基于“评价-模拟-优化”的流域环境经济决策模型研究

流域管理是一个具有经济、社会与水环境等多维发展目标的复杂系统,不同目标之间存在复杂的非线性响应关系,如何模拟、协调、优化各种目标,是长期制约流域环境经济优化决策的关键技术瓶颈之一.当前在构建流域模型时往往缺乏全局性和系统性的考虑,采用线性单向建模思路,忽略了流域环境经济问题的复杂性、综合性和整体性,难以实现最优决策.针对这一不足,结合现有流域模型的建模经验与流域量化管理的需求,从系统优化发展的角度出发,基于环境经济协调度模型、系统动力学模拟模型和Powell优化模型提出了流域环境经济优化决策模型(简称ASO模型).该模型弥补了现有流域模型仅能在概念上描述因果反馈关系的不足,在数值模型上实现流域经济-社会-水环境各子系统中反馈回路的闭合,提供了一种对流域系统复杂反馈关系的模拟方法.最后,基于该模型对抚仙湖流域进行了案例研究.     

密云水库及其流域营养物集成模拟的模型体系研究

近年来由于连年干旱,密云水库面临着严重的水质和水量问题.为实现密云水库及流域的营养物集成模拟和预测,研究开发了以流域非点源模型、水体生态动力学模型和河流模型为基础的,在GIS、RS技术支持下的密云水库水环境模拟预测集成模型.生态动力学模型是由WASP模型和EFDC模型耦合而成,流域非点源模型选用SWAT模型系统,该系统同时包括了污染物在河流中的迁移转化模拟.研究采用马尔科夫链蒙特卡罗法进行参数识别.结果表明,实测水质数据基本位于模拟数据分布众数曲线上下,并基本落入了水质变量模拟分布80%置信度的置信区间内,模拟结果与监测数据匹配较好.说明流域集成模型体系得到了有效识别并能满足实际应用.     

密云水库及其流域营养物集成模拟的模型体系研究

近年来由于连年干旱,密云水库面临着严重的水质和水量问题.为实现密云水库及流域的营养物集成模拟和预测,研究开发了以流域非点源模型、水体生态动力学模型和河流模型为基础的,在GIS、RS技术支持下的密云水库水环境模拟预测集成模型.生态动力学模型是由WASP模型和EFDC模型耦合而成,流域非点源模型选用SWAT模型系统,该系统同时包括了污染物在河流中的迁移转化模拟.研究采用马尔科夫链蒙特卡罗法进行参数识别.结果表明,实测水质数据基本位于模拟数据分布众数曲线上下,并基本落入了水质变量模拟分布80%置信度的置信区间内,模拟结果与监测数据匹配较好.说明流域集成模型体系得到了有效识别并能满足实际应用.     

浑河流域地表水地下水水质耦合模拟

以浑河流域为研究区,在现场调查、动态监测和资料分析的基础上,根据浑河流域的具体实际条件,包括水文和水文地质条件,分别建立了浑河流域地表水地下水水流耦合模拟模型及水质耦合模拟模型.模拟对象包括地表水、包气带水和饱水带水.运用HydroGeoSphere（HGS）技术系统对地表水和地下水进行联立并行同步求解.根据浑河流域地表水地下水同步动态监测资料,分别对地表水地下水水流和水质耦合模拟模型进行了校正和检验.之后,根据设定的情景方案,应用所建立的模拟模型对浑河流域地表水地下水未来的水质污染状况进行了预报.结果表明：基于HGS技术系统的地表水地下水水流和水质耦合模拟模型能够刻画流域地表水地下水各自的运动规律以及二者之间的水力联系与相互转换关系.若地表水受到污染（如农田施肥）,不仅会影响到地表水,也会对地下水造成影响,反之亦然.     

流域系统优化调控的新模型与应用

流域系统具有复合性和非线性特征,其机理过程的数值描述本身也存在随机和认知不确定性.在此前提下,如何优化调控流域系统,实现水质改善和水生态系统健康成为当前水资源、水环境及水生态领域亟待解决的突出问题.本文提出了贝叶斯递归回归树模型和区间不确定性的风险决策分析方法,与强化区间线性规划结合形成了新的不确定性＂模拟-优化＂间接耦合模型,实现流域系统优化调控及风险决策方案.上述方法将应用于美国佛杰尼亚州Chesterfield县Swift Creek水库营养盐TMDL分配方案,确定8个子流域的最小负荷分配以实现叶绿素a浓度达标.结果表明该耦合模型既能表征流域系统特征,也能兼顾不确定性模拟的准确度、计算效率以及不确定性优化与风险决策的解空间全局最优性、绝对可行性,为流域系统优化调控及其未来非线性系统的预测与最优控制提供了新的计算工具.     

