基于地理信息系统的生态水文模型研究进展

在明确生态水文学及生态水文模型概念的基础上,重点阐述了基于GIS生态水文模型数据集优化的研究进展,探讨了目前基于GIS实现生态水文耦合相关研究存在的显著问题,即尺度转换、耦合点和耦合方法.并根据当前问题阐述未来生态水文模型发展方向,建立大尺度和适用广泛的生态水文模型将是下一步研究的重点.     

生态水文双向耦合模型的研发与应用:Ⅰ模型原理与方法

陆地生态水文耦合的关键过程是以植被气孔行为调控的植物蒸腾-光合作用的双向耦合,并共同影响着水、能量通量、碳的收支平衡,构建陆地生态水文双向紧密耦合模型是研究其相互作用与反馈的重要基础。本研究基于分布式时变增益模型(DTVGM),改进并发展了其中水、能量通量、光合作用及植物生长等关键模块,耦合以CASACNP为基础的生物地球化学模型,提出了耦合模型的架构、模拟方法及模型主要原理和计算方法,构建了一个耦合陆面水文与生物地球化学循环的生态水文双向紧密耦合模型,为陆面水文-生物地球化学过程的模拟及应用提供基础。     

生态水文耦合研究进展

在明确生态水文学概念及其发展过程的基础上,重点阐述了生态水文耦合的研究进展,探讨了目前生态水文耦合研究存在的关键性问题,即生态水文研究内容和范围纷繁复杂,尚没有一套完整的理论体系.尺度转化是解决生态水文耦合的关键;生态水文学的机理探索是解决紧密耦合的基础;实现生态水文的紧密耦合是生态水文耦合研究的终极目标.文中还探寻并阐述了解决生态水文耦合模型的切入点,即物理参数传递和树木年轮法等.     

西部地区生态需水问题研究面临的挑战

生态水文学是20世纪后期逐步发展起来的一门新兴学科,生态需水是其中一个重要研究课题。生态水文学所倡导的理念、方法和研究目标,对生态需水研究具有重要的启示。在我国西部地区,干旱区植被对缺水的适应机制、植被格局成因的控制性因素、植被格局对水土流失和土壤侵蚀影响的量化、生态需水估算方法等是生态需水研究急需解决的问题。应该在深刻理解并尊重生态水文规律的基础上,遵循优先与重点保护的原则,以生态水文学为基础,加强实验机理研究,建立更符合实际的生态水文机理模型,这样才能正确把握生态环境建设的目标和方向,实现水资源的合理配置。     

基于BHM-EcoFlow模型的汉江中下游河段水文-生态响应关系研究

河流水文-生态响应关系是确定生态流量阈值的科学基础。针对当前河流水文-生态响应关系研究中生态数据不足且生态建模难度大的问题,建立了基于贝叶斯层次分析法的BHM-EcoFlow（Bayesian hierarchical modelling-ecological flow）模型,该模型将河流不同河段及同一河段不同站点间的先验知识与实测数据相结合,可有效利用短系列数据,实现河流水文-生态响应关系的模拟。采用汉江中下游干流2011年的水文、生态数据,模拟了浮游植物细胞密度与流量、混合层温度间的关系,计算了不同流量条件下各河段的浮游植物密度。结果表明：BHM-EcoFlow模型提高了短系列数据的可用性,对汉江中下游干流的水文-生态响应关系具有良好的识别能力,为确定生态流量提供了科学依据。     

流域水文过程与植被相互作用研究现状评述

从流域水文过程与植被相互作用规律、流域生态水文模型、流域生态水文对气候变化的响应三个方面,对国内外相关研究现状进行了总结分析。从中发现,当前流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象发展成以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。现关于流域水文过程与植被之间的关系研究多集中于单向作用的研究,如水文过程对植被的影响研究和植被变化对水文过程的影响研究,而对水文过程与植被之间的反馈机制以及对流域内土壤-植被-大气复杂系统的整体研究不足,缺乏对流域水文过程与植被相互作用机理的全面认识。有研究表明,气候变化已经影响到流域水文过程和植被生长,气候变化下的流域生态水文响应是水文学研究的前沿课题。水文学需要强化对流域生态水文机理的研究,只有在充分揭示流域生态水文机理的前提下,才能预测未来气候变化下的流域生态水文响应。生态最优性原理能够解释植被对外界环境变化的响应,从而被应用于描述植被与水文过程的相互作用。基于生态最优性原理的流域生态水文模型已逐渐成为生态水文学的研究热点之一。     

