基于系统动力学模型的天津市水资源承载力模拟分析

为研究天津市水资源供需远景发展情况,根据天津市水资源供需和发展现状,结合系统动力学方法和层次分析法建立了天津市水资源可持续发展系统动力学模型。将2012—2019年的历史数据与系统动力学方法的模拟数据进行比较,相对误差绝对值基本小于10%,所构建的模型具有较高的可信度,可用于预测天津市未来的水资源承载力发展情况。在此基础上,通过设定现状延续型(S₁)、综合节水型(S₂)、开源治污型(S₃)和综合发展型(S₄)4种不同情景,利用所构建的系统动力学模型预测了2020—2035年水资源供需平衡情况。结果表明：2035年现状延续型情景下天津市总需水量可达41.58×10⁸ m³,2035年S₁～S₄情景的水资源承载系数分别为0.178 2、0.397 3、0.481 5和0.728 1,分析得到2025年南水北调东线供水将大幅缓解天津市水资源超载现状;在4种发展情景中,综合发展型方案对缓解水资源供需不平衡的效果最优,未来...     

基于分布式水文模拟的流域土壤水分时间稳定性分析

针对大范围地面土壤水监测会耗费大量人力物力等问题,为了获取密度较高同时又准确可靠的流域土壤水数据用于时间稳定性分析,寻找可以反映流域土壤水平均状况的代表性点,利用分布式水文土壤植被模型(DHSVM)模拟淮河黄泥庄水文站以上小流域293个采样网格上、中、下三层土壤含水量数据。结果显示:垂向方向上,黄泥庄流域土壤水分时间稳定性随深度递减;流域上层和中层具备时间稳定性特征的代表性点具有较高的一致性,易发生于流域主要土壤和植被类型覆盖区域,在此区域布设测点观测土壤水,可以更准确快速地捕获代表黄泥庄流域上层和中层平均土壤水分特征;采样点7、17和215可作为上、中层土壤的流域平均土壤水代表性点,利用它们预测流域土壤水平均值,可降低观测成本。研究成果可为流域土壤水监测方案设计提供参考。     

喀斯特峰丛-洼地小流域洪水滞时及相似性分析

以两个邻近的典型喀斯特峰丛-洼地小流域(陈旗和长冲)为研究对象,选取26场不同量级流量的洪水过程,对比分析陈旗流域地表、地下两套水系及其与长冲流域洪水的滞时和相似性特征。结果表明:陈旗流域受洼地不透水/弱透水跃迁部位的"门槛效应"影响,地表河与地下河的洪水滞时和形态特征差异明显,地表河洪水涨落迅速,但峰现时间滞后于地下河;流域暴雨洪水涨落形态受地表河控制,与地表河洪水形态相似度高。长冲流域暴雨洪水过程与地表洪水过程相似,随着降雨量的减小,其洪水形态趋向于地下河径流变化特征;流域不透水岩石分布减小了含水层调蓄能力,流域洪水滞留时间短、暴雨洪水响应迅速。     

基于元数据分析的西北干旱区生态地下水位埋深及其影响因素

综合现有文献研究成果, 基于元数据分析方法研究不同植被的适宜、极限生态地下水位埋深。选择乔木、灌木 和草本等 3 种植被类型中的 13 种植物, 分析适宜、极限生态地下水位埋深的统计分布、生物多样性和丰富度指数, 推求生态地下水位埋深与植物根系和土壤质地的关系, 得出: 西北地区适宜和极限生态地下水位埋深均值分别为 2. 9、5. 5 m, 控制范围分别为 2. 3~ 3. 9、4. 0~ 7. 2 m; 适宜、极限生态地下水位埋深与植物根系具有显著的相关关系, 适宜生态地下水位埋深还取决于植物根系伸展速率与地下水位埋深下降速率的相对关系; 土壤质地控制毛细管上升高度及地下水位埋深以上水分供给能力, 是确定生态地下水位埋深的重要因子。     

淮河上游紫罗山流域枯水频率及退水规律分析

应用枯季径流退水规律预报枯季径流总量和径流过程是枯季径流预报最常用、有效的方法。但目前,尚未有一种通用的分布可以很好地模拟所有枯水径流。以淮河上游紫罗山流域为研究对象,以1952～2010年各年最小7 d平均流量作为枯季径流统计特征序列,采用P-Ⅲ,LP-Ⅲ,GLO,GPA,LN3和GEV 6种分布,利用适线法、矩法等进行参数估计,推求经验频率对应的理论线型计算值。利用概率点据相关系数、四阶线性矩系数、确定性系数,均方根误差和平均绝对误差5个特征统计量,比较各分布线型拟合情况,确定该流域枯水频率最优拟合线型为P-Ⅲ分布。此外,利用退水曲线法推求各年份退水系数与多年综合退水系数。结果表明:流域年退水系数在0.007～0.200范围内波动,其变化与降水无关,随着最小7 d平均流量的变小而增大,流域多年综合退水系数为0.08。研究成果对合理开发利用水资源、保护河流生态系统平衡具有现实意义。     

