流域地下水质评价的GIS与模型集成分析

流域水环境管理已经成为当今环境科学的一个重要研究对象,对流域规模的水资源可持续管理和战略环境评价,地下水质评价是其重要内容,急需方法学的支持。全面分析目前国内外GIS与模型集成的研究现状,论述GIS与综合指数模型和机理模型集成的所需条件、优势和存在的问题。强调集成中应对模型的特征、模型的输入输出要求、流域数据基础以及GIS软件的功能进行具体分析,否则将导致区域分析的误差加大甚至产生错误信息。结合地下水水质评价常用的指数模型和机理模型,提出了GIS与模型的集成框架,分析GIS在集成中的3种模式,指明GIS与模型集成的发展方向。最后基于GIS与模型集成的现存问题提出对策,得出GIS与综合指数模型和机理模型集成的最优方法及适用条件,为具体应用提供方法学指导。     

基于跨区域水质水量指标的流域生态补偿量测算方法研究

生态补偿量测算方法研究是国内外流域生态补偿领域研究的重点课题之一。本研究提出的基于河流水质水量的跨行政区界的生态补偿量计算办法,将实行统一的流域和区域综合环境管理纳入到流域地区政府的责任范围内,即将流域水体行政区界河流水质和水量指标设定为生态补偿测算的综合指标值中。本研究首次尝试应用“综合污染指数法”进行流域生态补偿的水质评价,并提出依据水权和对全流域GDP的贡献度或比率的方法进行流域水流量的测算。同时,提出跨区域流域生态补偿量测算的原则、模式、流程及计算模型,并结合实例进行了理论上的测算,解决了流域生态补偿中利益主体责任不清的弊端和补偿执行不力的缺陷,并为流域生态补偿的有效实施提供了执行的方法和依据。     

水污染控制规划的GIS辅助技术研究

以宁波市甬江流域为例，以GIS技术辅助流域水污染控制规划，在ARCGIS90的环境中，完成了流域水系概化、水质评价，并利用GIS的叠置技术，建立功能区划水域－入河排污口－陆上汇流区的对应关系。根据水环境功能区的水质目标，通过建立污染源－水环境质量的输入响应关系，然后利用GIS技术对甬江流域数字高程模型（DEM）进行数字地形分析，得到甬江流域的模拟河网和流域汇水图，构筑了水污染控制单元，作为水环境容量核定和总量分配的基本工作区域。最后利用GIS的可视化表达进行辅助决策，确定各水环境功能区的水环境容量，结合排污状况（包括工业、农业、生活）的分析，得出流域水污染控制的总量控制方案和对策措施。甬江流域水污染控制规划的实践表明，在规划过程中，GIS作为一个必不可少的工具渗透在每一个环节中，为数据管理、空间图形表达和空间决策分析提供有效的工作平台和可靠的技术支持     

中国七大流域水资源综合管理绩效动态评价

通过国内外相关文献研究与实地调研,结合流域水资源管理的社会经济发展目标,提出了流域水资源综合管理绩效评价的内涵,构建了我国七大流域水资源综合管理绩效评价指标体系与动态评价模型。并应用该模型实证分析了1999~2010年我国七大流域水资源综合管理绩效指数动态变化趋势,对水资源综合管理绩效水平优劣进行对比分析,揭示水资源综合管理绩效指数动态变化的动因。评价显示,1999~2010年,七大流域水资源综合管理绩效指数均有不同程度的提升,按提升速度排序依次为海河、黄河、松辽、太湖、珠江、长江、淮河,按相对管理绩效水平排序依次为海河、珠江、黄河、松辽、太湖、长江、淮河;研究表明,水资源综合管理绩效指数受人均用水量、综合耗水率、农业用水比例、万元工业增加值用水量、万元GDP废水排放量、水资源开发利用率的影响较大     

