流域水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)模擬評價與治理

前言

　　流域水環(huán)境污染已成為不亞于洪災、旱災甚至更為嚴重的災害，而河流生態(tài)環(huán)境惡化及其引起的湖泊富營養(yǎng)化也已成為當今頻繁發(fā)生的環(huán)境災害之一。近年來，我國農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，化肥施用量逐漸上升，產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)非點源污染負荷所占比重也逐年增加，非點源污染對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源、水生態(tài)和流域水文特征均產(chǎn)生了嚴重影響，其危害程度在很多地區(qū)顯現(xiàn)出來。今后隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展、人口密度的增加以及土地利用類型多元化，流域水體水質下降及富營養(yǎng)化問題將更加嚴重，流域性水污染問題也將大大加劇水資源危機，水質型的資源短缺形勢日益嚴峻。尤其在不確定的外界水文、氣象、氣候變化條件下，非點源污染甚至已威脅到水源地供給和安全，尤其是在河網(wǎng)水系密集區(qū)域，河流生態(tài)環(huán)境惡化，河道及農(nóng)田排磷排氮直接影響著飲用水安全和經(jīng)濟發(fā)展。同時由于流域非點源污染受土地利用、土壤類型、地形、植被以及氣候、水文等要素的空間不確定性影響，實施全流域實時監(jiān)測、模擬及控制非常困難，因此建立適合流域面上水環(huán)境模擬評價及綜合治理方法，已是目前流域生態(tài)環(huán)境保護的重點和關鍵問題，系統(tǒng)有效地進行流域水環(huán)境的模擬、評價、預測及治理，對我國水資源管理和流域生態(tài)環(huán)境的健康持續(xù)發(fā)展將具有重要作用?！　∽髡咴诳偨Y以往研究成果的基礎上，系統(tǒng)采用流域水文學原理、水質模擬方法、隨機理論、統(tǒng)計分析、空間分析等理論方法以及環(huán)境水利、生態(tài)水利等工程措施，進行流域水環(huán)境模擬預測和流域水環(huán)境治理實踐研究，從而為流域水環(huán)境的定量化管理提供參考。

內容概要

本書主要采用多學科交叉研究的方法，通過理論探索研究、室內外試驗和典型小流域應用分析相結合的途徑，系統(tǒng)探討了流域水環(huán)境模擬預測及治理問題。本書主要包括五個方面內容：一是探討了基于有限監(jiān)測數(shù)據(jù)及變異性的定量化信息優(yōu)化監(jiān)測方法，針對分布式模型的參數(shù)確定及尺度轉換問題，研究確立了模型輸入信息插值及參數(shù)外延方法；二是研究分析面源污染的遷移轉化機理，建立了相應的定量化計算模式；三是基于流域水環(huán)境污染影響因素的不確定性及隨機變異性，選擇典型小流域，進行了農(nóng)業(yè)非點源污染隨機模擬研究；四是緊密聯(lián)系流域的陸域和湖泊水體，對流域非點源污染負荷進行反演模擬應用，量化了域污染風險；五是針對流域特性及小流域河湖水污染特征，構建了流域河網(wǎng)水系水生態(tài)改善及效應評價的技術與理論方法，提出了相應的水生態(tài)污染治理措施及流域綜合治理模式。        本書可供水文學與水資源、環(huán)境水利、農(nóng)業(yè)工程、土壤學、環(huán)境工程、水利工程等學科的科研人員、大學教師和相關專業(yè)的研究生和本科生，以及從事水資源管理領域的技術人員參考和使用。

