Development of a coupled reservoir operation and water diversion model: Balancing human and environmental flow requirements

Maintaining a natural flow regime helps preserve the health of riverine ecosystems. Conventional studies on reservoir operations have focused mainly on identifying optimal operational schemes for satisfying human water demands. To systematically reflect the ecological effects of both natural and human-induced hydrologic alterations, water diversions downstream of the reservoirs should be considered as well. This research focused on a coupled reservoir operation and water diversion (CROWD) model, created through the integration of a reservoir operation model and a water diversion model. The proposed model considers both human and environmental flow requirements, and represents a compromise that balances ecological protection (preservation of the natural flow regime of a river) and human needs (reduced water shortages). In the reservoir operation model, the reservoir space is divided into three zones and different operating rules are developed for directing reservoir operation when water levels are in different zones; in the water diversion model, different water users are assigned different supply priorities with the instream flows no more than the minimum environmental flows having the highest priority; and the two models are coupled by the water mass balance between the two hydraulic facilities. The non-dominated-sorting genetic algorithm II (NSGA-II) was used to determine the parameters of the developed CROWD model and the model was applied to support the joint operational management of the Tanghe Reservoir and the Liaoyang Diversion in the Tang river basin, China. The resulting reservoir operation and water diversion schemes indicate that the CROWD model is useful for optimizing the operation of reservoirs and water diversion schemes. Moreover, it helps to analyze tradeoffs between human and environmental water needs, resulting in solutions that reduce the risk of water shortages and minimize ecological integrity disturbances.     

Analysis of behavioral changes of zebrafish (Danio rerio) in response to formaldehyde using Self-organizing map and a hidden Markov model

Two computational methods were applied to classification of movement patterns of zebrafish (Danio rerio) to elucidate Markov processes in behavioral changes before and after treatment of formaldehyde (0.1 mg/L) in semi-natural conditions. The complex data of the movement tracks were initially classified by the Self-organizing map (SOM) to present different behavioral states of test individuals. Transition probabilities between behavioral states were further evaluated to fit Markov processes by using the hidden Markov model (HMM). Emission transition probability was also obtained from the observed variables (i.e., speed) for training with the HMM. Experimental transition and emission probability matrices were successfully estimated with the HMM for recognizing sequences of behavioral states with accuracy rates in acceptable ranges at central and boundary zones before (77.3-81.2%) and after (70.1-76.5%) treatment. A heuristic algorithm and a Markov model were efficiently combined to analyze movement patterns and could be a means of in situ behavioral monitoring tool.     

祁连山青海云杉群落物种组成及α多样性垂直分布

通过对祁连山自然保护区青海云杉群落物种组成及α多样性垂直分布格局的研究,结果表明：祁连山自然保护区青海云杉群落内有维管植物25科51属96种,其中乔木4种,灌木29种,草本62种;植物种相对集中分布于海拔2 680～2 890 m的阴坡;随海拔梯度升高,群落内植物种数减少,且相邻样地的共有种数呈不明显的先减少而后增加的趋势,Margalef指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数呈降低趋势;不同林型的植物种的丰富度依次为：青海云杉混交林〉草类-青海云杉林〉苔藓-青海云杉林〉灌木-青海云杉林〉马先蒿-青海云杉林。     

基于RS/GIS的大辽河口湿地景观格局时空变化研究

基于1988、1995、2001和2007年的四期TM数据,应用GIS/RS技术与景观格局分析软件FRAGSTATS,定量分析大辽河口地区湿地景观格局的动态变化。结果表明,自1988年以来,大辽河口地区的湿地面积逐年增加,湿地景观多样性指数和均匀度指数呈现先降后升的趋势,景观破碎化程度增强。湿地类型变化主要表现在大量的自然湿地转化为人工湿地或人工景观,具体表现在转化为建筑用地、水稻田、养殖区。1988~1995年期间,大辽河口地区的环境质量下降,该地区生物生活环境的多样性降低,造成了一些物种种群数量的减少甚至消失;但是自1995年以后,该地区的景观多样性和均匀性升高,抗干扰能力增强,环境质量有所提高。研究区湿地景观格局的动态变化主要是受自然条件和人为活动干扰共同作用的结果。     

西南高山峡谷区植被变化及影响因素分析

西南高山峡谷区是我国典型生态脆弱区,认识其植被变化特征及影响因素可以为西南高山峡谷区生态环境建设对策的制定提供理论依据,对实现区域经济、环境以及生态和谐统一发展,具有一定的现实意义.基于2000~2019年NDVI、社会经济因子和自然因子数据集,采用一元线性回归法、Hurst指数、地理探测器模型和变异系数等方法分析了西南高山峡谷区NDVI时空变化及稳定性特征,并探讨了NDVI空间分异影响因素.结果表明：①空间上看,植被呈现东南高,西北低的分布格局,中高和高植被覆盖的区域面积占比71.71%,植被覆盖总体处于较高水平.时间上看,植被呈现改善趋势的区域面积占比85.90%,恢复效果明显,且未来植被变化趋势还将以改善为主.②高程、植被类型和土壤类型是影响NDVI空间分异的主导因子,q值均不低于0.40;气温和降雨量为次要因子,q值分别为0.274和0.225.双因子交互作用增强了单因子的影响力,表现为双因子增强和非线性增强两种关系,其中高程∩植被类型组合q值最高为0.714,其次是高程∩土壤类型组合q值为0.688.③研究时段内NDVI整体稳定性较好,低波动变化和较低波动变化的区域面积占比为89.95%;而中等以上波动的区域面积占比为10.05%,集中在海拔高、气温低、降雨少、土壤贫瘠和植被较差等生态环境相对脆弱的区域.植被变化是多因素综合作用的结果,需因地制宜,有针对性地采取不同策略修复西南高山峡谷区生态环境.     

