地下水中污染物迁移参数的空间变异性及其评价方法

考虑了地下水中污染物迁移参数的空间变异性,分析了污染物迁移参数空间变化的结构性与随机性特征,阐述了分析、评价污染物迁移参数空间变异性的区域化变量理论和方法。      

残积碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法研究

特性参数空间变异性是碎石土斜坡随机结构的参数化表征，其合理确定对碎石土斜坡稳定性评价具有重要意义，但现有确定方法工作量大、成本高。提出一种轻量化的碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法，并应用于黄冈某残积碎石土斜坡工程实例，得到了碎石土斜坡特性参数空间变异性的初步认识。结果表明：提出的碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法有效且方便可行，确定的碎石土斜坡特性参数统计数据特征符合经验认识；目前关于碎石土斜坡特性参数的空间相关性和互相关性的经验认识较少，通过调查确定的碎石土斜坡特性参数的空间相关距离和互相关系数为该方面研究积累了定量数据：该斜坡工程实例水平、垂直、顺坡向的相关距离分别为1.24～2.25 m、0.76～1.23 m、0.14～0.39 m。     

城市区域土壤铅含量空间变异的多尺度研究进展

我国城市土壤仍存在Pb的严重富集,准确地评价土壤Pb污染水平和范围是进行科学的土壤Pb污染风险评估和管理的基础.城市土壤Pb含量的空间变异性强且结构复杂,现有的大多数研究在单一空间尺度上开展,不足以全面揭示空间结构特征,不利于促进更加科学的风险评估和管理.因此,探寻一种能够全面揭示城市土壤Pb含量的空间结构信息的方法尤为重要.为了实现这一目的,本文首先分析了造成城市土壤Pb含量高空间变异性的主要因素:污染源的多样性、污染过程的层次性,以及城市景观的异质性.在此基础上归纳出城市土壤Pb含量的空间变异特征——由3个空间层次嵌套而成的等级结构.在此概念性的空间结构之上提出一个基于地统计学理论、以线性混合效应模型为核心的方法框架,可以将城市土壤Pb含量的空间结构划分为3个层次:全局趋势、具有空间自相关的随机变异以及异常高值点.最后,提出完善城市土壤Pb含量空间变异多尺度研究的重点是:探讨更加高效的空间抽样策略;确定特征尺度.     

流域水生态空间管控下生境监测方法概述

生境被认为是区域内为水环境中生物提供生存和生长环境的物理、化学和生物特征,是水生态空间中支持和维持生物及其生态功能的重要空间.生境特征对阐释流域生态系统的结构和功能具有重要意义.然而,生境具有空间和时间尺度的异质性以及空间自相关性,尤其是大时空尺度下其生态功能的维持具有更加复杂的机制和过程.这决定了表征和阐释生境特征是极其困难的,特别是表征大时空尺度下的特征.尽管现有研究提出诸多涉及不同尺度的生境监测方法,但对实现长期跟踪多尺度下流域生境整体变化仍缺少成熟的方法.本文从生境的概念、生境监测的目的和意义引出生境的特点及生境监测对流域水生态环境管控的重要性,归纳了主流生境监测方法的特点及主要差异,综述了生境监测中关键的科学问题（如空间尺度、区域范围、特征参数和数据信息获取方法等）,提出我国现阶段生境监测核心内容的建议,以期为流域生态空间管控下生境监测的应用和研究提供借鉴.     

基于DEM的分布式水文模型研究综述

基于DEM的分布式水文模型是数字化时代水文模型发展的主要方向。论文回顾了分布式水文模型30年的发展历史,对国内外分布式水文模型的研究状况做了简要评述。归纳出基于DEM的分布式水文模型的主要特点。在分布式水文模型的构建中,水文单元的划分是一个十分关键的环节,论文重点探讨了3种基于DEM常用的流域离散化方法。在模型结构方面,提出了一个典型的分布式水文模型框架,包括分布式输入模块,单元水文模型和河网汇流模型。在模型参数方面,提出了3种分布式水文模型参数的确定方法。最后,对分布式水文模型存在的几个典型问题进行了分析和讨论     

多孔介质中污染物运移空间变异最优估计

论述了空间变异性分析的原理和方法,着重阐述不同估值方法在多孔介质污染物运移空间变异分析中的应用.实践表明,地质统计学方法能够弥补经典概率统计方法在评价区域化变量空间变异性方面的不足,从而对多孔介质中污染物运移的空间变异性做出更切合实际的分析与评价.     