流域水生态系统完整性模拟方法展望

水生态系统完整性变化模拟是流域水生态退化诊断、风险预警和修复重建的基础。受到多种环境压力的叠加影响,水生态系统完整性状态具有累积性、复合性和滞后性的响应特征,难以采用常规静态实验和水质模型进行表征和预测。梳理了国内外该领域最新进展,按照水生生物、生态系统动力学、栖息地适宜性、统计经验、流域水系统耦合等5类模型,阐明了不同类型模型的基本原理、适用性和应用案例。结果表明:我国环境管理亟需水生态系统完整性模拟工具支撑,应围绕该领域开展重大科学基础研究,突破河湖水生生物模拟预测和多尺度耦合关键技术,加快构建具有自主知识产权的水生态系统完整性模型库和参数库,推动建设我国流域水生态系统模拟器大科学装置,支撑构建长江、黄河等重点河流水生态系统综合管理体系。     

基于WARMF模型的杭埠-丰乐河流域水文模拟研究

研究了WARMF模型在杭埠-丰乐河流域(巢湖流域最大支流)的水文模拟适应性能并进行了流域水文系统分析.利用AVSWAT2000模型将流域划分为37个子流域,利用流域地貌-土壤分布对应关系、土壤剖面结构、地下水位埋深等条件,确定了子流域的平面分组与剖面土层结构,较大程度上降低了流域模型参数校准的难度与不确定性.利用2000～2003年的水文观测数据,在参数灵敏度分析基础上,对模型水文参数进行了校准与检验.结果表明,WARMF在研究区具有较好的适应性能.WARMF模型与AVSWAT2000模型的水文模拟结果对比表明,WARMF模型具有更好的日拟合性能.基于模型的模拟结果,在空间尺度上定量分析了流域从降水开始到入湖的水循环过程,在时间尺度上分析了年内降雨、径流的分布及其对应关系.流域概化、模型的校准与检验以及流域水文时空变化的系统分析方法等对流域水文、环境的模拟研究与系统分析具有探索意义.     

黑河流域磷迁移转化过程连续模拟研究

以西安市的主要供水水源黑河流域为例,在Matlab软件辅助下,使用蓄满产流模型、逆高斯分布汇流模型、水沙关系模型以及澳大利亚学者Viney所提出的营养物迁移转化模型对黑河流域1981～1990年磷的迁移转化过程进行了连续模拟,模拟了磷的输出情况,预测了黑河流域磷污染负荷量.结果表明:模拟结果符合磷素流失的一般规律,年径流量大的年份,从流域输出的磷素也较多,反之,则较小;对磷的连续模拟结果与实测插补延长后总磷年负荷量的相对误差基本上在±30%以内,结果较合理,由此表明该法可用于黑河流域磷素迁移转化的连续模拟.同时,本文模型只是流域非点源污染连续模拟的初步尝试,尚需进行进一步检验、改进和完善.     

环滇池截污干渠系统动力学模型研究

以系统动力学原理为基础,利用系统动力学软件Vensim构建了环滇池截污干渠系统动力学模型(SD模型),模拟了溢流污染的产生—排放—传输全过程。通过模拟6种不同控制方案下的溢流水量及溢流水中COD随时间的变化,对比各方案的优劣性,最终可为滇池流域合流制溢流污染控制提供技术参考。     

复杂河流系统水污染的计算机图形模拟

讨论在河流系统水污染规划中应用交互式计算机图形技术。通过对复杂河流系统水污染的图形模拟,提出建立图模型的一般理论和方法,并就浑太流域河流水污染案例给出实际模拟结果。     

基于水环境约束的抚仙湖流域农业结构调整研究

农业面源污染严重污染水体,是水体富营养化和水质恶化的主要污染源. 在考虑水环境容量农业分配量、农业面源污染削减、粮食及副食品安全的基础上,建立抚仙湖流域农业产业结构优化调整的系统动力学模型,并设置惯性发展和目标导向2种发展方案进行仿真模拟. 结果表明:目标导向发展方案可以有效降低流域内污染物入湖量,TN和TP分别削减了221.45和24.74 t,处在允许的水环境容量农业分配量范围内. 根据调整优化结果,建议在抚仙湖流域大力发展绿色有机生态农业,形成观光休闲农业产业;建立集中养殖小区,采用立体式生态饲养畜禽模式.      