基于单元格网的STREAM分布式水文模型及其应用——以太湖上游西苕溪流域为例

STREAM模型是基于单元格网的分布式水文模型，可以利用易于获取的地理信息，揭示气候变化及下垫面改变对水循环的复杂影响。选择太湖上游西苕溪流域为研究区，采用1979～1999年的26个降水站实测序列和不同时段的土地利用数据，应用GIS流域分析方法与空间插值技术建立300 m的流域格网信息，并通过BLAISE脚本语言实现STREAM模型与GIS的集成，应用1979～1999年水文站实测序列对模型进行率定和验证。结果显示月径流量和年径流量模拟与实测值吻合良好，1980～1988年模型率定期，月径流量的确定性系数为078，年径流量的确定性系数为086，各年平均相对误差仅为6％；1989～1999年模型验证期，月径流量的确定性系数为075，年径流量的确定性系数为082，各年平均相对误差为95％。研究证实模型有较强的预测能力，在流域管理与决策中具有较好的应用前景。     

水污染控制规划的GIS辅助技术研究

以宁波市甬江流域为例,以GIS技术辅助流域水污染控制规划,在ARCGIS90的环境中,完成了流域水系概化、水质评价,并利用GIS的叠置技术,建立功能区划水域－入河排污口－陆上汇流区的对应关系。根据水环境功能区的水质目标,通过建立污染源－水环境质量的输入响应关系,然后利用GIS技术对甬江流域数字高程模型（DEM）进行数字地形分析,得到甬江流域的模拟河网和流域汇水图,构筑了水污染控制单元,作为水环境容量核定和总量分配的基本工作区域。最后利用GIS的可视化表达进行辅助决策,确定各水环境功能区的水环境容量,结合排污状况（包括工业、农业、生活）的分析,得出流域水污染控制的总量控制方案和对策措施。甬江流域水污染控制规划的实践表明,在规划过程中,GIS作为一个必不可少的工具渗透在每一个环节中,为数据管理、空间图形表达和空间决策分析提供有效的工作平台和可靠的技术支持     

岷沱江流域水环境治理绩效综合评价方法研究

为全面研究生态文明背景下岷沱江流域水环境治理成效，该研究从水生态保护与修复、水污染治理与控制、水资源开发利用和社会经济承载4个维度构建评价指标体系，先采用灰色关联分析法和均方差决策法建立组合权重，再通过加权综合指数法和理想解模型对2011~2017年岷沱江流域10个主要地级市的水环境治理绩效进行动态评价，最后利用ArcGIS10.5软件进行评价结果的时空分异性的可视化。研究表明：在水环境综合管理下，岷沱江流域水环境治理绩效水平呈上升的趋势。空间分布上，虽岷沱江流域上、中、下游的水环境治理绩效整体水平差异性逐渐缩小，但流域中各地级市在水污染治理与水资源开发利用上存在明显的差异性，今后岷沱江流域应重点控制水污染和优化水资源配置，统筹流域可持续发展的水环境管理。     

基于单元格网的STREAM分布式水文模型及其应用——以太湖上游西苕溪流域为例

STREAM模型是基于单元格网的分布式水文模型,可以利用易于获取的地理信息,揭示气候变化及下垫面改变对水循环的复杂影响.选择太湖上游西苕溪流域为研究区,采用1979～1999年的26个降水站实测序列和不同时段的土地利用数据,应用GIS流域分析方法与空间插值技术建立300 m的流域格网信息,并通过BLAISE脚本语言实现STREAM模型与GIS的集成,应用1979～1999年水文站实测序列对模型进行率定和验证.结果显示月径流量和年径流量模拟与实测值吻合良好,1980～1988年模型率定期,月径流量的确定性系数为0.78,年径流量的确定性系数为0.86,各年平均相对误差仅为6%;1989～1999年模型验证期,月径流量的确定性系数为0.75,年径流量的确定性系数为0.82,各年平均相对误差为9.5%.研究证实模型有较强的预测能力,在流域管理与决策中具有较好的应用前景.     

