黄河河口生态需水研究进展与展望

黄河河口生态需水包括河流生态需水、湿地生态需水和近海生态需水。系统梳理了近20年来黄河河口生态需水目标、需水类别和需水量计算结果;结合黄河河口演变特点,提出生态需水研究的重点和主要方向。河流生态需水以满足重要渔业物种生境为主,重点研究指示物种对天然径流量节律的响应特征,量化水文-生态响应关系,在某种程度上恢复自然水文情势的生态功能。湿地生态需水应深入研究植被、土壤、水体的水盐平衡和蒸散发规律,从植被和鸟类生态位的合理设计以及生物多样性维持出发构建生态系统结构,确定湿地合理规模。近海生态需水应研究入海冲淡水对渔业物种低盐产卵育幼场的塑造和维持机制,以及重要渔业物种习性、适宜营养盐水平与磷酸盐输送扩散机制。小浪底水库运用以来,利津断面径流量满足已有生态需水径流量各项研究成果要求的年份比例为37%～58%,春季经流过程经常缺乏流量脉冲。初步分析以湿地、河道鱼类和近海鱼类为主要目标的全年生态需水量为86亿m~3,径流过程需要阶段性场次洪水。建议对小浪底水库调度方案进行多年优化调整,兼顾春季流量脉冲的塑造,在更大程度上满足河口生态需求。     

黄河下游河道平衡输沙的沙量阈值研究

考虑黄河未来可能的水资源条件,以及生态保护、经济社会发展多目标对水量年内过程分布需求,根据黄河下游水沙资料、河道冲淤资料,采用实测资料分析、公式计算、数学模型模拟等多种方法研究了有利于黄河下游河流生态良性维持的平衡输沙的沙量阈值。未来进入黄河下游的年来水量为250亿m~3左右,实测资料分析和公式计算表明,未来较小的平衡输沙阈值为2.0～2.2亿t。数学模型计算在小浪底水库等现有工程联合调控作用下黄河下游平衡输沙的临界沙量为2.5亿t。中游古贤水库建成后和小浪底水库联合调度,可以进一步提高汛期的输沙效率,平衡输沙的沙量阈值可进一步提高。研究成果对黄河下游治理具有重要意义,可为黄河泥沙处置措施优化提供技术支撑。     

河道采砂对水生生态的影响与减缓对策

河流冲淤塑造了河流多样性的形态结构,提供了河流多样性生境,孕育了水生生物的多样性,尤其是河流中下游的泥沙冲淤,形成物产丰富的平原、洲滩。因此,河流泥沙冲淤具有重要的生态学效应。河砂又是一种优质的天然建筑材料,市场需求不断增加。河砂过度、无序开采对河流生态系统造成了一系列不利影响。从河道采砂对河流生境和水生生物两个方面的影响进行综合分析,并结合我国国情提出了相应管理策略,以期缓解或避免采砂的负面生态环境影响。     

利用浮游植物生物完整性对河流健康进行评价

2017年3—12月对江阴市4条河流的13个采样点进行调查研究,基于浮游植物生物完整性指数(P-IBI)评价了河流健康状况,并分析了P-IBI与环境因子的相关性。通过分析人为干扰程度划分出参照点与受损点,对18个候选参数进行指标筛选和Pearson相关性分析,最终选取硅藻门分类单元数、绿藻门百分比、席藻百分比、香农多样性指数和浮游植物生物量5个参数,采用比值法计算得到各参数分值,各个参数分值相加得到江阴市4条河流的浮游植物生物完整性指数分值P。结果表明:调查河流浮游植物优势种为颤藻、鱼腥藻、裸藻等,水体富营养化严重,整体水质较差;P与河流流速、透明度、矿化度和电导率相关性较高,人类活动引起的水土流失是浮游植物种群结构的主要影响因素;4条河流P与水质数据基本吻合,水质状况越好,P越高,表明采用浮游植物生物完整性指数对河流健康状况进行评价是可行的。     

黄河下游河道滩槽协同治理驱动—响应关系研究

随着黄河流域下垫面条件、进入黄河下游的水沙条件、区域社会经济发展等发生的一系列显著变化,特别是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施,运用系统思想与方法来研究并实现黄河下游河道滩与槽的协同治理,成为新时代下游河道治理综合提升的重中之重。在将黄河下游河道河流系统划分为3个子系统,即维持河槽基本功能的行洪输沙子系统、保障滩区居民生产生活安全的社会经济子系统、维持滩槽生态环境健康的生态环境子系统的基础上,重点介绍各子系统滩槽协同治理目标厘定以及代表性指标的遴选结果,其中:行洪输沙子系统治理目标代表性指标包括河势稳定控制和河道过流能力指标,社会经济子系统发展目标代表性指标包括下游滩区粮食产量和河道引用水量指标,生态环境子系统治理目标代表性指标包括河道典型断面适宜流量保证率、适宜脉冲流量次数指标。藉此,分别构建了主控因子与各子系统滩槽协同治理目标的驱动—响应关系,提出了黄河下游滩槽协同治理模式下多维治理目标及其主控因子阈值。     

