湖泊流域水文学研究现状与挑战

湖泊蕴含丰富的淡水资源,是区域发展的重要支撑.气候变化和人类活动加剧全球水资源时空分布差异,伴随越发频繁的湖泊洪水和干旱问题,影响区域经济社会用水安全和湖泊生态系统健康.湖泊流域是一个相对独立完整的地理单元,具有明确的水文边界,因此,一直以来是水文研究的理想区域.针对21世纪以来湖泊流域新呈现的水文问题,基于文献调研,结合长江中游鄱阳湖流域案例,重点就流域水文极值与湖泊洪旱、湖泊水文对流域植被变化的响应、湖泊流域系统水文水动力集成模拟、湖泊流域水平衡演变及未来变化趋势预测等若干水文问题的研究现状和问题进行阐述,提出未来拟着重研究的若干主题.研究可望丰富流域水文学和湖泊水文学内容,对相关学科未来发展提供参考.     

水文连通性对湖泊生态环境影响的研究进展

水文连通性对湖泊水资源调节、水质净化和生态安全等具有重要作用，但同时也可能带来潜在风险。因而厘清水文连通性对其生态环境的影响规律，对于开展水文连通性修复工作具有重要指导意义。基于广泛的文献调研，介绍了水文连通性的定义与内涵，分别综述了水文连通性对湖泊水文水动力、水质、水生态系统影响的研究进展。在此基础上，总结归纳了水文连通性通过改变水文水动力过程影响生态系统的路径：一是直接改变生境面积、植被格局和生物迁移繁殖特征，二是通过改变水质和沉积物特征而作用于生物的生长发育及其体内污染物累积转化过程。最后，对水文连通性变化的生态环境效应研究进行了展望：(1)加强对垂向连通性的研究以及拓展不同维度连通性耦合转化研究；(2）借助水动力-水质-水生态耦合模型研究水文连通性变化下的生态环境效应；(3）开展水文连通性的生态环境风险研究，并基于生态环境效益和社会经济效益权衡确定适宜的水文连通性。     

SWAT与MIKE21耦合模型及其在澎溪河流域的应用

结合SWAT分布式模型研究污染负荷的优势和MIKE21模型对水动力水质先进的模拟技术,构建SWAT与MIKE21耦合模型。根据澎溪河地形、土壤、植被、气象、水文、水质资料,在空间上建立流域SWAT水文单元与MIKE21水动力模型边界的连接,在量值上建立SWAT模型各水文单元污染物负荷输出量与MIKE21模型污染浓度输入量之间的分配关系,研究澎溪河流域输沙量、氮、磷负荷量和水污染。模拟结果表明：2009年3月至2010年3月澎溪河渠马、高阳、黄石、双江大桥4个断面的总氮、总磷浓度和叶绿素a含量的模拟值与实测值具有较好的一致性,澎溪河回水区水质为中营养~中富营养状态,水体氮、磷等营养盐浓度主要受面源污染的影响。SWAT与MIKE21耦合模型可靠性好,适合于流域水污染研究     

鄱阳湖流域水文效应对气候变化的响应

以鄱阳湖流域为研究区,以地表-地下耦合的分布式水文模型WATLAC为模拟工具,探讨流域水资源对气候变化的响应。水文模型以2000~2008年为模拟期,以流域河道日径流量来率定(2000~2005年)与验证模型(2006~2008年)并取得了满意的模拟效果。基于此,假定未来气候变化情景方案,通过径流量、土壤蒸发量和基流量来探讨气候变化对流域水资源的影响。结果表明,径流量与基流量对降雨变化有着较强的敏感性,而土壤蒸发量对温度变化的敏感性较强。在降雨一定条件下,水文变量均与气温变化近似呈线性关系;在气温情景一定条件下,水文变量均与降雨变化呈非线性关系。随着降水的减少,气温对径流、土壤蒸发和基流的影响也随之减弱;气温对上述变量的显著影响主要表现在降水增加的情况下。相同的气温变化情景下,降水增加比降水减少对径流量的影响更加显著,降水减少比降水增加对土壤蒸发量与基流量的影响更加显著,表明降水变化对水文变量有着不同程度和方向的影响作用。     

