挠力河流域水基系统健康评价及指标体系研究

水生态环境遭到不同程度的破坏,流域健康状况越来越受到重视。水基系统的提出为流域健康评价提供了新的理论框架。现以挠力河流域为研究基点,根据其国家农产品主产区的特点,在水基系统的理论框架下,研究了适合该流域的健康评价等级标准,并依据指标选取5项原则、流域的自然经济状况构建了挠力河流域的水基系统健康评价指标体系。筛选了以农业生产和可持续发展为主导的评价指标集,分析了特定指标对该研究区域的适用性。所建立水基系统健康评价体系和指标集可为挠力流域的可持续发展提供技术支持。     

三江平原典型灌区近58年降水量及其丰枯特征分析

为获取三江平原龙头桥灌区降水的变化特征,根据龙头桥灌区1959～2016年的逐月年降水量的统计数据,首先,对龙头桥灌区近58年的总体降水量的统计参数进行求解,再运用滑动平均法得到降水量总体的变化趋势、其次应用M-K(Mann-Kendall)突变检验法对降水量突变的年份进行求解,并利用Morlet小波分析法得到总体降水量的变化周期,然后应用求得的结果对龙头桥灌区近58年来降水量的统计规律、趋势性变化、突变性变化和周期性变化特征研究分析。最终,利用1,3,6,12,24,36个月等多时间尺度的标准降雨指数(SPIn)求得龙头桥灌区总体降水量的丰枯程度状态变化特征,并分析了在多时间尺度下不同旱涝程度发生的频率。研究结果表明:龙头桥灌区1959～2016年的年降水量平均值为531.00mm,降水量年际间分配不均匀,且整体呈下降趋势,年际倾向率为-0.0172mm·a-1;年降水量在2012年发生明显的突变;龙头桥灌区年降水量周期存在多时间尺度特征,其年降水量具有18年和28年两个主要周期。随着SPI值时间尺度的增大,总体的旱涝变化特征越来越明显,其中12和24个月尺度能明显看出旱涝的周期变化,随着时间尺度的再增加其变化趋势无明显变化,最终得到龙头桥灌区干旱主要发生在1967～1969年和1977～1980年。通过不同时间尺度SPI值的比较和旱涝发生频率分析发现,龙头桥灌区58年来旱涝变化交替出现,正常年份发生频率在60%以上,极涝、极旱和重旱发生的频率不足5%。表明本研究区域属于雨量充裕区且适合灌区的发展。研究成果可为实现灌区多水源的高效利用、促进灌区水资源系统协调发展提供重要决策依据。     

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。     

膜下滴灌水氮耦合对烤烟综合效益的影响

为了寻求贵州烟区膜下滴灌条件下烤烟优质高产的水氮耦合方案,设计不同滴灌量与施氮量处理,观测不同处理对烤烟品质、产量和灌溉水利用效率的影响,计算不同处理膜下滴灌工程的经济效益(国民经济内部收益率,经济净现值,经济效益费用比),并引入主成分分析方法与熵权系数评价模型,对水氮耦合方案进行优选。结果表明,T5处理为膜下滴灌条件下综合效益最优的水氮处理,熵权评价值为0.934;T6次之;T7最差,熵权值仅为0.611。因此伸根期、旺长期、成熟期滴灌量12、16、12mm/次,施氮量75kg/hm2可作为贵州烟区膜下滴灌工程烤烟优质高产的水氮耦合方案。     

土地利用方式变化对水循环过程响应机制研究

以挠力河流域为研究区,利用1990年和2013年土地利用类型,结合基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的TOPMODEL模型定量评价了土地利用方式变化对水循环时空变化过程的影响。结果表明:基于LBM法的TOPMODEL模型可以很好模拟挠力河流域降雨径流水循环过程,对研究区具有较高的适用性;研究区林地、草地和建设用地面积变化不大,对于土地结构变化贡献比较小,而未利用地和旱田部分转为水田对土地结构变化贡献大;由于种植水田,导致5月到10月间的流域总蒸散发量增加、根系区缺水量减少、非饱和带缺水量减少、地表水量减少、地下水量增加;蒸散发增幅达8.9%,根系区缺水量降幅达10.5%,地表水量减少达43%;水田对水文情势影响的差异主要体现在水稻生育期的差异上,分蘖期对蒸散发量、根系区缺水量和非饱和带缺水量影响较大;水田灌溉对水循环过程的影响按变化幅度从大到小的顺序为非饱和带缺水量、根系缺水量、蒸散发量、入根系区水量、出根系区水量和地下径流量,其中入根系区水量差值和出根系区水量差值接近。     

