地表水地下水耦合模型在大型山丘平原交错区的研发与应用

大型山丘平原交错区复杂的自然地理和人类活动特征增加了水文循环研究和水资源评价、管理的难度,地表水地下水耦合模型作为流域/区域水文循环模拟的重要工具,为解决这类大型区域诸多水文水资源问题提供了便利。针对目前地表水地下水耦合模型难以兼顾精度和效率的问题,论文提出了一种新型半松散耦合机制,将三维有限差分地下水流数值模型嵌入半分布式水文模型MODCYCLE,摒弃了目前流行的水文响应单元(HRU)与地下水网格单元空间和信息转换方式,通过建立子流域—网格单元的空间关联和地表水文—地下水流之间的实时信息交互,实现大型山丘平原交错区的地表水地下水耦合模拟。在三江平原构建了模型并开展应用研究。校验评估显示,模型达到了良好的模拟效果,具备了水文循环现状模拟和预测未来的能力。最后,利用该模型输出分析了三江平原2002—2014年的地表水地下水转化关系。结果表明,降水量和农业灌溉量的增加导致全区域土壤水蓄量年均增加6.51亿m³,但却使地表水和地下水储量分别减少0.99亿m³/a和3.03亿m³/a,降水量的增加并没有通过产流和入渗补给改善因用水急剧增加引起的地表水、地下水衰减的趋势;不同分区的降水入渗补给系数和基流指数差异显著,是多种自然和人为因素综合作用的结果。相关成果可为类似地区水文循环研究和水资源评价工作提供参考。     

SWAT与MODFLOW模型耦合的接口及框架结构研究及应用

目前水文科学研究的热点是采用水文模拟途径,在确定水文变化基准期的基础上,利用流域水文模型还原人类活动影响期间的天然径流量,定量评价气候变化和人类活动对流域水资源变化的影响,得出气候变化及人类活动对流域水循环过程影响的响应规律和机理,其中应用最为广泛的流域水文模型是SWAT模型和MOD-FLOW模型。首先分析将SWAT模型与MODFLOW模型耦合进行地表水与地下水联合模拟的必要性,然后对实现这两种模型耦合中的单元转换等接口问题及框架结构作了重点研究。由于SWAT模型和MODFLOW模型模拟的最小计算单元分别为水文响应单元(HRU)和网格(CELL),使得要实现SWAT模型与MODFLOW模型的耦合必须首先完成HRU与CELL之间的转换,即实现SWAT与MODFLOW模型耦合的接口,因此提出了一种在Arc-SWAT2005环境下实现HRU与CELL转换的方法,给出了SWAT-MODFLOW耦合模型的框架结构,并将该方法应用到浑河与太子河流域,为其进行地表水与地下水联合模拟奠定基础。     

基于网络分析的湿地水文关系研究——以美国奥克弗诺基流域为例

湿地与周边水文系统通过复杂的水文过程相互联系和影响,具有整体性和复杂性.研究湿地与周边水文系统相互作用过程和机理,对湿地保护和恢复起着重要的作用.以美国奥克弗诺基(Okefenokee)流域为案例,构建包含沼泽地表水、沼泽地下水、高地地表水和高地地下水4个水文子系统的流域水文网络模型,采用生态网络分析方法中的效用、控制和单位元分析研究水文单元间作用关系.控制分析的结果显示,高地地表水和地下水两个子系统对沼泽地表水和地下水子系统的支持程度达到100％.无论是沼泽还是松林高地,其地表水和地下水之间存在高度的相互依赖和互补性.效用分析结果表明,沼泽地表水和高地地下水之间存在着互利的水文关系.而单位元分析结果显示,沼泽地下水深层渗漏和高地松树生态系统的蒸散过程是袭夺流域湿地系统水资源的重要一环.上述结果表明,生态网络分析方法可以有效地分析水文单元之间的作用过程、描述水文单元之间直接和间接的水文关系,可以用于流域湿地水资源管理.     

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型 (DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元 (网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。     

基于稳定同位素的海河源区地下水与地表水相互关系分析

对海河流域源区的丰、枯水期降水、地下水、河水进行取样测试,分析了海河源区不同水体氢氧稳定同位素组成及水化学的时空分布特征,同时运用同位素二元混合模型对典型采样点地表水地下水间的相互作用进行了定量分析。结果表明：① 丰水期地下水及地表水δD和δ¹⁸O及总溶解性固体(TDS）表现出显著的空间差异性,而枯水期只有地下水的同位素组成及水化学特性表现出空间差异。②研究区的地下水水化学类型以Ca-HCO₃·SO₄、Ca-HCO₃型为主,丰水期河水与地下水化学类型较为相似,枯水期地下水化学类型与同时期的河水及大气降水的水化学类型存在显著的差异,说明枯水期地表水与地下水之间的转化关系不明显。Gibbs分析结果表明,控制海河源区水体化学性质的主要影响为岩石风化作用。③枯水期地下水受其他水体影响较弱,而丰水期河水及大气降水对地下水具有显著的补给作用,3个源流区中西源的地表河水对地下水影响最显著。     