地下水封洞库围岩质量的空间变异性分析与三维表征

空间变异性是地质体的固有性质,岩体质量不可避免地具有空间变异性。依托宁波百地年地下水封洞库项目,以围岩质量的空间变异性为研究对象,基于区域化变量理论对场区岩体质量Q值的空间变异性特征进行了分析,在此基础上采用序贯高斯模拟(SGS)对场区岩体质量Q值的空间变异性进行了表征,并构建岩体质量Q值的三维随机场,通过对多次SGS随机实现结果的统计分析,以概率统计的手段预测了研究区岩体质量的空间分布状况。结果表明:不同滞后距变差函数图大体相同,大滞后距下会使变差函数图丧失局部特征;Q值在竖直方向上的结构性比水平面上的好;相关性最好的方向为NE35°水平方向;通过SGS随机实现的平、纵、横剖面以及三维视图较为全面地揭示了场区岩体质量Q值的空间分布特征;SGS随机模拟较好地表征了场区岩体质量的空间自相关性、变异性、各向异性等特征。     

数值模拟技术在污染地下水抽出-处理运行中的应用

数值模拟技术在污染地下水修复中具有非常广泛的应用，该技术通常应用于修复设计阶段，但该阶段获取的模型参数准确性在时间、空间尺度上存在一定程度局限性，使修复效果存在较多不确定性。将数值模拟技术应用于实际修复过程更具有实际意义。结合地下水污染修复实例，考虑对流、弥散、吸附等地块特征因素，建立三维数值模型进行地下水流及溶质运移模拟，以地下水修复过程中多个监测井的水位、水质监测数据作为模型参数修正，分析随着地下水修复过程的开展，污染物在地下水环境中的变化趋势，以及时调整抽出-处理方案，指导后续地下水修复实施。结果表明：基于修复过程中监测资料进行数值模型修正的方法，能更真实地反映模拟区地下水系统特征，更有效地指导后续修复实施工作。     

水环境模拟中多孔介质非均质性空间变异最优估计模型

在生产实践中,经常要求对含水介质渗透性参数的空间分布数值作出可靠的估计.如何利用已知数据对指定点处的渗透性参数作出令人满意的估计,历来是水文地质工作者和应用数学工作者都关心的问题.文章应用能够刻画区域化变量随机性与结构性特征的地质统计学的理论和方法对能够反映多孔介质非均质特性的参数进行了分析,通过分析结果得出了参数空间变异性局部最优估计模型--普通克里格法.     

SWAT模型在我国流域水环境模拟应用中的评估验证过程评价

模型评估验证是模型开发和应用过程中的重要环节,是管控模型应用于管理决策风险的重要手段.近年来,以SWAT模型为代表的流域水环境模型在我国流域水环境管理中得到广泛应用,但模型评估验证过程尚缺乏规范性指导.结合SWAT模型建模过程和模型评估验证的基本步骤,梳理总结SWAT模型评估验证过程的评价方法,针对确定研究或决策目标、获取输入数据、构建模型、模型率定验证、展示模型结果等5个阶段分别设计评价指标.筛选中国知网收录的2015—2017年发表的以SWAT模型为主题的428篇学术论文作为研究对象,评价现有研究的模型评估验证过程,分析我国SWAT模型评估验证的现状以及存在的问题和不足.评价结果表明,我国现有的SWAT模型应用研究总体比较重视模型评估验证过程,能够清晰定义研究区域、建模目标和期望产出,说明输入数据来源和质量以及模型概化、参数灵敏度分析、参数识别、不确定性分析的方法和结果,模型模拟效果较好.但是,针对SWAT模型评估验证方法的研究较少,在模型参数识别方面还存在参数选取未考虑研究区域特征、参数识别结果不合理等问题.建议在SWAT模型应用研究中关注参数灵敏度分析和参数识别,结合研究区域特征建立本地化应用数据库,加强模型评估验证方法研究.当模型应用于流域水环境管理决策时,应完整地开展模型评估验证,并分析模型不确定性对决策的影响.      

陆地生态系统净第一性生产力过程模型研究综述

陆地生态系统净第一性生产力的模拟已从统计模型发展到过程模型时代。过程模型从机理上对植物的生物物理过程以及影响因子进行分析和模拟,理论框架完整,结构严谨。论文从植物器官、个体、冠层、景观以及区域等不同尺度对过程模型进行分析。近年来,由于遥感和GIS技术的支持,使得遥感过程模型融合了遥感及时、准确、宏观、多尺度的优势而成为当前生产力模型的主攻方向。遥感过程模型可实现生态系统NPP的及时模拟和动态监测,便捷、准确地反映NPP的时空变化格局。而在NPP建模过程中,尺度转换是所面临的一个重要问题。不同尺度模型间扩展时,需要采取相应的数学手段进行尺度转换,同时遥感和GIS技术提供了尺度转换的有力工具。综观我国NPP研究的发展,起步晚、发展快是其特点。虽然取得了大量的研究成果,但过程模型的建模方面还很不足,这是一个亟待解决的问题。     

