源泉,水文科学在北京师范大学的发展,是社会需求所致,是历史的必然,是机会更是挑战.

高校生活节水技术与措施改进研究——以北京师范大学为例

高校是用水大户,研究与改进生活节水技术与措施意义重大。以北京师范大学为例,通过分析该高校的生活用水情况、节水措施,指出节水工作中存在中水处理能力不足、学生使用自来水浪费、洗澡用水量过大、冲厕用水浪费、用水器具常损坏导致漏水损失的问题。针对上述问题,提出了增加中水处理规模、基于定额管理的学生宿舍自来水用水控制、基于阶梯式水价的学生洗澡用水控制、冲厕水量控制、供水系统故障举报奖励机制这五项节水技术与措施。上述技术措施是在现有节水技术措施上的改进和完善,具有良好的可行性。在采取上述措施后,学校每年可节水约22.8万m3,节水效益明显。

序 北京师范大学校级重点学科——水文学及水资源

北京师范大学在教育部和北京市共同支持下，以突出的特色和雄厚的实力，入围国家“985工程”建设计划，即建设世界一流大学计划，确立了“综合性、有特色、研究型的世界知名高水平大学”的奋斗目标．2005年1月，在刘昌明院士和林学钰院士领导下，北京师范大学率先在国内高校成立水科学研究院．建院伊始，全院教师11人，研究生不足30名．近年来，在学校有关部门的支持下，水科学研究院发展迅速，2012年教职工43人，其中，中国科学院院士2人，“京师学者”特聘教授1人，教授10人，副教授14人，另外聘请兼职教授、客座教授2名。

水文科学研究进展的回顾与展望

对水文科学的研究现状、主要进展和发展趋势进行了系统深入的总结和分析,其结果表明,社会需求是水文科学发展的根本动力,技术进步是水文科学发展的源泉。水文科学不仅要研究地表水文过程,还要研究各圈层界面上水分和能量交换过程,不仅要研究水在运动转化过程中的物理过程,还要研究水中各种化学成分的化学过程,特别需要加强水在水文循环和运动中生物过程的研究,从而使水文学向生态水文学的方向迈进。目前,生态水文学、全球气候变化影响是水文学研究的热点领域之一。今后除了进一步继续完善和深化水文科学的理论体系,还要不断丰富水文科学的社会服务功能,为经济建设和社会发展提供科技支撑。

北京农业虚拟水结构变化及贸易研究

通过依据典型区县实际灌溉定额调查成果并用全国作物需水量等值线图进行修正,确定出北京市主要农作物的需水量,对北京农作物种植结构变化、农业用水及其GDP效益作了分析,进而对各类农作物历年的虚拟水含量及其结构变化进行了研究,最后基于投入产出方法对北京农业虚拟水贸易进行了计算分析.结果表明,①近年来,北京地区粮食作物虚拟水总量持续减少,由1990年的18.32×108m3减少到2004年的4.283×108m3,经济作物虚拟水总量却呈上升趋势,由1990年的9.06×108m3增加到2004年的14.92×108m3,但总体上农作物虚拟水总量仍呈现下降趋势;②北京是一个农产品虚拟水净输入的地区,年平均虚拟水净输入量约为2.37×108m3,这相当于北京市年产水资源总量的5.93%,间接地缓解了北京市水资源紧缺的局面.