宁武亚高山湖泊细菌群落的时空格局及驱动机制

受人类活动和气候变化的影响,亚高山湖泊生态系统日趋退化,导致微生物群落生物多样性和结构改变.本研究以宁武亚高山湖泊公海(GH)水体细菌群落为研究对象,通过Q-PCR和DGGE技术分析了不同季节和不同深度的水体中细菌群落多样性分布格局,探究细菌群落的时空动态及其多样性维持机制.结果表明,温度(T)、酸碱度(p H)、溶解氧(DO)、电导率(EC)、盐度(SAL)和铵态氮(NH4+)在每个月的不同采样深度间均有显著差异.细菌群落丰度具有明显的时空动态,其中8月的丰度最高,11月最低;在水体中层(2、4和6 m)的丰度较高,表层和底层(0 m和8 m)相对较低.细菌群落α多样性指数在各月份和不同深度间均有显著性差异,从4～12月整体上呈现先减少后增加的趋势.相似性分析(PERMANOVA)结果表明,不同深度之间细菌群落的空间分布格局明显不同(P 0. 001).冗余分析(RDA)和方差分解(VPA)结果表明在不同深度下,细菌群落多样性格局是环境选择和扩散限制共同作用的结果,但是环境选择的相对作用更强,其中水体无机氮(NO3-、NO2-和NH4+)浓度是主要的影响因子.总之,宁武亚高山湖泊公海中细菌群落多样性有明显的时空分布格局,环境选择作为主要因素驱动了细菌群落的多样性格局.     

中国城市绿色金融及其影响因素——以绿色债券为例

绿色金融是金融创新的重点,旨在调控资本供给,实现环境向好发展。以绿色债券为例,基于2016—2019年中国142个地级以上城市,使用面板数据模型和空间杜宾模型探讨政策激励、金融基础、环境污染对绿色金融的影响。结果显示：（1）中西部地区引入绿色金融的城市数目较多,东部地区是绿色金融规模增长的承载区域。（2）政策激励和金融基础显著提升绿色金融规模,而环境污染起到抑制作用。（3）不同区域的政策措施都能与金融基础协同,促成绿色金融发展。仅在东部地区,政策激励能够缓和环境污染的负面影响。研究表明,绿色金融的发展模式存在区域差异,东部地区是在政策激励和金融基础推动下的顺势转型,中西部地区则需应对环境污染造成的阻力。     

中国粮食主产区耕地撂荒程度及其对粮食产量的影响

耕地撂荒严重地影响着我国的粮食安全。以我国粮食主产区为研究区域,在识别撂荒地分布的基础上,测度了撂荒地空间分布格局,并建立耕地撂荒中介效应模型,探究了耕地撂荒对区域粮食产量的影响机制。结果表明：（1）中国粮食主产区耕地撂荒规模为405.53万hm²,撂荒率约为5.85%;空间上撂荒地规模分布呈“T”字形空间格局,黑龙江东北部、吉林西北部以及内蒙古南部地区为撂荒地主要集聚区。（2）耕地撂荒对于粮食主产区粮食产量具有显著负向影响,2017年我国粮食主产区因耕地撂荒损失的农田生产潜力达到1339.15万t,损失的粮食产量高达2265.6万t,损失比例达4.69%;内蒙古自治区成为粮食产出损失量和损失比例最大的地区。（3）粮食播种面积、农田生产潜力和农业技术投入均发挥了部分中介作用,系数分别为-0.194、-0.025和0.006。（4）应遵从城乡融合以及农业农村发展态势,强化粮食主产区农业生产现代要素投入与政策扶植,构建粮食生产—耕地休耕空间转换弹性机制,保障我国粮食安全。     

基于比较优势理论的中国区域种养结构时空格局演变分析

研究种植业与养殖业的生产格局及演变趋势是优化种养结构的重要基础,对保障我国粮食安全具有重要意义。基于全国2000年和2017年335个地市的种养业生产数据集,利用比较优势理论分析了我国主要作物和畜产品区域比较优势的时空格局演变。结果显示:（1）近 17年,种植业和养殖业生产的区域比较优势空间格局上均无显著变化,肉类产出的优势区域呈扩散趋势;（2）饲料粮（玉米和大豆）生产的优势区域与精饲料消耗为主的牲畜（猪、禽类）优势区域并不匹配。为提升我国农业生产的种养结合水平,提出以下建议:区域种植业和养殖业的结构需进行合理化调整;根据区域种植业规模来确定养殖业规模;在区域尺度上合理布局有机肥加工厂;加强有机肥施用技术的研发;加大对养殖企业粪污处理方面的监管力度。     

陕西省县域旅游效率的空间格局及影响因素

提质增效是目前旅游产业发展面临的重要课题。基于数据包络分析法,选用Python爬取技术,对陕西省107个县域的旅游效率进行测度分析,探讨县域旅游效率的空间格局及其影响的主要因素。研究表明：（1）陕西省旅游效率达到有效的县域数量整体偏低,高旅游效率县域多集中于市辖郊县。（2）县域旅游效率分布不均衡。陕北地区高旅游效率县域主要集中在黄河沿岸,关中地区呈现“西高东低”的现象,陕南地区高旅游效率县域则集中在地市交界处。（3）影响县域旅游总效率、技术效率和规模效率的主导因素不同。旅游收入占GDP比例（反映旅游业水平）、人口密度（反映县域发展水平）及汽车站数量（反映交通服务水平）是影响陕西省县域旅游总效率及技术效率的主导因素,而旅游资源禀赋（反映旅游业水平）、人口密度（反映县域发展水平）则是影响陕西省县域旅游规模效率的主导因素。