河道生态基流保障引起的农业损失量计算

为了科学协调水资源短缺地区农业用水与生态基流的矛盾问题,推动生态基流保障工作开展,从优先保障生态基流后农业受到影响的角度出发,确定了不同保障水平下的农业损失量。以渭河干流宝鸡段为例,定量计算了生态基流调控值在5～10 m~3/s之间时宝鸡峡灌区的农业产值损失与产量损失,并分析了生态基流保障前后保障率变化情况。结果表明:生态基流调控值在5～10 m~3/s之间时,平水年农业产值损失在1. 04×10~8～2. 54×10~8元之间,枯水年农业产值损失在2. 99×10~8～4. 06×10~8元之间,特枯年农业产值损失在4. 78×10~8～6. 61×10~8元之间。减少农业灌溉引水后,河道生态基流保障率明显提高。     

渭河干流宝鸡段水资源边际效益的研究

传统的水资源分配只注重水资源能带来的经济效益,忽视了其在生态环境中的价值,不利于河流水资源的可持续管理。将河道生态基流视作一类用水部门,通过建立河道生态基流边际效益的计算方法,计算留存在河道中的水资源的边际效益,利用柯布-道格拉斯生产函数,计算三次产业的水资源边际效益,可实现效益最大化下水资源的简单分配。以渭河干流宝鸡段枯水期为例对所建立的方法进行计算,结果表明:2001-2015年第二产业和第三产业的水资源用量少,而边际效益高,可维持现状;河道生态基流和第一产业的水资源边际效益年均值低于5元/m~3,可使两者的边际效益相等,求出枯水期同时满足经济效益和生态效益时的水量为10 m~3/s,此时水资源边际效益为1元/m~3。     

渭河宝鸡段生态基流价值估算研究

河流生态基流的保障为水生态系统的运行提供了良好支持,具有很高的效益和价值。生态基流保障提供的价值包括产品服务价值,调节价值,支持价值和文化审美价值等四个方面。以渭河宝鸡段为例,采用环境经济学估算方法,估算出渭河宝鸡段生态基流的产品服务功能价值为5034.83万元/年,调节功能价值为18135.93万元/年,支持功能价值为1187.8万元/年,文化审美功能价值为2620万元/年。渭河宝鸡段生态基流提供的年效益为26978.56万元,生态基流效益显著,应给予合理保障。     

河道生态基流理论基础与计算方法研究

系统梳理了生态基流的概念、内涵、确定原则、研究内容和计算方法,回顾了生态基流理论发展的历程,构建了生态基流计算分析的总体框架。以渭河关中段为例,首先识别了其生态保护目标,然后分别运用水文学法、水力学法和综合分析法估算了渭河关中段主要控制断面的生态基流,并基于专家论证意见,初步确定渭河关中段林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县断面生态基流近期目标为4.0、6.0、8.0、12.0、16.0 m~3/s,远期目标为8.0、10.0、12.0、18.0、20.0 m~3/s,最后从农业用水管理、地下水管理、工业用水管理、水质管理、水量调度管理等方面对生态基流未来的发展趋势提出了一些建议。     

渭河生态基流时空分异特征及保障率分析

以渭河为研究对象,依据渭河干流北道、林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县6个主要断面1971-2014年的水文实测资料,基于河流典型生态环境特征划分河流生态类型,并对其生态基流量进行优化计算,在此基础上揭示渭河生态基流时空分异特征及生态基流保障率。结果表明:选取北道、林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县断面枯水期的最小值作为相应断面的生态基流量推荐值,分别为5. 68、2. 51、11. 39、25. 33、77. 26和61. 86 m3/s;从时间变化看,各断面生态基流年内最大值均集中在汛期(7-9月),最小值集中在枯水期(12-次年3月)。除汛期外,各断面的生态基流月均值变化轨迹整体一致,各断面生态基流除8月与1、2、3、4、6、10、11、12月差异不显著(P>0. 05)外,其余各月两两之间差异均显著(P <0. 05);从空间分布来看,林家村断面1月生态基流量最小,华县断面8月生态基流量最大,体现出渭河上游生态基流量不足而下游河道泥沙淤积的生态环境特征;生态基流量总体上呈上游低下游高的特征,除魏家堡和华县断面月均生态基流量差异不显著(P> 0. 05)外,其余各断面之间差异均显著(P <0. 05)。     

