基于SWAT模型的淠河流域土地利用变化的水文响应模拟

以淮河南岸最大支流——淠河流域为研究区域,采用嵌套入ArcGIS软件的SWAT分布式机理性水文模型定量评估土地利用变化对降水-径流关系的影响.结果表明,1996-2010年淠河流域的土地利用变化主要表现为水田、旱地向建设用地转化以及林地向园地转化.相较于1996年的土地利用情景,2010年土地利用情景下的多年平均径流增加5.87％,年径流的增加主要表现为汛期径流增加,非汛期径流则呈减少趋势,径流量年内变幅加大.对于不同水文年份而言,平水年对土地利用变化的水文响应最明显,变幅最大,枯水年则略大于丰水年,淠河流域的水源涵养能力呈现减退趋势.     

基于SWAT模型的涪江流域下垫面对面源污染负荷的影响分析

为探讨流域下垫面污染物排放量、径流条件和本底条件对氨氮(NH_3)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(I_(Mn))3种面源负荷的影响机制,以涪江流域为对象,构建了分布式水文和面源污染负荷模拟SWAT模型,并采用SWAT-Cup进行了参数率定,在此基础上采用Sobol方法进行了全局性敏感性分析。采用Nash-Sutcliffe系数、相对均方根误差、相对偏差和相对总误差4个指标进行检验,结果表明模拟径流过程和污染负荷与实测值基本相符。各种下垫面条件下,NH_3、TP和I_(Mn)负荷变化幅度均随着负荷均值的增加而增大,当下垫面为山丘区或自然林草为主的汇流区时,径流条件因子中的坡度和坡长对于面源污染负荷的影响最大。由于农田对径流过程具有显著的调节能力,面源污染负荷随汇流区内农田面积比例增加而降低。土壤本底、面源污染物排放量和径流条件3类因子中,径流条件因子对于面源污染负荷的影响最为敏感,而面源污染物排放量的影响不显著。下垫面对TP负荷的敏感性最弱,对IMn负荷的敏感性最强。因此,加强径流过程调控能力对涪江流域面源污染控制最为有效。     

SWAT模型在国内外非点源污染研究中的应用进展

模型模拟是定量估算非点源污染负荷的有效工具,也是对其进行规划、控制和管理的前提.近年来SWAT模型在国内外得到了快速的发展和应用,是目前全球评价大范围和环境变化条件下非点源污染问题的一个有效工具.简介SWAT模型的发展历程及原理,概述了SWAT模型目前在国内外的水文评价、污染物流失模拟、输人参数、土地利用及气候变化对水文响应的影响等方面的研究现状,并对SWAT模型的发展方向提出了建议,为模型的进一步完善与应用提供参考.结果显示,SWAT模型对水文评价(如径流量、泥沙量)可得到较好的模拟和预测结果,能够模拟污染物(如农药和化肥)在农田和河网中的迁移过程,模拟与分析土地利用/覆被变化及气候变化对水文过程的影响.模型参数的确定及其对地下水流与溶质运移的模拟是模型的主要问题,需要进一步研究与完善.     

农业非点源污染SWAT模型研究态势及研究前沿知识图谱

农业非点源污染已成为全球重要的环境问题,模型是当前非点源污染研究的核心内容.为全面了解农业非点源污染SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型研究概况,并获得学科发展趋势、研究力量与研究热点,利用引文分析工具进行数据挖掘与科学知识图谱呈现.自1994年第1篇SWAT模型研究论文发表以来,论文数量呈逐年上升趋势:美国处于绝对领先的地位;中国发文量407篇,排名第2位,其中中国科学院与北京师范大学研究表现突出.研究热点主要集中在SWAT模型特点、模型演化、运算法则以及在农业非点源污染方面的应用. SWAT模型应用于国外各大流域以及我国众多流域研究. SWAT模型在农业非点源污染、泥沙产量、农药输移等方面研究得到了大量应用.未来我国应积极开展SWAT模型基础研究,并开发出适用于我国各地河流水域特点的组件,为流域管理与污染控制提供有效决策支撑与科学依据.     

