黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨

研究河道生态需水阈值对于提升河流生态系统多样性、稳定性、持续性及河道生态需水管理具有重要意义。针对黄河流域甘肃段河流断流、水污染严重及泥沙含量高等水与生态环境问题,依据30个水文站1956—2016年的河流月径流资料,采用年内展布计算法确定生态基流量,并与自净需水量、输沙需水量按照“取大”原则整合为基本生态流量;采用逐月频率计算法确定目标生态流量。综合基本生态流量与目标生态流量分布特征,获得年内河道生态需水阈值,对其进行等级评价并分析满足程度。结果表明：年内水量较枯、较丰时段黄河干流河道生态需水阈值分别为74.78~393.29 m³/s、595.35～1 108.84 m³/s;玛曲至上诠段支流分别为8.97～26.81 m³/s、30.16～156.20 m³/s;上诠至安宁渡段支流分别为0.64～11.93 m³/s、3.50～124.61m³/s;安宁渡以下段支流分别为5.67～7.76 m³/s、14.77～30.53 m³/s。河道生态需水阈值评价等级在年内水量较枯、较丰时段分别位于“一般—最佳”、“很好—最佳”;其满足程度在年内各个时段祖厉河、马莲河皆未超过67%,在水量较丰时段大通河、庄浪河未超过50%。研究成果对于研究区河道生态需水管理具有可操作性,可为黄河上游水源涵养及水资源优化配置提供一定的科学依据。     

径流引水式小水电生态-发电协同优化模型及应用

以湟水河流域的湟乐水电站为例,基于自然水流范式计算河道内适宜生态流量和生态基流,以生态流量为主要约束建立径流引水式小水电生态-发电协同优化模型,利用NSGA-Ⅱ算法得到引水发电流量的Pareto解,研究成果对指导径流引水式小水电的生态调度和运行管理具有重要指导价值。结果表明：滑动t检验法诊断西宁水文站年径流量时间序列的突变点是2000年,经还原后得到1956—2000年多年平均天然径流量为41.3 m³/s;适宜生态流量在年内枯水期、平水期和丰水期展布的同期比分别是0.60、0.41和0.42,达到了“极好”标准;以传统Tennant法“一般”标准确定的非汛期生态基流为4.13 m³/s、汛期生态基流为12.4 m³/s;采用生态-发电协同优化模型计算多年平均来水条件下湟乐水电站的年发电量为634.29×10⁴ kW·h,枢纽下泄流量均满足减水河段生态流量需求;多年来水条件下湟乐水电站等效减排6 323.9 t CO₂,电站的减排生态效益为188.45×10⁴元,发电经济效益为134.47×10⁴元。     

海河平原区地下水累计可恢复超采量评价

地下水累计可恢复超采量评价对于地下水超采态势评判和超采综合治理实施都具有重要意义。本文以海河平原区为研究对象，提出超采量评价方法，旨在客观准确评价地下水累计可恢复超采量。针对浅层地下水超采量，提出生态临界水位作为传统“水位动态法”评价浅层地下水超采量的临界水位，据此得到研究区1959-2019年累计浅层超采量为869亿m³；针对深层地下水超采量，提出“不可恢复超采量”评价指标，采用地面沉降体积法评价深层地下水超采量，根据地面沉降体积计算深层承压含水层系统压密释水量体积，据此估算1970-2019年深层累计超采量为756亿m³；通过建立的一维非线性压密释水数值模型，模拟了深层承压含水层系统压密释水过程，计算得到非弹性压密释水量，评估研究区累计不可恢复超采量为558亿m³。因此本文认为，自1960年代以来，海河平原区地下水浅层和深层累计超采量1625亿m³，其中可恢复的超采量仅为1067亿m³。该研究结果可为未来地下水回补水量和南水北调规划调水量的确定提供参考。     

基于水足迹的湿地生态需水保障对策

采用定额法核算白洋淀流域2003年、2007年和2011年的水足迹,重点分析白洋淀流域内农业、工业和第三产业的水足迹结构。结果表明,白洋淀流域的虚拟水足迹从2003年的83.86亿m³增加到2007年的95.87亿m³, 2011年的108.21亿m³。从消费比例来看,农业用水所占比例最大,平均值达到69%;第二产业用水占24%左右,第三产业用水占7%左右。 提出解决白洋淀流域不同类型湿地生态需水的策略:调整流域种植结构,减少高污染、高耗水部门,提高农业灌溉效率和水资源重复利用率等,每年可节约5.95亿m³的水量,可以保障白羊淀流域湿地生态系统基本的生态需水。     

