编者按：
研究院副院长张万顺教授研究团队博士研究生陈肖敏，硕士研究生马蒙越、申诗嘉、涂华伟，分别以“变化环境下三峡库区流域水文水质响应规律研究”、“基于“双评价”的城镇空间精准布局方法研究及应用”、“调水及梯级开发对汉江中下游水环境影响研究”、“变化环境对香溪河流域水环境影响研究”为题，顺利完成毕业设计和论文答辩。。
一、《变化环境下三峡库区流域水文水质响应规律研究》
作者：陈肖敏
摘要：在全球气候变化显著的大背景下，由于流域下垫面情况复杂以及建库以来日益增强的人类活动，三峡库区水文水环境的复杂性和不确定性日益突显。探究变化环境下的三峡库区流域水文水质响应规律，对于维系变化环境下的水资源利用和水环境精细化管理，更好地应对全球变化带来的巨大水环境挑战具有重要理论和实践意义。本文构建了流域水文水质数值模型，深入研究了变化环境下三峡库区流域水文过程和水质的时空变化特征。取得的主要研究成果如下：
（1）系统回顾了土地利用/覆被变化及其对水文过程和水质的影响，气候变化及其对水文过程和水质的影响的研究进展。国内外针对变化环境及其对流域水文过程和水环境的影响研究取得了大量研究成果，基于模型模拟方法是广泛应用的方法之一。目前，大多数研究仅从气候变化或土地利用/覆被对流域水文过程或水环境的某一方面的影响，定量区分土地利用/覆被和气候变化对流域水文过程和水环境影响的差异的研究较少。针对三峡库区，尚无系统定量剖析土地利用/覆被和气候变化及其影响下的流域水文过程和水质响应规律的研究。
（2）基于土地利用/覆被动态度模型、回归分析模型、土地利用/覆被转移矩阵以及空间分析、数理统计等方法，分别从空间分布、时间变化角度分析了三峡库区土地利用/覆被分布差异及变化趋势特征。受城镇化进程加快、三峡水库蓄水运行以及“退耕还林还草”等多方因素影响，三峡库区建设用地面积和水域面积显著扩张，耕地面积和草地面积整体呈现下降趋势，林地面积占比呈现增长趋势，建设用地和水域面积的变化率于2005年左右发生突变；土地利用/覆被变化的总体趋势为耕地向林地、草地、建设用地转移；建设用地的扩张主要来源于对耕地、林地和水域的侵占。
（3）采用Mann-Kendall非参数检验、距平分析和滑动平均法等趋势分析方法，小波函数的周期分析方法和克里金插值等空间分布分析方法，分别对三峡库区1980-2018年降雨、气温（日最高气温和日最低气温）和相对湿度等要素进行了趋势变化规律、周期变化规律以及空间分布特征的研究；分析了三峡库区极端气候事件强度变化情况，探索了三峡库区极端气候变化特征。近40年来，三峡库区局地气候的年际变化和年内分布非均质性逐渐增强，周期变化特征明显。降水量呈现降低趋势，且年内分布规律差异性逐渐增强，周期变化呈现准16年变化和准22年变化，空间分布呈现自西向东呈现“少-多-少”的分布态势；气温整体呈现升高态势，日最高和日最低气温存在明显突变点，分别位于2001年和1998年，周期变化以准23年和准29年变化为主，库尾地区气温高于库中和库首地区；流域相对湿度整体较大，且自三峡水库蓄水后有增大趋势，周期变化以准23年和准29年变化为主；极端降水和极端高温天气日益增多，而极端低温天气事件有所降低。
（4）基于非点源污染精细化模拟技术框架，构建了服务于变化环境下流域水文水质响应规律的数值模型。采用LH-OAT方法进行模型参数敏感性分析，选取三峡库区10个水文监测站点和8个水质监测站点2010-2013年逐日径流监测数据和逐月TN和TP水质监测数据进行模型率定验证，各水文站点和水质监测站点率定期和验证期的监测值与模拟值的确定系数R2和纳西效率系数ENS大多高于0.5，径流和水质模拟值与实测值匹配度基本满足模型模拟精度要求。
