基于数字流域的水质综合管理决策支持系统——以深圳石岩水库流域为例

鉴于城市化地区水环境问题的时空复杂性,单一的水环境管理措施已不能满足实际管理的需要,为改善水环境有必要采取综合管理措施。文章以数字流域为基础,将流域内水系数据、地形数据、土地利用数据、社会经济及人口数据等进行融合,构建了水质综合管理决策支持系统,着重探讨了综合模型集成、动态空间数据与模型及管理之间的耦合关系问题;以深圳市石岩水库流域为例进行实证研究,构建了石岩水库流域管理决策支持系统,评价了旱季截污、产业结构调整、雨季截流等单个及组合措施的水质改善效果。结果表明该系统可以模拟多种措施的综合作用、动态的更新数据与模拟结果、并提供可视化的空间决策信息,是复杂流域水质动态综合管理与空间决策支持的有效工具。     

流域尺度氮流失的环境风险评价

采用故障树及概率分析方法,对九龙江流域氮的流失风险进行定性与定量评价.通过建立故障树定性分析了九龙江流域氮流失的主要风险来源.结果表明,氮流失风险大小主要与肥料施用、畜禽养殖废物的处置及农田耕作有关.在GIS技术支持下,通过土地利用、土壤等数据的计算,结合田间调查结果与专家意见,确定故障树基本故障事件概率,继而对氮流失风险进行定量评价.最佳管理措施模拟评价结果表明,降低施肥水平,在养殖场周边建立植被过滤带,增加河岸林截留入河沉积物等措施可以有效降低氮流失风险,在九龙江流域可以考虑优先实施.      

森林植被影响径流形成机制研究进展

径流形成机制研究在水文学领域中具有十分重要的意义,且受到越来越广泛的重视。水文环境以及水文通量的空间异质性和时间变化性导致了水文过程的尺度依赖性和非线性特征,没有对水文过程较为清晰的认识,就不能将某一地区某一流域森林植被变化水文生态效应的研究结果简单地外推到其他地区和其他流域。开发基于物理过程分布式参数水文模型可以为认识森林植被变化的生态学后效和客观评价森林植被水文生态效益提供可行的工具。但是要实现这一目标,研究森林植被影响径流形成机制是问题的核心所在。另一方面,认识森林影响径流形成机制有助于研究水文学中的尺度问题。研究森林植被影响径流形成机制的主要方法包括水文测验、同位素示踪和动力水文学计算等,研究的空间尺度则为坡面与流域相接合。从已有的研究成果来看,森林植被影响径流形成机制可以概括为:①森林流域径流形成为变动源区产流机制;②森林流域径流形成主要受饱和地表径流、亚表层径流和地下径流的控制;③森林流域径流形成机制是相互作用和相互转化的;④优先流在森林流域径流形成中起到了至关重要的作用。     

基于SWAT模型的泗河流域除草剂迁移模拟

泗河流域农药污染对南四湖湖泊乃至南水北调工程具有重要的影响,为了解流域农药迁移过程并对其采取治理措施,本研究在泗河流域通过实地采样与调查、室内实验分析、数据统计等手段,借助SWAT模型对流域除草剂阿特拉津及其代谢产物进行迁移模拟.结果表明,除草剂输出与流域径流量有很高的相关性,输出时间以7~8月份为主,输出量占全年的69%以上.且受河道长度、耕地分布等因素的影响,阿特拉津的输出量以东部上游地区和中部地区为主,流域出水口处的阿特拉津输出量居中等水平;阿特拉津代谢产物DEA和DIA的输出量的空间分布相似,以下游流域出口处和中部地区为主.本研究可为流域除草剂迁移治理提供理论支持.     

不同治理度下小流域正态整体模型试验——林草措施对小流域径流泥沙的影响

首次运用正态整体模型模拟试验方法研究不同林草植被覆盖度下小流域径流泥沙变化规律,结果表明 :小流域林草植被具有良好的减水减沙效益 ,初步得出小流域治理水土保持林草措施最低下限值为60 % ,取得最佳水保效益的林草覆盖度值为78% ,流域径渗比临界值为林草覆盖度65%。     

基于改进输出系数模型的流域营养盐输出估算

为合理估算流域非点源污染营养盐输出负荷,针对广泛使用的输出系数模型方法,通过实测数据推算获得流域主要土地利用类型氮磷营养盐输出系数,并同时考虑流域降雨的空间差异,对模型结构进行了改进,并与GIS实现融合,构建半分布式的输出系数模型.利用该模型对太湖上游的西苕溪流域氮磷营养盐输出负荷进行了估算,结果显示,西苕溪流域TN输出负荷为2 121.3 t,TP输出负荷为49.3　t,这为太湖流域非点源污染治理提供了参考,改进的输出系数模型具有很好的时空尺度适宜性和推广性.     