渭河流域微量元素地球化学特征及污染评价

渭河流域微量元素地球化学特征及污染评价工业革命以来,随着人类活动的不断加强,大气、土壤和水环境等都受到了不同程度的污染.其中河流沉积物既接受来自大气污染物的直接沉降,又受当地工业活动、生活污水和农田灌溉等直接污染,它们可以通过食物链影响人体健康.最近10年,随着西部     

基于AQUATOX模型的乌梁素海富营养化模拟及控制研究

乌梁素海是典型的寒旱区湖泊,具有多草、多藻、水浅及寒区气候等特征。针对乌梁素海湖泊富营养化及水华问题,运用AQUATOX模型对乌梁素海湖区主要营养盐的季节变化以及不同藻类(蓝藻、绿藻、硅藻)的演替规律进行了模拟。模拟结果显示,该研究建立的乌梁素海生态系统模型,能较好的模拟水域中营养盐的动态变化以及不同藻类(蓝藻、绿藻、硅藻)的季节演替规律,与乌梁素海实际水环境状况大体吻合。在模拟的基础上,对控制入湖氮、磷污染负荷后营养盐浓度及藻类生物量的响应关系进行探讨。结果显示,在氮磷与营养物响应关系方面,消减入湖氮磷负荷能有效降低乌梁素海湖区相应营养物浓度,且随消减量的加大,其浓度也不断降低。同时消减入湖N,P负荷的20%,营养物TN,TP浓度分别降低17.06%和4.83%;消减入湖N,P负荷的30%,营养物TN,TP浓度分别降低25.62%和6.92%;消减入湖N,P负荷的50%,营养物TN,TP浓度分别降低42.58%和11.56%。在氮磷与藻类响应关系方面,消减氮磷负荷可以有效降低湖内绿藻、蓝藻生物量。同时消减入湖N,P负荷的20%、30%和50%,绿藻及蓝藻生物量平均降幅分别为7.77%、12.60%、19.54%和6.05%、10.60%、13.12%。单一控制磷负荷亦能有效降低绿藻和蓝藻生物量,且作用更加明显,而单一控制氮反而会使蓝藻的生物量增加。因此,在乌梁素海富营养化的治理中,需采取同时消减入湖氮磷负荷或者单一消减磷负荷的措施,以实现抑制水华暴发、改善区域生态的目的。     

基于重金属污染的耕地生态承载力改进模型研究

将耕地重金属污染引入耕地生态足迹研究中,对传统耕地生态承载力模型进行了改进,并以江苏省为例进行实证研究.结果表明,运用改进的生态承载力模型计算所得2005年江苏省人均耕地生态承载力为0.127 hm2,比传统模型计算结果0.134 hm2小;人均耕地生态赤字为0.067 hm2,比传统模型计算结果0.060 hm2大;耕地生态可持续指数为0.39,比传统模型计算结果0.41小,但2种模型计算方式下耕地利用均属于弱不可持续状态.与传统模型计算结果相比,改进模型所得结果能够反映江苏省耕地利用的实际情况,以及重金属污染对江苏耕地可持续利用所产生的负面影响.     

玻璃幕墙眩光污染模拟分析

玻璃幕墙是城市建筑中常见的装饰和围护结构,但在阳光照射下,会产生不舒适眩光甚至是强烈的失能眩光,因此,眩光污染是对城市道路交通安全的重要威胁之一。对眩光的监测主要是针对眩光亮度、方位和环境光亮度分布的监测。采用彩色CCD相机测量光环境亮度的分布,并结合计算机图像处理技术,对采集的图片进行亮度提取、处理计算,最后得出眩光评价值。通过实验室模拟玻璃幕墙眩光实验,对不同中性密度滤光片下的测量结果进行对比,从而选择恰当中性密度滤光片对实际建筑眩光测量,得出不同时间的眩光测量值。通过一系列的实验结论,将有助于眩光的污染防治和城市交通的安全防护。     