作者簡介

　　薛聯(lián)青，1973年10月生，河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，水文水資源學院副教授，碩士生導師。2002年4月河海大學水文學及水資源專業(yè)博士畢業(yè)，2006年在愛爾蘭國立都柏林大學訪學，主要從事環(huán)境水文、流域水文模擬、水資源規(guī)劃與保護等方面的理論和應用研究。先后負責、參加國家自然科學基金項目、國家自然科學重點基金項目、國家“十一五”國家科技支撐計劃項目、省部級環(huán)境保護科技攻關項目、國家重點實驗室對外開放基金項目以及省市級相關科研課題研究30余項。近年來在國內外重要期刊及國際會議上發(fā)表論文40余篇，其中SCI、EI檢索17篇，獲省市級科研及論文獎勵11項，發(fā)明專利申請1項，軟件注冊2項。2008年入選。河海大學優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計劃”培養(yǎng)，并獲得江蘇省“吉藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師稱號?！　『抡窦?，河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，水文水資源學院教授，長期從事水文學及水資源專業(yè)的教學和科研工作，主要研究方向為水文物理規(guī)律及流域水文模擬、大尺度水文、生態(tài)水文等。任中國水利學會水資源專業(yè)委員會委員，江蘇省水利學會水文水資源專業(yè)委員會委員，國際水文科學協(xié)會中國國家委員會地表水專業(yè)委員會副主任。主持自然科學基金重點項目“氣候變化下黃河源區(qū)區(qū)域水循環(huán)模型與不確定性研究”。已承擔完成的主要項目有“九五”攻關科技項目專題“土壤墑情監(jiān)測預報技術”，“九五”國家自然科學基金重大項目“淮河流域能量與水分循環(huán)試驗研究”專題“區(qū)域氣候一水文模式的研制”，國家自然科學基金項目“水及溶質在有大孔隙的多孔介質中運移機制研究”，水利部重點項目“不同農(nóng)業(yè)管理條件下城市污水灌溉和農(nóng)藥化肥使用所產(chǎn)生的污染物質在非飽和帶中的輸移及對地下水的影響”和“污染河道對沿岸地下水影響研究”等縱向課題30余項。發(fā)表論文150多篇，其中SCI、EI檢索40篇，主參編教材、專著4本。獲得省部級科技進步獎5項，多次獲江蘇省優(yōu)秀青年骨干教師稱號。已培養(yǎng)畢業(yè)博碩士研究生40余人。