白洋淀水生态综合调控决策支持系统设计

在充分挖掘白洋淀污染源控制、富营养化与沼泽化治理、长效生态节水及流域综合管理协调相关研究成果的基础上,以流域水生态系统健康和生态安全保障为目标,设计了集水生态系统健康诊断、水生态安全预警与应急、水量调控、污染物控制、淀区净化、综合调控、知识库子系统于一体的白洋淀水生态综合调控决策支持系统,为白洋淀流域的水生态安全保障提...     

基于在线监测+模型的海绵城市建设径流水量控制效果研究

以青岛市海绵城市典型项目区为研究区,通过收集、整理和概化汇水区资料,构建了研究区降雨径流模型——SWMM模型。利用2018年雨季的降雨-径流实时监测数据,进行了模型关键参数的率定和模型验证,研究了海绵城市建设在削减径流量、增加入渗与滞蓄雨量方面的定量效果。结果显示:海绵改造后,不同降雨强度下形成径流的雨量占总雨量的平均比例由56%下降至29%;下渗雨水的平均比例由40%增加至60%,滞蓄深度由0.63 mm增加至5 mm。海绵改造前后研究区场降雨径流总量控制率变化显著,当以1~10年一遇的短历时（120 min）设计降雨作为模型边界条件进行模拟时,海绵化改造后场次降雨径流总量控制率提高了26%~34%,认为研究区基本达到了海绵城市关于水量控制的建设要求。     

Identifying water resources management strategies in adaptation to climate change under uncertainty

In this study, an integrated simulation-based allocation modeling system (ISAMS) is developed for identifying water resources management strategies in response to climate change. The ISAMS incorporates global climate models (GCMs), a semi-distributed land use-based runoff process (SLURP) model, and a multistage interval-stochastic programming (MISP) approach within a general framework. The ISAMS can not only handle uncertainties expressed as probability distributions and interval values but also reveal climate change impacts on water resources allocation under different projections of GCMs. The ISAMS is then applied to the Kaidu-kongque watershed with cold arid characteristics in the Tarim River Basin (the largest inland watershed basin in China) for demonstrating its efficiency. Results reveal that different climate change models corresponding to various projections (e.g., precipitation and temperature) would lead to changed water resources allocation patterns. Variations in water availability and demand due to uncertainties could result in different water allocation targets and shortages. A variety of decision alternatives about water allocations adaptive to climate change are generated under combinations of different global climate models and ecological water release plans. These findings indicate that understanding the uncertainties in water resources system, building adaptive methods for generating sustainable water allocation patterns, and taking actions for mitigating water shortage problems are key adaptation strategies responding to climate change.     

基于扰动分析方法的AnnAGNPS模型水文水质参数敏感性分析

参数敏感性分析对于水文水质综合模型的构建及推广应用具有重要的意义.本研究基于AnnAGNPS模型机制,选取可能对模型产生影响的地形、水文气象、田间管理、土壤等4大类31个参数,以太湖地区典型低山丘陵小流域——中田河流域为实验区,利用扰动分析方法评价了模型参数对水文水质模拟结果的敏感性.结果表明,11个地形参数中,LS对径流、泥沙与氮磷等模拟结果普遍敏感,RMN、RS和RVC对泥沙输出分别为一般敏感和弱敏感,其余参数不敏感.水文气象参数中CN对模型径流和泥沙输出特别敏感,对其余结果也都比较敏感.田间管理与植被作物肥料参数中CCC、CRM和RR对泥沙和颗粒态污染物输出弱敏感,6个肥料参数(FR、FD、FID、FOD、FIP、FOP)对氮磷营养盐输出特别敏感.土壤参数中,K对模型除径流之外的所有结果都特别敏感,土壤氮磷含量的4个参数(SONR、SINR、SOPR、SIPR)对相对应的氮磷输出结果弱敏感.通过对中田河流域2005~2010年径流量的模拟和校正检验发现,模拟期与校正期年径流量偏差基本都在10%以内,模拟精度优秀.本研究对AnnAGNPS模型构建中的参数选取与校验调整具有直接参考价值,对研究区的径流模拟结果也证明了模型敏感性分析对于调参过程的可行性和该模型在太湖地区低山丘陵流域径流模拟的适用性,对于模型在国内的推广应用具有重要的指导意义.     