水系统综合管理与模拟工具(WIM)的设计与开发

大规模的人类活动已经将不同流域连接为一个整体系统,针对跨流域复杂水问题的研究,从科研和管理的角度,迫切需要发展集多源数据集成、水循环过程模拟和决策支撑为一体的水系统综合管理与模拟平台。本文面向国家需求,采用面向对象设计方法,基于GIS平台创建了具有自主知识产权的WIM(Water system Integrated Modeling and Management Tool)系统。WIM是一个基于模块化结构的水系统综合管理与模拟工具,实现了水循环多源数据集成和多过程耦合模拟,具有数据动态加载、模型在线耦合和模块按需定制等功能。WIM提出为复杂水问题的研究,跨流域调水对陆地水循环影响与水安全分析提供了支撑,促进了中国在水循环综合模拟与系统集成等方面的科技发展。     

LASCAM水文模型在流域生态水文过程研究中的应用——模型理论基础

LASCAM水文模型是一种大尺度分布式概念水文模型,介于高精度分布式水文模型和集总式经验模型之间,是基于亚流域空间单元建立的中等精度的分布式概念模型。LASCAM模型在亚流域空间单元定义了3个概念性土壤水库,在经验方程的基础上:①建立亚流域各土壤水库与亚流域生态特征(LAI)和气候(降雨)之间函数关系;②通过对亚流域的降雨-植冠截流过程、地表产流过程、表层入渗-亚表层产流过程、亚表层入渗过程的模拟,揭示降雨在亚流域的(地表和亚表层)径流和入渗等环节的再分配过程;③基于亚流域各土壤水库的水量(水位)建立了各土壤水库之间的水通量过程方程;④建立亚流域各库的蒸散发与生态特征(LAI)之间的函数关系模拟各库的蒸散发过程。最后,通过河道径流演算法则,并依据亚流域与流域总体之间的分布式关系,将各亚流域的径流汇总到整个流域,从而将亚流域空间的水文响应扩展到流域整体空间上,实现了大尺度异质性流域的水文过程和水量平衡模拟。     

中国地下水资源系统三级分区及其在海河流域的应用

地表水与地下水是水资源系统中的两个重要组成部分,由于水体在地表与地下介质中的运移和储存方式不同,在水资源评价中所采用的模型和计算方法各异。中国第一轮水资源评价中,仅全国地下水资源总量一项,不同部门评价计算的结果年资源总量差达1000×108m3/a[1](占全国地下水资源总量的1/8左右),这个数据相当于中国正在组织实施的南水北调工程的总调水量的一倍以上。作者认为在中国第一轮水资源评价中,地表水采用流域分区进行评价,地下水则采用水文地质单元的分区方法进行评价,是引起中国水资源总量误差问题的根本原因。由于自然界的四水转化关系十分复杂,分别采用地表水流域评价法或水文地质单元评价法,都无法避免水资源总量评价的误差问题。论文通过研究提出中国水资源三级评价分区方案,在地下水资源量评价中采用一二级按流域分区与地表水系统取得一致,三级按地下水单元分区的方法,解决中国新一轮水资源评价的误差问题。     

海河流域分布式SWAT模型的构建

本文基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)构建海河流域分布式水文模型。针对海河流域的特点,对 平原区河网和入海口进行合理概化,对土壤类型和土地利用方式进行重分类处理。应用1995~2002 年水文气象系 列资料和下垫面空间分布信息,对模型的参数进行优化和灵敏度分析,最后选取多个站点对模拟结果进行检验与 分析。研究成果为SWAT 模型在国内复杂大流域的应用提供了范例,也为海河流域变化环境下的水资源与水环境 综合管理提供重要的水文学基础支撑。     

基于分布式模拟的流域水平衡分析研究——以海河流域为例

流域水平衡分析是进行水资源科学评价与合理配置的基础,传统的流域水平衡分析大多是基于有限的站点观测资料和简单的集总式模型,很难适应考虑水循环空间变异性的复杂大流域水资源综合管理的需求.本文基于分布式水文模拟技术,探讨了一种能够考虑流域内部上、下游关系的水平衡分析方法.并以海河流域为例,构建分布式SWAT模型,对海河流域及水资源三级分区的水平衡状况进行分析,在此基础上探讨海河流域维持健康水平衡关系,降低流域蒸发,进行农业真实节水的必要性和有关对策.     