北京市再生水灌溉对土壤质量的影响研究

为了研究再生水灌溉对土壤次生盐渍化及重金属累积等土壤质量指标的影响,采用田间调查取样方法,在北京市典型再生水灌区(通州新河灌区),对再生水灌溉和井水灌溉的土壤进行采样分析.采用ICP-AES光谱仪测定土壤重金属(Cu、Ni、Pb、As、Cd、Zn)质量分数w、采用DX 600离子色谱仪测定盐离子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)质量分数w.结果表明,再生水灌区比井灌区土壤盐离子w显著增加,增加程度w(Na+)>w(K+)>w(Mg2+)>w(Ca2+),且土壤中Ca2+、Mg2+、Na+在土层>40～80cm、>140～180cm累积较多;再生水灌区与井灌区土壤浸提液的钠吸附比(SAR)垂向变化趋势一致,再生水灌区各取土层SAR显著高于井灌区,平均是井灌区的5～6倍,但仍处于作物适宜范围之内.尽管再生水灌区重金属(Cu、As、Ni、Pb、Zn)在土层>140～200cm略有累积,但仍符合土壤环境质量标准Ⅰ或Ⅱ级,且再生水灌区与井灌区在0～140cm的土壤重金属w差异并不显著.

南水北调进京后的北京市水资源短缺风险研究

基于趋势预测和用水定额法对北京市的用水情况进行了预测,采用皮尔逊水文频率曲线模拟了中长期不同降水的经验概率,计算南水北调进京后的水资源短缺量和风险变化。研究表明：南水北调进京后,正常年能够保证北京用水;在枯水年可降低缺水比例60%以上,在平水年降低缺水比例40%以上,在丰水年缺水比例降低至零,且随时间推移南水北调工程对缺水比例降低的效果增大;南水北调工程实施后北京市2015～2030年水资源短缺风险由70%～80%降低到26%～36%,降低了40%以上,且随着时间推移,南水北调工程对水资源短缺风险的降低作用将继续增大。

拓宽思路,科学评价水资源量——以渭河流域蓝水绿水资源量评价为例

对蓝水和绿水的内涵进行了梳理,并对其评价方法进行了综合分析,认为水文模型法是同时评价蓝水和绿水资源量时空变化特征的有效方法。在此基础上以渭河流域为例,构建了渭河流域分布式水文模型SWAT,并采用SUFI-2算法进行参数敏感性分析、参数率定、模型验证以及不确定性分析。根据模型输出结果,分别在水文响应单元、控制流域以及城市/地区尺度上对渭河流域近50年来的蓝水资源量、绿水流和绿水储量进行了综合评价,以期为西北干旱缺水地区的水资源规划与管理以及水资源高效利用提供科学依据。

北京城市水华预警指标体系研究

2002年以来,北京城市河湖水体基本处于轻度富营养化状态,为能对2~7 d短期水华进行准确预警,研究了较易实现自动化监测的水温、pH、溶解氧、叶绿素a等水质指标以及光照强度等气象指标与水华发生的响应关系。确定了水华短期预警系统的输出指标为与藻密度有很好线性相关性的叶绿素a和溶解氧;水华预警输入指标为总磷和总氮、水温、光照、叶绿素a、溶解氧等。

低中放核素在地下水环境运移的动力学研究

针对处置库中低中放核素释放对地下环境潜在性污染的严重性,建立了核素在包气带和含水层中联合迁移的数值模型,利用所建立模型对某一处置场核素迁移的动力学行为进行环境预测。数值模拟结果表明:包气带对于吸附性较强的核素具有很大的阻滞作用,对于低分配系数的核素阻滞作用较弱;衰变系数对含水层中核素的迁移起到了重要作用,随着衰变系数的增大,地下含水层中的核素体积浓度逐渐降低,并且分配系数的大小直接影响着核素在含水层中体积浓度分布曲线的形状。采用系统耦合数学模型来研究核素在包气带和含水层中的运移是预测核素污染的重要手段和有效方法,可为核素在地下处置库中安全处置及环境影响的评价提供科学依据和技术指导。

北京市通州区水环境规划方案下的水质模拟研究

应用北京师范大学水科学研究院开发的河段水质模拟工具,对未来水环境规划方案下的北京市通州区河段水质进行了模拟预测.以区内主要河段北运河和凉水河为例,分别预测了2010和2020年河段水体中的化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)的质量浓度,计算结果表明,通过实行工业达标排放、建立污水处理厂及湿地生态修复,可以提高温榆河通州段水功能区水质目标,保证2020年通州区北运河出境断面水质达标.