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　概述　　1.1.1　流域水環(huán)境問題　　1.1.2　農(nóng)業(yè)非點源污染　1.2　非點源污染的不確定性　1.3　非點源污染研究中的幾個關鍵問題　1.4　流域水環(huán)境模擬研究發(fā)展趨勢第2章　非點源污染信息監(jiān)測與模擬研究　2.1　水污染模擬方法　2.2　非點源污染模型研究概述　2.3　分布式非點源模型模擬尺度　2.4　非點源污染信息的監(jiān)測采樣方法研究　2.5　非點源污染模型不確定性和參數(shù)識別研究第3章　基于參數(shù)外延的非點源污染監(jiān)測及分析模式　3.1　非點源污染的定量化隨機監(jiān)測　3.2　基于參數(shù)外延的非點源污染模擬分析模式　3.3　農(nóng)業(yè)非點源污染樣本信息監(jiān)測系統(tǒng)設計　3.4　非點源污染信息監(jiān)測及定量模擬尺度　3.5　基于Kriging原理的信息變異性分析方法第4章　非點源污染信息變異性統(tǒng)計及插值　4.1　典型流域產(chǎn)污影響因素特征統(tǒng)計　4.2　流域非點源污染本底值監(jiān)測及統(tǒng)計分析　　4.2.1　樣本信息監(jiān)測　　4.2.2　樣本信息統(tǒng)計特征　4.3　基于Kriging的空間變異模型建立及有效估值　4.4　小流域典型降雨一徑流一產(chǎn)污實驗　4.5　原狀土柱產(chǎn)污特性實驗監(jiān)測　　4.5.1　人工降雨模擬實驗　　4.5.2　土壤中硝態(tài)氮存儲結構實驗分析  4.6　實驗流域不同尺度的氮磷變異性統(tǒng)計  4.7　變異因子提取及空間數(shù)據(jù)外延插值　　4.7.1　變異因子選取和數(shù)據(jù)預處理　　4.7.2　空間數(shù)據(jù)外延插值建模第5章　農(nóng)業(yè)非點源空間信息優(yōu)化采樣方法  5.1　優(yōu)化樣本數(shù)確定方法  5.2　優(yōu)化采樣結構設計  5.3　確定最優(yōu)采樣間距  5.4　野外實驗非均勻采樣模型的建立  5.5　優(yōu)化采樣方法的應用及對比分析第6章　分布式水文模型建立  6.1　流域水文模擬  6.2　分布式水文模型構建　　6.2.1　流域水文模型概述　　6.2.2　產(chǎn)匯流模型　　6.2.3　產(chǎn)流計算方法　　6.2.4　匯流演算  6.3　實驗流域模型參數(shù)確定　　6.3.1　土壤下滲參數(shù)　　6.3.2　產(chǎn)匯流模型參數(shù)　　6.3.3　水土流失特性參數(shù)第7章　非點源污染產(chǎn)生機理及氮磷定量化模擬　7.1　非點源污染產(chǎn)生機理　　7.1.1　降雨徑流過程污染　　7.1.2　土壤侵蝕過程污染　　7.1.3　地表溶質溶出過程　　7.1.4　土壤溶質人滲過程　7.2　氮磷素污染負荷模型　7.3　實驗流域氮磷污染定量化模擬驗證　　7.3.1　徑流過程模擬　　7.3.2　氮磷素流失規(guī)律模擬　　7.3.3　氮磷素模擬誤差分析第8章　典型流域農(nóng)業(yè)非點源污染的隨機模擬及風險分析  8.1　分布式模型參數(shù)敏感性　……第9章　流域非點源污染負荷反演模擬第10章  流域水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)綜合治理模式第11章　平原河網(wǎng)流域水環(huán)境情景模擬及污染治理第12章　小流域湖泊水環(huán)境治理應用參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第2章　非點源污染信息監(jiān)測與模擬研究　　2.1　水污染模擬方法　　環(huán)境污染問題往往涉及氣象、水文、化學、生物等多種主要因素，與不同污染物的形態(tài)、擴散速率等參數(shù)有關。水環(huán)境數(shù)學模型常常是抽象環(huán)境系統(tǒng)中的各影響因子，建立因素（變量）間的作用關系或規(guī)律的數(shù)學關系式，并將相應的外界影響條件、控制邊界及內部轉化關系統(tǒng)一起來，從而達到描述環(huán)境的目的。在水環(huán)境問題研究中，水質模型是研究水環(huán)境、水質分析與預測的主要技術手段。水質模型的發(fā)展與監(jiān)測手段和計算工具的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，計算機技術的發(fā)展也促進了水環(huán)境模擬在信息獲取、數(shù)值求解、相關隨機因素處理方面的發(fā)展?！　牟煌慕嵌龋|模型可以有不同的分類。從所要解決的問題看，大致可以分為下面幾類：地下水資源評估及預測；地表水資源的分布、變化規(guī)律；水質評估；地下、地表水水質分析及預測等等。就模型的結構而言，可分為基于內在相互作用變化機理的確定性數(shù)學模型；以統(tǒng)計分析方法為主的隨機模型；按模型空間屬性可分為零維、一維、二維、三維模型；從水環(huán)境模擬的對象來劃分，水環(huán)境模擬又分為對點源污染的模擬和非點源污染的模擬。不同的水質模型所依據(jù)的作用關系、原理以及數(shù)學方法有很大的差異，其解決問題的能力和目標也多有不同。由于水環(huán)境是一個多因素、多變量、多條件的復雜系統(tǒng)，研究區(qū)域擴大化及空間變異性大，使相應水質模型的精確表述和求解非常困難，所以其模型的建立只考慮主要影響因素，并采用數(shù)值解法。對于影響因素復雜，控制變量、系統(tǒng)參數(shù)、隨機干擾及不確定性因子較多或變化過程難以解析化表達的問題，統(tǒng)計方法或散點數(shù)據(jù)的各種處理技術就表現(xiàn)出其較強的優(yōu)勢。統(tǒng)計方法的關鍵是如何通過僅有的數(shù)據(jù)做出有效的分析，統(tǒng)計方法更多地適于大尺度的、宏觀的、大時間跨度上的一種粗糙的規(guī)律性預測或描述，當然，數(shù)據(jù)樣本的豐富程度往往極大地影響著統(tǒng)計結果的可靠性，因此在一定程度上影響了水環(huán)境數(shù)學模擬應用的范圍。

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