流域水质管理优化决策模型研究

针对目前流域水污染难以有效控制的局面,依据已有的流域水文、水动力、水质、水生态相关机理模拟模型的研究,在考虑了流域社会经济发展条件的基础上,构建了流域水质管理优化决策模型框架体系.基于该框架体系,本文从简单流域系统优化模型、模拟与优化联合模型和时空尺度复杂优化模型3个方面对流域优化决策模型的研究发展历程进行综述,并指出其各自在发展过程中所出现的问题.最后,提出了优化决策模型面临的瓶颈问题,并从模型结构简化和适应性管理两个方面提出了相关的解决思路.     

Estimation of runoff and sediment yield in the Redrock Creek watershed using AnnAGNPS and GIS

Sediment has been identified as a significant threat to water quality and channel clogging that in turn may lead to river flooding. With the increasing awareness of the impairment from sediment to water bodies in a watershed, identifying the locations of the major sediment sources and reducing the sediment through management practices will be important for an effective watershed management. The annualized agricultural non-point sourcepollution(AnnAGNPS) model and newly developed GIS interface for it were applied in a small agricultural watershed, Redrock Creek watershed, Kansas, in this pilot study for exploring the effectiveness of using this model as a management tool. The calibrated model appropriately simulated monthly runoff and sediment yield through the practices in this study and potentially suggested the ways of sediment reduction through evaluating the changes of land use and field operation in the model for the purpose of watershed management.     

Control of diffuse P-pollutants by multiple buffer/detention structures by Yuqiao Reservoir, North China

A case study on the transport process of agricultural diffuse P-pollutants was conducted in an experimental watershed locating in the north bank of Yuqiao Reservoir during 2001 and 2002. It was found that diversified artificial and natural buffer/detention landscape structures distributing along the ephemeral stream channel in this watershed played an important role of pollutants removal on downstream water quality, especially they have control effect on the diffuse P-pollutants transport process. Surface flow velocity was reduced sharply after passing through theses tructures. During continuous runoff events, the removal rate of TSS, TP, TDP, DRP by the whole system were 66.7%, 60.7%, 48.4%, and 43.3%, respectively. During discontinuous runoff events, removal rate of pollutants by the whole system was higher due to there was no or little surface water and pollutants exported from the watershed, of which removal rate of pollutants all exceeded 99%. The statistical analysis results of runoff events( n=8) indicated that dry pond was the steadiest structure for controlling diffuse P-pollutants export.     

基于自组织映射与随机森林耦合模型的流域水质空间差异性评估

流域水环境质量空间分布特征分析是推进流域精细化管理的基础.本研究基于流域特征指标与水质的关联性,以子流域为分析单元,利用自组织映射人工神经网络模型（SOM）对苕溪流域水质数据聚类分析为3类后与随机森林模型（RF）进行耦合,对全流域水质进行了空间差异性评估.研究结果显示,上游山地区域水质较好,而平原河网人口集聚区的COD_Mn、NH₃-N及TP浓度较高,山地与平原过渡地带水质则主要受到COD_Mn和TN的影响.采用自然环境、社会经济及土地利用/覆盖指标作为流域特征进行水质分级模式识别,SOM与RF模型耦合模型的准确率稳定在80%左右;在对强相关性特征进行筛选识别后,将蒸发蒸腾量、坡度、人口密度、大于10℃积温、旱地占比、城镇用地占比及景观多样性指数为作为输入特征,准确率可达83%,可以有效地开展全流域水质分级评估.     

北京山区植被恢复建设对流域径流量影响研究

植被恢复是山区保持水土资源、恢复生态环境的关键措施.为探究植被恢复对流域产水量的影响,以密云水库集水区红门川森林流域为研究对象,采用Mann-Kendall非参数趋势检验、基于分离评判原理的水文分析法、Zhang(2001)模型等方法,定量分析了1989－2009年间北京山区气候及森林变化对流域径流量的影响.研究结果表明:红门川流域年降水及产流性降水量在研究时段内均呈波动下降趋势(P>0.05);流域年径流呈显著性减少趋势,且年径流量在1998 年前后发生减少突变(P<0.01);气候变化对红门川流域径流减少贡献率为43%,植被恢复建设导致的森林数量及质量变化对流域径流减少贡献率为18.6%,其他人类活动影响贡献率为38.4%.综合比较得知,与植被恢复建设相比,降水减少对山区产水量减少影响更大.研究结果可为北京山区森林流域水土资源规划及管理提供参考.     