改进的年内展布法在生态环境需水量计算中的应用

为弥补现有年内展布法不适用于季节性河流和无法避免极端水文条件影响的不足,对现有的年内展布法进行了改进。基于河道天然径流资料,将一年划分为汛期和非汛期,选取多年各月具有90%保证率的各月平均流量和多年各月平均流量,计算汛期和非汛期的同期均值比,根据多年各月平均流量和同期均值比计算各月河道内基本生态环境需水量。以博阳河控制站梓坊水文站断面为例,将结果与规范推荐的最小月平均流量法、流量历时曲线法、Qp法、频率曲线法4种水文学法及传统的年内展布法比较,并用Tennant法进行评价。结果表明:改进的年内展布法与流量历时曲线法取90%保证率对应流量时, Tennant法评价结果一致,但是改进的年内展布法一般用水期各月河道内基本生态环境需水量变化趋势更接近各月多年平均流量,符合水文情势变化,能更好地满足各月生态环境需水,可用于季节性河流,弥补了传统年内展布法不适用于季节性河流的不足,同时避免极端水文情况的影响。这也说明改进的年内展布法评价结果好于其他方法的评价结果。     

河流连通性综合评价方法研究

保障河流连通性是生态系统保护与修复的一项重要举措,为推进我国江河湖库水系连通工作,亟需加强河流连通性评价的理论方法研究。基于河流生态系统四维结构和功能整体模型,构建了河流连通性综合评价方法;通过梳理国内外河流连通性评价的研究和实践,从4个维度凝练了构建河流连通性指数的5个评价指标,包括破碎度指数、库容调节系数、水资源利用消耗率、路网密度和城市夜间灯光指数;通过综合分析各个指标的阈值和权重,建立了河流连通性指数计算方法、综合评价方法及评价依据。研究成果进一步完善了河流连通性评价的理论方法,为河流连通性评价提供了一种新的思路,可为河流生态系统保护与修复提供参考。     

考虑径流年际变异的洮河河道生态径流研究

人类活动尤其是大规模的水利工程建设,极大地影响了河道径流的一致性,因此考虑径流年际变异的河道生态径流研究具有重要意义。以洮河流域为例,采用Mann-Kendall突变检验法和滑动t检验法对洮河中游岷县站、下游李家村站1950—2016年逐月实测径流做突变检验,借助逐月次最小值法、逐月频率计算法计算了两站河道最小、适宜生态径流,分析了水文变异前后生态径流满足情况以及流域发展带来的可能影响。结果表明:岷县站和李家村站年径流存在显著水文变异,突变点分别出现在1989、1991年;逐月次最小值法得到的最小生态径流和逐月频率计算法得到的适宜生态径流均可保证河流生境处于"好"及以上的流量范围内;水文变异后,河流最小、适宜生态径流满足情况均变差,尤其是在鱼类产卵育幼期(4—8月);现状河流来水存在显著减少变化,未来人类活动强度和影响范围将进一步加大,应立足流域角度,统筹考虑河流生态用水与经济社会用水。研究成果可为流域未来更好地开展水资源开发与利用工作提供一定的参考。     

黄土垂直和构造节理的几何差异性及拓扑学研究

黄土节理是地下水的赋存场所和运移通道,它们使土体破碎进而影响稳定性和强度,是各类地质灾害的构造基础,准确分析其发育特点和展布规律,是理解黄土频发灾害的关键步骤。通过现场调查、数理统计和拓扑分析,对陇西地区黄土进行系统研究。结果表明:①陇西地区主要发育优势走向为NNW、NWW和NE向的构造节理,这是受区域内走滑断裂带和逆倾滑断裂带影响的结果;②构造节理优势组的产状服从高斯正态分布,倾角多为60°~80°,垂直节理的产状随机分布、离散型较强;③2种节理的平均间距均较宽,张开度属“开裂”范围,延续性中等,但垂直节理的间距分布范围更集中,构造节理的张开度相比更小;④拓扑分析显示I型节点占主导,节理延伸过程易被中断,分支比处于3以下的低水平,该方法能更简单、直观地描述连通性。研究结果可以为新构造应力场恢复、掌握黄土节理发育基本规律、节理网络数值建模等提供基础数据。     

桥梁对河流阻水影响的一个综合判别指标

针对桥梁对河流的阻水影响问题,基于河流能量观点提出了考虑河流能量与桥梁阻水比双因素的综合判别指标η,应用其讨论了山区河流和平原区河流修建桥梁对河流的阻水影响。结果表明:综合判别指标η可以有效地区分相同桥墩布置形式桥梁对不同类型河流的阻水影响;综合判别指标η可以指导桥墩在河流中的合理布置,有效减小桥梁对河流的阻水影响,与桥梁阻水比、单宽流量等指标在指导桥墩合理布置方面起到相同效果。该研究成果在一定程度上弥补了一般桥梁阻水比指标的不足。