基于熵权-TOPSIS的滴灌春玉米灌水定额研究

为准确得到适宜于北疆地区滴灌春玉米的灌水定额,设置了W₁(225 m³/hm²)、W₂ (300 m³/hm²)、W₃ (375 m³/hm²)、W₄ (450 m³/hm²)、W₅ (525 m³/hm²)、W₆ (600 m³/hm²) 6个水平的灌水定额,研究灌水定额对春玉米生长发育和产量的影响。选取部分生长指标、产量指标、节水指标作为评价指标,结合耗水规律和指标显著性进行分析,并采用熵权-TOPSIS综合评价法,优选适宜于北疆地区滴灌春玉米的灌水定额。结果表明：滴灌春玉米的关键生育期为抽雄散粉期,该生育期最优灌水定额为525 m³/hm²;耗水量和耗水强度的增长速率在灌水定额大于525 m³/hm²后明显下降;通过各指标显著性分析得出,灌水定额为450~525 m³/hm²时,较适宜北疆春玉米的生长;熵权-TOPSIS综合评价结果显示,灌水定额为525 m³/hm²时,贴近度最高,评价结果最好,此时玉米产量为16 178.71 kg/hm²。综上所述,北疆滴灌春玉米的最优灌水定额为525 m³/hm²。     

基于1960-2018年实测径流与水文学方法的开都河生态流量分析

为科学地确定河流生态流量,保障流域水安全与生态环境健康,基于开都河大山口水文站1960-2018年的实测径流数据,采用Tennant法、典型水文频率年法、最枯月平均流量法和Q_p法等4种水文学方法计算了河流的生态流量,通过对比分析确定基于Tennant法的计算结果最为适宜。计算结果表明：开都河大山口水文站10-翌年3月的平均生态流量应不小于15.60 m³/s,对应最小生态环境需水量为 2.47×10⁸ m³;4-9月的平均生态流量应不小于46.15 m³/s,对应最小生态环境需水量为7.30×10⁸ 　m³,全年生态流量平均不小于30.88 m³/s,对应最小生态环境需水量为9.77×10⁸ 　m³。该生态流量目标可满足开都河大山口至博斯腾湖河段的河道径流损失,保证河流基本生态功能与水生态安全。计算分析结果可为开都河河流生态流量管理提供支撑。     

基于实际耗水的固原地区马铃薯生产水足迹研究

通过水足迹理论准确评估固原地区马铃薯生产的水资源利用效率情况,为当地马铃薯产业发展提供理论依据。采用基于实际耗水的水足迹计算原理、Mann-Kendall检验、Sen斜率法、LMDI模型,研究了固原地区马铃薯生产水足迹的变化趋势和主要影响因素。研究结果表明：1981-2017年固原市马铃薯生产水足迹均值为1.48 m³/kg,下辖县(区)均值在1.17~2.04 m³/kg之间,全市和各县(区)马铃薯生产水足迹均呈显著减小趋势,全市年均变幅为-0.04 m³/(kg·a);固原市单位面积绿水消耗量和单产量均值分别为2 778.4 m³/ hm²和2.18 t/hm²,下辖县(区)分别在2 622.2~3 401.3 m³/hm²和1.65~3.19 t/hm²之间,各县(区)单产量均呈显著增加趋势,从西北到东南单产量和单位面积绿水消耗量增大,水足迹减少;固原市单产量全时段贡献率为80.8%,贡献量在0~-2.30 m³/kg之间,单位面积绿水消耗量贡献率为19.2%,各县(区)单产量贡献率为76.3%~84.0%,单位面积绿水消耗量贡献率为16.0%~23.7%。水足迹计算方法中考虑了实际耗水条件,比充分灌溉条件更能反映实际情况。固原地区马铃薯水足迹显著下降主要是由于单产量增加,单产量作为主要驱动因子仍有提升潜力,今后应该加强农业现代化发展,提高水资源利用效率。     

