黄河生态水文评估指标体系构建及案例研究

在总结、分析国内外相关研究成果的基础上,结合黄河生态水文特点,提出其指标体系构建原则,借助Pearson相关分析法提取并确定了可表征黄河河流生态水文情势的50个指标,构建了黄河生态水文评估指标体系,并将该指标体系应用于黄河干流兰州断面的生态水文评估。实例研究采用变化范围法进行评价计算,结果表明,兰州断面的整体水文改变度为0.722,即发生高度改变。其中1、2、8、9月平均流量、逆转次数、高流量延时、枯季最大流量、丰季最大流量发生时间、大小洪水次数、涨水次数与延时等指标改变强烈,将对黄河兰州段的水沙关系、生物种群数量、幼苗比例、栖息地环境以及滩区、湿地、洪泛区的植被与动物种类产生较大影响。与水文变化指标体系进行对比,发现两者评估结果基本一致,表明本文方法在实际应用中是可行的。同时,微观结果表明,本文方法相对水文变化指标体系更细致、更全面、更准确,可较好地反映黄河生态水文态势。     

黄河生态水文评估指标体系的构建及案例研究

【目的】维持良好的生态水文联系是维持河流健康生命的基础,开展河流生态水文评估指标体系研究对进一步认识、量化和恢复河流系统健康状况具有重要指导意义。【方法】在总结、分析国内外相关研究成果的基础上,结合黄河生态水文特点,建立指标体系构建原则,通过因素分析提取可以表征黄河河流生态水文情势的50个指标,构建黄河生态水文评估指标体系,并将指标体系应用于黄河干流兰州断面的生态水文评估。【结果】实例研究结果表明,兰州断面的整体水文改变度为0.722,属高度改变。其中1、2、8、9月平均流量、逆转次数、高流量延时、枯季最大流量、丰季最大流量发生时间、大小洪水次数、涨水次数与延时等指标改变强烈,会对黄河兰州段的水沙关系、生物种群数量、幼苗比例、栖息地环境以及滩区、湿地、洪泛区的植被与动物种类产生较大的影响。与IHA指标体系对比,两者的评估结果基本一致。【结论】黄河生态水文评估指标体系在实际应用中可行,相对IHA指标体系更细致、更全面、更准确,可较好的反映黄河生态水文态势。     

龙羊峡水库对坝下河段生态水文情势影响研究

选取1988—2016年黄河唐乃亥水文站逐日平均流量和龙羊峡水库逐日出库流量数据进行水文变化指标(IHA)计算,采用水文变化范围法(RVA)并结合水库运行特点及黄河上游生态特征,评估龙羊峡水库运行对其坝下河段水文情势的改变程度及生态影响。结果表明:龙羊峡水库的运行对其坝下河段水文情势的影响属于高度改变,河流整体水文情势改变度为68.31%;指标体系中1—3月、12月平均流量,年最大1、3、7 d平均流量,年最小7、30、90 d平均流量,最小流量发生时间,低流量发生次数及延时,流量改变率及频率等指标改变显著。     

黄河水量统一调度与调水调沙对河口的生态水文影响

从具有生态学意义的流量、频率、出现时间、持续时间和变化率等5种水文要素出发,采用水文变化指标体系定量评估了黄河水量统一调度与调水调沙对河口段生态水文情势的影响,讨论了河口环境水流需求以及调水调沙后水文情势对环境水流的满足程度。研究结果表明,与水量统一调度前相比,水量统一调度与调水调沙后利津断面水文情势有所改善,年极小值流量明显增加,但是水文过程变化率降低,洪水漫滩过程消失,水文过程趋于平缓。目前河口段水文情势能够满足枯水期适宜生态流量需求,汛前4—5月关键期无法满足适宜生态流量与流量脉冲过程,汛期除缺乏洪水脉冲过程外,基本能够满足高流量输沙需求。     

黄河水量统一调度与调水调沙对河口的生态水文影响

从具有生态学意义的流量、频率、出现时间、持续时间和变化率等5种水文要素出发，采用水文变化指标体系定量评估了黄河水量统一调度与调水调沙对河口段生态水文情势的影响，讨论了河口环境水流需求以及调水调沙后水文情势对环境水流的满足程度。研究结果表明，与水量统一调度前相比，水量统一调度与调水调沙后利津断面水文情势有所改善，年极小值流量明显增加，但是水文过程变化率降低，洪水漫滩过程消失，水文过程趋于平缓。目前河口段水文情势能够满足枯水期适宜生态流量需求，汛前4—5月关键期无法满足适宜生态流量与流量脉冲过程，汛期除缺乏洪水脉冲过程外，基本能够满足高流量输沙需求。     