海河流域水资源短缺风险研究

本文对海河流域水平衡和水资源短缺风险进行评价。文章采用研究时段为1994-2007年,作者首先研究了海河流域的水量平衡问题,并提出了流域非用水消耗量的概念和计算方法,经过分析,计算得出海河流域多年平均非用水消耗量为5.91×109m3。通过建立水资源短缺风险的评价方法,得出海河流域1994-2007年处于缺水量较多、缺水风险较高的时期,计算出缺水风险率、恢复性指标、稳定性指标和脆弱性指标分别为0.786、0、0.154和0.173。在考虑社会系统应对措施的条件下,水资源短缺风险将会显著下降。考虑南水北调工程对于该地区的影响,分别考虑在50%和75%两种来水水平年下,如果南水北调工程一期（2014年）的来水量为5×109m3,未来该地区的水资源短缺风险会从0.229-0.297下降到0.152-0.234。     

基于分布式模拟的流域水平衡分析研究——-以海河流域为例

流域水平衡分析是进行水资源科学评价与合理配置的基础,传统的流域水平衡分析大多是基于有限的站 点观测资料和简单的集总式模型,很难适应考虑水循环空间变异性的复杂大流域水资源综合管理的需求。本文基 于分布式水文模拟技术,探讨了一种能够考虑流域内部上、下游关系的水平衡分析方法。并以海河流域为例,构建 分布式SWAT 模型,对海河流域及水资源三级分区的水平衡状况进行分析,在此基础上探讨海河流域维持健康水 平衡关系,降低流域蒸发,进行农业真实节水的必要性和有关对策。     

华北地区水循环与水资源安全:问题与挑战

华北缺水及其日趋严重的生态环境变化是中国首要解决的问题之一。目前,由于山区与平原径流明显减少和过量开发水资源,造成了地下水漏斗加深、平原区河道干涸、湖泊湿地萎缩、地表和地下水污染等生态环境恶化问题,严重影响到华北地区水资源安全,已引起党和国家的高度重视。本文以海河流域为重点对象,通过国内外学科前沿进展综述,指出华北地区缺水及其导致的生态环境恶化问题背后的自然和人文因素作用与发展演化的背景,强调高强度人类活动作用下的水循环基础研究的重要性,提出华北地区水资源安全的水循环基础与应用问题研究的若干建议与思考。研究自然和人类活动双重作用下的华北地区水循环过程,水体运动与污染物质输移及其与生态环境演变耦合机制,阐明华北地区"河道断流,水体污染,湿地消失,地下水枯竭"的成因规律,特别是人类活动的驱动分量,提出生态环境修复的理论基础,不仅对变化环境下流域水环境演变的地学基础科学前沿研究有重大的学术价值,而且对中国可持续发展和社会进步具有重要的战略意义。     

海河流域雨季气候特征及监测分析

论文采用日降水量和NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心)再分析环流资料,针对华北(海河流域)雨季监测困难问题,通过对比分析和合理性分析,建立了基于连续气象变量的海河流域雨季监测比湿副高法(简称QSH),并分析了海河流域雨季变化,以期改进该区域雨季监测技术。主要结论为：① 采用比湿副高法QSH监测华北(海河流域)雨季是合理的,在业务应用上具有很好的操作性;② 海河流域雨季平均的开始日期为7月9日,结束日期为8月19日,雨季长度41 d;③ 1961—2019年间海河流域雨季综合强度指数、雨季长度、雨季累计降水量长期变化不存在明显减小、缩短、增加或增大、延长、减少的趋势,但存在明显的年代际变化特征。海河流域雨季每18 a左右有一次强弱周期变化,近年处于较弱时期。     

海河流域水资源安全评价

利用已建立的评价指标体系,对海河流域水资源安全现状进行评价。在海河流域的当地水资源量按372×108m3计算、引黄水量为60×108m3的条件下,海河流域的水资源保障是不安全的。但这种不安全属于气候干旱周期的不安全,如果气候转为类似1950～1970时期的湿润期,海河流域从水量来说就是安全的。海河流域的水资源不安全更突出的是水质不安全,所以加强水污染防治工作是提高海河流域水资源安全程度的首要选择。     