陕北黄土高原退耕还林还草工程产水效应

以陕北黄土高原为研究区,利用InVEST产水量模型,基于水量平衡和水文过程原理,通过对降水、蒸散发、土壤、植被等自然因子和土地利用/覆被变化因子进行空间叠加与模拟计算,定量评价了研究区退耕还林还草工程的产水效应。结果表明：2000-2010年研究区林地、灌丛、草地面积分别增加了122.7、285.2和3 204.0 km²,耕地面积减少了3 984.5 km²,退耕还林还草工程土地覆被变化显著;2000-2010年研究区产水能力整体下降,延安市境内总产水量减少了8.9×10⁸ m³,榆林市境内总产水量减少了7.2×10⁸ m³,空间分布与退耕还林还草工程实施区域高度一致;土地利用类型转化致使研究区产水量整体减少了11 665.4×10⁴ m³,其中,耕地向林灌草的转化导致研究区产水量减少最为明显,共减少了11 254.2×10⁴ m³,占总减少量的96.5%。通过产水量重要性分级和空间分区,可为生态系统及流域的科学管理、退耕还林还草工程的科学实施提供参考和指导。     

基于水量配置模型的江苏省南水北调工程受水区缺水量探讨

选取南水北调东线江苏省受水区作为研究区域,根据该区域下垫面具有多样性和降雨分布不均匀的特点,采用水面、水田、旱地和城镇道路4种产流模式模拟研究区产流量;概化受水区规划年(2020年)工业用水户23个;农业用水户92个、生活用水户25个、生态用水户11个和船闸用水户23个;建立研究区需水模型,计算该区域在3种年型下的需水量;初步进行供需水量平衡分析。结果表明:2020规划年遇平水年缺水0.28亿m³;遇一般干旱年缺水0.47亿m³;遇特殊干旱年缺水20.58亿m³。     

基于黄河鲤栖息地水文-生态响应关系的黄河下游生态流量研究

本研究采用野外生物监测、栖息地同步观测和实验室控制实验等技术手段,应用生物学、鱼类生态学、生态水力学、水文学等多学科理论,基于河流栖息地模拟法,研究了黄河下游指示物种黄河鲤生态学特性及其栖息生境与流速、水深、水温等水文水环境因子之间的关系,将径流条件与目标物种不同生长阶段生物学信息相结合,建立了代表物种繁殖期、越冬期栖息地适宜度指数,构建了黄河下游重点河段河流栖息地模型,建立了指示物种栖息地状况与河川径流条件定量响应关系,提出黄河下游花园口和利津断面繁殖期最小生态流量为300 m³/s和100 m³/s、适宜生态流量为600~700 m³/s和190~250 m³/s。该研究在水生生物习性及其与河川径流响应关系方面实现突破,解决了黄河生态需水研究中关键技术问题。     

基于SWAT模型的浏阳河流域径流对土地利用和气候变化的协同响应

气候和土地利用同时作用于流域径流,影响着流域水资源的量和质。以浏阳河流域为例,基于SWAT模型和情景分析方法定量评估未来流域内土地利用和气候变化对径流的作用。首先采用元胞自动机-马尔科夫(CA-Markov)模型模拟浏阳河流域2020和2050年的土地利用空间格局,其次在World Clim数据库中获得未来流域内气候变化数据,最后采用SWAT模型定量评估未来不同情境下土地利用和气候变化对径流的影响。研究结果表明:未来浏阳河流域林地比例下降、城市建设用地和耕地比例增加;气候呈暖干趋势; 2020和2050年,土地利用变化时,浏阳河榔梨站模拟径流将分别减少2. 42和0. 96 m~3/s;气候变化时,榔梨站模拟径流将分别减少3. 02和1. 13 m~3;土地利用和气候变化综合影响下,榔梨站模拟径流将分别减少8. 54和4. 27 m~3/s;说明浏阳河流域径流的变化对气候响应更加敏感,土地利用和气候变化对径流的影响呈非线性协同作用。     