泸沽湖流域水环境承载力研究

以湖泊流域水质、水资源量、入湖污染负荷环境承压度、湖泊生态等4个主要功能过程,兼页考虑社会经济对水环境的影响,设计并构建了湖泊分层分级水环境承载力评价模型研究与应用体系,采习系统分析的方法对湖泊现状水环境承载力和弹性环境承栽力进行了定量化的研究。     

太湖流域水资源可持续利用评价研究

为了全面了解太湖流域水资源开发利用状况,加强流域水资源综合管理,根据水资源可持续利用的涵义和太湖流域的实际情况,构建太湖流域水资源可持续利用评价指标体系,利用模糊综合评判法和灰色关联分析法分别对太湖流域2008年水资源可持续利用状况进行评价,两种模型计算结果均表明,2008年太湖流域水资源可持续利用处于中上水平,其主要制约因素主要表现在水环境状况和水生态状况问题较为严重。     

滇池流域水资源调控仿真框架研究

以滇池流域为例，介绍一种利用概化网络进行水资源调控仿真与预测的思路与方法，为流域水资源的宏观调控与管理规划提供决策支持。     

流域突发性水污染事故应急体系构思

在总结流域突发性水污染事故特点和应急技术的基础上,提出了南四湖流域应急体系的构想。体系包括4个方面：风险源识别管理与数据库构建、应急监控网络优化、突发水污染事故预警和突发水污染事故应急处理处置。     

松花江流域水资源-水污染联合调控方案动态模拟研究

为解决松花江流域水资源消耗与水污染物排放联合调控过程中系统复杂特征难以刻画和系统状态变化难以量化的问题,本文从流域污染物排放的源头即农业、工业、畜禽养殖业及生活(城镇和农村)4个方面展开研究,研究其水资源消耗量和水污染物排放量联合控制的特征和机理过程.通过构建二者的耦合关系,建立了松花江流域水资源-水污染联合控制动态模拟模型.通过对该模型进行验证及设计的4种情景方案的模拟对比,充分说明实施开源、节流、治污、减排的综合措施,才是松花江流域经济社会与水环境系统协调发展的最佳策略.同时结果也证明了本文所提出的联合调控动态模拟模型的合理性和可行性.本研究对于解决松花江流域的水资源优化管理、水污染减排和总量控制具有重要的意义,同时可为制定松花江流域经济发展策略提供参考.     

湿润区湖泊流域水资源可持续发展评价方法

社会经济发展导致湖泊富营养化、水生态系统破坏和水资源开发失衡,最终反馈人类且制约着社会经济持续发展。鉴于此,论文在对湿润区湖泊流域系统分析的基础上,提出了湿润区湖泊流域水资源可持续发展的4个关键点与4个层次,并采用DPSIR框架对应地确定了基本原则和“3类2方面25指标”的指标体系,进而建立了模糊模式识别评价模型。该方法用于定量评价四川邛海流域及其3个子区域的2001年、2005年、2010年和2015年的水资源可持续发展程度。案例结果表明:在同区域不同时期,各区域的湖泊流域水资源可持续发展程度总体趋势都是逐步上升,识别出来的相对重要的指标为富营养化程度/水质、森林覆盖率、地下水开采程度、污水处理率和农业灌溉水系数;在同期不同区域呈现出邛海流域≥西昌>昭觉>喜德的状况,且之间的差异随时间逐步扩大,对于此类评价,其相对重要的指标集中在富营养化程度/水质、森林覆盖率、地下水开采程度、水土流失面积比例、人口密度和人民健康程度。     

流域农村生活垃圾收运、处理模式探析研究——以巢湖流域为例

流域农村生活垃圾产量大,无害化处理水平低,已成为威胁流域水环境安全的重要因素.以巢湖流域为例,构建了农村生活垃圾收运、处理模式.从技术、经济、环境三方面分析,得出结论：农村“桶装车载直运模式”和“垃圾综合处理模式”可以充分利用现有垃圾处理设施,经村庄收集、乡镇转运,最终实现垃圾减量化、资源化、无害化.     

鄱阳湖流域人为氮磷输入演变及湖泊水环境响应

人类活动导致的氮磷营养盐富集是我国湖泊富营养化问题形成的重要驱动力.鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,随着流域经济社会的迅速发展,湖体营养盐水平上升,降低了鄱阳湖及长江中下游地区的水环境质量.然而,人类对鄱阳湖流域氮磷输入的影响程度尚不明确,湖体氮磷浓度与流域人为氮磷输入的关系也缺乏定量研究.因此,本研究基于人为净氮输入模型(NANI)、人为净磷输入模型(NAPI)和多元统计回归模型,评估了鄱阳湖流域1949—2013年人类活动导致的氮磷输入量,构建了人为氮磷输入与湖泊氮磷浓度的响应模型.结果表明,研究期内鄱阳湖流域的人为净氮输入和人为净磷输入分别增长6倍和15倍,化肥施用是20世纪80年代以来的主要增长因子;鄱阳湖氮磷浓度与流域人为氮磷输入显著相关,根据多元回归模型的可决系数,NANI可解释88%的湖体TN浓度变化,NAPI和湖泊平均水位可解释64%的TP浓度变化.提高氮磷的循环利用率同时维持湖泊生态水位对于降低鄱阳湖富营养化水平具有重要意义.