渭河宝鸡段河流生态需水量估算分析

河流生态需水研究是水资源优化配置的基础性工作,也是维持和改善生态系统、实现水资源永续利用的保障。以渭河干流宝鸡段为例,基于生态基流、输沙需水和自净需水三方面考虑,最终估算出渭河宝鸡段现阶段河流生态需水量为19.01亿m3。与渭河宝鸡段上游来水量相比,生态需水量缺口较大。最后从增加上游来水量、区段内的节水及控污、建立有效的管理体制等方面提出若干针对性建议。研究成果一定程度上丰富了生态环境需水理论研究,也为维护流域生态环境建设和水资源合理利用提供参考。     

渭河宝鸡段生态需水综合评估

基于渭河宝鸡段林家村站和魏家堡站的观测资料,分别采用Tennant改进法、建设项目水资源论证导则代表年法(IGAWDU法)和二元水循环法计算渭河宝鸡段的生态需水,结果表明:①Tennant改进法计算4—6月、7—10月和11月—翌年3月三个时段生态需水最低标准分别是8.8、17.1、6.4 m3/s;②IGAWDU法计算平均年生态需水(IGAWDUM)为22.8 m3/s,丰水年、平水年、枯水年和特枯年4种典型年的生态需水(IGAWDU-T)分别为28.5、22.9、16.1、10.2m3/s;③二元水循环下的生态需水比例Ea=46.4%,污径比bw=0.29,表明渭河宝鸡段水量和水质均不达标。     

基于基流比例法的洋河干流生态基流估算

为了更好地反映高频率取用水影响下北方季节性河流的生态基流量需求,采用细化到月尺度的基流比例法,分析计算了洋河1956—2015年的年尺度及月尺度生态基流量以及2015年的日生态基流保障程度。结果表明:丰水年、平水年、枯水年和特枯年的平均生态基流分别为3.64 m3/s、2.70m3/s、2.00 m3/s和1.31 m3/s;逐年生态基流持续减少,由1980年前的5 m3/s左右锐减到近十年的1.5 m3/s左右。不同年型基流量的逐月分布情况存在一定差异性,特别在特枯年1月、7月、8月及12月生态基流并不能满足至少保留10%多年平均径流量的生态需求,并出现非汛期生态基流最大,汛期生态基流反而最小的异常现象。2015年,洋河干流的日生态基流保障率仅为51%。不同年型及不同时间尺度的计算结果均阐释了洋河生态环境明显退化的趋势和严峻的健康形势,而且月尺度结果更详尽、更能映射取用水破坏河流生态的关键性和显著性。因此,建议分析河流生态需水时应区分河流丰枯状况,并尽可能地细化时间尺度。     

淮河干流阜阳段生态基流估算研究

为了有效保障淮河干流阜阳段生态系统需水要求,根据淮河阜阳段鲁台子站1973—2017年实测流量资料,采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法及90%保证率法,对淮河中游阜阳段生态基流进行了分析计算。综合对比分析各种生态基流计算结果认为,淮河阜阳段生态基流为67.17～201.52 m~3/s;除特枯年外,其生态基流保障程度基本能达到90%,结果比较符合实际。生态基流上限值占多年平均流量的32%,为了使河流健康状况达到更好水平,还需采取生态调度、跨流域调水等措施,实施引江济淮工程等,逐步提高生态基流值,从而保障生态环境安全。     