黄河流域粮食生产水足迹及虚拟水流动影响评价EI北大核心CSCD

为分析黄河流域粮食生产用水的可持续性,引入水足迹和虚拟水相关理论方法,对研究区主要粮食生产水足迹及粮食贸易伴生的虚拟水流动格局进行了量化解析,并对未来粮食生产水足迹进行了预估。结果表明:2011—2016年,全流域粮食生产总水足迹和单位水足迹分别由460亿m^(3)和1.20 m^(3)/kg降为402 m^(3)和0.93 m^(3)/kg,均呈下降趋势;从粮食贸易伴生的虚拟水流动特点来看,流域全口径粮食虚拟水从2011年的110.7亿m^(3)减小到2016年的50.3亿m^(3),呈输入态势;除稻谷之外的粮食虚拟水由82.6亿m^(3)增加到193.4亿m^(3),呈输出态势;在流域不同气候情景下,2035年粮食生产总水足迹为481.9亿~518.7亿m^(3),其中绿水足迹增幅达20%,而蓝水足迹增长不显著;未来流域内粮食输出量的增加会进一步加剧本地农业生产的用水矛盾,但粮食灌溉总用水量的增速可能放缓。     

长江流域用水趋势及用水总量控制指标研究

用水总量控制指标是“三条红线”的重要指标,是实行最严格水资源管理制度的基础工作。通过分析80年代以来长江流域及各水资源二级区用水总量、各行业用水量、用水效率和水平的变化趋势,结合经济社会发展指标和用水定额预测了2020年和2030年长江流域用水需求,分析了各产业用水量变化趋势,提出了长江流域用水总量控制指标。有关分析研究成果可为水资源合理配置,提高水资源利用效率和效益,提供科学决策依据。     

黄河流域天然径流量评价探讨

针对现有径流系列一致性处理方法不够具体的问题,提出了一种黄河流域天然径流量还原、还现算法。根据黄河流域入海口利津站的实测径流、利津断面以上流域地表水消耗量、地下水开采引起的地表径流减少量、人工水库和淤地坝水面蒸发增加量、水库蓄变量等数据,对利津站的天然地表径流量进行还原分析,并以2001—2016年下垫面作为参照下垫面估算下垫面还现后的天然径流量。结果表明:1956—2016年长系列的黄河利津站地表水天然径流量为577.72亿m³,下垫面还现后的天然径流量为551.72亿m³,还现天然径流量比流域机构给出的第三次水资源评价结果多61.72亿m³。     

基于双层模型的常熟市水资源配置研究

基于水资源优化配置原则,开发出以经济效益为上层目标、以环境效益为下层目标的双层优化模型。通过lingo软件和模糊满意度算法将多目标问题转化为单目标问题求解,对常熟市水资源进行配置。结果表明:2020、2030年区域水资源配置系统经济效益预期分别为24.84×10~8、27.89×10~8元,COD排放量分别为8 342、9 450 t,配水量将分别达到86 228×10~4、93 809×10~4m~3;其中,长江取水占配水总量73%,并且趋势逐渐升高。对比双层优化结果与两个单目标优化结果,可以对决策者提供不同情景下的优化方案。     

基于地表径流量预测的玛纳斯河流域绿洲适宜规模计算

基于神经网络算法和水热平衡原理,结合水文、气象数据,构建了玛纳斯河绿洲适宜规模模型,分析计算了1990—2020年绿洲适宜规模与现状规模,预测了2021—2030年流域地表径流量和绿洲适宜规模。结果表明:1990—2000年、2001—2010年、2011—2020年绿洲适宜规模分别为11 003.3 km~2、9 902.8 km~2和9 075.2 km~2,现状规模分别为13 388 km~2、14 095 km~2和14 548 km~2,稳定系数分别为0.46、0.43和0.40;2021—2030年玛纳斯河流域平均地表径流量为30.05亿m~3,绿洲适宜规模为8 555.6 km~2;绿洲处于亚稳定状态,为保证未来绿洲的稳定发展,应使其处于适宜规模下。     