（5）基于所建立的三峡库区水文水质数值模型，以三峡库区1980-2018年8景土地利用/覆被图和22个气象站点1980-2018年逐日气象数据为模型输入条件，并从不同尺度的时空角度，定量分析研究了土地利用/覆被变化对三峡库区陆面单元径流深和氮、磷负荷的影响，剖析了不同土地利用/覆被类型对径流和氮磷污染负荷的影响差异。土地利用/覆被对三峡库区陆面单元总径流深受影响程度较小，对总氮（TN）负荷和总磷（TP）负荷影响程度较大。受三峡水库建成运行影响，水文水质要素的急剧突变点位于2005年左右。空间变化特征上，库首（407.2 mm）和库中（359.3 mm）地区径流深较高，左岸地区平均径流（358.9 mm）深高于右岸（353.9 mm）。库中和库尾地区氮、磷负荷较高，库首地区TN负荷较低。不同土地利用/覆被类型对径流量的贡献率呈现林地（55.82%）>耕地（32.60%）>草地（11.00%）>建设用地（0.58%），对氮、磷负荷的贡献率则呈现耕地>林地>草地>建设用地；产流能力呈现草地（487.9 mm）>林地（425.3 mm）>建设用地（385.0 mm）>耕地（262.7 mm）的规律；TN产污能力呈现耕地（31.3 kg/ha）>林地（22.3 kg/ha）>建设用地（5.8 kg/ha）>草地（5.1 kg/ha）的规律；TP产污能力呈现耕地（0.312 kg/ha）>草地（0.176 kg/ha）>建设用地（0.124 kg/ha）>林地（0.035 kg/ha）的规律。
（6）以2018年现状水平年土地利用/覆被和1980-2018年的气象观测数据作为模型输入条件，从时间变化趋势角度，量化分析了在不同年份、不同季度以及不同水期三峡库区陆面径流和氮磷负荷的变化趋势；从空间变化特征角度，以1980s气象条件为基值条件，定量分析了年代际1990s、2000s年和2010s流域气候变化对陆面径流和氮磷负荷的影响。气候变化影响下，三峡库区陆面单元年平均径流深和TP变化趋势与降雨相似，呈现“W”型波动态势，TN则呈现波动上升的趋势；径流深和氮磷负荷均存在明显的季节分布差异和丰枯水期差异。空间分布特征上，受气候变化影响，三峡库区库首、库中地区以及左岸地区的径流深呈现降低趋势，而库尾地区径流深呈现升高趋势，对左岸地区径流深影响呈现先升高后降低再升高的趋势；除库中部分地区外，三峡库区大部分区域TN负荷呈现升高态势；除库首和库尾部分地区外，三峡库区大部分区域TP负荷呈现降低态势，气候变化对库中和左岸地区TP负荷的影响程度要高于对库首、库尾和右岸地区。基于Pearson相关分析结果，本世纪的前十年（2000s）气候变化对不同区域的径流深和TP负荷的影响最为显著，而近20年来，气候变化对不同区域TN负荷的影响程度大有增强趋势。
（7）量化分析了土地利用/覆被和气候变化对三峡库区全流域和局部地区的径流深和氮磷污染负荷变化趋势的综合影响及贡献程度。土地利用/覆被和气候变化综合影响下，流域径流深呈现降低趋势（变化量-19.9 mm，变化率为-5.50%），气候变化对全流域和分区域陆面径流变化的影响均占主导地位。土地利用/覆被和气候变化综合影响和分别影响下，TN负荷在三峡全流域和局部地区均呈现升高趋势（变化量6.750 kg/ha，变化率为92.10%），土地利用/覆被变化和气候变化对全流域TN负荷变化的影响相当；库首和左岸地区TN负荷变化受土地利用/覆被影响较大，而库中、库尾和右岸地区TN负荷受气候变化影响程度较大。土地利用/覆被和气候变化综合影响下，TP负荷在三峡全流域呈现升高趋势（变化量0.064 kg/ha，变化率为83.21%），而在局部区域（库中和右岸地区）呈现降低趋势；土地利用/覆被影响对全流域TP负荷变化起着主导作用；分区域来看，库首、库尾和左岸地区的TP负荷受土地利用/覆被影响较大，而库中和右岸地区受气候变化影响较大。
本研究通过构建流域水文水质数值模型，揭示了三峡库区土地利用/覆被和气候变化下流域水文水质响应规律，在厘清流域水文水质和变化环境内在联系方面具有一定的创新性；在科学问题上，回答了三峡库区水文过程和水质变化的主要影响因素；在应用管理上，能为应对变化环境下流域水资源利用和水环境精细化管理提供科学支撑。
二、《基于“双评价”的城镇空间精准布局方法研究及应用》
作者：马蒙越
