地理信息系统及其在水资源监控与管理实践中的应用

地理信息系统(Geographic Information System, GIS)具有高效的空间数据管理和灵活的空间数据综合分析能力,已在水资源管理领域得到广泛应用。随着我国水资源监控能力建设的逐步推进,地理信息系统在水资源监控领域应用得也越来越多。本文对GIS技术功能及发展历程进行介绍,重点对基于GIS技术的水资源监控与管理系统的开发应用情况进行综述。最后,对地理信息系统在水资源管理与监控中的发展应用提出了建议。     

三维多孔碳纳米材料用于烟用纸张中五氯苯酚的测定方法研究

目的 建立烟用纸张中五氯苯酚(PCP)的快速电化学测定方法。方法 基于沸石咪唑酯骨架(ZIF)的ZIF–8、ZIF–67具有相同的晶胞参数和同构性,以ZIF–8@ZIF–67为模板制备三维纳米多孔碳(NGPC)。利用NGPC的高比表面积以及优异的电子传递效率构建的传感器(记作NGPC/SPCE)对PCP具有很好的响应。结果 在0.86 V的检测电位下,NGPC/SPCE具有较高的灵敏度(2.452 µA.cm^?2.L.mg^?1)。传感器对PCP的检测具有良好的选择性。传感器对PCP检测具有较好的准确度和精密度。3个浓度梯度的回收率为95.7~98.6;6次测试结果的相对标准偏差为2.07%。传感器对PCP的检测具有较好的长期稳定性。同一传感器连续检测25 d后,仍保持原先88.1%的响应。结论 文中构建的传感器适用于对烟用纸张中PCP的检测,并能获得理想的检测结果。     

全球共享GPCP数据在长江中下游地区的适用性分析

应用GPCP(全球气候降水计划)数据与地面观测降水资料分析比较了1980年-2006年我国长江中下游地区27年年平均、季平均降水量的空间分布,并给出了1月、4月、7月、10月份两种数据的散点分布图及线性回归方程。结果表明:27年年平均、季平均两种数据具有较好的一致性,能够真实反映长江中下游流域降水的气候变化特征,其中夏季GPCP数据与台站资料差异较大,降水偏少的冬春两季,两者的一致性较高。4个月的相关性分析说明相关系数都在0.9以上,两者具有较好的相似性,7月份的相关系数为0.91低于其他3个月。在验证GPCP数据具有很好的适用性的基础上,分析研究了1980年-2006年长江中下游地区降水演变规律,线性趋势和差积曲线结果表明,20世纪80年代初到中期属丰水期,90年代属枯水期。M-K检验结果说明全流域年降水呈现下降趋势,长江流域内的各二级区年降水无显著变化;四季27年降水量的结果除汉江流域冬季呈显著上升,夏季呈显著下降,太湖流域冬季显著减少,长江中下游流域秋季显著下降外,其它季节无显著性变化。     

一种改进的参数区间选取方法及在WEP-L模型中的应用

分布式水文模型由于参数众多,各参数之间不能完全独立,在参数自动率定中存在部分参数的优选过程相互抑制情况。以WEP-L(Water and Energy transfer Process in Large river basins)分布式水文模型为例,基于GLUE算法推求模型参数的后验分布,将参数全局敏感性分析的Sobol方法与概念性水文模型的参数区间优选方法相结合,给出了在较少参数采样次数条件下分布式水文模型不完全独立的多参数自动优选方案,并在白河流域进行了应用。结果表明:(1)用GLUE算法推求参数后验分布,结合Sobol分析及参数的区间优选方法,可对WEP-L实现参数自动率定,模拟精度能达到0.633;(2)将Sobol全局敏感度分析与参数的区间优选方法相结合,可进一步优化参数区间确定的原则,提高模拟的精度。研究结果可为分布式水文模型的参数率定提供借鉴。     

取水监测优化布局技术研究

我国自2012年开始实施国家水资源监控能力建设项目,依据取水许可证登记的取水许可量,对规模以上的10 000多户取用水进行在线监测,但对于规模以下的取用水户由于量多面广投资巨大而缺乏监测。针对规模以下的取用水监测布局进行优化技术研究,在遵循科学经济的前提下,构建基于抽样效应的复杂抽样样本量计算模型,进行样本分配方式的优化选择和误差估计,并以典型省份的工业用水为例进行取水监测优化布局技术应用验证。结果表明:采用分层抽样技术不仅可以有效减少取水监测点的布局数量,降低取水监测成本,还有利于得到更优化的取水总量推算结果,研究对于全国各省份开展取水监测优化布设工作具有重要参考价值。     