长江中游四大家鱼发江生态水文因子分析及生态水文目标确定

基于长江中游四大家鱼发江量历次调查数据,采用宜昌站作为长江中游水文情势变化分析的控制站,基于其1900~2004年共105年的日径流资料,采用每年5~6月涨水过程数、总涨水日数、平均每次涨水过程日数等3项生态水文指标,分析了四大家鱼发江量与3项生态水文因子的变化关系,认为产卵场所处江段每年5~6月的总涨水日数是决定家鱼苗发江量多寡的一个重要环境因子。根据IHA方法,对宜昌站105年来的生态水文指标分析表明,长江宜昌站生态水文过程的改变并不明显,5~6月总涨水日数变化趋势不显著,显示长江中游影响四大家鱼苗发江量的生态流量过程改变不明显,与前人得出的葛洲坝枢纽修建后四大家鱼的产卵条件和卵苗江汛规律没有变化这一认识一致。但是,随着三峡水库的运行,下游河道的生态环境流量过程会有较大改变,本文建议三峡水库的调控以保障长江中游每年5~6月的总涨水日数维持在22.1±7.2范围内为生态水文目标,即可从生态环境流量过程方面补偿水利工程对中游四大家鱼鱼苗发江量的影响。     

湄公河下游生态水文情势变化研究

由于人类活动加剧,湄公河下游河段生态水文情势发生改变。为定量评价湄公河下游生态水文情势的变化程度,基于湄公河下游桔井水文站(1961～2020年)逐日水文数据,采用Mann-Kendall突变检验和滑动t检验法进行年均流量趋势特征分析,并应用RVA法综合评价了湄公河下游生态水文情势变化及其生态影响。结果表明：(1)桔井站年均流量总体呈现先下降后上升趋势,突变年份出现在1996年,表明1996年以来人类活动对湄公河下游水文影响加剧;(2)湄公河下游桔井站的整体水文改变度为57.99%,属于中度改变,其中旱季水文指标受影响最高;(3)人类活动的干预增加了湄公河下游的旱季流量,对丰水期流量影响较小,需要增加对水生态的监测,防止水文情势变化对生态产生不利影响。研究成果可为探究湄公河下游水文情势变化提供理论支撑。     

丹江口水库运用对下游水文情势影响研究

为了分析丹江口水库建成投入运行以后对下游河道水文情势的影响,利用黄家港站、襄阳站和皇庄站1961~2000年日平均流量资料,采用水文变化指标法(IHA)和变化范围法(RVA),定量分析了丹江口水库运用前后汉江中下游河道水文情势变化及改变程度。结果表明,在5组IHA水文指标中,除年极端流量发生时间变化不大以外,其他各组水文指标值均发生了较显著变化;黄家港站、襄阳站和皇庄站的整体水文改变度分别为中度、低度和中度改变,这对汉江中下游河道生态系统稳定性和生物多样性带来不利影响。研究成果为丹江口水库生态调度和汉江中下游河道生态修复提供了科学依据。     

长江中游水文情势变化及对鱼类的影响分析

为分析三峡水库蓄水后长江中游河道水文情势变化情况及其对鱼类产卵繁殖的影响,采用水文变化指标体系和变动范围法,对宜昌站水文情势变化进行了定量分析,得出了变化程度较为剧烈的水文参数。通过对照典型鱼类的历史产卵量与历史流量过程,归纳了典型鱼类四大家鱼的生态水文需求,得出了影响鱼类产卵繁殖的主要水文参数。提出了水文情势变化影响鱼类产卵繁殖过程的概念性模型。在分析的基础上,揭示了长江中游水文情势变化对鱼类产卵繁殖的影响。     

渭河生态水文特征变化研究

随着河流开发利用程度的提高,河流的水文情势发生了很大的变化,生态系统受到威胁,保护和修复河流生态成为关注的焦点。本文在收集渭河林家村站、咸阳站和华县站长系列的实测日径流序列的基础上,采用滑动平均法和Mann-kendall检验法判断并检验年径流序列的变化趋势,采用有序聚类分析法、Pettitt法、秩和检验法和Mann-whitney检验法4种方法综合诊断并确定年径流序列的变异点。以跳跃显著的年份为界,将水文序列划分为变化前后两个水文变动序列,基于水文变异指标(IHA指标),应用变动范围法(RVA法),计算渭河中下游生态水文目标,研究生态水文特征的变异度。结果表明:渭河林家村站、咸阳站和华县站年平均流量均有显著下降趋势,最可能变异点分别为1990、1990和1993年,生态水文指标的整体改变度分别为70.61%,74.25%,73.05%,均为高度改变。研究结果可为渭河流域综合规划和生态治理提供科学合理的依据。     