基于FLUXNET的CLM模型生态系统呼吸模拟验证

准确估算陆地生态系统呼吸(Ecosystem respiration,RE)对全球陆地生态系统碳收支研究具有重要意义.模型模拟是估算陆地RE变化的一种常用手段.然而目前陆地生态系统过程模型的RE模拟尚未得到充分验证.基于耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)的通用陆面模型(Community land model,CLM)RE模拟结果和全球通量网(FLUXNET)66个站点的涡度相关通量观测数据(277条站点年数据)评估CLM模型对RE的模拟效果.结果表明:~(1)在空间尺度上,CLM低估了高纬度站点RE,高估了低纬度站点RE,但高纬度低估量更大导致空间格局整体低估(相对误差为-3.56%).(2)在时间尺度上,CLM模型基本捕捉了RE的年际和季节变化,相关系数分别为0.60(P0.001)和0.63(P0.001);CLM低估年尺度和月尺度的RE(以C计_),绝对误差分别是-182.21 g m-~(2 )a-~1、-120.16 g m-~(2 )mon-~1,相对误差分别是-17.84%、-10.60%.(3)CLM模型对不同植被功能型的RE模拟效果不同,由优及差依次为混交林、常绿针叶林、草地、农田、落叶阔叶林、常绿阔叶林.本研究在时空尺度上量化了CLM模型的生态系统呼吸模拟误差,并分析了土壤呼吸Q10和MRbase参数以及土壤碳库模拟等因素的影响,可为CLM模型的生态系统呼吸模块参数优化提供依据,进而提升其模拟精度.(图4表3参80附图2附表2)     

基于清单分析的农业非点源污染控制区划方法

进行农业非点源污染控制区划,识别出污染关键源区,可以提高非点源污染控制成效。通过清单分析定量核算农业非点源污染物(COD、TN、TP)排放量及排放浓度,并以非点源污染敏感性评价和污染类型划分为研究基础,探讨了农业非点源污染控制区划方法,提出了区划原则、分区方法和命名方法。该区划结果可以实现农业非点源污染的分级管理和分类控制。最后,以江苏省的64个县(市、区)作为基本单元(市辖区除外),采用该方法进行了农业非点源污染控制区划。     

非点源污染模型研究进展

随着点源污染的有效控制,非点源污染已成为水体污染的主要因素,如何有效地控制和管理非点源污染已成为水环境整治的一项重要任务。而计算机模型是极其有效的流域非点源污染模拟和污染负荷估算的定量化工具,为非点源污染评价、管理和控制提供了可靠依据。文章综述了非点源污染模型的发展概况及其研究不足,并对模型的发展趋势进行了分析和预测。由于非点源污染随机性大、分布范围广、形成机理模糊、管理控制难度大等特点,未来非点源污染的量化模型研究及其与量化模型有关的相应参数研究、模型与GIS集成研究将成为未来研究的主流。     

基于CA-Markov模型的挠力河流域土地利用动态模拟

以三江平原腹地挠力河流域为研究对象,基于1990和2013年2期遥感数据,结合马尔科夫(Markov)转移矩阵、土地利用动态度模型和土地利用程度模型分析流域1990—2013年土地利用变化情况,运用CA-Markov模型对2025年土地利用格局进行模拟预测。结果表明:流域土地利用结构变化以耕地的内部和外部转换为主,水田化现象是最主要的景观变化特征,未利用地面积由于大量垦荒而大幅度减少;土地利用程度指数由1990年的251.46上升至2013年的270.48,土地开发利用程度不断加大;模型模拟显示流域Kappa系数为0.82,预测结果可信;2013—2025年流域土地利用类型变化趋势和速率与1990—2013年存在差异,林地变化幅度最大,水田面积仍然保持增长,但增长速度有所下降,单一动态度降为2%,旱地面积基本保持不变;未来12 a土地利用程度指数持续上升,流域受人类社会因素扰动作用的强度将会进一步加大。     

基于VMOD模型的若尔盖泥炭沼泽地下水数值模拟

若尔盖泥炭沼泽自20世纪50年代以来发生显著的面积萎缩,导致其失水的重要机制之一是自然沟道的溯源下切与横向侵蚀,进而疏干沟道两侧沼泽的地表水和泥炭层的地下水,加速泥炭沼泽地的萎缩。基于2016—2017年夏季野外观测与Visual MODFLOW地下水模型,分别研究局部2种典型泥炭地的地下水运动和沟道对泥炭地地下水的横向水力梯度的影响。结果表明:地下水流运动偏向于沟道方向,且当沟道切穿泥炭层后此趋势更加显著,垂直沟道方向水力梯度约增大79%。证实自然沟道不仅在降雨期对地表水具有排水作用,其溯源下切直至切穿泥炭层的过程促进沟道两侧地下水在非降雨期不断流失,并在河道两侧形成泥炭沼泽的疏干带。该研究对若尔盖湿地修复与保护中沟道切穿泥炭层区域提出了相应的建议措施。     