河口三角洲地表水文连通性研究进展

三角洲通常位于河流与湖泊、海洋等大型地表水体的过渡带，分布全球约8%人口。受地势低缓、流域来沙减少和海平面上升等多因素作用，三角洲系统被认为是诸多地表类型中高度敏感和脆弱的地带。近年来，地表水文连通性成为三角洲水文水动力领域新的热点问题。通过国内外相关文献调研，系统阐述了水文连通性概念、三角洲地表水文连通性组成以及三角洲形态和水文连通性的联系。研究表明:三角洲地表水文连通性可分为结构连通性、功能连通性和过程连通性；基于图论方法的结构连通性仅表征河网在三角洲水文连通性的作用，而功能连通性和过程连通性反映水文水动力要素的空间分布及其与气象等环境要素的耦合关系，但亟需有效的野外观测和调查数据；三角洲形态与水文连通性存在一定联系，部分形态指标可用于刻画三角洲地表水文连通程度。因三角洲具有高度时空异质性和复杂地形地貌等特点，从学科发展趋势和应用需求的角度出发，未来应综合采用野外观测、数理统计和数值模拟等多学科交叉的研究策略，为三角洲湿地生态系统应对当前快速变化环境等重大问题提供科学依据。     

洞庭湖流域“径流—湖泊水量”关系的土地利用/覆盖变化(LUCC)响应特征

径流是洞庭湖等长江中下游通江湖泊水量变化的重要驱动因素,土地利用/覆盖变化(Land Use and Cover Change, LUCC)通过改变下垫面特征,强烈改变了流域水文过程,并进一步影响了湖泊水量变化。然而,受气候变化等多因子复杂交互作用,LUCC对“径流—湖泊水量”关系的影响方式与贡献特征依然面临较强的不确定性,成为流域水资源规划与管理面临的关键理论瓶颈。针对上述问题,基于SWAT水文模型,采用2001～2019年MODIS遥感数据产品,系统分析了洞庭湖流域LUCC对“径流—湖泊水量”的影响特征。结果表明：(1)洞庭湖流域多年平均径流和湖泊水量分别为2 371亿m³和682亿m³,季节上均表现为5～9月份较高、10～4月份较小的单峰型分布特征,径流年际变化趋势较弱(y=14.926x+2 222.1,R²=0.043 9,p<0.01),而湖泊水量则呈现较缓慢的下降趋势(y=-4.147 3x+723.880,R²=0.066 7,p<0.01);(2)洞庭湖湖泊水量与流域径...     

基于流域地形地貌特征的分布式汇流方法

以长江三峡区间沿渡河流域为例,采用HEC-HMS水文模型系统为模拟工具,基于流域下垫面特征和水动力条件提出了一种分布式单位线方法,并应用于降雨径流过程模拟。以自然分水线划分子流域,基于DEM数据和GIS工具提取河网水系特征。采用7种模型评估指标,分别从总量平衡,过程拟合,高水流量和低水流量4个角度评判模型的模拟效果及精度,并给出了模型模拟结果的量化统计指标。模拟结果表明:25场洪水中,洪峰流量相对误差小于20%的有80%,径流深相对误差小于20%的有96%,Nash-Sutcliffe效率系数大于0.8的有84%。由此可知,提出的分布式汇流方法可有效利用流域下垫面特征和GIS工具提取模型参数信息,适应于无资料流域的降雨径流过程模拟应用。     

鄱阳湖流域水文效应对气候变化的响应

以鄱阳湖流域为研究区,以地表 地下耦合的分布式水文模型WATLAC为模拟工具,探讨流域水资源对气候变化的响应。水文模型以2000～2008年为模拟期,以流域河道日径流量来率定（2000～2005年）与验证模型（2006～2008年）并取得了满意的模拟效果。基于此,假定未来气候变化情景方案,通过径流量、土壤蒸发量和基流量来探讨气候变化对流域水资源的影响。结果表明,径流量与基流量对降雨变化有着较强的敏感性,而土壤蒸发量对温度变化的敏感性较强。在降雨一定条件下,水文变量均与气温变化近似呈线性关系;在气温情景一定条件下,水文变量均与降雨变化呈非线性关系。随着降水的减少,气温对径流、土壤蒸发和基流的影响也随之减弱;气温对上述变量的显著影响主要表现在降水增加的情况下。相同的气温变化情景下,降水增加比降水减少对径流量的影响更加显著,降水减少比降水增加对土壤蒸发量与基流量的影响更加显著,表明降水变化对水文变量有着不同程度和方向的影响作用     

