基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究

洞庭湖区水系发达,水文地质条件复杂,人类活动强烈,地表水和地下水的水力联系变化频繁,其研究的难度以及由此造成的研究不足影响了对湖区地下水赋存和运动规律的深入认识。本文以洞庭湖整体为研究对象,采用水位动态分析和氡(222 Rn)同位素示踪法,定性和定量研究枯水期洞庭湖区地表水与地下水的交互作用关系与交互通量。枯水期洞庭湖区水位和氡浓度空间分布特征指示研究区内地下水向湖水排泄,尤以东洞庭湖最为显著。氡箱模型计算结果显示枯水期地下水排泄222 Rn通量为455.09 Bq/(m^(2)·d),占总输入222 Rn通量的60.07%,地下水排泄总量为0.29×10^(8)m^(3)/d,平均排泄速率为56.27 mm/d,地下水排泄对湖水的贡献率为7.04%。敏感性分析表明:风速、地下水和湖水222 Rn浓度以及湖面面积等参数较为敏感,合理布置取样点并提高敏感参数测量准确度能提高模型计算结果的可靠度。氡同位素示踪法物理意义明确、操作过程简便,是研究复杂区域地下水补、径、排特征的有效方法。研究成果一定程度上提供了洞庭湖区水量均衡的更多认识,可为洞庭湖区地下水资源评价和管理提供参考。

洞庭湖盆地地下水系统与环境研究综述

洞庭湖是长江中游重要的调蓄湖泊,其复杂的地下水系统与突出的地下水环境问题持续受到关注。本文从洞庭湖盆地第四纪构造演化、洞庭湖盆地地下水系统结构及洞庭湖区水循环特征、地下水环境及影响因素等3个方面归纳、总结和讨论了相关研究成果,并在此基础上对洞庭湖地下水系统与环境的研究前景进行了展望。洞庭湖盆地第四纪构造活动强烈,在此过程中沉积了平均厚度达150 m的第四纪沉积物,塑造了湖区地下水系统的构造与地层格局。区内地下水系统受盆地整体地形、基底构造格局、含水层分布、地表河湖系统等多因素控制,水循环过程非常复杂。受原生地球化学环境、人类活动等的影响,洞庭湖平原大部分区域地下水存在铁、锰、氨氮、硝酸盐等水质因子超标的问题,其中铁、锰与氨氮的含量还呈现出明显的自平原外围向湖盆腹地逐渐增大的空间分布规律。综合已有研究成果及洞庭湖平原在水资源配置、湿地保护、生态环境治理等方面的需求,认为未来洞庭湖地下水系统与环境的研究重点是:1)洞庭湖平原垂向交互带水分交换过程及生物地球化学演替规律;2)复杂河湖系统下洞庭湖地下水系统的尺度分异及地表水-地下水的交互作用;3)洞庭湖平原多要素耦合作用下湖区平原水环境演化机制。

洞庭湖水沙阶段性演变特征及驱动因素分析

【目的】通过分析洞庭湖三口年断流天数及同流量水位变化情况,研究其与径流量及输沙量之间的相互关系;结合水利工程建设情况,探究人类活动对洞庭湖水沙变化的影响。【方法】基于洞庭湖出入湖主要控制站1961—2017年实测水沙数据,采用Mann-Kendall检验法及Pettitt突变检验法分时段分析洞庭湖出入湖水沙演变特征。【结果】1)三口年均径流量持续减少,三口年径流量及汛期径流量在1985年左右发生显著突变。三口五站同流量水位抬高明显,三口输沙量随分流量的减少而减少,藕池口的输沙量下降幅度最大,三口总入湖输沙量在1990年发生显著突变;2)四水径流量未发生明显变化,但年输沙量和汛期输沙量均在1985年以后呈显著减少趋势;3)洞庭湖出入湖总径流量呈减少趋势,出入湖年输沙量呈显著减少趋势,出湖年输沙量的减少速度相对较慢,尤其是在2008年以后,出湖输沙量比入湖的多。【结论】下荆江裁弯、葛洲坝枢纽、三峡工程以及四水控制性工程的建设是造成洞庭湖水沙过程发生变化的主要原因。其中,三峡水库的运行使得三口分沙及太平口、藕池口非汛期分流量减少幅度达90.0%以上。四水水沙变化受湖南省大中型水库建设的影响较大。