三峡水库上游流域非点源颗粒态磷污染负荷研究

为有效控制三峡水库上游流域因水土流失产生的非点源颗粒态磷污染，改善库区水质，以美国通用土壤流失方程为基础，从影响土壤流失年际变化的水文条件和人类活动两个主导因素着手，并从地形指数的角度考虑泥沙输移比的空间分布，提出了能反映流域输沙量逐年动态变化的新估算方法。在此基础上，建立了流域颗粒态磷污染年负荷模型。在GIS辅助下，应用所建模型，对研究流域1990~2006年颗粒态磷污染负荷进行了空间分布模拟和定量研究。结果表明：所建年输沙量模型和颗粒态磷年负荷模型有良好的模拟精度；金沙江中下游流域，雅砻江中下游流域和岷江的大渡河流域是颗粒态磷污染的主要源区，嘉陵江流域通过治理水土流失和颗粒态磷流失情况明显好转；“长治”工程后，三峡水库上游流域的颗粒态磷年负荷总体上有下降趋势，近5年的年均负荷为16 482 t/a，比治理初期的1990年减少约37%。     

模糊数学在水质综合评价中的应用

水质评价是环境管理的一个重要方面。污染程度是一个模糊概念，在实际工作把离散的质量级别进行连续性处理。模糊数学在水质评价中得到广泛应用。以长江干流段2004年1月至2004年12月的水质监测资料作为依据，运用模糊综合评价方法对水质进行了分级评价。结果显示，所评价的长江干流段水质为地表水标准中的Ⅱ类水。在2004年1月至2004年12月的时间段内，长江水质综合指数在2．0至2．6之间变动，2004年2月和8月水质综合指数最多为2．6，水质随时间的变化较平缓。在所评价的长江5个断面中水质综合指数都小于3．0，其中湖南岳阳城陵矶水质综合指数最高为2．6，其主要的污染物为CODMn，江苏南京林山水质综合指数最小为2．0。     

WASP富营养化水质模型在GIS中的完全集成研究

模型与GIS的结合是水质模拟研究的发展趋势,但完全集成方式面临许多技术难点。通过分析WASP富营养化模型的原理,剖析其程序源代码的核心,并对其核心算法进行重新编程开发。把GIS擅长的工作完全交给GIS、把模型擅长的工作完全交给模型,模型从底层对GIS属性数据库进行直接读写,GIS对模型的起始和中间过程直接控制,实现了WASP富营养化水质模型在GIS中的完全集成。完全集成后,为WASP增加LH OAT全局参数敏感性分析功能。LH OAT全局参数敏感性分析方法集成了LH抽样与随机OAT方法的优点,在随机OAT的基础上融入LH抽样法,保证参数敏感性分析的强壮性及有效性。但LH OAT方法必须依靠复杂的计算机程序来实现,因为没有通用程序而限制了其推广应用。为此我们设计了LH OAT方法的通用程序,提高了水质模拟的性能和应用范围。这为模型与GIS的完全集成研究提供了成功案例和问题解决的新思路     

流域初始水权分配的主从递阶双层优化方法

依托“流域-地区-行业”层次的初始水权分配模式,“流域-地区”层次影响制约“地区-行业”层次的初始水权分配,“流域-地区”和“地区-行业”层次的初始水权分配共同影响流域综合效益。现有研究主要聚焦“流域-地区”或“地区-行业”层次的初始水权分配,但将两个层次集成进行初始水权分配仍有待深化研究。为此,构建主从递阶双层优化方法,开展流域初始水权分配研究。具体可表述为：(1)针对“流域-地区”层次,建立流域综合效益优化函数与约束条件。构造适应性诊断准则和空间均衡性诊断准则,嵌入流域综合效益优化函数中,提高地区之间初始水权分配与经济社会发展的适应性、流域分水的空间均衡性。(2)针对“地区-行业”层次,建立地区综合效益优化的非线性目标规划模型,保障行业发展用水需求。并构造匹配性诊断准则嵌入非线性目标规划模型中,提高地区不同行业初始水权分配与行业发展的匹配性。(3)集成“流域-地区”和“地区-行业”层次,应用主从递阶双层优化方法,开展黄河流域初始水权分配实践探索。研究得出：通过黄河流域初始水权分配方案设计,得到黄河流域涉及省区水权分配比例与其经济社会发展综合指标加权值比例的比值,其中,内蒙古-陕西、...     

