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。     

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。     

自然-社会水循环模型估算平原-丘陵-湿地区水稻种植潜力

自20世纪中叶以来在平原-丘陵-湿地区随着井灌水稻热的兴起,水稻种植面积急剧扩大甚至超过此类地区水稻种植潜力,引起了湿地面积萎缩、地下水水位下降和水质恶化等问题。为解决这些问题,该文构建自然-社会二元水循环模型揭示人类影响下的平原-丘陵-湿地区水循环机理,进而推算适宜的水稻种植面积。首先,利用数值法构建了基于栅格的分布式水文模型,然后在此模型中嵌入人类活动影响模型从而构建了二元水循环模型。根据水稻种植潜力阈值抽取河道水量极值、地下水最大埋深、地下水最大降深和最大地下水开采量等因素与旱田作物种类组合了18种情景模式。在满足控制阈值条件下,依据多年平均日降雨、蒸发和情景模式利用二元模型计算了各种情景的水田种植潜力,由潜力分析得:18种模式地下水最大埋深在5.17～7.49 m之间,地下水最大降深在1.67～3.73 m之间;水田处最大坡度范围0.028～0.053;河道引水量占河道水量的50%～70%;地下水开采比例在79%～112%间;水稻种植潜力为28.36万hm~2～54.12万hm~2,来自旱地面积为21.05万hm~2～40.32万hm~2,来自未利用地面积为5.68万hm~2～11.09万hm~2。以情景模式17为例在水田生育期内对河道生态需水量、地下水水位和旱地作物蒸发等进行了检验,验证得到:整个水稻生育期内分区流域地下水埋深均小于7.12m,开发水田的分区流域基流比最小值为33.45%,分区流域旱田平均蒸发与1990年土地类型情景下的分区流域旱田平均蒸发的比值大部分位于0.98～1.05,说明水稻生育期内情景17对河道水量和地下水水位的影响在控制范围内,对旱田蒸发影响比较小,因此情景模式17的水稻种植潜力是可行的。研究可为描述平原-丘陵-湿地区的水文循环过程和推求水田开发潜力提供依据。     

挠力河流域丘陵-平原-湿地区径流变化驱动力分析

为了减少或者防止丘陵-平原-湿地区蒸发变大、径流减少和湿地退化等问题产生,有必要找到丘陵-平原-湿地区径流变化的驱动力。该文针对这种情况选定典型丘陵-平原-湿地区挠力河流域为研究对象,识别研究区水文气象、降雨径流关系、覆盖类型和旱田作物种类等径流影响因素的变化情况,利用情景模式反映影响因素的组合情况,将情景模式输入水文模型,分析径流影响因素及其变化对水文循环过程和径流的影响。结果表明:研究区域降水变化是径流变化的关键驱动力,降雨与径流总体上均呈递减趋势,并且径流深的递减趋势强于降水量的递减趋势;径流减少影响因素除了关键性因素降雨外还有其他因素在起作用,并且影响在逐渐增强;气候变化也是径流变化的重要驱动力之一,1965—2014年期间夏季和秋季的气温、水汽压、日照和风速等都存在显著增加趋势,春季的气温和水汽压显著升高,春季的风速在降低;1965—2014年期间流域蒸发在5—10月间并不是总是随着气温、日照、水汽压和风速等增加而增加,在某些时段某些覆盖类型蒸发量存在减小的现象;集水区域内覆盖类型变化是径流变化的重要驱动力之一,未利用地转变成旱地、旱地转换为水田以及农业产业结构的调整,加速了研究区内流域蒸散发,导致径流深的递减速度加快,同时引起了径流深对降水响应的异常;降水、气候因素和土地覆盖类型等综合影响着蒸发、根系区含水量、非饱和带含水量和径流等水循环过程因素的时空变化。     

nZVI/PMS去除污染物机制及应用过程中控制参数对去除效果的影响

通过液相还原法制备纳米尺寸零价铁,并对其作SEM和XPS表征,分析纳米零价铁与过氧一硫酸盐反应前后结构和元素价态变化,纳米零价铁表面被氧化;以阿特拉津为目标污染物,过氧一硫酸盐为氧化剂,甲醇和叔丁醇作为自由基淬灭剂,结合反应过程中过氧一硫酸盐浓度变化和反应后溶液中铁含量推测纳米零价铁活化过硫酸盐降解阿特拉津反应机理,·SO4-和·OH均是降解阿特拉津主要氧化活性物种;以微米零价铁为对照,探究零价铁尺寸对阿特拉津降解效果的影响,零价铁尺寸越小,活化PMS效果越好;对纳米零价铁作两次回收使用,讨论其重复使用可能性,两次回收后纳米零价铁仍保持良好活化效果.     

联合改进TOPMODEL和PDSI的半干旱区干旱评估模型构建

针对近年来半干旱区春旱不断,严重影响粮食产量,而应用于半干旱区的分布式水文模型和干旱评估模型较少且普遍存在物理基础不强、通用性较差的现状,该文以松嫩平原北部半旱区典型流域为依托,研发半干旱区栅格型水文模型及旱情评估模型。该水文模型的产流过程是运用格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method,LBM)建立的非饱和带和饱和带水流运动数值模块,而汇流过程则运用LBM方法求解坡面和河道水流运动方程建立的汇流数值模块,在栅格区域内各模块按松散耦合方式构建了基于LBM的栅格型TOPMODEL(LBMGTOPMODEL)。从水文循环角度,结合水文模型LBMGTOPMODEL和帕默尔干旱指数(Palmer drought severity index,PDSI),通过模拟半干旱区典型流域洮儿河的水循环过程各要素的时空变化来建立半干旱地区的干旱评估模型。结果表明:由次洪模拟得径流相对误差绝对值平均值为4.45%、洪峰流量相对误差绝对值平均值为5.00%、确定性系数均值为0.76,可得构建的LBMGTOPMODEL水文模型能较好地模拟洮儿河流域水文循环过程;气象、补水、径流、失水和气候特征等气象水文常数均呈现出一定空间分布状态,其中气候特征常数分布在0~7.23,差异性明显;气象水文常数均值随着计算时段的取值而变化;应用构建的半干旱区评估模型对研究区的干旱情况进行了评估,评估结果与洮儿河流域实际情况接近;将构建的干旱评估模型评估的干旱情况和单一因素干旱指标降水距平指数计算的干旱情况与实际情况相对比,得出基于分布式水文模拟的PDSI指标能更好地反映水文过程中多种因素对干旱的影响和干旱的时空演变过程,为旱情评估提供参考。     

基于网络教学的“水力学”教学模式研究

目前,国内网络教学模式研究有停滞不前的隐患,需要加大探索与关注。东北农业大学水利与建筑学院借助现有网络平台,建设高校水利专业基础课"水力学",以网络教学交互视角为切入点,基于学习主体、教学团队、教学平台、教学资源、教学政策五要素,剖析影响网络课程教学效果的制约因素;以"现代水利建设人才需求"为导向,合理搭建水利类专业创新人才培养的多学科交叉平台、自主科研创新平台、产学研合作实践平台和拔尖创新人才培养平台,设置方向模块,构建全方位-多层次网络教学体系;探究立体化网络教学模式。实践证明,"水力学"网络课程教学成果显著,为高校水利专业课程教学优化提供了可操作性建议。