洞庭湖地形变化对洪水过程的影响研究

为了更好地理解地形变化对湖泊洪水过程的影响,采用已构建的长江-洞庭湖二维水动力模型,在洞庭湖2003及2011年实测地形的基础上,以2003年型洪水为例,定量分析了湖泊地形变化对洞庭湖洪水过程的影响。结果表明:2003—2011年洞庭湖超过40%的区域地形下降值大于0.10 m,特别是湘江洪道,其深泓线地形高程平均下降了5.72 m。通过对2003年洪水过程模拟发现,相比于2003年,在2011年地形情况下,以“四水”来流为主导的洪水过程中,南洞庭湖内洪峰水位下降超过0.40 m,西洞庭湖内洪峰水位下降约0.20 m,东洞庭湖内仅在南部地形变化较大区域的水位变化明显;斗米咀-城陵矶河段水面坡降变缓,南洞庭湖内洪道水面坡降变陡。而对于以长江来流为主导的洪水过程,由于长江洪水位的顶托作用,洞庭湖内洪峰水位下降了0.15 m,斗米咀-城陵矶河段及南洞庭湖内水面坡降下降不明显。因此,2003—2011年洞庭湖地形变化对“四水”来流型洪水影响较大,湖盆下切导致湖容增大,可有效缓解洞庭湖内防洪形势,但对长江来流主导的洪水影响较小。研究结果可为洞庭湖内疏浚扩容等防洪工程的开展提供参考。

基于湖心水库的洞庭湖治理新理念

基于"湖心水库"的基本思想,提出"变湖为库、清污分流、蓄洪排污、流水不腐"的洞庭湖全新治湖理念。利用二维水动力模型,分析了西洞庭湖湖心水库建设对行洪、补水、水环境的影响,探讨其运用的可行性。结果表明:湖心水库的分洪蓄水能有效降低西洞庭湖内洪峰水位,缓解湖区的防洪压力;湖心水库的补水在枯水期能有效抬升开湖航道水位,改善通航条件;同时湖心水库的补水增大了开湖航道及湘江尾闾航道内水流流速,加速了水体交换,对洞庭湖水环境有利。

基于水质目标的洞庭湖区堤垸生态需水量研究

洞庭湖区堤垸众多,垸内水体富营养化严重,水体流通不畅且水文观测资料匮乏,导致垸内生态需水量难以计算。以洞庭湖北部地区25个堤垸为研究对象,以垸内水体3 a后达到Ⅲ类水质为目标,在实地调研和勘查的基础上设置88个地表水水质采样点监测氨氮污染物浓度。基于环境稀释水量法建立了堤垸生态需水量计算模型,经与换水周期法对比分析,得到补水条件下洞庭湖北部地区堤垸生态需水量为32.161亿m^(3)。研究成果对改善洞庭湖区垸内生态环境具有重要参考价值。

洞庭湖萎缩对湖内洪水影响

为了更好地理解湖泊萎缩对湖内洪水过程的影响,在假定洞庭湖将继续萎缩的前提下,通过建立荆江—洞庭湖水动力模型,定量分析洞庭湖萎缩对湖内洪水的影响。研究结果表明,湖内水位及洪峰流量随湖泊面积的萎缩而增加,洪峰水位到达时刻随着湖泊萎缩而提前。若遇1996年型洪水,洞庭湖面积若从目前的2670km^2减小至1380km^2时,西洞庭湖及南洞庭湖内最高水位将抬高2.0m左右,东洞庭湖水位将抬升0.4m左右,城陵矶站点洪峰水位到达时刻将提前约11h,洪峰流量增加约4800m^3/s。因此,若洞庭湖湖泊面积在目前基础上(面积2670km^2)继续萎缩,湖区特别是西洞庭湖及南洞庭湖将面临更为严峻的洪水灾害。虽然湖泊萎缩对西洞庭湖与南洞庭湖内水面坡降影响较小,但东洞庭湖内水位同时受湖泊萎缩及长江来流的影响,水面坡降发生较大变化,在距离蔡家洲80~110km(鹿角站附近)河段水面坡降出现大幅增大。

洞庭湖区浅层地下水氧化还原分带规律

在收集洞庭湖区1258个浅层地下水样检测数据的基础上,利用地统计学克里金方法分析Eh的空间分布规律,并基于氧化还原敏感指标的浓度空间数据对湖区地下水系统开展氧化还原分带规律研究.结果表明,受地质构造、地层岩性特征、沼泽湿地与水稻田等因素的控制,自湖区外围山地和丘陵区至洞庭湖腹地,Eh值呈现逐渐减小的趋势,地下水环境逐渐由外围的氧化环境转为湖区腹地的还原环境;洞庭湖区地下水系统可分为硝酸盐稳定及还原带、锰(Ⅳ)还原带和铁(Ⅲ)还原带等3个氧化还原带.3个分带较好地反映了Eh的空间分布规律,但是在部分区域受含水层介质Mn元素富集的影响,氧化还原分带与Eh的空间分布存在错位现象.