不确定性流域污染负荷优化分配模型及其应用

流域优化决策模型以最优化建模方法指导流域管理决策过程,然而流域系统的不确定性会导致决策存在一定风险.本研究通过建立区间参数机会约束线性规划(ICILP)模型来处理流域决策过程中的不确定性,并将该模型运用于太滆运河流域优化决策中,探讨在不同违反概率下系统最优解.结果表明,随着允许入湖量约束违反概率增加,系统对污染物削减量和削减成本有所降低.由于受到经济成本和削减量约束,系统优先减小环境代价较大、削减效率较低的工程项目规模.但受到最低处理率约束,违反概率增加到一定水平时各工程项目趋于定值.虽然较高的违反概率使系统成本降低,但也会导致削减效率降低,不利于流域保护.因此,在实际管理中应根据管理需求选择合适的削减方案以达到保护流域水质的目标.     

基于GIS的流域水质目标管理TMYL构架研究——以赣江流域为例

以赣江流域为例,提出了基于GIS的TMYL计划技术框架,构建了以保持水生态系统健康为目标的流域水质目标管理技术体系.在ARCGIS9.3的环境中,利用GIS的叠置技术,建立基于控制单元为管理核心、污染源在线监控为配套建设的三级监控体系.结合流域水污染防治绩效评估体系的建立及评估分析,为流域水污染控制的总量控制方案和对策...     

Using a reverse auction to promote household level stormwater control

Phase II of the US Environmental Protection Agency's (USEPA) National Pollution Discharge Elimination System (NPDES) stormwater regulations requires communities smaller than 100 000 residents to meet new criteria for stormwater runoff reduction. In many cases these smaller communities have no established stormwater utility, and are investigating alternatives for complying with these new, sometimes expensive requirements. We note that it might be cost effective for some communities to encourage homeowners to control stormwater runoff at the parcel level instead of, or in conjunction with more traditional large, infrastructural best management practices (BMP). We go onto argue that in the absence of a strict regulatory cap, an auction is a cost-effective tool for implementing controls on stormwater runoff quantity at the parcel level. In this paper, we test the effectiveness of a procurement auction as the coordinating mechanism for encouraging installation of parcel-scale rain gardens and rain barrels within a small suburban watershed in the Midwest. The auction, which was conducted in spring 2007 and 2008, resulted in installation of 81 gardens and 165 barrels on 107 of the 350 eligible properties. Average cost per liter of runoff detention in both years was $0.36 for gardens and $0.59 for barrels. Interestingly, approximately 55% of the bids were for $0, suggesting that an educational campaign may result in substantial runoff mitigation if utilities paid for the installation of stormwater management practices. However, we found that an auction promoted more participation than education alone and at a cheaper per-unit control cost than a flat stormwater control payment plan. Overall, this study demonstrates that relatively minimal financial incentives can result in homeowners’ willingness-to-accept stormwater management practices on their property, thus opening an important avenue for retrofitting watersheds that are largely in private ownership.     

森林植被变化对水文过程和径流的影响效应

森林植被变化对水分分配和河川径流具有调节作用。对我国森林植被变化水文效应文献的综合分析表明：森林砍伐或火灾引起森林覆盖度下降会导致林冠截留率、凋落物对降水截留能力和蓄水能力、土壤的渗透和蓄水能力降低。不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大，但比较一致的结论是：除长江中上游外，森林砍伐会降低植被层的蒸发散，增加河川径流；反之，会减少河川径流量。森林火灾会导致林木蒸发散减少，河川径流增加。     

美国流域水环境治理模式及对中国的启示研究

从管理目标和范围、管理机构、法律支撑、运行机制、技术保障等方面介绍了美国流域一元体系下的多中心合作治理模式。以美国科罗拉多河流域污染治理实例进行具体分析,反应出科罗拉多河府际治理协调机制、联邦政府司法干预保障以及水权的配置与交易所产生的积极效果。提出对中国流域污染治理工作机制的启示,强调中央一元管制下的跨界协作;发展水权及排污权交易;面向控制单元建立总量控制体系。