永定河官厅下游段生态基流估算研究

根据永定河官厅水文站1956年～2016年61 a实测月径流资料,采用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、基流比例法估算永定河官厅下游段生态基流。综合对比分析确定,永定河官厅下游段生态基流为2.05～3.93 m~3/s;结合生态流量与现状年河道实际流量进行对比,评估分析三种方法计算得出的河道生态基流的保障程度表明,基流比例法在该区域表现最好,而90%保证率最枯月平均流量法计算得出的结果偏小,Tennant法在计算永定河此类型的北方季节性河流有明显的不足。     

气候变化下奎屯河流域径流特征分析

近年来,人类经济活动加快以及气候的变化,导致径流特征发生一定的变化,这为径流预报、水资源的合理规划及利用增加了难度。目前,随着气候的变化,奎屯河流域的径流特征也发生了极大的变化。根据1972—2017年奎屯河流域月径流量以及气温、降水实测数据,通过基本统计方法、累计距平法、MK检验等方法,分析了奎屯河流域两条主要河流在气候变化影响下的年内变化、年际变化和周期变化趋势等特性。结果表明:奎屯河与古尔图河年径流序列分布规律较为相似,主要体现在年径流分布较为集中,离散程度小,分布呈正偏,极值数据集中度较好;奎屯河、古尔图河,相对变化幅度均呈现减小的趋势且河流年内分配逐渐趋向均匀,其中奎屯河径流量46 a间平均上升速率为0.38×10~8m~3/10 a;古尔图河平均上升速率为0.214×10~8m~3/10 a;奎屯河、古尔图河年径流序列演化过程分别存在着4～8 a、10～15 a、20～25 a以及5～15 a、20～30 a尺度的周期变化规律,第1主周期分别为23 a和22 a;奎屯河径流量与气温Pearson相关性系数为0.703~(**),呈极显著相关的关系;古尔图河径流量与气温、降水Pearson相关性系数分别为0.698~(**)、0.225~(**),呈极显著相关的关系。     

基于 PSＲ 模型的刁口河尾闾湿地生态系统健康评价

为综合反映生态补水措施下刁口河尾闾湿地的生态系统健康状况,以 PSＲ( Pressure-State-Ｒe- sponse) 模型为基础,对刁河尾闾湿地构建了包括人口密度、土地利用程度、湿地年来水量等指标的生态系统健康评价体系,采用 Fuzzy-AHP 法计算指标权重和隶属度矩阵,根据综合评价指数( CEI)确定不同时期湿地的生态系统健康状况。结果显示: 2010 年、2015 年和 2018 年三个时期刁口河尾闾湿地的综合评价指数分别为 0. 433、0. 696 和 0. 808,分别处于 “亚病态”、“一般”和 “亚健康”状 态。在压力、状态、响应个子系统中,状态层的制约性最强( 0. 576 2) ,响应层居中( 0. 219 7) ,压力层最低( 0. 204 3) ; 在 20 个评价指标中,植被覆盖面积、生态恢复工程、湿地年来水量等是影响刁口河湿地生态系统健康状况的主要因素。随着生态补水工作的有序开展,刁口河尾闾湿地生态系统向健康方向发展。但要使湿地健康状况达到 “健康”标准,仍需长期规律的水量保障措施以及一系列湿地保护工作。     

塔里木河干流上中游河道耗水过程分析

为明晰塔里木河流域干流河道损失水量组成、去向以及变化规律,实现流域水资源分段管理以及科学调度,本文利用2005—2017年塔里木河上中游各断面地表径流数据,分析了干流上中游各河段耗水过程。结果表明:(1)在塔里木河干流上中游,阿拉尔年径流量呈不显著的减少趋势,而新其满、英巴扎、乌斯满、恰拉均下降趋势显著。(2)塔里木河干流耗水呈现随耗水量增大主要耗水区下移的特点,各河段中英巴扎—乌斯曼河段耗水平均占比最高(34.13%),除阿拉尔—新渠满河段以外,塔里木河干流各河段来水与耗水呈现显著或极显著的正相关关系。(3)塔里木河干流上中游年均河损水量为24.9亿m~3,单位河长河损为294.63万m~3/km。其中英巴扎—乌斯曼河损水量最大,达到7.73亿m~3。同时塔里木河干流各河段年均耗水量与河损量存在极显著的正相关关系。(4)为了控制水资源无效耗水、提高流域水资源利用效率,应该合理地规划流域耗水结构,其中英巴扎—乌斯曼河段是重点防止河段。     