长江与鄱阳湖水文关系及其演变的定量分析

鄱阳湖蓄水受到自身流域来水和长江流量的双重影响,利用长江汉口和鄱阳湖星子水文监测资料,统计分析后得到长江与鄱阳湖量化的水文关系:(1)如果汉口流量小于15 000 m~3/s,长江对鄱阳湖出流影响不明显,鄱阳湖基本上自由出流,湖水位变幅较大。(2)如果汉口流量超过18 000 m~3/s,长江对鄱阳湖出流顶托作用明显,汉口流量越大,顶托越显著,因顶托而滞蓄在湖盆的水量可达31.9%~81.4%。(3)如果星子水位10.5~16.5 m且汉口流量大于20 000 m~3/s,出现长江向鄱阳湖倒灌的可能性较大;星子水位低于8 m或鄱阳湖主汛期一般不会发生倒灌。2000年以后鄱阳湖与长江水文关系发生了一些变化,主要表现在长江对鄱阳湖出流顶托作用弱化,鄱阳湖枯水期提前并延长,湖水位日涨落幅度增大。定量研究这些关系,对于鄱阳湖水资源利用、水环境和水生态保护具有重要作用。     

Approach for Estimating Available Consumable Water for Human Activities in a River Basin

Water is vital for economic development and environmental sustainability in arid and semi-arid basins. Management of water resource requires good understanding of available water for human consumption. Evapotranspiration (ET) is an important component of the hydrological cycle and represents the amount of water lost to the atmosphere in a basin. This study proposes a new approach to estimate available consumable water for human activities (ACW) in a basin based on precipitation, natural ET, and uncontrollable outflow, thus capping water use for human consumption in a basin. The ACW is illustrated for the Hai Basin in North China, where the average ACW from 2001 to 2012 for the entire basin is estimated at 31.97?×?10⁹m³ yr.^?1, varying between 18.61?×?10⁹m³yr^?1 in 2002 and 42.60?×?10⁹m³yr^?1 in 2003. A water balance analysis for the basin indicates that the aquifer water depletion in Hai Basin for 2001–2012 is 5.23?×?10⁹m³yr^?1. Compared to existing water resources assessment, ACW provides an easier approach to water management planning as no hydrological data are required, only data on precipitation and ET, supported by landcover data.     

Water Resources Assessment and Regional Virtual Water Potential in the Turpan Basin,China

Located in the centre of the Eurasian Continent, the Turpan Basin, as the second deepest lowland in the world, is extremely short of water resources. Aimed at this key scientific issue, this paper based on years of meteorological and hydrological observation data, carried out a scientific calculation and evaluation of surface and groundwater resources in the Turpan Basin, and then, with the help of modified Penman formula, calculated the virtual water potential in the basin in 2004. The results show that the average total usable surface water resources per year in the last decade were about 6.673×10⁸ m³, while adduction volume of surface water in 2003 was about 4.94×10⁸ m³, which means that most of the region has reached or approached the limit of water resources and, as a result serious crises and constraints on the development of the basin were thus caused. The exploitation content of groundwater in the Turpan Basin in 2003 was about 6.12×10⁸ m³, which has basically reached its upper limit, and the ground water level has fallen about 10~40 m in the Turpan Basin in recent years. The daily reference crop water requirement in the Turpan Basin in 2004 was about 1,053.39 mm, and the total virtual water potential contained in six main crops was about 5.25 ×10⁸ m³ in 2004. All these showed that research works on scientific assessment of water resources and regional virtual water strategy have great significance for the best social, ecological, economic benefits and regional sustainable development of the Turpan Basin.     

和田河流域冰川径流对气候变化响应的模拟分析

为模拟和田河流域上游冰川径流,构建了嵌入冰川模块的SWAT模型,并基于实测径流数据及冰川编目数据对模型进行校正与验证,定量分析了和田河流域上游冰川径流的变化趋势及其对出山径流的贡献和对气候变化的响应规律。结果表明:1967—2017年玉龙喀什河流域多年平均冰川径流量为11.02亿m³,冰川径流对出山径流的贡献率为48.7％,喀拉喀什河流域多年平均冰川径流量为9.51亿m³,冰川径流贡献率为45.5％;在0.01显著性水平下,玉龙喀什河流域气温与降水量均呈显著上升趋势,喀拉喀什河流域气温呈显著上升趋势,降水量呈不显著上升趋势;气候变化背景下,两条支流由于地理位置、冰川特征等的不同,导致两条支流的径流响应呈现较大差异,玉龙喀什河流域冰川径流量呈显著增加趋势,而冰川径流对出山径流的贡献率呈显著下降趋势,喀拉喀什河流域冰川径流量与冰川径流贡献率均呈不显著增加趋势。