基于改进三维生态足迹模型的洞庭湖区生态可持续时空演化研究

洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊,也是中国重要的农产品主产区。科学评估洞庭湖区生态可持续状态,揭示其时空演化特征,对探究其生态可持续影响因素与作用机理,降低生态赤字具有重要意义。基于碳足迹与生态足迹理论构建了改进的三维生态足迹模型,填补了化石能源无法核算生态承载力的问题,同时调整了不同土地利用类型的参数因子。在对洞庭湖区25个区县进行可持续发展的动态评价分析中,计算了2000-2019年生态赤字、足迹广度与深度的时空分布特征。研究结果表明:(1)近20年来洞庭湖区的人均生态足迹增长速度远高于人均生态承载力,致使人均生态赤字在时间维度上不断增大,空间维度上呈湖滨向周边地区扩散的趋势;(2)洞庭湖区除林地之外的土地利用类型均存在自然资本存量的消耗,且表现为高生态赤字;(3)三次产业结构的分配、土地利用的变化、居民对生活质量的提高以及生态保护政策的有效实施等均会对洞庭湖区的可持续发展产生较大影响;(4)改进后的化石能源账户相较于传统账户的计算方法更能反映真实的碳排量与碳吸收量。研究以期为洞庭湖区土地利用、生态保护以及促进社会经济可持续发展提供科学参考。

基于CMIP6的气候变化下资水流域径流响应研究

[目的]探究未来气候变化情景下资水流域的径流响应情况,为实现流域可持续发展、制定防洪抗旱决策提供科学支持。[方法]基于3个CMIP6全球气候模式,通过构建流域SDSM降尺度模型和SWAT水文模型,预估了SSP1-2.6,SSP2-4.5和SSP5-8.5气候情景下资水流域2030—2089年的气温与降水变化,并进一步探究流域径流对气候变化的响应。[结果]未来资水流域呈较显著暖湿化趋势,空间上流域全范围升温且以新宁、邵阳站附近增幅最大;降水增加区域主要集中在以冷水江为中心的中下游地区,减少区域位于洞口站以西。在此背景下,未来桃江站与邵阳站年均径流与流域降水的变化趋势基本一致,邵阳站以上的上游区域可利用水资源量减小的可能性较大。枯水期流域水资源将面临更加紧缺的风险,且汛期有提前的趋势,主汛期水资源分配的均匀程度将上升。[结论]在气候暖湿化的背景下,资水流域水资源管理将遭遇更严峻的挑战,应加强水资源保护和流域综合管理。

非一致性条件下松澧地区洪水遭遇规律分析

为研究澧水与松滋河洪水遭遇规律,根据澧水石门站和松滋河新江口站、沙道观站1959—2020年实测日均流量资料,采用非一致性GAMLSS模型优选了年最大洪峰和连续7 d年最大洪量的边缘分布,构建了基于Copula函数的二维联合分布模型,进而得出不同量级组合下的洪水遭遇概率。结果表明:松澧地区的洪水序列发生了显著变异,基于时变对数正态、伽马、威布尔分布以及Copula联合分布能够较好地反映区域实际洪水特征;松澧地区典型年洪水遭遇以松滋河洪水过程遭遇澧水洪水为主;澧水与松滋河的年最大洪峰或连续7 d年最大洪量的同现概率随着洪水量级的增大而减小,且澧水与松滋河东支的洪水遭遇概率更高;当澧水发生千年一遇大洪水时,与松滋河中小洪水的遭遇概率更高。

洞庭湖区南汉垸水体浮游植物群落结构特征及其影响因素

环境要素的变化对浮游植物的群落结构和功能具有重要影响.为揭示洞庭湖南汉垸湖区浮游植物群落结构特征及其影响因素,分别于2017年11月(关泵封水期)和2018年6月(开泵放水期)在洞庭湖区典型堤垸——南汉垸进行了采样调查,并对调查区域内的浮游植物及主要水环境因子进行了系统监测和分析.结果表明:①调查期间共检出浮游植物8门62属,主要隶属于绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)和蓝藻门(Cyanophyta),浮游植物分布表现出较为显著的时间差异性,11月浮游植物的丰度为8. 34×10^6~3. 02×10^8L^-1,6月为1. 13×10^6~2. 04×10^7L^-1.②Shannon-Wiener多样性指数(H')介于1. 10~3. 24之间,Margalef丰富度指数(d)介于1. 42~6. 40之间,Pielou均匀度指数(J)介于0. 48~0. 87之间,多样性评价表明,南汉垸整体上介于轻污染与β-中污染之间,局部采样点为α-中污染.③PCA(主成分分析)结果表明,ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH^+4-N)为南汉垸水体的主要污染因子.④RDA(冗余分析)结果表明,南汉垸浮游植物群落结构分布与pH、ρ(NH^+4-N)及ρ(TN)呈正相关,与WT(水温)呈负相关.研究显示,南汉垸水体介于轻污染与β-中污染之间,营养状态及浮游植物群落结构在时间上差异较大.