变化范围法评估北江流域水文情势变化

通过分析北江石角站实测径流资料,应用变化范围法(RVA)评估北江流域水文情势变化.认为总体上属低改变度到中改变度阶段,个别指标达到高改变度;干支流径流式水库,其枯水期运行调度对北江流域水文情势影响较大,而汛期运行调度对水文情势影响较小;飞来峡水库运行对北江中下游水文情势的改变幅度不大,但个别水文改变指标(IHA)改变度较高,有必要进一步优化飞来峡水库调度方案,减轻对北江河流自然生态的破坏,把IHA改变度降至最低,实现人水和谐.     

一种新的水文情势改变度综合估算法

基于 33 个水文改变指标,分别采用变化范围法、直方图匹配法、直方图比较法和修正变化范围法 4 种方法, 计算汉江中下游黄家港水文站的水文变异性,并对比分析各方法的优缺点。变化范围法忽略了水文指标在极值 和目标范围的具体变化;直方图匹配法和比较法考虑了水文指标在各范围的分布;修正变化范围法涵盖了形态变 化的概念。通过主客观组合赋权,融合直方图比较法和修正变化范围法的结果,提出一种新的综合估算法,既保 留水文情势的分布、频率和时空变化信息,又避免数据冗余。综合估算法结果表明：各月月均流量和极端流量大 小的改变度均为中度改变,分别为 41.28% 和 64.83%;流量增减变化率的改变度为高度改变（80.53%）;汉江中下游 水文情势的整体改变度为中度改变（55.70%）。该法可降低计算结果的不确定性,避免水文变异性结果出现异常, 从而更加合理可靠。     

考虑水文改变生态指标的丹江口水库多目标优化调度

对水文改变指标进行分类、筛选并赋权,构建流量等级和流量波动 2 个生态指标;使用高斯径向基函数拟合 水库调度规则,以供水量、发电量和水文改变生态指标为目标函数,在丹江口水库开展多目标优化调度研究;分析 供水、发电与生态效益各指标间的竞争关系,寻求社会经济和生态效益均较佳的调度方案,论证生态流量的合理 性。结果表明：丹江口水库调度的供水、发电和生态效益之间存在目标冲突;同时考虑供水、发电、流量等级、流 量波动 4 个目标的推荐方案,可在确保防洪安全并维持供水和发电量不变的前提下,保证流量等级和流量波动水 文改变生态指标与天然状态相近;推荐方案尽可能达到适宜生态流量,满足了汉江中下游水生物自然繁衍需求。 研究成果可为丹江口水库优化调度以及汉江中下游水生态环境保护提供参考。     

改进河流压力指数法及在河流健康评估中的应用

水文情势是河流生态系统的基本属性及重要驱动力,其年内及年际变化会影响河流生态系统的正常结构与功能。当前水文变化评估已被国内外学者列为河流健康评估的重要内容。河流压力指数(FSR)法以受干扰前后连续月径流系列为基础,采用10项指标评估人类干扰下河流水文情势的变化特征,但对河流水文变化生态过程的表征存在一定局限性。针对闸坝工程建设、水电资源开发等对河流调节的不稳定性及无规律性,从河流径流系列、指标算法以及指标优选等对FSR进行一系列优化改进。在南方某流域河流健康的评估应用中发现,改进型河流压力指数法适用于日径流系列并可如实反映河流受干扰的实际情况,使得河流健康评估更符合实际;优选后的5项指标充分代表了原10项指标的生态学意义及评分结果,更有利于FSR法的应用与推广。     

水库运用对河流水文情势影响的IHA法评价——以伊河陆浑水库为例

水流是河流生物环境的主要决定因素之一,影响生物群落组成及其多样性。水利工程会改变河流天然径流过程,研究河流的水文情势具有十分重要的意义。基于龙门镇水文站实测流量数据,采用IHA法就陆浑水库运用对伊河径流过程的影响进行了评价。结果表明,陆浑水库的运用对龙门镇水文站水文年极值出现时间变化的影响不大,而对月流量、年极值、频率、延时和变化率指标改变显著,明显改变了下游河道水文情势,对下游河道内的水生态环境产生了较大影响。     