考虑随机输入信息的浅层地下水系统模型

本文依据浅层地下水系统的特点,把地下水系统放在降水－地表水－地下水的整体水文循环中来研究。建立了以地下水位为参数的水量转换模型,并在地下水运动基本微分方程的差分离散式中进行线性化处理。同时考虑浅层地下水系统输入信息的不确定性。从而构造了一个考虑三水转化关系和随机输入倍息的浅层地下水系统模型,并给出了应用实例。     

基于PMF模型的土壤重金属源解析中变量敏感性研究

为探究应用受体模型对土壤污染物进行源解析,输入变量对模型运行及其结果的影响,以乐安河中上游地区土壤重金属调查数据作为典型受体模型（PMF模型）的输入数据集,并在PMF模型基础方案运行结果的基础上,采用局部敏感性分析法来探讨输入变量变化对模型诊断及源识别结果的影响.结果表明：6因子数情景是研究区土壤重金属源解析PMF模型最佳运行结果;土壤中Cu、Mo、Na₂O、As、Mn和Cd等参数属于敏感变量,这些变量均为每个因子中的主要载荷元素,即每个源的特征污染物;不同变量的敏感性有较大差异,Cu、Mo的总敏感性最大,分别为12.1,8.2,大于其他输入变量的敏感性.因此,在应用PMF模型进行源解析时,特征污染物是敏感性较强的变量,其数据质量的优劣是影响源解析结果可靠性的重要因素.     

关于农业面源污染物入河系数测算技术路线与关键方法的探讨

入河系数的准确测算对于厘清农业面源污染物对水环境质量的影响具有重要的现实意义。目前,我国入河系数测算仅限于局部流域,未能覆盖全国各个典型流域。由于农业面源污染物传输过程的空间异质性强,不宜简单地将少量的小尺度精细化模拟或实测结果向大尺度区域或全国推广运用。本研究通过对国内外相关研究进行整理综述,可知采用"传输过程类型相似性外推"方法,以数值模拟为主,辅以必要的实地监测验证的技术方案开展全国尺度的入河系数测算工作,能够在一定程度上满足便捷、科学、准确计算全国尺度农业面源污染物入河系数的总体要求。主要包括以下三方面:(1)选取影响农业面源污染物陆面传输过程的降雨、地形、地表径流、地下蓄渗/地下径流以及植物截留五类关键因子对全国流域基本测算单元进行分区分类,运用规范的空间抽样方法,在每个类型区内选取适量"嵌套式"典型流域基本测算单元,作为其测算结果由小尺度流域向大尺度流域扩展,进而向全国范围内具有地带相似性的区域推广;(2)通过评估、筛选、集成已有相关参数测定成果,典型流域基本测算单元模型测算,必要的补充性、校验性的实地监测等多种方法,建立可视化的全国流域基本测算单元入河系数参数库;(3)运用GIS手段和水系网络分析方法将流域尺度获取的入河系数,与县域行政单元进行空间匹配,获取全国县域尺度的农业面源污染物入河系数。     

地理信息系统（GIS）在景观生态研究中的作用

论述了地理信息系统在景观生态学研究中的作用，这些作用包括如下６个方面：为有效地贮存和管理大范围的生态学数据提供数据库存结构，支持多尺度之间的数值的合并和分离，实现研究地点和环境敏感的空间定位，支持空间统计分析，支持遥感分析；提出生态系统模型的数值或参数的输入和输出。     

GIS和RS技术应用于流域水生生物时空分析的研究进展

近年来地理信息系统（GIS）和遥感系统（RS）（简称"2S技术"）在水文和环境领域得到了较为广泛的应用,但是如何在大流域尺度开展水生生物时空分析和退化诊断仍然是当前水生态学科的难点问题.本文面向新时期国家水生态质量管理重要需求和水生生物时空诊断学术前沿,全面梳理总结了近20年来2S技术在水生生物领域的研究进展,分别从GIS和RS的技术方法和应用等方面阐明了2S技术的适用性和优缺点.结果表明:近年来国内外针对2S技术在水生生物时空分析中的应用研究成果数量呈显著上升趋势,水生植物和叶绿素是该领域的研究热点;GIS技术在流域水生生物时空分析中的常用方法包括缓冲区分析法、叠加分析法和空间插值法,可以进行缓冲带划定、水生生物时空信息获取和趋势分析;RS技术可实现长序列水生生物数据的快速获取,主要包括经验模型、半经验模型和机理分析模型,可从空间尺度实现对水生生物的反向溯源和正向模拟预测.2S技术的联合应用将是未来大尺度水生态问题诊断的重要技术手段和发展趋势,能更好地定性和定量识别流域水生生物的时空变化规律;加快研发水生生物自动监测与快速识别等智能监测设备,实现5G技术、大数据分析、云计算、AI与2S技术的深度融合将是今后大尺度水生态时空问题诊断的重要发展趋势.      