河流近域土地利用格局与水质相关性分析——以巢湖流域为例

以河流近域土地利用构成与水环境质量间定量关系为研究对象,基于巢湖流域40个水质监测断面和320个河流近域作用区,运用GIS空间分析功能计算不同尺度作用区内土地利用构成,借助相关分析、冗余分析(RDA)等数理统计手段,分析土地利用构成与水质指数间的相关关系;并分析和比较了流域内山区和平原地区土地利用构成与水质之间关系。结果表明,巢湖流域近河道地区土地利用构成对各水质指数有重要影响,且受地形因素影响。其中,建设用地对河流水质恶化具有明显作用;河流沿岸林地布局能显著改善水质,尤其是对氨氮和高锰酸盐指数敏感;耕地面积变化与水质相关性不显著。RDA冗余分析证实了不同尺度下的土地利用类型对水环境影响具有尺度效应。研究成果对巢湖流域水环境管理具有重要的实际指导意义,并为同类研究提供借鉴     

基于综合集成研讨厅的流域初始水权分配群决策研究

针对传统的流域初始水权分配中存在的问题,提出将初始水权分配中的各利益相关群体引入到分配决策中来,以多利益相关主体参与的群体决策替代传统的水资源配置中单纯地"技术经济寻优",有利于减少初始水权分配中的矛盾和冲突.借鉴钱学森提出的解决复杂性巨系统问题的综合集成理论,构建了流域初始水权分配群决策的平台--流域初始水权分配综合集成研讨厅,并在此基础上讨论了初始水权分配群决策的有关模型.实例分析的结果表明,本文提出的理论是可行的,并且有利于提高多利益主体对初始水权分配的综合满意度.     

流域绿水管理博弈建模及应用分析

绿水资源表示水循环通过降水渗透入土壤非饱和层并由植物蒸腾或土壤蒸发返回大气层的水汽,是农业作物生产的重要基础,但是通常被传统流域水资源管理所忽视。基于流域水量平衡和蓝水绿水综合思维,将绿水资源纳入流域水资源管理体系。在绿水信贷理念和博弈建模分析框架下,结合SWAT分布式水文模型、多目标优化及情景比较分析,利用绿水管理措施合理优化配置流域蓝水绿水资源,采用绿水生态补偿协调处理上下游利益冲突的博弈问题,探索性地提出了流域绿水管理博弈框架。该框架通过博弈建模可以识别分析流域绿水管理问题的博弈空间、博弈结构和纳什均衡等博弈特征;通过合作博弈约束条件改进的多目标优化,可以计算流域绿水管理情景的绿水补偿标准和帕累托最优收益。将建立的绿水管理博弈框架应用于涟水流域实例研究,NSE、R2、PBIAS、p-factor与r-factor等模拟效果评价和不确定性分析结果表明,涟水流域SWAT分布式水文模型的蓝水绿水模拟均达到可信程度。上下游收益变化、绿水补偿标准与帕累托最优解集等博弈分析结果显示,涟水流域整体社会经济与生态环境收益明显改善,其帕累托最优收益平均增长2.72亿元/a,年均绿水补偿标准折合1.94、1 253.7元/hm²。实例分析表明提出的绿水管理博弈框架在涟水流域具有较好的适用性和可行性。因此,该方法可以为流域蓝水绿水管理试点研究及其绿水补偿标准核定提供相关理论依据和技术参考,具有一定程度的的应用价值和现实意义。     

提高区域生态环境质量综合评价水平的新思路--GIS与层次分析法的结合

区域生态环境质量综合评价涉及众多要素，同时又需要反映生态环境质量状况的空间格局。层次分析法在多要素综合评价方面具有独特优势，而GIS技术拥有强大的空间分析能力，将GIS与层次分析法相结合应用于江苏省生态环境质量综合评价，可以充分发挥两种方法的优势。首先，根据江苏省生态环境的基本特点确定生态环境质量综合评价的指标体系和基本评价单元，通过层次分析法，确定各评价指标的权重，计算出每个评价单元的生态环境质量综合指数和分指数；然后运用GIS技术，根据每个评价单元的质量指数和分指数，自动生成江苏省生态环境综合评价等级图；在此基础上，对江苏省生态环境整体及各不同侧面质量状况的空间分异规律进行分析和研究。结果显示，江苏省生态环境质量基本上由南向北逐渐降低，与自然环境状况的空间格局大体吻合，但局部地区有差异。表明自然条件对江苏省生态环境质量的空间分异起决定性作用，但社会经济和环境污染等因素同样对生态环境具有重要影响，在某些情况下，甚至可以成为决定因素，并在一定程度上改变生态环境的空间格局。     