摘要：国土空间规划是实现可持续发展的指南和蓝图，城镇空间是为人类提供生产生活功能和保障的重要国土空间，其精准布局为实现人类可持续发展奠定根基，新时代我国城镇空间格局重构面临着挑战，如何科学量化城镇空间结构与布局，是保障城镇功能永续良性发挥的关键。本文提出一套城镇空间布局定量评价方法，选择泉州市陆域为典型研究区，开展城镇空间精准布局研究。主要研究成果如下：
（1）系统综述了城镇空间评价研究进展，包含城镇空间布局和城镇功能指向的“双评价”两方面，表明目前仍需要对评价体系、评价尺度精细化和栅格化等方面进一步加强，以便更精准地服务于城镇空间布局。
（2）为充分体现新时代国土空间规划“双评价”的指向性、准确性和合理性等理念需求，提出一套服务于城镇空间精准布局的城镇功能指向的“双评价”方法，涵盖资源、环境、生态、灾害、人口集聚、经济发展、区位优势、交通优势8大方面共20项关键指标，研究尺度为30米×30米地块单元，研究结果与泉州市各区（市、县）主体功能区定位、城市总体规划和城镇空间布局现状等相符，表明该方法科学合理。
（3）泉州市城镇空间适宜区面积为1402.61km2，对应的开发强度约为13%。城镇空间适宜区主要集中分布在东南部的鲤城区、丰泽区、晋江市、石狮市等8个区（市、县），这些地区资源环境承载能力和城镇建设适宜性综合水平较高。
（4）泉州市的重点开发区域城镇扩展潜力高，整体高于优化开发区域和重点生态功能区，其中洛江区最高，晋江市较低；优化开发区域城镇扩展潜力中等，其中丰泽区高于鲤城区；重点生态功能区城镇扩展潜力普遍较低，其中安溪县和德化县城镇空间待缩减，城镇功能待弱化。
（5）泉州市的重点开发区域是城镇空间的重要拓展地带，可扩展土地面积达895.28km2，可增加的开发强度参考范围为20%；优化开发区域城镇扩展空间有限但活力足，可扩展土地面积达38.85km2，可增加的开发强度参考范围为21%；重点生态功能区待缩减城镇空间面积为17.40km2，需降低的开发强度参考范围为0.26%。
三、《调水及梯级开发对汉江中下游水环境影响研究》
作者：申诗嘉
摘要：推动长江经济带高质量发展是新时期国家重大战略决策，汉江中下游在长江经济带中占有重要地位。汉江中下游水资源开发利用使流域生态环境及水文情势发生改变。新形势下结合国家战略需求，落实流域精准精细化环境管控，研究汉江中下游水资源开发利用对水环境的影响，对实现流域协调可持续发展有重要意义。本文结合国家主体功能战略和空间管控需求，采用水环境数学模型，研究了汉江中下游调水及梯级开发对汉江中下游水环境影响。取得的主要成果如下：
（1）综述了国内外调水及梯级开发环境影响的研究成果，目前水资源开发对水环境影响研究主要集中于水文情势的改变和对区域发展的支撑作用等方面，数学模型是开展水资源开发环境影响研究成熟有效的工具，新时代环境治理能力现代化的需求下汉江中下游水资源开发利用对区域发展的支撑作用的影响尚待进一步研究。
（2）考虑汉江中下游水资源开发利用工程措施和非点源污染特征，耦合USLE土壤侵蚀方程和一维水动力水质模型，建立汉江中下游水环境数值模型。采用典型断面2015-2016年实测资料进行了模型参数验证，水位模拟值与实测值的误差小于0.1m，水质浓度模拟值与实测值的误差小于15%，满足模拟研究精度需求；在此基础上，结合县域主体功能区定位，以全面改善水环境质量为目标，建立汉江中下游调水及梯级开发下流域水环境容量模型。
（3）南水北调中线调水、梯级枢纽和引汉济渭工程的实施运行均会使干流水质出现一定程度的恶化，其中南水北调工程的实施对干流水文水质的影响最为显著，多年平均NH3-N浓度增加21.28%-40%，TP浓度增加31.25%-46.67%。
（4）调水及梯级开发均会使汉江中下游水环境容量不同程度地降低。南水北调中线调水、梯级枢纽和引汉济渭工程的实施后NH3-N水环境容量分别下降18.2%、17.1%和2.1%，TP境容量分别下降32.3%、19.4%和4.7%，南水北调中线调水工程对汉江中下游水环境容量影响最为显著。