耦合小波变换和偏最小二乘的悬浮物浓度和浊度高光谱建模方法

针对高光谱曲线中可能存在噪声以及传统半经验方法不能有效利用全部光谱信息的问题,提出了耦合Haar小波变换和偏最小二乘的水质遥感高光谱建模方法(Haar WT-PLS)。利用该方法,对在南四湖获取的实测高光谱数据经分解尺度为3的Haar小波变换后,将原始光谱数据压缩到47个特征变量;随后利用小波变换重构的光谱数据建立了悬浮物浓度和浊度的Haar WT-PLS反演模型,并进行了验证。结果表明:Haar WT-PLS反演悬浮物浓度和浊度精度较高,验证样本的均方根误差分别为25.05 mg/L和20.10NTU,平均相对误差分别为20.36%和13.88%。通过和单波段模型、一阶微分模型和波段比值模型进行精度对比分析,本文建立的Haar WT-PLS模型反演悬浮物浓度和浊度具有较高的精度和更好的稳定性。     

包装纸中五氯苯酚的快速检测

本文采用电化学法还原石墨烯,成功构建了安培型电化学传感器用于包装纸中五氯苯酚的快速检测。首先由改进的Hummers方法合成了氧化石墨烯,修饰于丝网印刷碳电极(SPCE)表面,然后通过一步电化学还原法制得还原石墨烯(rGO)修饰的SPCE(rGO/SPCE)。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)以及拉曼光谱仪等对合成的材料进行表征。得益于rGO对电极电子传递效率的改善,构建的传感器rGO/SPCE表现出对五氯苯酚(PCP)快速、高选择性的电化学响应,其线性范围为0.6～9.6mg L_(-1) (R2=0.994),灵敏度为0.9336μA·L·mg_(-1),检出限为0.032 mg L_(-1) (S/N=3),平均回收率为83.73%～94.3%。此外,传感器表现出较好的稳定性和重复性,有望为包装纸的绿色安全印刷提供技术支撑     

基于航空高光谱的囫囵淖尔水体浊度反演建模

针对机载 Headwall 高光谱成像仪对水质监测能力的验证, 利用 2018 年 9 月 17 日航空高光谱数据和 17 个准同步实测水体浊度数据分别构建囫囵淖尔水体浊度波段比值反演模型、一阶微分反演模型和偏最小二乘反演模型, 估算同日的囫囵淖尔水体浊度的空间分布。研究结果表明: 利用机载 Headwall 高光谱数据构建的 3 个浊度反演模型, 验证均方根误差 RMSE 均小于验证样本浊度的极值差 5. 3 NTU, MRE 均小于 10% , 机载 Headwall 高光谱成像 仪能够较好地观测水体浊度差异; 在囫囵淖尔, 基于 Headwall 高光谱数据的偏最小二乘模型建模精度高于波段比 值模型和一阶微分模型, 决定系数 R2 达到 0.95, 综合误差 CE 为 1. 74% , 最适用于囫囵淖尔水体浊度的反演; 2018 年 9 月 17 日囫囵淖尔东部水域浊度范围为 21. 2~ 54.4 NTU, 呈现出北低南高的趋势, 湖中心区域水体浊度较低, 南部水域受水中藻类的影响, 水体浊度较高。利用航空高光谱遥感影像实现了浊度的定量反演, 为航空高光谱遥感数据用于水质参数反演提供借鉴。     

基于离散粒子群和偏最小二乘的湖库型水源地水体悬浮物浓度和浊度遥感反演方法北大核心CSCD

用离散粒子群优选反演悬浮物浓度和浊度的特征波段,可减少水质参数偏最小二乘反演模型的输入参数个数和建模过程的不确定性,提高偏最小二乘反演模型的预测精度。以2014年7月21—23日在南四湖获取的水体实测光谱数据和同步水质分析数据为例,分别建立南四湖水体悬浮物浓度和水体浊度的偏最小二乘(PLS)反演模型和离散粒子群-偏最小二乘(NDBPSO-PLS)反演模型并进行验证。结果表明:经NDBPSO优选之后,反演悬浮物浓度和浊度的NDBPSO-PLS模型输入特征波段由PLS模型的370个分别减少到127个和134个,输入特征变量由PLS模型的60个减少到21个,反演悬浮物浓度和浊度的NDBPSO-PLS模型建模精度和预测精度均优于PLS模型。该方法可以有效提高PLS模型反演水体悬浮物浓度和浊度的精度。     

基于数据挖掘技术的遥感ET数据分析

以北京市房山区为研究区域,利用SAS数据挖掘工具,以遥感监测系统获得的海量ET数据和区域土地利用数据为数据源,分析了不同土地利用类型、不同时期ET的变化趋势及影响因素,结果表明:气温对ET的影响最大,气温和风速与ET呈正相关,降雨和相对湿度与ET呈负相关。SAS数据挖掘工具不仅能快速实现对海量数据的多样化统计分析,而且可以给用户展现丰富的图形,有利于对分析结果的解释和理解。