水利调度修复东湖水质的数值模拟

总结武汉东湖水质污染问题基础上，根据湖泊和港渠联通状况设计了长江-东湖水利调度的调水线路和调水方案。基于一维港渠河道水动力水质模型和二维湖泊水动力水质模型，通过嵌套耦合求解的方式实现耦合，建立了一、二维湖泊河网水动力水质耦合模型，并利用实测数据进行了参数率定和验证。采用数值模拟的方式研究了水利调度影响下东湖水质的改善效果，结果表明：水利调度影响下东湖主要湖区水体CODMn和TN指标得以明显改善，但TP指标改善不大；东湖湾汊众多，个别湖区受到调水线路影响较小，水质改善不明显。因此水利调度可以作为东湖水体修复的重要思路。建立的数学模型也可以为东湖以及其他类似水域的水污染治理提供科学参考和依据     

基于BP神经网络的鄱阳湖水位模拟

考虑到鄱阳湖水位受流域五河与长江来水等多因素的共同作用而表现出高度非线性响应,采用典型的三层BPNN神经网络模型来模拟鄱阳湖水位与其主控因子之间的响应关系。分别将湖口、星子、都昌、棠荫和康山水位作为目标变量进行BPNN模型构建和适用性评估。结果显示：综合考虑流域五河及长江来水（汉口或九江）的BPNN水位模型,空间站点水位模拟精度（R2和Ens）可达090以上,各站点的均方根误差（RMSE）变化范围约050～10 m,若忽略长江来水的影响作用,仅将流域五河来水作为湖泊水位的主控影响因子,模型训练期与测试期的纳希效率系数（Ens）和确定性系数（R2）显著降低,且低于050,均方根误差（RMSE）也明显增大（124～288 m）,意味着综合考虑流域五河与长江来水是获取结构合理、精度保证的鄱阳湖水位模型的重要前提。同时建议针对鄱阳湖湖盆变化对水位的影响,尽可能选择一致性较好的长序列数据集来训练和测试BPNN模型。所构建的BPNN神经网络模型可进一步结合流域水文模型,用来预测气候变化与人类活动下流域径流变化对湖泊水位的潜在影响,也可作为一种有效的模型工具来回答当前鄱阳湖一些备受关注的热点问题,如定量区分流域五河与长江来水对湖泊洪枯水位的贡献分量,为湖泊洪涝灾害的防治和对策制定提供科学依据     

鄱阳湖水流运动与污染物迁移路径的粒子示踪研究

湖泊水流运动和污染物的迁移路径对湖泊水质起着关键作用。采用水动力和粒子示踪耦合模型,并结合野外粒子示踪实验来调查鄱阳湖洪水季节空间水流运动和污染物迁移路径。模拟结果显示,流域五河点源入湖污染物和湖区空间面源分布污染物均会沿着不同方向迅速进入湖泊主河道,在快速水流推动下逐渐向北部湖区迁移,但部分污染物因东北部湖湾区存在顺时针方向环流而发生长时间滞留和富集。野外粒子示踪实验同样表明,东北部湖湾区污染物迁移路径随着该湖区水流运动表现得复杂多变,除了可以明显观察到顺时针方向的污染物运动,还可以发现污染物向湖岸边界和湖汊迁移,最终滞留在东北部湖湾区,而康山湖区污染物在快速水流推动下主要沿主河道向西北主湖区迁移,未发现污染物进入东北部湖湾区的迹象。鄱阳湖洪水季节水流运动和污染物迁移路径具有枯水期水流-污染物传输特性。模拟得出鄱阳湖洪水期的平均换水周期约89 d,表明其可能需要近3个月时间才能彻底完成一次换水。研究成果可为大型通江湖泊"江湖关系变化"研究提供参考,对保护"一湖清水"、保障长江中下游水环境安全具有重要现实意义。     