实码加速遗传算法在天然河道水面线计算中的应用

传统的计算天然河道水面线的方法是试算法,迭代法和图解法等,这些方法的缺点是计算量大、精度不高,无法控制全河段误差,将其看作是全河段总计算误差,即一复杂非线性优化最小问题,运用实数编码的加速遗传算法求解天然河道水面线。并与传统的方法相比较,证明该方法具有计算收敛速度快、结果可靠、精度高等优点。     

投影寻踪等级评价模型在土壤质量变化综合评价中的应用

土壤质量动态变化研究是以土壤质量评价为基础，通过土壤质量指数的时空变化来反映。因评价实体、目标、指标体系的不同，评价模式（方法）也存在差异。由于涉及多个评价指标，所以属于高维数据处理问题。针对传统评价方法存在指标权重确定没有统一的理论和计算方法的不足，本文提出用基于实码加速遗传算法（Real coding based accelerating genetic algorithm，简称RAGA）的投影寻踪等级评价（Projection pursuit grade evaluation，简称PPE）模型。通过RAGA优化PPE模型中的投影方向参数，完成高维数据向低维空间的转换，即将每个样本的多个评价指标综合成一个综合指标，用倒S曲线建立投影寻踪土壤质量综合评价模型，从而实现对土壤样本的评价。     

土地结构改变对水土资源平衡的影响分析

依据FH69蓝图模型思想和基于微观理论的格子波尔兹曼法(LBM)改进了TOPMODEL,进而构建了基于LBM的栅格型(Grid)TOPMODEL(LBMGTOPMODEL)。在利用LBMGTOPMODEL描述流域水循环的基础上,采用GIS等技术,以栅格为单元,定量计算了挠力河流域1990年不考虑水田的土地分布和2013年考虑水田的土地分布等两类土地利用背景下的帕默尔干旱指数(PDSI),评价了土地结构变化对水土资源平衡的影响。研究结果表明:从1990—2013年期间挠力河流域草地、林地与建筑用地面积变化不大,耕地面积变化主要是未利用地和旱田转化为水田,耕地类型主要是旱地;水稻生育期内的5—8月上旬期间,旱改水田和水田下游坡面处其蒸散发量增加,补水量减小,失水量增加,适宜降雨量增加,使得挠力河流域蒸散常数增大,补水常数减小,径流常数增大,失水常数增大,气候特征常数增大;种植水田处和坡面上水田水流影响处适宜降雨量增加明显,使挠力河流域由轻微湿润地区变为不干不湿地区;在水田生育期的5—7月间随着时间延续,两种情况计算的干旱指数差值在变大;而8—10月间种植水田对干旱指数的影响在逐渐降低。该研究结果可为水田开发对区域水土资源平衡的影响和区域干旱评估提供借鉴和参考。     

土地利用方式对平原-丘陵-湿地交融区水资源的影响

近年来三江平原的平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式变化显著,造成地下水水位下降、水资源紧缺等问题,然而揭示该区土地利用方式变化对水资源影响的报道较少,且难于精准描述地表、地下、湿地和绿水等水资源量时空变化。本文联合基于格子波尔兹曼法的分布式TOPMODEL和湿地水流运动模型构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型,利用GIS和RS技术,结合地学信息图谱与空间自相关方法,分析了挠力河流域土地利用方式变化及其对水资源量影响。结果表明:根据耕地面积变化和动态度分布得1990—2013年间挠力河流域草地和林地面积变化不大,旱地面积轻微下降;挠力河流域中部与北部区域生产条件优越的未利用地和旱地转为水田;土地利用方式变化对水资源影响由强到弱的顺序为灌溉水田抽取地下水量、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量;水稻田不同生育期蒸发量不同,造成了挠力河流域5—6月期间绿水流量增加、绿水储量减少、径流深减少、补给地下水量增加和灌溉水田抽取地下水量增加等趋势,7—8月期间这一增加趋势逐渐减弱,8月后这一趋势结束;水田密集区域绿水流量大,绿水储量和径流深减少,而补给地下水量和灌溉水田抽取地下水量增加。     

佳木斯地区1956-2010年径流量时间序列变异分析

日趋频繁的极端天气和大规模的水资源开发对区域生态环境产生严重的影响,准确获取径流量时间序列的变化特征可为水资源的合理开发和水利水电工程规划运用提供科学的决策依据。采用趋势检验法、Mann-Kendall突变分析法和小波分析对佳木斯地区1956—2010年径流量变化的趋势性、突变性和周期性特征进行了深入的研究。结果表明:近45年来,佳木斯地区各季节及全年径流量的年际总体变化趋势的倾向率各不相同,春季、夏季、秋季及全年径流量呈明显下降趋势,而冬季径流量则呈缓慢上升趋势;各季节及年径流量的时间突变点基本一致,都分别发生在1967年、1972年和1998年左右;该地区四季及年径流量的周期变化特征差异较大,22年、13年、9年和4年左右尺度波动较为明显。