基于不同优化算法的土壤水分特征曲线模型模拟性能分析

土壤水分特征曲线反映了包气带土壤孔隙中水分质量与能量之间的基本关系,同时也间接反映出土壤内部的孔隙情况。土壤水分特征曲线模型对实测土壤持水数据的拟合效果不仅取决于所选用的模型,还依赖于对拟合算法的选取。基于UNSODA 2.0数据库中世界各地实测土壤持水数据,采用多种高效拟合算法(遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、差分演化算法)对4种应用广泛的土壤水分特征曲线模型(Brooks-Corey模型、van Genuchten模型、Kosugi模型、Biexponential模型)进行研究,旨在获取最适宜拟合土壤水分特征曲线的模型与拟合算法。结果表明:van Geunchten模型对较细和较粗质地土壤的实测持水数据拟合效果较好; Biexponential模型在中等质地土壤类型下的拟合效果较好;而Brooks-Corey模型拟合效果整体较差;粒子群算法与差分演化算法对土壤水分特征曲线的拟合效果最佳;模拟退火算法在运算效率上高于其他算法,当需处理的数据量较大时使用该算法可显著缩短运算时间。研究成果可以为农田水利、生态水文等研究中土壤水力参数的选取提供指导和参考。     

陆地蒸散发分割方法及影响因素研究进展

蒸散发（ET）是陆地水文循环的重要组成部分,蒸散发分割及其影响因素辨识在气象、水文和农业等领域均有重要意义。为研究不同蒸散发分割方法的适用性及不同时间尺度上蒸散发分割的影响因素,在总结不同蒸散发分割方法优缺点的基础上,探讨了日和季节两个时间尺度上蒸散发分割的影响因素。结果表明：水文气象和同位素方法适用于田间尺度,数值模拟方法适用于区域尺度;在日尺度上蒸腾和蒸散发比值（T/ET）与太阳辐射、土壤温度及植被类型（体现在气孔导度差异）等因素呈正相关关系,在季节尺度上T/ET与植被生长状况呈正相关关系,与降水（降水量和降水频次）及土壤含水量呈负相关关系。最后,总结了蒸散发分割研究中存在的不足,从蒸散发分割的方法和影响因素两方面提出了未来研究需要解决的关键问题,以期为蒸散发分割的研究提供参考。     

基于水文模型与遥感信息的植被变化水文响应分析

针对地表覆被改变带来的流域水文响应存在不确定性这一问题,为了探索我国南方山区植被变化下的水文过程时空演变规律,依据东江流域的土地覆被类型,结合野外调查试验与遥感数据提取典型植被特征信息,利用考虑水文、地形、土壤、植被等多要素综合的分布式水文模型DHSVM,对流域内各种典型覆被情景下的水文过程进行模拟,进而分析植被变化引起的径流、蒸发、土壤水变化的响应关系。结果表明:大面积人工种植桉树林,将会对流域水文过程产生较大影响,地表径流深比现状针叶林增大17.5%,蒸散发量减小18.1%,洪峰流量也有所增加,流域洪水灾害发生概率加大;当流域现有针叶林生态系统退化为草地时,多年平均径流量增加24.4%,蒸散量减少25.3%,不利于自然流域的水源含蓄;针叶林、阔叶林和混交林三类森林植被更替对流域的水文过程影响相比其他植被类型要小。研究成果为分析流域变化环境下的水文过程时空演变规律及其生态环境效应提供参考,对我国南方山区水资源管理规划和生态环境保护具有实际意义。     

基于MCMC和ES-MDA方法的地下水数值模型非均 质参数场及开采量的反演研究

马尔科夫链蒙特卡罗方法(MCMC)和多重数据同化集合平滑器方法(ES-MDA)近年来在地下水参数反演得到广泛应用，但对三维多层非均质含水层参数反演精度和计算效率还缺乏对比分析。本文构建了含有基于Karhunen-Loève展开的非均质参数场的潜水和多层承压水含水层案例，并建立了地下水数值模型和基于Kriging方法的替代模型，模拟含水层分层水头变化，探讨了基于替代模型的MCMC、替代模型和数值模型相结合的两阶段MCMC以及ES-MDA方法反演的含水层渗透系数以及开采量。结果表明，针对本文算例，在非均质参数和开采量的反演中，相比而言，两阶段MCMC反演参数精度更高，ES-MDA方法计算效率更高。本研究为地下水数值模型参数反演方法选择提供参考依据。