北京市农作物虚拟水含量分布

采用灌溉定额法对北京市各区县粮食虚拟水含量和蔬菜虚拟水含量历年的分布进行了计算和分析,并将其与北京市地下水资源分布和开采状况进行了现状对比.结果表明:①各区县粮食虚拟水含量总体上均呈下降趋势,但延庆县的粮食生产会给当地地下水资源带来较大的压力;②顺义区、大兴区,平谷区蔬菜历年的虚拟水含量总体呈增长趋势,在全市蔬菜虚拟水总量中所占的比例依次逐渐增大,而海淀区、丰台区、朝阳区蔬菜历年的虚拟水含量在全市所占的比例呈逐渐减小趋势;③北京地区历年的粮食虚拟水含量总和整体呈现下降趋势,蔬菜虚拟水含量总和略呈增长趋势,但是二者虚拟水含量的总和呈现下降趋势,这与北京市近年来的农业种植结构调整政策是相符合的.

攀枝花矿区表层土壤中钒的环境地球化学研究

在系统采集攀枝花采矿区周边地带的表层土壤样品及土壤剖面样品的基础上,通过地球化学调查和实验,研究了表层土壤中钒的分布规律、地球化学活动性及潜在的生态风险。结果表明:(1)攀枝花矿区大部分地带的表层土壤受到了钒的污染,表层土壤钒的平均含量是中国土壤背景值的2.79倍;(2)土壤剖面中钒的含量随深度增加而降低,表明土壤中钒的来源受母质影响较小;(3)采用富集因子得到的表层土壤钒的人为污染以轻微污染和中度污染为主;(4)采矿过程中产生的粉尘通过干沉降是引起表层土壤钒污染的主要原因;(5)表层土壤中钒以残渣态为主,其次为可氧化态和可还原态,而酸溶态所占的比例最小,但生物可利用的钒含量较高,存在轻微的生态风险。因此,应加强矿区钒污染的监测,制定有效控制对策,降低钒污染的生态风险。

北京地区降水量时空分布规律分析

通过运用非参数检验方法（Mann-Kendall法）,利用北京地区20个气象站点44年（1961-2004）观测的逐月降水资料,分析了北京地区降水量的时空分布规律.结果表明：在时间上,年平均降水量总趋势以每年1.72 mm的变化率减少,这种减少主要是由夏季、冬季降水量减少所引起的,尤以夏季最为显著,变化率为-3.26 mm/a,而在春、秋两季降水量则呈现出增加的趋势,变化率分别为0.34 mm/a和0.77 mm/a.降水期主要集中于夏季（6～8月）,可占全年降水量的72.5%.在空间上,年降水量的高值区位于山前迎风坡一带,大致呈带状自西南伸向东北,高值区的西北、东南两侧雨量逐渐减少.市区形成一个明显的下降中心,其中海淀区年均减少3.7mm,降幅最大.

北京城市热岛效应对气温和降水量的影响

借助非参数MannK-endall统计检验方法,对北京市20个气象站44年(1961—2004年)的逐月平均气温和降水资料进行了较为详细的分析。结果表明:①时间上,44年来北京市气温呈持续上升趋势,20世纪80年代为跃变点,跃变后增温趋势更加显著,而降水量呈下降趋势;通过分析5年滑动平均演变图发现,对气温而言,市区增温趋势明显高于郊区,市区和郊区44年来分别以0.44℃/10a和0.01℃/10a的趋势递增,降水量从总体上来说44年来城、郊差异不大,市区和郊区44年来分别以1.82mma/和1.49mma/的趋势递减。②空间上,对年平均气温而言,市区内存在一个明显的上升中心,且等值线较为密集,海淀站Kendall倾斜度高达0.776℃/10a,由于城市热岛效应的存在,1、4、7、10月在市区均存在一个闭合的暖中心,市区内增温幅度大于郊区;对降水量而言,1、4、7、10月在市区和佛爷顶一带均存在着上升中心,降水量呈现上升的趋势,这可能与城市热岛效应的影响有关。