洞庭湖区景观生态风险评价及其时空演化

洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊,该区生态系统服务极为重要,也是中国重要的农产品提供区域。科学评估洞庭湖区景观生态风险,揭示其时空演化特征,对探究其生态格局形成过程与机理,降低生态风险胁迫具有重要意义。利用1990、2000、2010、2015年4期Landsat TM多光谱遥感影像,分析了1990—2015年洞庭湖区土地利用演变特征;基于景观生态学理论引入景观生态风险评价模型,将研究区划分为1165个生态风险评价单元,基于GIS和地统计学,构建景观生态风险指数模型,对洞庭湖区土地利用动态变化下的景观生态风险时空分布特征及空间关联格局进行了研究。结果表明:(1)1990—2015年,洞庭湖区各土地利用类型均发生了显著变化,其中建设用地面积增加较大,年均增幅达3.61%,主要由林地和耕地的转入;(2)1990—2015年,洞庭湖区的景观生态风险状况以较低生态风险、中等生态风险为主,其面积占景观总面积的70%以上。但高生态风险区域呈增加趋势,面积占比由1990年的4.95%,增加到2015年的8.70%;与2010年相比,中等风险区面积由46.09%降到2015年的34%,这期间低生态风险区和较低生态风险区的面积明显增加;(3)研究区各时期景观生态风险呈现正的空间相关性,且在空间上趋于集聚。景观生态风险分布与区域地理环境具有较高的耦合性,人类活动的集聚程度与风险的空间集聚程度是对应的。以湖滨地带为核心区和远离湖滨区为两大群体,高值-高值(H-H)风险聚集区主要分布湖滨周边,低值-低值(L-L)风险聚集区主要分布于远离湿地核心区的县市区域。研究结论以期为洞庭湖区生态保护与环境整治,调控生态风险提供参考。

基于拉格朗日粒子模型的洞庭湖微塑料迁移分布研究

【目的】探究微塑料进入洞庭湖后的迁移途径和输运过程。【方法】基于现场采样数据,利用水动力模型与拉格朗日粒子模型建立洞庭湖微塑料迁移数值模型。研究微塑料在平水期与丰水期的湖内迁移规律与分布差异,探讨微塑料聚集区分布原因并解析聚集区微塑料的来源。【结果】在平水期微塑料分布呈现出显著的非均匀性分布,存在4个聚集区。其中,东洞庭常年水体处聚集区面积最大,约为133 km^(2),在此聚集区内湘江所排微塑料的占比为97.96%;在丰水期微塑料分布不呈现显著的聚集性,但其整体扩散面积较平水期的增大33%。对比分析微塑料随湘、资、沅、澧四水入湖情况,平水期自资江入湖微塑料的扩散面积最大,而丰水期自沅江入湖微塑料的扩散面积最大。【结论】丰水期应关注迁移路径上的生态风险,而平水期除关注微塑料的迁移路径外更应关注聚集区处的生态风险控制,应重点加强对湘江入湖微塑料的管控和对湘江河道、东洞庭常年水体与各排放源附近区域微塑料的治理。本研究结果可为洞庭湖微塑料治理提供一定参考。

地震波斜入射时不同水深超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波和P波不同角度入射情况,采用声固耦合法模拟闸室内动水压力,研究超高水头船闸闸室在不同水深下闸顶位移、加速度和塑性损伤等地震反应。研究表明:地震波斜入射时,超高水头船闸的地震反应随水深变化的规律较垂直入射时明显不同,地震反应的程度一般较垂直入射时更大;相同水深条件下,闸顶水平相对位移峰值、水平加速度峰值多数情况下随入射角增大而增大。超高水头船闸闸室结构地震反应结果受水深变幅影响显著。一般闸墙相对高度为0.2附近的区域更易出现严重受拉损伤,相对水深为0.97时,闸墙临水侧达到严重破坏程度的受拉损伤范围最大。对综合考虑斜入射地震波和闸室内不同水深共同作用有一定的影响。