（5）汉江中下游流域各区（县）水环境容量呈现由西北向东南、由上游向下游增多的趋势。结合各区（县）主体功能定位，重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区的水环境容量分别占全区域的69.3%、27.2%和3.50%，本研究兼顾重点开发区和农产品主产区的发展需求，并切实保障重点生态区的生态维护功能，为对接主体功能区战略环境管理提供支撑。
四、《变化环境对香溪河流域水环境影响研究》
作者：涂华伟
摘要：变化环境下水安全问题是人类共同关注的热点问题，也是我国保障生态安全和可持续发展的重大战略问题。香溪河流域是长江干流三峡库首的最大支流，受愈发强烈的人类活动和三峡水库建设运行以来显著的局地气候变化影响，流域水文循环及相关伴生过程发生了显著改变，使得流域内非点源污染的时空异质性、动态变化性愈发复杂，进一步加大流域水环境风险和不确定性，威胁流域水环境安全。本文在剖析香溪河流域近40年土地利用/覆被和气候变化时空分布特征基础上，基于SWAT模型以定量分析流域土地利用/覆被和气候变化对流域径流和非点源负荷时空分布影响，为探讨变化环境下流域水环境响应规律和保障流域水安全提供重要支撑。研究取得以下成果：
（1）基于1980-2015年4期流域土地利用/覆被数据，系统分析了香溪河流域土地利用时空变化特征。香溪河流域土地利用类型主要为林地和耕地，在1980-2005年间土地利用变化主要表现为耕地对林地的侵占，耕地面积占比由5.66%增加至28.54%，而在2005-2015年间则主要为耕地逐步退还为林草地，面积占比减少至11.80%。在空间分布上，林地主要分布于流域范围内海拔较高区域，占流域面积60%以上；耕地分布范围主要集中在沿河区域，2005年后耕地呈现逐年沿河向内缩减的趋势；草地主要集中在流域西北部；建设用地多分布于流域中部高岚水系和香溪河干流处，随着社会经济发展呈逐年沿水系向外扩张趋势。
（2）基于1980-2018年逐日气象数据，统计分析了香溪河流域气候要素时空变化特征。香溪河流域降水量在1980-2018年间多年平均降水量达1073.39 mm，突变点发生于1997年。在1980~1997年呈现明显下降趋势，在1997-2018年整体呈现上升趋势，整体上呈现南多北少的空间分布特征。香溪河流域最高气温年际变化趋势明显，在1980-1997年间呈现明显上升趋势，在1997年后则呈现明显下降趋势，最低气温则在年际间变化趋势较小。最高气温和最低气温在年内不同季节均无明显变化趋势，在多年平均值附近波动，而突变点均发生于2003年。在流域空间分布上，最高气温和最低气温呈现相反分布特征，最高气温呈现南低北高的分布特征，而最低气温则为南高北低。
（3）采用SWAT模型模拟分析香溪河流域1980-2015年间4期土地利用变化对流域径流和氮磷负荷时空分布影响。结果表明：土地利用变化对香溪河流域蒸散发和产水量影响不大，而对地表径流和地下径流则呈现相反的趋势。通过对比分析耕地面积占比变化率和径流变化率发现，平均每12%耕地增加将引起1%地表径流增加，每24%耕地增加将引起1%地下径流减少。流域内TN和TP负荷与耕地存在显著的正相关关系，通过对比分析TN和TP负荷变化率和耕地面积占比变化率发现，平均每2.91%和4.29%耕地面积增加将引起1%TN和TP负荷增加，表明流域内耕地是流域非点源负荷产生的主要来源。
（4）采用SWAT模型模拟分析香溪河流域1980-2018年气候变化对流域径流和氮磷负荷时空分布影响。结果表明：降水量变化对流域径流影响十分显著，而最高气温和最低气温则对流域径流影响较小。统计分析降水量和径流变化率发现，流域内平均每1%的降水量减少将引起2.55%地下径流、2.02%地表径流和1.86%产水量的减少。香溪河流域TN和TP负荷变化趋势与降水量一致，对比分析TN和TP负荷变化率发现，平均每1%降水量的减少将引起2.06%TN负荷和2.12%TP负荷的减少，且秋季氮磷负荷变化较夏季更为明显。表明库区局地气候变化带来的降水量增加将引起流域径流增加，是流域非点源负荷产生的重要驱动力。