大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力影响研究

为研究大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力的影响,采用二维数学模型计算分析了不同洪水工况下乌龙江河道流量、水位及流速分布特征。结果表明:50 a、100 a、200 a一遇工况下,乌龙江流量分别减少125 m~3/s、167 m~3/s、190 m~3/s,相应分流比减少0.38%、0.47%、0.50%;乌龙江进口至峡兜河段洪水位壅高幅度分别为0.10～0.28 m、0.10～0.35 m、0.10～0.42 m,大樟溪入汇对入汇口上游乌龙江河道水位的影响更大;入汇口上游河段流速减小幅度基本在0.10 m/s以下,其中由支干流水流相冲引发的水体滞留区流速最大分别减小0.26 m/s、0.26 m/s、0.31 m/s,入汇口下游左侧主河槽部分流速增幅基本在0.10 m/s以上、右侧支汊除上段流速增幅达0.10 m/s以上以外其余区域流速增幅均小于0.10 m/s,入汇口下游近右岸侧回流区流速最大分别减小0.20 m/s、0.20 m/s、0.20 m/s,大樟溪入汇对入汇口下游乌龙江河道流速的影响更大。     

基于 CORDEX 数据集的碧流河流域径流预估

为了研究气候变化对碧流河流域径流的影响,基于CORDEX联合区域降尺度试验,采用区域气候模式对GCM所涉及的两个全球气候模式进行降尺度,获得三种情景下的气象数据集,并利用气象数据集驱动率定好的SWAT水文模型,预测未来气候变化条件下碧流河流域的径流过程,分别分析年、月平均径流相对于基准期的变化特征,以及各情景模式下设计丰水年(P=10%)、设计平水年(P=50%)、设计枯水年(P=90%)的设计年径流年内分配过程相对于基准期的变化。结果表明:气候变化对碧流河流域径流的影响主要体现在汛期;C1、C3情景在RCP4.5排放路径下汛期平均径流量相对于基准期增加17.65%、0.14%,多年平均径流量增加18.17%、5.58%;其余各情景下径流量皆呈减小趋势,其中汛期减幅(-7.22%～-0.75%);多年平均减幅(-10.25%～-10.58%)。设计年径流分配过程显示,未来时期设计丰水年,平水年的年径流最大值主要出现(5—10月),较基准期汛期(6—9月)而言范围较大,设计枯水年年内分配不均匀,碧流河水库在未来时期兴利防洪调度将面临一定的挑战。     