基于情景分析的长三角城市群机动车污染排放控制研究

机动车污染已成为大气污染的重要来源,对机动车污染排放控制策略的研究已经成为中国空气污染防治最重要的工作之一。选取长三角城市群为研究区域,研究未来长三角城市群机动车污染排放控制措施的减排效果。应用COPERT Ⅳ模型构建1999—2015年长三角城市群机动车污染物CO、NMVOC、NO_x、PM_(2.5)、PM_(10)、CO_2、CH_4、N_2O、NH_3和SO_2排放清单,以2015年为基准年,设置8种减排情景评估2025年各情景下的机动车污染物减排效果,并对新能源车推广情景采用GREET模型从生命周期的角度进行研究。结果表明,长三角城市群1999—2015年间不同机动车污染物排放趋势存在差异,除污染物CO_2和NH_3排放增长趋势显著外,其余污染物排放近年来均呈现下降趋势;与基准情景相比,不同情景设置下的机动车污染物减排效果不同,淘汰高排放车辆情景对污染物NO_x、PM_(2.5)和CH_4削减效果较为显著,削减率分别为14.41%、16.65%和12.49%;实施激进新能源车推广情景对污染物CO、NMVOC、PM_(10)、CO_2、N_2O和NH_3减排效果较为明显,削减率分别为13.66%、20.03%、15.48%、20.56%、18.31%和21.46%;提升燃油品质情景对污染物SO_2减排效果最为明显,削减率为93.64%;激进综合情景综合所有削减控制措施并对污染物CO、NMVOC、NO_x、PM_(2.5)、PM_(10)、CO_2、N_2O和NH_3达到最大的削减效果,表明长三角城市群未来控制机动车污染物排放需结合多种污染减排措施,以达到最佳减排效果。     

机动车污染模拟和地理信息系统支持

机动车污染是城市大气污染物的重要来源,对街区机动车污染排放量的预测和排放模拟对了解城市街区环境污染状况有重要价值。文章中将ＣＡＲ模式的模拟计算和ＧＩＳ集成在一起,通过ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ进行了一个样例开发,其中ＧＩＳ功能由ＭａｐＸ控件实现。     

迎接一体化污染控制的挑战

本文探讨一体化污染控制的概念，并考虑了它对法规机构提出的挑战。它考察了英国实行要求通过一体化污染控制对工业企业进行调控的立法以来的五年期间女王坠下污染检察署迎接这些挑战的方式。     

梯级河滩湿地模型对受污染河水氮磷和CODCr的净化效果

在贾鲁河畔构建3组并联的梯级河滩湿地模型,引种9种不同类型的湿地植物进行筛选试验,将湿地模型串联运行比较研究3种不同植物配置的梯级湿地对受污染河水的净化效果,在此基础上设定12h和24h等两组不同水力滞留时间,研究延长滞留时间对水质净化效果的影响。试验结果表明：对氮磷和有机物的去除效果挺水植物明显好于沉水植物,其中茭草（Zizania caduciflora）、荆三棱（Scirpus fluviatilis）和狭叶香蒲（Typha angustifolia）去除效果最好;沉水植物和挺水植物对氨氮的去除表现好于浮叶植物;延长水力滞留时间对改善水质净化效果明显,滞留时间由12h延长到24h后,TN、TP、氨氮和CODCr去除率分别提高10.2%、21.7%、30.2%和12.9%,对氨氮的净化效果改善最为明显;挺水植物＋沉水植物＋浮叶植物组合较单纯挺水植物组合在对氨氮和TN去除效果方面表现出较明显的优势,主要是由于不同类型湿地植物所营造的好氧、厌氧环境提高了对氨氮和TN去除效果。研究结果证明在湿地植被组建中,根据进水水质,应灵活选择植物种类,进行合理的植物配置,可提高湿地的净化效果。     

珠海非点源污染控制区划

在珠海非点源污染调查的基础上,以土地利用方式(景观类型)、非点源污染类型及其控制方向等为主要屑性,对珠海划分出4个非点源污染控制区。分区结果反映了非点源污染的空间差异,可为区域非点源污染控制宏观决策提供科学依据。     