天津城市沿革中的供水格局演变分析

分析天津地区城市发展过程中的供水格局演变表明: 由于地下水盐碱度较高,在古代和近代,海河流域的地表水是城市的主要供水来源,供水保障区域即为城市附近的海河上游地区。1949 年以来,经过不同阶段的水利工程建设,天津已经形成了与城市空间布局相适应的供水系统。供水结构特征表现为以地表水为主,地下水为辅,对新型水源利用较少,高度依赖外来水源,如“引滦入津”等。过去60 年来,天津城市供水水源和供水保障区域的演变大致经历了三个阶段：(1) 20 世纪50 年代至60 年代中期的基本自给期,供水保障区域基本控制在天津市域范围内;(2) 60 年代中期至80 年代初期,将海河流域上游作为主要的供水保障区域、黄河水为应急水源的供水格局不稳定期。(3) 80 年代初期至今,以滦河流域为主要供水保障区域、黄河水为应急水源的供水格局基本稳定期。预计未来天津对外来水源的利用量将进一步增加,地表水所占比重将继续上升,地下水的利用量将减少。地表水的供水保障区域将在现有以滦河流域为主的基础上,进一步扩展至长江流域,地下水的供水保障区域将进一步缩小。     

The research of three-dimensional numerical simulation of groundwater-flow: taking the Ejina Basin, Northwest China as example

Water is a primary controlling factor for economic development and ecological environmental protection in the inland river basins of arid western China. And it is groundwater, as the most important component of total water resources, that plays a dominant role in the development of western China. In recent years, the use-ratio of surface water has been raised, the groundwater recharge rate from surface water has been reduced, and groundwater has been exploited on a large scale. This has led to the decline of ground-water levels and the degradation of eco-environments in the Heihe watershed. Therefore, the study on the change in groundwater levels in recent years, as well as simulating and predicting groundwater levels in the future, have become very significant for im-proving the ecological environment of the Heihe River Basin, to coordinate the water contradiction among upper, middle and lower reaches of Heihe River Basin and to allocate the water resources. The purpose of this study is to analyze the groundwa-ter-level variations of the Ejina region based on a large scale, to develop and evaluate a conceptual groundwater model in Ejina Basin, to establish the groundwater flow model using the experimental observation data and combining Modular Three-Dimensional Groundwater Flow Model (MODFLOW) and GIS software, to simulate the regional hydrologic regime in re-cent 10 years and compare various water-delivery scenarios from midstream, and to determine which one would be the best plan for maintaining and recovering the groundwater levels and increasing the area of Ejina oasis. Finally this paper discusses the pos-sible vegetation changes of Ejina Basin in the future.     

科技支撑新疆塔里木河流域生态修复及可持续管理

塔里木河流域地处我国西北新疆,面积约102×10⁴ km²,是我国丝绸之路经济带建设的核心区。在过去50 a里,塔里木河流域经历了大规模的水土资源开发,经济社会发展的同时,河道断流,湖泊干涸,沙漠化加剧,生物多样性受损,生态隐忧日益加剧,已威胁塔里木河流域绿洲经济发展和社会稳定,严重影响国家"丝绸之路经济带"建设。荒漠与绿洲生态国家重点实验室针对塔里木河流域的生态环境问题,开展了长期的生态监测与科学研究,基于多年监测调查数据,解析了塔里木河荒漠河岸林植被与地下水的关系,揭示了生态系统退化过程和机理,提出了塔里木河下游合理/胁迫/临界地下水位与流域生态需水量,研发提出的退化生态系统修复重建关键技术得到推广应用;提出的重点生态工程建设方案,被纳入《南疆水利规划》;提出的流域水资源管理建议被国家采纳并实施。科技支撑塔里木河流域生态修复及可持续管理,为丝绸之路经济带生态文明建设提供了重要科学依据和示范样板。     

Remote sensing monitoring on regional crop water productivity in the Haihe River Basin

Crop water productivity （CWP） agricultural development in water scarcity is one of the important indicators for sustainable area. There is serious conflict between water sup- ply and requirement in the Haihe River Basin. CWP of winter wheat and summer maize from 2003 to 2007 in the Haihe River Basin is estimated based on large-scale evapotranspiration （ET） and crop yield obtained by remote sensing technology. Spatial and temporal distribution of CWP of winter wheat and summer maize is investigated in this study. Results show that CWP of winter wheat in most parts of the study area varies from 1.02 kg/m3 to 1.53 kg/m3, and CWP of summer maize varies from 1.31 kg/m3 to 2.03 kg/m3. Multi-year averaged CWP of winter wheat and summer maize in the study area is about 1.19 kg/m3 and 1.59 kg/m3. CWP results show certain promotion potential to alleviate the water shortage in the Haihe River Basin. Correlation analysis of CWP, crop yield and ET shows that there is great potential for crop yield promotion without the growth in irrigation water. Large-scale CWP estimated by remote sensing technology in this study shows spatial distribution features, which could be used to real-time agricultural water resource management combined with crop yield and ET.