宁蒙黄河治理对策

资料分析表明,宁蒙黄河冰凌灾害频繁的被动局面是由于主槽萎缩、卡冰结坝所致;而洪灾与用水安全问题则是河势变化无常和多沙支流突发性洪水淤堵干流形成"沙坝"引起的。为有效恢复宁蒙河段的行洪排沙功能,实现河道减淤、恢复和维持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的宁蒙黄河治理目标,从产沙、输沙、调控机理三个角度出发,分析了各因素对宁蒙黄河河床演变特征的影响。就产沙而言,通过产沙地貌分区、遥感影像分析和流域水系分区相结合的方法确定黄河上游不同沙源区的分布。基于提出的风蚀输沙通量计算方法及风沙入河估算方法,并结合区域风速与植被覆盖率实测数据,发现近30 a风速下降、区域植被覆盖率上升是风沙侵蚀量与入黄风沙量逐渐减少的原因。分析宁蒙河段日均风速、日降雨量和已有侵蚀观测资料,发现宁蒙地区的风水两相侵蚀主要体现为风蚀与水蚀交错存在及其交互促进,风力侵蚀主要发生在3—5月,水力侵蚀则集中在7—9月。现场观测与黄土降雨侵蚀模型试验则表明,重力侵蚀在黄土高原的整个侵蚀过程中占有重要的份额,暴雨形成的径流是黄土遭到侵蚀的主要外营力,也是激发和加剧重力侵蚀发展的重要影响因子。总体来看,宁蒙黄河的流域产沙具有典型的风-水-重力多营力交互特点,在比尺模型与野外观测揭示的流域径流汇集过程、沟道水流与河床自适应以及非平衡输沙机理基础上,构建了复杂地貌形态的小流域产流产沙动力学模型,成功模拟了不同植被特征和分布状况对流域产流产沙的影响,并得出了植被的减水减沙效果与延滞径流洪峰的作用同郁闭度呈正相关关系,陡坡区域植被对径流洪峰的延滞作用大于缓坡区域的结论。就输沙而言,以泥沙起动、推移质输沙与河床均衡调整等基础理论为基础,提出了水沙两相流数值模拟方法与冲积河流全沙运动模型相似条件。数值计算与模型试验表明,龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因,协调水沙关系是修复黄河行洪排沙功能的有效途径。并分析确定了宁蒙黄河河道水沙调控阈值和多沙支流入汇口干流防淤堵的流量阈值,即宁蒙黄河临界调控流量为2 000～2 500 m~3/s,临界含沙量5.4～10.5 kg/m~3,调控时间为15～20 d,证实了通过协调水沙关系可修复和维持宁蒙黄河行洪排沙功能;防止多沙支流入汇堵河的黄河流量阈值为2 500 m~3/s,治理淤堵沙坝配合"挖引疏浚"有效冲刷的干流阈值流量为3 000 m~3/s。从各河段模型试验给出的来沙系数阈值沿程减小的变化趋势看,在内蒙古河段现状河床边界条件下,全线冲刷要求的流量至少为2 600 m~3/s,表明黑山峡工程必须预留充足的水沙调控库容。就宏观调控而言,针对流域下垫面条件多样、入黄泥沙沙源众多、河道输沙受水库调度影响显著等特点,以干流水库群为调节器,以径流泥沙为调节对象,采用模块化开发方法集成了风-水-重力侵蚀模型、河道输沙模型、冰情预报模型于水库联调模型上,构建了可进行大范围、高精度的水沙过程模拟预报的宁蒙黄河区域数字流域模型平台,并成功在下河沿—石嘴山河段进行了调试和应用。此外,针对宁蒙黄河河型复杂、凌汛期易卡冰结坝、夏季多沙支流突发性洪水易堵干流形成"沙坝"等河情状况,提出了"水沙调控、支流拦沙、堤外放淤"的处治模式。在稳定性分汊河段、大型支流入汇段、受沙卵石河床组成限制的河段,则指出不宜强行套用微弯型治理方案,而可采用"工程导送(简称为‘导’)、塞支强干(简称为‘塞’)、挖引疏浚(简称为‘挖’)"方针,亦即"导、塞、挖并举"的对策。建设黑山峡水库、南水北调西线工程等是宁蒙河段长远治理的根本对策,通过增加河道内汛期水量和调水调沙,恢复并维持中水河槽,提供防凌库容,才能彻底解决宁蒙河段凌洪灾害,并得出建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与堤外淤沙处置的"固-阻-输-置"综合防治体系,是目前可行的治理对策的结论。     