中国生态水文分区

在综合分析生态分区、水文分区、综合自然分区与水资源分区等相关研究的基础上,首次提出并界定了生态水文分区的概念.根据我国不同流域或区域的生态水文特征,提出了生态水文分区的原则,建立了生态水文分区的指标体系.以水资源三级区为单元,采用定性与定量的ISODATA模糊聚类分析相结合的方法,将全国划分为3个生态水文大区、36个生态水文区,并提出了各生态水文一级区与水有关的生态环境保护目标与准则,旨在为合理确定不同流域或区域的生态环境保护目标及河道外生态需水的计算方法和标准提供重要理论依据.     

流域水文过程与植被相互作用研究评述

从流域水文过程与植被相互作用规律、流域生态水文模型、流域生态水文对气候变化的响应三个方面，对国内外相关研究现状进行了总结分析。研究发现，当前流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象发展成以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性和交叉性学科。现关于流域水文过程与植被之间的关系研究多集中于单向作用的研究，如水文过程对植被的影响研究和植被变化对水文过程的影响研究，而对水文过程与植被之间的反馈机制以及对流域内土壤-植被-大气复杂系统的整体研究不足，缺乏对流域水文过程与植被相互作用机理的全面认识。研究表明气候变化已经影响到流域水文过程和植被生长，气候变化下的流域生态水文响应是水文学研究的前沿课题。水文学需要强化对流域生态水文机理的研究，只有在充分揭示流域生态水文机理的前提下，才能预测未来气候变化下的流域生态水文响应。生态最优性原理能够解释植被对外界环境变化的响应，从而被应用于描述植被与水文过程的相互作用。基于生态最优性原理的流域生态水文模型已逐渐成为生态水文学的研究热点之一。     

沙区微区集水过程及植被效应研究进展

在界定沙区微区概念的基础上,分析了沙区微区集水的形成、转化以及对干旱沙区生态水文方面的重要作用,综述了国内外对微区集水在土壤水文、土壤发育和微区植被生长等方面的研究动态以及沙区微区集水在农林业和生态修复上的应用,指出沙区微区生态水文过程今后的研究重点在于对微区水文过程做出更加准确的量化分析,提出沙区具有完整意义的水文模型,为准确定量评价沙区水分循环和生态恢复提供理论依据。     

西部地区生态需水问题研究面临的挑战

生态水文学是20世纪后期逐步发展起来的一门新兴学科，生态需水是其中一个重要研究课题。生态水文学所倡导的理念、方法和研究目标，对生态需水研究具有重要的启示。在我国西部地区，干旱区植被对缺水的适应机制、植被格局成因的控制性因素、植被格局对水土流失和土壤侵蚀影响的量化、生态需水估算方法等是生态需水研究急需解决的问题。应该在深刻理解并尊重生态水文规律的基础上，遵循优先与重点保护的原则，以生态水文学为基础，加强实验机理研究，建立更符合实际的生态水文机理模型，这样才能正确把握生态环境建设的目标和方向，实现水资源的合理配置。     

