海河流域极端降水时空变化规律及其与大气环流的关系

为了解海河流域极端降水时空变化规律,基于海河流域40个气象站1960～2016年逐日降水资料,采用线性回归、M-K趋势检验法、Pearson相关性分析法,分析了海河流域近57年来10个极端降水指数的时空变化及其与大气环流的相关性。结果表明,除了持续干期(CDD)和持续湿期(CWD)外,大多数极端降水指数多年平均值在空间上呈自东南向西北减少的分布规律,CDD呈现自北向南减少的规律,CWD呈现自东南向西北增加的规律;在时间变化上,所有极端降水指数均呈下降趋势,只有最大一日降水量(RX1day)的下降趋势显著;在空间变化上,除中雨日数(R10mm)和降水强度(SDII)呈上升趋势的站点与呈下降趋势的站点个数相同外,多数站点各极端降水指数呈下降趋势;除CDD与其他极端降水指数相关性较弱外,各极端降水指数的变化具有较好的一致性;除CWD外,极端降水指数与厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)现象关系密切,而AO(北极涛动)和NAO(北大西洋涛动)是CWD变化的重要因素。研究成果对于海河流域水灾害防治及水资源配置有重要意义。     

海河平原区浅层地下水位健康修复目标研究

随着南水北调通水、地下水超采综合治理等措施实施,海河平原区地下水位下降态势得到初步缓解,在此背景下,如何确定地下水位修复目标十分迫切。本研究在已有生态地下水位概念基础上,提出适应于强人类活动区-海河平原区的健康地下水位概念,并将健康地下水位作为研究区地下水位修复目标。根据地下水位波动变化对生态环境的影响,将健康地下水位分为维持地表水体健康地下水位、遏制海水入侵地下水位等七类功能型健康地下水位,在现有研究方法和研究成果基础上,采用机理研究、统计分析、实践调查等方法确定各功能健康地下水位临界阈值。研究建立了兼顾地下水多功能属性的空间分布式健康地下水位量化方法,确定了海河平原区健康地下水位上限和下限。并对海河平原区现状地下水位健康状态进行诊断,依据诊断结果建立地下水管理分区,为研究区水资源管理提供支撑。     

滦河流域径流系数时空变化特征及影响因素研究

利用滦河流域的长期水文观测资料，分析流域径流系数的时空变化特征，可为区域水资源的合理开发提供依据。采用相关系数法和滑动T检验法对滦河流域的径流系数进行趋势性和突变性检验，并揭示径流系数的时空变化特征和影响因素。结果表明，滦河流域的径流系数整体上为减小趋势，子流域径流系数值差异显著，但大部分子流域的年径流系数值为0.1～0.3。流域各分区的径流系数值呈现出高原区最小，山区丘陵区居中过渡，平原区值最大的空间分布特点。降雨是流域径流系数减小的主要气候因素，土地利用类型和植被覆盖度是导致各分区径流系数改变的主要下垫面因素。     

1985—2020年京津冀平原水面面积演变特征及归因分析

在国家复苏河湖生态环境的要求下,分析京津冀平原区长序列水面面积变化特征及变化原因,有助于科学制定区域生态补水量及预测补水效果。研究通过3期土地利用数据融合确定了京津冀平原区的水域面积,基于GEE(Google Earth Engine)云平台提取了1985—2020年京津冀平原区长序列水面面积,并分析了水域面积填充率及水面面积演变原因。结果表明,京津冀平原区水面面积呈增加趋势,与1985年相比,2020年中部平原区水域面积填充率由3.6%增加到18.5%,滨海平原区水域面积填充率由30%增加到45%;生态补水是河湖水面面积增加的主要原因,2020年较2001年中部平原区水面面积增加了176 km²,本地和南水北调生态补水的贡献占到84%。进一步以河湖复苏为目标,从水域面积填充率的角度设置了不同情景,分别估算了不同情景下的河湖生态需水量,为未来生态补水计划提供参考。研究成果系统分析了京津冀平原区水面现状及生态补水的效果,对京津冀平原区开展合理河湖复苏措施具有重要意义。     

自然和社会水循环的能量驱动机制及其综合评价

为揭示流域自然水循环和社会水循环演变动力机制，基于自然水循环和社会水循环能耗过程解析，研究了能量输入与水循环通量的定量关系。在剖析能量驱动水循环的物理基础、科学内涵和驱动过程的基础上，提出了自然水循环驱动能量和社会水循环驱动能量的评价方法，并在包括海河流域在内的10个全国一级流域应用。结果表明：相变和位移是水循环运动的本质，不同能量对水循环驱动方式具有一致性，单位面积社会水循环与自然水循环的驱动能量比能够反映人类对流域水循环的干扰程度；2020年10个一级流域中海河流域单位面积社会水循环与自然水循环驱动能量比最高(0.19),西南诸河流域最低(0.02),1980—2020年海河流域单位面积社会水循环与自然水循环驱动能量比平均为0.21;人工能量过度输入导致水循环加速是引发社会水系统失衡的主要原因，调控社会水循环输入能量是维系健康水循环的关键。     

基于多目标的海绵设施空间布局优化决策

气候变化和城市化加剧了城市洪涝和非点源污染的风险。为了适应气候变化，基于自然的解决方案“海绵城市”正在中国全域化推广。如何规划设计海绵设施使其充分发挥多元化效益成为海绵城市有效建设的关键。研究基于NSGA-Ⅲ算法和SWMM构建了多目标优化耦合模型，采用TOPSIS方法筛选出优化方案，并对优化方案在丰、平、枯等不同水文年型下的水文环境效益及灌溉用水需求进行分析。该方法被应用于山西大学东山校区，研究结果表明：3种优化方案在典型水文年型下均能发挥较好的水文和环境效益，年径流削减率均值为68.3%,SS削减率均值为83.7%;最接近理想解的方案S1灌溉需水量最大，均值约22.8万m³,而植被海绵设施占比较大的方案S3雨水利用量最大，均值约14.1万m³。