区域污染负荷特征与控制分析：以宁夏沿黄经济带为例

2017年以来宁夏13条主要入黄排水沟水质基本为劣Ⅴ类,迫切需要推进宁夏沿黄经济带污染防控,保障沿黄城市群高质量绿色发展乃至黄河流域生态安全。针对宁夏沿黄经济带现状污染分析中未考虑污染物入河过程中的减少和点面源污染总体分析不足的问题,以TN、TP、COD、氨氮为污染负荷指标,采用统计数据和考虑入河系数的输出系数法,分析区域污染负荷特征,诊断主要污染源,计算分析点面源污染物排放量和入河量,进行污染物入河量控制分析,提出污染防控的重点和策略。研究表明:2017年研究区TN、TP、COD、氨氮排放量分别为2.23万t、0.15万t、6.16万t、1.00万t,入河量分别为1.03万t、0.03万t、3.31万t、0.44万t,城镇生活污水、农田化肥污染、工业污染物入河量分别占入河总量的55.9%、26.6%和14.7%。污染防控主要策略是城镇污水处理厂出水水质提标至准Ⅳ类,可削减污染物至现状的60.8%;农田亩均化肥折纯量控制在15kg以下,可削减污染物入河量至现状的32%;宁东能源化工基地和工业园区实行近零排放。研究结果为宁夏沿黄经济带生态保护和污染防控治理提供技术支持。     

基于BP神经网络的土石填料压实质量控制

现行的土石填料压实质量检测方法由于自动化程度低、效率低、采样密度小等缺点,很难满 足工程建设质量实时控制的需要。开发新的检测技术,实现填料高质、快速、无损和动态的检测已成 为亚待解决的重要任务之一。本文阐述了BP神经网络原理,并结合PFWD时程曲线的动态参数,建 立了基于BP神经网络的土石填料预测模型。实际数据对比分析表明,该方法能够满足压实质量的快 速检测。     

基于生态位理论的黄河流域用水结构分析

为分析和探究黄河流域用水结构的变化特征,科学支撑流域水资源合理配置与调度,保障流域可持续发展,以黄河流域为研究对象,基于生态位理论构建了用水结构生态位及其熵值模型,分析了流域及流域内主要省区用水结构演变趋势和特征,并与发达国家用水特征作比较。在此基础上提出了相关建议。结果表明:黄河流域的农业用水生态位(0.7～0.78)最大但呈现波动减少趋势,工业用水生态位(0.12～0.15)次之且变化趋势为波动且有所下降,生活用水生态位(0.06～0.08)与城镇公共及生态用水生态位(0.03～0.09)相对较少但皆有不同程度的增长趋势。各省区的生态位熵值差异较大,表明流域及各省区间用水结构差异较大。统计年间宁夏、内蒙古及山东的农业用水占有率高于全流域,陕西、山西、河南及甘肃的工业用水占有率高于全流域,各省区城镇公共及生态用水的占有率变化剧烈,陕西、山西及河南的生活用水占有率高于全流域。相较于黄河流域,美国的工业用水(0.42～0.52)在用水结构中的优势更加突出,农业用水(0.31～0.44)相对处于劣势地位;两个区域生活用水在用水结构中的地位相对其他的用水类型更为接近。     

近20年塔里木河干流生态环境变化遥感监测分析

针对塔里木河流域综合治理后生态环境的变化状况及植被的恢复状况等热点问题,基于遥感时空变化分析方法从土地利用、地表水体和植被覆盖度的时空变化方面分析了近20年来塔里木河干流生态环境的变化状况。结果表明:(1)塔里木河干流土地利用受到人类活动的影响显著,自2000年以来,塔里木河干流耕地面积增加显著,净增2 229 km~2,草地面积整体下降,萎缩3 157 km~2;(2)综合治理以来,下游河段2009—2018时段水体出现频率明显高于2000—2008时段,水体出现频率提高约15%;(3)2000年以来,塔里木河流域的植被覆盖度持续增加,特别是下游河段植被覆盖度增加明显,覆盖度增加18%。但中、上游流域的植被覆盖度的增加趋势主要贡献来源于耕地,中上游地区耕地的增加仍会对塔里木河流域的生态保护和恢复造成一定的影响。