东北黑土区土壤退化及水土流失研究现状

东北黑土区严重的水土流失破坏了宝贵的黑土资源,危及当地群众的生产生活条件,恶化了生态环境,制约了当地经济社会的可持续发展,对我国的粮食安全构成了严重威胁。当前黑土区土壤退化及水土流失研究的领域主要集中在:现状研究、影响因素研究以及土壤侵蚀研究。在概述当前黑土区土壤退化及水土流失研究概况的基础上,指出应该加强研究的领域在于综合性的水土流失研究,融雪侵蚀模拟,先进的土壤侵蚀预报模型应用等方面。

基于Landsat TM数据的黄土高原区水体识别方法研究

基于2007年7月9日Landsat TM数据以固原市周边约500km2的范围为研究对象,分别应用单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法等多种方法对研究区的水体进行识别提取.研究结果表明:各种水体识别方法均不能提取满意的水体信息,反映了黄土高原地区水体识别的复杂性和下垫面的特殊性,给水体识别带来了很大的不确定性.TM5单波段阈值法和NDWI与实际水体最为接近,提取了绝大部分水体,TM7单波段阈值法、CIWI、MNDWI次之,但是单波段法中混杂了其他信息.NDWI方法在研究区识别的水体信息更为真实准确,能够反映水库和大型淤地坝位置和面积信息,能够用于监测这类淤地坝水体的变化特征.

北京市水足迹计算与分析

水足迹指的是在一定物质生活标准下,生产一定人群(个体、城市或国家)消费的产品和服务所需要的水资源数量。虚拟水是指生产产品和服务所需要的"虚拟"水资源,不是真正意义的水,而是以"虚拟"的形式包含在产品中的看不见的水。水足迹不仅仅包括对实体水的消费,更重要的是包含了虚拟水消费的部分。分析区域内的水足迹量及其构成,能够从消费的角度展现对水资源的占有情况,展现出通过产业链及产品贸易而产生的该区域对其他区域的水资源占有情况或其他区域对本区域的水资源占有情况。本研究采用基于投入产出表的水足迹计算方法,估算了北京市2002年的水足迹状况,分析了水足迹构成。结果表明:北京市2002年水足迹为86.26亿m3,其中70%用于居民消费,30%用于政府消费;总的人均水足迹为606.21 m3,城镇居民人均水足迹为537.69 m3,农村居民人均水足迹为197.12 m3;2002年总水足迹中,实体水消费占8%,虚拟水消费占92%,虚拟水净流入量为14.98亿m3,占总水足迹的17.4%。结果证明,在消费结构中,虚拟水占主要部分,实体水比例很低;受产业链和工艺的影响,不同消费品(服务)的虚拟水含量并不相同。虚拟水流入能够降低对本区域水资源的占有,并没有从根本上减少水资源的消耗,只是将压力转移到了其他区域。研究结果可为节约用水模式和北京市水资源管理提供决策参考。

水资源与环境投入产出研究进展及关键问题

随着投入产出分析理论不断完善和发展,其应用研究领域不断得到拓展和深化。以投入产出理论发展入手,重点对水资源与环境投入产出研究作评述,提出研究中存在的关键问题。介绍了投入占用产出与灰色投入产出分析理论的提出与发展,两者均是对传统投入产出理论的有效补充和完善。阐述了水资源在区域各部门间的投入产出规律,总结了环境投入产出研究中结合其他分析方法的投入产出模型。大量文献资料显示,在国内外水资源与环境投入产出模型的发展与近期研究中,水资源消耗分析与虚拟水研究是水资源投入产出分析研究热点,环境排污分析与环境影响分析研究是环境投入产出分析的重点。提出并分析了内部技术假设和部门总合对投入产出分析结果的影响,指出该两大关键问题急需探索解决。最后,就投入产出分析研究现状提出几点展望。