环境流量研究的前沿问题与挑战

为了应对水文、气候和生态系统变化背景下环境流量研究的新挑战,梳理了国内外环境流量研究成果,指出目前环境流量研究主要存在5个方面的不足,也是该研究目前的前沿问题与挑战:①全球环境变化与非稳定性;②生态水文过程的动态模拟,重点是水文情势静态评价向动态特征评价研究的转变;③生态水文关系的时空特性,重点是生态系统状态、过程变量和物种特征的耦合研究,环境流量的生态特征和时空尺度研究;④环境流量评估的关键指标;⑤环境流量预测的生态学延展。为解决这些问题,提出了人类世背景下环境流量研究的发展方向,认为未来环境流量研究应加强生态目标的动态适应性管理,加强局域到区域的生态学基础研究,完善基于过程的生态水文响应机理,强化环境流量分阶段实施的非水文指标耦合,加强适应性管理方式下的环境流量评估和实践,以保障适应性管理框架下的生态完整性。     

变化环境下渭河流域生态水文情势演变归因研究

采用生态最相关水文指标(ERHIs)评估渭河流域生态水文情势改变程度,通过主成分分析法筛选出7个指标作为渭河流域的ERHIs,并基于可变下渗容量模型的“观测-模拟”对比分析法对渭河流域生态水文情势演变进行定量归因。结果表明:咸阳水文站和华县水文站径流序列呈显著下降趋势,1990年是径流序列的突变点；咸阳站和华县站实测ERHIs综合改变度为41%和34%,模型模拟的两站ERHIs综合改变度均为18%；气候变化和人类活动导致渭河流域水文情势发生改变,两者对咸阳站ERHIs综合改变度的贡献率分别为44%和56%,对华县站的贡献率分别为53%和47%。     

引水调度对东沙湖生态水文要素的影响

为了科学评估引水调度的生态水文效应,以大东湖水网中的东沙湖为典型研究对象,从控制水体富营养化的角度,选取最大流速、平均流速、流速＞0.01 m/s的水面比例、水龄、换水率共5个指标作为关键生态水文要素,通过构建的东沙湖水动力模型,模拟得到引水调度前、后共计6种工况下,东沙湖流速、水龄的空间分布情况,统计得到各工况下的关键生态水文要素值。对比结果表明:引水调度后,东沙湖最大流速、平均流速、流速＞0.01 m/s水面比例、换水率等生态水文要素均明显增加,水龄明显降低。研究成果表明引水调度能有效影响东沙湖生态水文条件,可为开展湖泊生态调度提供参考依据。     

三峡初期蓄水对典型鱼类栖息地适宜性的影响

三峡工程是长江中游干流最大的骨干工程，蓄水后下游水文情势发生明显改变。分析水库运行后下游水文情势的改变情况，将为了解大型水利工程对河流健康状况的影响程度和开展生态保护提供有意义的信息和帮助。本文选择宜昌站作为研究对象，并以中华鲟和四大家鱼为典型代表物种，研究三峡工程初期蓄水对下游生态系统的影响。结果表明，三峡工程蓄水运行后，(1) 坝下宜昌站生态水文条件发生明显变化，主要表现为多年平均水温上升，多年平均流量、水位和含沙量下降；(2) 非汛期的水温以及汛期的流量、水位和含沙量月径流过程明显改变；(3) 下游生态水文条件的改变，导致中华鲟鲟卵孵化适宜度和四大家鱼产卵适宜度明显降低；(4) 栖息地内生态水文条件的变化是影响中华鲟鲟卵孵化和四大家鱼产卵行为的关键因素，而不是影响中华鲟产卵和四大家鱼鱼卵孵化的关键因素。     

基于 IHA － ＲVA 法金沙江下游生态水文情势评价

为了定量评价长江上游鱼类保护区河流生态水文情势的变化,选取金沙江下游屏山水文站( 1956—2012 年) 逐日流量数据,采用 Mann － Kendall 法、累积距平法和滑动 T 检验法进行流量特征分析,并应用生态水文指标变化范围法( ＲVA) 以及水文改变度法,综合评价了长江上游鱼类保护区河段生态水文情势变化及其对河流生物多样性的影响。结果表明: ( 1) 屏山站年均流量总体呈现微弱增长趋势,突变年份出现在 1997 年,表明 1997 年以来气候变化和人类活动尤其是水电开发对长江上游水文影响加剧; ( 2) 金沙江下游屏山站的整体水文改变度为 51% 左右,属于中度改变,其中流量下降率和逆转次数受影响最为明显; ( 3) 水电工程建设一定程度上改变了长江上游河流生态水文情势,导致了长江上游鱼类数量减少。研究成果能够为长江上游河流生态保护以及开展水库生态调度提供参考。     