洞庭湖流域分布式水文模型

流域出口径流观测序列是水文模型参数率定重要依据,不受水文站控制区域的模型应用是水文研究关注点之一。首先根据水文站观测资料建立洞庭湖流域四水控制站之上基于水文响应单元的分布式水文模型,在此基础上结合实验、同质移植和虚拟水库等方法,将分布式水文模型拓展到包含无径流站控制区域的丘陵区间和平原圩垸区,最终实现了洞庭湖全流域水文过程模拟。结果表明:在较完备土壤、地形、土地利用等空间数据支持下,通过合理的流域划分和水文响应单元定义,建立的流域分布式水文模型可以较好地在水文响应单元尺度反应降水发生后蒸散、地表径流、土壤和地下水的响应特征。而基于观测实验及基流分割等方法获取的关键水文过程特征对模型参数优化的认识,可以提高模型参数率定效率,在较少优化迭代运算后既可使月径流模拟的效率系数NSE和确定性系数R²值高于0.81(日过程高于0.62)。借助参数同质移植和虚拟水库解决了区间和圩垸区无控制站区域水文过程模拟。在全流域水文过程的模拟中,基流指数和蒸散比例与实际过程具有较好的一致性。说明相关参数较好地反映了其物理机制,具备在相似气候及下垫面条件区域进行同质移植的基础,圩垸区径流交换采用虚拟水库的处理方式也合理可行。     

基于DEM的分布式水文模型在清江流域的应用

基于清江上游水布垭区域的数字高程模型(DEM)数据，提取出了研究区域水系、勾画了研究区域边界，并计算了研究区域地形指数分布。采用基于数字高程模型(DEM)的分布式水文模型(DDRM)来进行降雨 径流模拟。在Nash Sutcliffe效率系数、洪峰相对误差、径流深相对误差等方面对基于DEM的分布式水文模型和三水源新安江模型进行了比较分析。结果表明：在径流深模拟方面新安江模型略好于DDRM，在洪峰流量及峰现时间方面DDRM略好于新安江模型，模拟的Nash Sutcliffe效率系数两者相当，总体上基于DEM的分布式水文模型和三水源新安江模型模拟效果相当。基于DEM的分布式水文模型与三水源新安江模型相比，其优点是模型结构简单、参数较少、物理过程明确，而且能够模拟流域土壤含水量和径流量的空间分布。     

一个新的分布式水文模型在鄱阳湖赣江流域的验证

考虑同类模型在模拟大尺度流域时存在的一些弱点，开发了基于单元网格，并且结构较为简单、参数数量较少的分布式水文模型WATLAC。为了验证该模型在大尺度流域长时间序列的模拟效果，选取鄱阳湖流域的最大子流域——赣江流域（817万km2）为验证区域。流域的空间非均匀性由单元网格离散并模拟。根据下垫面数据精度，选取4 km×4 km的离散网格尺寸，并应用ArcGIS等软件建立流域网格信息，生成模型输入数据。采用1960~1989年外洲站和峡江站的实测资料对模型进行了验证。率定期（1960~1969年）两水文站日、月和年径流确定性系数在081~093，Ens系数在079~099，年径流统计量相对误差均低于8%；校核期（1970~1989年）两水文站日、月和年径流确定性系数在076~092，Ens系数在075~091，年径流统计量相对误差均低于2%。结果显示，模拟的径流量与实测值吻合良好，模型在赣江流域得到了很好的验证。模型对赣江流域具有较强的适用性，在流域水资源管理中具有较好的应用前景。     

洪泛湖泊水位-流量关系的非线性特征分析

湖泊的水位-流量关系是湖泊水文特性的重要表征。该关系与湖盆形态、湖泊与周围水系的水力联系等因素有关。鄱阳湖是长江中游的大型通江湖泊,洪泛特征显著。本文以鄱阳湖为例,研究洪泛湖泊入湖流量-湖泊水位关系及非线性特征。基于1960~2010年实测湖泊日水位和流域日径流数据,采用交叉小波和小波相干方法分析多时间尺度上水位对入湖流量的响应关系。结果表明,鄱阳湖入湖流量-湖泊水位关系存在3个特征阶段:阶段1中,入湖流量与湖泊水位相位差从0°过渡到45°~90°,水位上升初期与流量同步上升,后期水位对流量的响应产生迟滞效应,滞后时间为2~9d;阶段2中,入湖流量与湖泊水位相位差在90°左右波动,入湖流量率先下降,湖泊水位却保持缓慢上升;阶段3中,入湖流量与湖泊水位的相位变化与阶段1相反,从45°~90°过渡到0°,湖泊水位与入湖流量下降逐渐变为同步。本文提出鄱阳湖入湖流量-湖泊水位关系的3个阶段并分析其产生的主要原因,概化其水文特征,对通江洪泛湖泊的水文特征有新的认识,为下一步湖泊水文过程的刻画与模拟提供重要理论基础。     