关于长江流域生态环境系统演变与调控研究的思考

长江流域丰富的资源、发达的经济、独特的自然特征、复杂的人地关系和严重的生态环境态势 ,决定了开展长江流域生态环境系统演变与优化调控研究 ,在国际流域科学研究和我国可持续发展研究中的重要意义。本研究的关键科学问题是 :流域生态环境系统的演化过程与退化机理及其主要驱动力 ;山—河—湖—海互动规律及其耦合关系 ;流域各子系统间的物理通量 (水、沙等 )和化学通量 (碳、氮等 )的传输和循环机理 ;流域资源和环境的承载力及流域生态安全的调控和管理等。主要研究内容包括 :流域生态环境系统演化规律及动力学 ,流域山—河—湖—海的互动规律及耦合机理 ,流域物化通量的传输过程与循环机制 ,重大生态环境问题的成因与退化生态环境的修复途径 ,流域生态环境系统的结构、功能的区划与制图 ,保障流域生态环境系统安全的优化调控与管理等。用地球系统科学的思想为指导 ,从流域整体演化角度着手 ,广泛收集各种资料 ,采取最先进的技术方法 ,强调点、线、面调查结合 ,定性与定量分析结合 ,自然演化系统与社会行为系统的结合等 ,是本项研究的主要技术途径     

三峡水库上游流域非点源颗粒态磷污染负荷研究

为有效控制三峡水库上游流域因水土流失产生的非点源颗粒态磷污染,改善库区水质,以美国通用土壤流失方程为基础,从影响土壤流失年际变化的水文条件和人类活动两个主导因素着手,并从地形指数的角度考虑泥沙输移比的空间分布,提出了能反映流域输沙量逐年动态变化的新估算方法。在此基础上,建立了流域颗粒态磷污染年负荷模型。在GIS辅助下,应用所建模型,对研究流域1990~2006年颗粒态磷污染负荷进行了空间分布模拟和定量研究。结果表明：所建年输沙量模型和颗粒态磷年负荷模型有良好的模拟精度;金沙江中下游流域,雅砻江中下游流域和岷江的大渡河流域是颗粒态磷污染的主要源区,嘉陵江流域通过治理水土流失和颗粒态磷流失情况明显好转;“长治”工程后,三峡水库上游流域的颗粒态磷年负荷总体上有下降趋势,近5年的年均负荷为16 482 t/a,比治理初期的1990年减少约37%。     

基于PSR框架模型的三峡库区忠县汝溪河流域生态系统健康评价

以压力-状态-响应(PSR)框架模型作为研究方法,以2005～2009年的数据为基础,参考国内外已有的有关流域生态系统健康的研究,构建三峡库区忠县汝溪河流域生态系统健康评价体系,采用层次分析法(AHP)确定该流域各指标的权重值,运用流域生态系统健康综合指数模型对该流域进行综合健康评价分析。研究表明:5a间,忠县汝溪河流域生态系统的健康平均综合指数为0.509 7,整体上处于较健康的状态。2005～2009年,该流域生态系统健康处于波动状态,其中,2007年的流域生态系统健康状况最佳,但2006年的流域生态系统健康状态较差。研究表明,对三峡库区忠县汝溪河流域生态系统健康影响较大的有生物第一性潜在生产率、人口密度,以及地表水综合污染指数等指标。总体上,2005～2009年忠县汝溪河流域在社会、经济、自然各方面都处于良好的状态,整体上保持着整个生态系统的健康状态,基本上能实现本流域的可持续发展。然而,我们仍需将社会效应、经济效应与生态环境相结合,保持三峡库区忠县汝溪河流域生态系统的健康状态。     

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。