基于LUR模型的2019年北京地区PM2.5与PM10浓度空间分异模拟

在城市区域内,空气污染物的浓度在小范围内存在显著差异,而离散的地面监测点分布不均匀,且监测范围有限,无法满足污染物暴露评估等研究的需求.本研究基于GIS空间分析和多元逐步回归的模型构建的方法,建立了土地利用回归（LUR）模型,并模拟了北京市2019年PM_2.5和PM₁₀浓度的空间分布特征.选择土地覆盖数据、气象数据（风速、降水、温度）和植被覆盖度数据等预测变量,以研究区34个监测站点为中心建立0.1~5 km共7个系列缓冲区,表征不同尺度下各变量对PM_2.5和PM₁₀浓度的影响.研究结果表明：①进入PM_2.5回归模型中的变量有：年均风速、温度、降水量和周围中等植被覆盖、耕地和不透水面的面积;进入PM₁₀回归模型中的变量有：年均风速和周围中等植被覆盖的面积.两个模型的调整R²分别为0.829和0.677,模型精度较高.②抑制污染物浓度的变量,影响力随着空间范围扩大而增强;使污染物浓度增加的变量,影响力随着空间范围缩小而增强.③浓度模拟结果显示,PM_2.5和PM₁₀在西北部山区浓度较低,南偏东的城区浓度较高,并且向南有逐渐增加趋势.4植被覆盖度这一变量不仅进入了上述两个方程,且影响力都强于其他土地利用类型,故以后的模型改进应该考虑植被覆盖度这一因素.     

坡面林地土壤水分特征函数空间变异性初探

土壤水分特征函数空间异质性是定量研究土壤非饱和带水分运动以及溶质运移的先决条件. 以坡面机械布点采样、压力膜仪测定土壤水分特征曲线,并以Van-Genuchten模型拟合曲线后,用传统的统计方法与地统计方法,分析了密云水库流域周边人工油松林坡面土壤水分特征函数空间异质性. 结果表明:①不同土壤层各级压力下土壤含水量变异系数(C_v)呈中等变异性,C_v为10%～25%,土壤有效饱和度越低,变异性C_v越大,计算合理取样数目越大. ②模型参数θ_s为中等变异,C_v为17.77%～18.12%,服从正态分布;参数α为强变异性,C_v为70.65%～120.91%;参数n为弱变异性,C_v为5.29%～7.09%. ③各土壤层参数θ_s和α均具有空间变异结构,除20～40 cm层参数α符合指数模型外,其余层参数均符合球状模型,参数θ_s和α变程(A)分别约为66～69及21～69 m;参数n仅在20～40 cm土壤层显示空间变异结构,符合球状模型,变程(A)约为18 m;整体上该林地土壤0～20和20～40 cm层参数多以结构性变异为主,40～60 cm层参数的块金效应渐显增大. 最后采用Kriging插值方法分别对各参数进行了预测.      

SWAT模型降水输入参数的改进研究

水文模型的运行和模拟精度,很大程度上依赖于输入参数的质量。论文通过不同途径获取的降水数据作为SWAT模型的输入参数,比较分析模型模拟精度。研究发现通常SWAT模型在模拟过程中选择的降水站点是固定的,如果某些年份缺失数据则会调用天气发生器,天气发生器基本可以满足SWAT模拟的需要,可以取得比较满意的结果。利用空间插值为缺乏降水观测的子流域提供降水输入参数,一定程度上提高了SWAT的模拟精度。不过在某些降水过程时空变率较大的情况下,空间插值的降水量往往偏低,导致SWAT模型对洪峰的模拟效果不好。     

联合调参随机共振在流量计测试中的应用

改变噪声、双稳系统或输入信号的特征参数可以在新的系统协同下诱发随机共振,统称为广义调参随机共振。对于工程中的大参数信号,噪声强度不易增减,联合调节二次采样频率和系统参数可促进系统行为的有序化。在恰当的频率尺度下,这一技术可实现对归一化后新频率与最优噪声量的均衡,产生类似绝热近似条件下的双稳随机共振现象。流量计系统的振动测试,验证了联合调参随机共振在提取噪声背景下微弱信息时的实用性和有效性。