Model simulations of the fate of 14C added to a Canadian shield lake

Carbon-14 was added to the epilimnion of a small Canadian Shield lake to investigate primary production and carbon dynamics. The nature of the spike and subsequent monitoring allowed the investigation of both short-term and longer-term processes relevant to evaluating impacts of accidental and routine releases and of solid waste disposal. Data from this experiment were used in the BIOMOVS II program as a validation test for modelling the fate of the ¹⁴C added to the lake. Four models were used: (1) a simple probabilistic mass balance model of a lake; (2) a relatively complex deterministic model; (3) a complex deterministic model; and (4) a more complex probabilistic model. Endpoints were ¹⁴C concentrations in water, sediment and lake whitefish over a thirteen year period. Each model produced reasonable predictions when compared to the range of the observed data and when uncertainty in model predictions is taken into consideration. The simple lake model did not account for internal recycling of ¹⁴C and, in this respect, its predictions were not as realistic as those of the more complex models for concentrations in water. However, the simple model predictions for the ¹⁴C inventory remaining in lake sediment were closest to the observed values. Overall, the more complex probabilistic model was the most accurate in simulating ¹⁴C concentrations in water and in whitefish but it overestimated ¹⁴C retention in the lake sediments, as did the other complex models. Choice of parameter values for transfer rate to sediment and gaseous evasion are important in influencing model predictions. Although predicted concentrations of ¹⁴C in fish of dynamic models were more accurate than those using equilibrium bioconcentration factors typically used in assessments, large variability in observed ¹⁴C concentrations in whitefish emphasizes the need for a better understanding of the important processes that influence these contaminant concentrations.     

分布式TOPMODEL模型在清江流域降雨径流模拟中的应用

以清江流域上游为研究区域，探讨TOPMODEL模型在大流域的应用；对比了SRTM和地形图两种DEM数据在流域地形指数计算及降雨径流模拟中的差异，结果表明，虽然不同DEM计算得到的地形指数和模型率定参数存在较大差异，但是模拟效率基本相同，SRTM数据作为全球覆盖的免费高分辨率DEM数据将极大促进TOPMODEL模型的应用；分析了TOPMODEL模型在大流域中应用存在的局限性，在此基础上，构建了基于子流域的松散耦合的分布式TOPMODEL模型，提出了利用流域实际下垫面数据进行模型参数率定的方法，探讨了子流域划分详细程度对模拟结果的影响，结果表明，分布式TOPMODEL模型充分考虑了流域降雨和下垫面属性空间不均匀性对水文过程的影响，模拟效率高于传统TOPMODEL模型，随着子流域数目的增加，模型在率定期和校验期的效率均呈上升趋势，但是到达一定程度之后，受降雨等输入参数及模型计算误差所限，增加子流域个数不能继续提高模拟效率.     

长江源区基于坡面尺度的土壤水热过程模拟研究

长江源多年冻土区土壤水热传输过程机理与模拟,是广泛关系到高原生态环境保护恢复和区域水文过程的关键科学问题。因此,以GEOtop模型为研究平台,以长江源不同植被盖度下（裸地、30%、65%和92%）高寒草甸的观测数据为基础,检验模型对土壤水热迁移过程的描述与模拟精度。总体而言,GEOtop模型需要率定的参数较少,从而减少模型模拟的不确定性,提高了模拟精度。对不同植被盖度下土壤温度、水分和实际蒸散发模拟的NSE 系数基本达到08,表明模型能准确模拟高寒生态系统土壤的水热传输过程,可以作为长江源区土壤水热过程的有效模拟工具