黑水河流域生态系统完整性评价

为评估黑水河流域受人为干扰的实际情况,依托流域范围内的基础地理、生物多样性、环境数据、其他威胁等调查资料,构建包含水文情势、水质、连通性、栖息地、生物群落5项关键属性的淡水生态系统完整性评价指标体系。通过变化范围法RVA、综合连通系数、栖息地比例相似PSI指数、入侵指标和捕捞指标等对黑水河流域生态系统完整性进行评价,黑水河流域水文情况属性现状为差、连通性属性现状为差、栖息地属性现状为差、生物群落属性现状为一般;河流水质现状较优,但黑水河支流存在一定富营养化风险,评估为一般。结果表明：流域生态系统完整性评价指标体系,应围绕淡水生态系统五大关键生态属性,并结合流域生态特征及生态现状来确定;RVA、综合连通系数、PSI指数等的综合运用能够科学地确定指标阈值,进而正确进行流域生态完整性评价;受不同流域鱼类生态学习性差异等因素影响,还需通过长期监测不断完善评价理论和方法。     

基于 IHA － ＲVA 法金沙江下游生态水文情势评价

为了定量评价长江上游鱼类保护区河流生态水文情势的变化,选取金沙江下游屏山水文站( 1956—2012 年) 逐日流量数据,采用 Mann － Kendall 法、累积距平法和滑动 T 检验法进行流量特征分析,并应用生态水文指标变化范围法( ＲVA) 以及水文改变度法,综合评价了长江上游鱼类保护区河段生态水文情势变化及其对河流生物多样性的影响。结果表明: ( 1) 屏山站年均流量总体呈现微弱增长趋势,突变年份出现在 1997 年,表明 1997 年以来气候变化和人类活动尤其是水电开发对长江上游水文影响加剧; ( 2) 金沙江下游屏山站的整体水文改变度为 51% 左右,属于中度改变,其中流量下降率和逆转次数受影响最为明显; ( 3) 水电工程建设一定程度上改变了长江上游河流生态水文情势,导致了长江上游鱼类数量减少。研究成果能够为长江上游河流生态保护以及开展水库生态调度提供参考。     

CLASSIFICATION OF FLOW REGIMES FOR ENVIRONMENTAL FLOW ASSESSMENT IN REGULATED RIVERS: THE HUAI RIVER BASIN,CHINA

Flow regime characteristics (magnitude, frequency, duration, seasonal timing and rates of change) play a primary role in regulating the biodiversity and ecological processes in rivers. River classification provides the foundation for comparing the hydrologic regimes of rivers and development of hydro‐ecological relationships to inform environmental flow management and river restoration. This paper presents a classification of natural flow regimes and hydrologic changes due to dams and floodgates in the Huai River Basin, China, in preparation for an environmental flow assessment. The monthly natural flow regime of 45 stations in the upper and middle Huai River Basin were simulated for the period 1963–2000, based on the hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Six classes of flow patterns (low or high discharge, stable or variable, perennial or intermittent, predictable or unpredictable) were identified based on 80 hydrologic metrics, analysed by hierarchical clustering algorithms. The ecologically relevant climatic and geographic characteristics of these flow classes were tested for concordance with, and to strengthen, the hydro‐ecological classification. The regulation of natural flow patterns by dams and floodgates changed flows at some locations within each flow class and caused some gauges to shift into another class. The research reported here is expected to provide a foundation for development of hydro‐ecological relationships and environmental flow methods for wider use in China, as well as setting a new scientific direction for integrated river basin management in the Huai River Basin. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

环境流计算新方法:水文变化的生态限度法

水文变化的生态限度框架(ELOHA)是环境流理论最新成果。ELOHA要求对河流按照水文情势特征进行分类,相同类型河流的水文—生态关系具有相似性。ELOHA还要求对开发前后水文情势变化进行分析,计算现状水文条件与基准水文条件的偏离程度。ELOHA提出了水文情势变化预期生态响应的若干假定,总结了一套为建立水文—生态关系采用的生态指标。在建立大型水文和生物数据库的基础上,运用统计学方法拟合水文—生态函数关系。最后,各利益相关者对水文变化引起的生态风险进行评估,认定可以接受的生态风险水平,再依据水文—生态曲线,确定环境流标准。