SV波斜入射时不同水体模拟方法下超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性人工边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波不同角度入射情况,分别采用声固耦合法和附加质量法模拟闸室内水体,研究超高水头船闸闸室位移、应力和塑性损伤等地震反应,对比两种水体模拟方法计算结果的异同。结果表明:(1)整体上,两种方法计算得出的左、右闸墙地震反应结果随入射角度变化的规律基本一致;左闸墙受拉损伤的最大值均出现在入射角15°时,右闸墙受拉损伤的最大值均出现在入射角35°时;地震波入射角度对超高水头船闸动力响应影响较大,设计时应考虑地震波斜入射的影响。(2)当入射角较大时,采用声固耦合法计算的闸墙相对位移极值、主应力极值和受拉损伤结果偏保守的概率更大,对超高水头船闸结构设计来说更为安全。(3)建议两种计算方法相互参考和校核,推荐采用偏安全的结果进行超高水头船闸结构设计。

卷积神经网络方法在岛礁类海啸波水动力特性演变的应用

海啸是严重的海洋灾害,准确的海啸预测对于海洋工程和人民生命财产安全具有重要意义。本文以一维卷积神经网络(1-dimensional convolutional neural network,CONV1D)为基础,构建岛礁地形的类海啸波水动力特性演变模型。通过输入类海啸波波高时程曲线的观测值,得到岛礁指定地点的水位淹没时程曲线,实现时间序列到时间序列的预测,进行海洋灾害的实时预报,提前布置防御措施以达到减小损失的目的。结果显示,预测一组样本所需时间少于一秒,相对于传统的地震海啸预警系统,深度学习方法所需计算资源较少,计算速度更快。对类海啸波到达时间预测的平均相对误差为0.71%,最大水位高度预测的平均相对误差为6.99%, CONV1D得到的岛礁地形类海啸波水动力特性与数值结果吻合较好。

氮掺杂介孔碳对含Pb(Ⅱ)隧洞施工废水的吸附性能

采用硬模板法制备氮掺杂介孔碳,分别采用比表面积分析仪、透射电镜、红外光谱仪和X射线光电子能谱分析表征材料结构及理化性质。将该材料应用于对2种隧洞施工废水中Pb(Ⅱ)的吸附,研究pH、反应时间对吸附效果的影响以及反应动力学、等温模型。研究发现,该体系的吸附动力学与二级动力学方程基本一致,其吸附特性与Langmuir和Temkin等温模型相适应。实验结果与表征结果表明,材料吸附Pb(Ⅱ)的过程涉及到静电作用、孔道扩散等物理吸附以及表面含氮官能团与Pb(Ⅱ)的化学吸附。2种废水中基于Langmuir模型的最大吸附量分别为493.5 mg/g和603.9 mg/g。吸附材料可通过HCl处理实现有效再生与重复利用。

氮掺杂的硫化镉锌光催化降解水中抗生素

以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为氮源,通过水热法制备了氮掺杂的硫化镉锌(N-Zn_(0.67)Cd_(0.33)S).利用TEM､XRD､XPS等表征手段对N-Zn_(0.67)Cd_(0.33)S进行了物相鉴定,证明了N元素的成功引入.在模拟可见光条件下,考察了N-Zn_(0.67)Cd_(0.33)S对四环素(TC)及环丙沙星(CIP)的光催化降解性能.结果表明,DMF用量为13mL的催化剂(NZCS-13)在30min内对两种抗生素的降解率分别为99.9%和86.9%,降解速率分别为0.2397和0.0676min^(-1),是纯相Zn_(0.67)Cd_(0.33)S(ZCS)的2.33和2.57倍.自由基捕获实验和电子自旋共振测试结果表明,超氧自由基(·O_(2)^(-))是主要的活性物种.PL､UV-Vis DRS､电化学等测试结果表明N掺杂材料性能的提升主要源于光生电荷的有效分离.此外,所得催化剂在连续5次降解实验中表现出良好的循环稳定性.

拉萨河流域梯级电站水光互补调度对水文情势的影响分析

梯级电站水光互补调度能提高光伏消纳能力和系统总发电量,但也要求调整梯级电站的调度规则,进而会加剧梯级电站下游的水文情势改变。为定量评价水光互补调度对水文情势的影响,以系统总发电量和总保证出力最大为目标,构建了拉萨河流域梯级电站水光互补优化调度模型,提出了基于水光互补的梯级电站优化调度方案,分析评价了不同优化调度方案的水文情势改变度。结果表明:梯级电站的水光互补优化调度能有效提升电力系统的总发电量和总保证出力;水光互补后拉萨河水文情势的综合改变度略大于水光互补之前,处于轻度至中度改变的临界值附近。研究成果可为拉萨河的水光互补调度及流域综合管理提供科学方法和依据。