便携式生态水文实验与监测系统(Eco-monitors)的集成与应用

生态水文实验与监测装置的研制对生态水文过程模拟、参数获取与结果验证具有重要意义。在合理创新基础上,构建了便携式生态水文实验与监测系统(Eco-monitors)。Eco-monitors由植被覆盖度动态获取系统(VC-DAS)、便携式光合作用测量系统、便携式人工模拟降雨装置、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置等功能模块组成。Eco-monitors及其各功能模块的集成与设计重点突出便携性特点,既包括现有产品如便携式光合作用测量系统、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置;也包括自主创新部分如植被覆盖度动态获取系统(VC-DAS)采用摄像头方案代替传统的数码相机,便携式人工模拟降雨装置采用人工压力泵,克服了蓄电池或电力传动装置供电要求高且难以携带的限制。Eco-monitors在多项研究项目中得到了成功应用。     

河流连通性及其对生态水文过程影响研究进展

为研究流域水资源开发利用对生态系统和水资源承载力的影响,梳理了河流连通性的内涵、分类及评价方法,并着重探讨了河流的纵向连通性,从水质、水量和生物3个方面剖析人工构筑物对水生态系统的影响机理。认为河流连通性是一个具有4维尺度的概念,即1个时间维度、3个空间维度,影响生态水文过程及群落结构的抵抗力与生态系统整体的稳定性,对其评价应该考虑时空变异性。指出后续的研究方向为:从指示物种层面进一步明晰河流连通性程度与生态水文过程的交互影响机理;统一河流连通性程度定量化评价方法和标准,增加不同河流、同一河流不同时期之间的可比性,为面向水资源承载力提升的河流可持续开发与保护提供理论基础。     

玉符河生态修复目标及方案研究

分析济南市玉符河存在的主要生态环境问题,采取样点调查方法,寻找玉符河生态水文规律,提出玉符河生态修复的目标和方案,建议在玉符河生态恢复过程中进行长期的水文与生物监测,注重本底资料的完善与积累,以便为我国河流生态修复提供借鉴。     

三门峡水库运行水位对湿地水文过程影响研究

通过对三门峡库区湿地生态系统的水文过程及主要影响因素的调查和分析,研究水库运行水位变化对湿地生态系统水文过程的影响及主要生态效应,为恢复和维持河流生态系统健康提供依据.研究发现,降低水库运行水位,库区湿地面积将大幅度减少,湿地生态需水供给受阻,湿地生境状况出现不利变化,部分湿地将丧失原有的生态功能;湿地生态系统的水文过程变化将导致湿地多样性和景观结构、格局发生明显变化,严重影响区域的景观格局和生态安全;水库运行水位降低,将使库区周边地下水位降低,使地下水的供需平衡更趋恶化.鉴于生态问题的复杂性,需要对运行水位的生态效应进行长期、全面研究,以便采取有效的控制措施和对策.     

分布式水文模型中模块分解与组合的理论研究

在分布式水文模型的开发和应用过程中，如何相互借用已有模型的模块(即互操作)，组合成新的模型是其中的主要挑战之一。开发模块化水文模拟系统并实现互操作，从而灵活有效地处理复杂的环境问题，将是未来水文模型发展的一个重要方向。本文以已有的分布式水文模型为基础，利用形式概念分析(Formal Concept Analysis，FCA)方法，识别模型中描述主要水文过程的基本方程，通过组合这些方程产生新概念，并形成概念格层次结构。作者采用Hasse图直观反映了新概念的层次结构，以此来指导设计者开发具有定制功能的模块化水文模型，力图实现模块的即插即用功能。文中以分布式水文模型中的地表产流过程为案例，描述了关联规则挖掘的全过程及其优化组合，验证了该方法可行性。