基于Markov-CLUES耦合模型的杭州湾湿地多情景模拟研究

杭州湾湿地是中国南北湿地的分界线,也是环杭州湾地区重要的区域生态安全屏障。由于全球气候变化和当地经济发展,杭州湾湿地资源锐减,湿地生态功能退化。因此,对杭州湾湿地未来发展趋势的模拟预测,可为资源合理开发、政府政策规划等提供科学依据。以杭州湾湿地为研究对象,利用2006年、2011年、2016年3期遥感影像提取湿地空间分布信息,对杭州湾湿地现状进行分析;构建Markov-CLUES耦合模型,运用耦合模型模拟了多情景下的杭州湾湿地未来演变趋势。研究结果表明,(1)杭州湾滨海湿地主要历史演变特征为:海岸带区域不断向浅海水域方向延伸;淤泥质海滩受到来自内陆方向的围垦;处于极不稳定状态;稻田类型极易转变为建筑等非湿地类型;非湿地面积呈不断上升趋势。(2)以2011年的湿地空间分布格局图为模拟年份初始图,运用Markov-CLUES耦合模型模拟了2016年的湿地空间分布格局模拟图,并以2016年的实际湿地分布现状图进行验证,结果表明,Markov-CLUES耦合模型的总体精度为86%,Kappa系数为0.81,说明Markov-CLUES耦合模型可用于模拟杭州湾湿地演变趋势。(3)通过对杭州湾湿地未来多情景模拟结果分析发现:淤泥质海滩在经济增长情境下围垦速率加快,与自然情景相比,面积下降速率增加3.46%;在滩涂资源保护情境下,面积几乎不变,得到了有效保护。稻田是除浅海水域外的主要湿地类型,在经济建设情景下,稻田向非湿地的转变速率增加5.31%,稻田面积下降;在粮食安全情景下,面积增加了3 470.76 hm~2,在数量上和空间分布上都得到了良好的保护。非湿地在稻田保护的情景下,由于来源的减少,面积增长受到抑制;在其他3个情景下均呈上升趋势;在经济建设的情景下,非湿地增加速度最快。     

基于ARIMA模型的辽河流域生态足迹动态模拟与预测

将能值与生态足迹理论相结合,引入能量折算系数,通过能值密度构建能值-生态足迹模型,并应用此模型对辽河流域2001—2010年生态承载力和生态足迹进行计算。生态承载力计算主要是自然生态承载力和本地产品产出承载力,其中自然生态承载力主要考虑可更新资源的承载力,本地产品产出承载力主要包括生物资源产出承载力和工业产品产出承载力。生态足迹的计算主要包括消费足迹和污染足迹,消费足迹主要测算生物资源消费、能源消费和水资源消费足迹。污染足迹主要测算废气和生活废水、工业废水对自然生态系统带来的负荷。测算结果表明:2001—2010年辽河流域人均生态承载力和人均生态足迹均有所增加,但是生态足迹的增长速度远远大于生态承载力,致使流域内自2001与2009年生态略有盈余外,其余年份均出现生态赤字,处于不可持续发展状态。以能值-生态足迹模型测算结果为基础,基于EViews采用自回归综合移动平均模型(ARIMA),对流域内10年的生态足迹和生态承载力进行动态模拟。首先通过ADF与PP单位根检验时间序列的平稳性;其次分析序列的自相关函数图和偏自相关函数,初步确定AR和MA的阶次;再根据R2、AIC及SC准则,进行模型参数估计并诊断分析;最后确定最佳模拟模型。以ARIMA模型预测2011—2015年辽河流域生态足迹和生态承载力的演变趋势。预测结果表明,人均生态足迹在未来5年内会继续呈直线式增长,到2015年达到7.387 8 hm2,是2001年的2.16倍;而人均生态承载力在2011年之后开始下降,生态赤字继续扩大,到2015年增长到-4.167 67,约为2005年的10倍,流域内不可持续发展形势会更加恶化。最后提出辽河流域生态安全建设的对策。能值-生态足迹模型测算结果与实地调研基本相符,较真实反映了辽河流域可持续发展状况。基于ARIMA模型模拟预测结果可为未来流域开发和建设提供参考依据。