河流生态需水计算及空间满足率分析——以济南市为例

随着经济社会发展,用水量增大,导致河流生态需水常常得不到满足。生态需水作为河流生态系统的重要指标,对维持生态系统可持续具有关键作用。充分考虑河流生态系统的生物需求,采用食物网模型(Ecopath)识别了鱼类关键物种,在此基础上确定生态流速,结合无人机反演河段大断面,采用改进的生态水力半径法(AEHRA)计算生态需水,在生态需水计算结果的基础上采用River2D模型模拟河段流量,进而计算河段的生态需水满足率。计算结果表明汛期各河段生态需水基本能够得到满足,非汛期绝大多数河段生态需水不能得到满足,并且满足率极低,导致生态系统健康无法维持。因此,应加强非汛期的河流生态调度以满足河流生态需水。研究提出的计算河段生态需水的新方法可为水生态修复提供方法基础,研究结果可为济南市河流水生态修复与管理提供重要的科学依据。     

大通河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以大通河流域为研究区域,利用1985年和2005年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评估了流域土地利用/覆被变化的水文效应。结果表明：1985-2005年大通河流域的土地利用变化主要表现为草地向耕地、居工地转变,草地所占比例由46.7%骤降至20.9%,而耕地面积由1985年的1065.8km²增加到2005年的3243km²;相较于1985年的土地利用情景,2005年土地利用情景下的模拟的多年平均径流增加了1.92×10⁸m³,由于上中下游主要的土地利用/覆被变化不同,导致流域径流变化增加程度由西北至东南逐渐增大;大通河流域年径流的增加主要表现为汛期径流增加,讯期月平均径流增幅达到了0.40×10⁸m³·mon^-1;非汛期径流则呈不明显减小趋势,平均降幅为0.024×10⁸m³·mon^-1。合理规划大通河流域土地利用方式,提高水源区涵养能力,对流域水资源可持续发展具有重要意义。     

基于变动范围法(RVA)的信江水文改变及生态流量研究

选择信江下游梅港站1950~2010年日径流量,根据流域大型水库界牌枢纽运行时间将梅港站径流序列分为建库前(1953~2001)和建库后(2002~2010)两个时段。采用变动范围法(Range of Variability Approach,简称:RVA)分析水库运行对下游梅港站流域生态水文指标改变度,并分析了信江下游生态流量。研究表明:33个水文指标有22个发生中高度改变,11个指标发生低度改变,其水文综合改变度为0.51,属于中度改变;梅港站生态流量值均在RVA阈值内,基本能够保持河流稳定流量,但2月、7~9月及12月河道生态流量大于RVA下限。可适量增大水库下泄水量,降低对下游河段生态系统的威胁。     

缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例

缓解水资源供需矛盾是缺水流域水资源管理的重点与难点,量化不同用水部门间的竞争与协作关系,可为缺水流域水资源供需关系提供评估方法和优化思路。分析了水资源的排他性和非排他性特征,定义了不同用水部门之间的竞争与协作关系,建立了用水竞争度和协作度量化方法,并提出减小竞争度、增大协作度的需水过程优化目标。以黄河流域为例评估用水竞争与协作关系,结果显示：2017年兰州以下各河段存在较强的用水竞争关系,汛期河道内缺水导致协作度较小;预测2030年兰州-河口镇和花园口以下用水竞争度较大,跨流域调水工程可有效降低各河段用水竞争度;流域水资源管理需进一步考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水过程,进一步挖掘用水协作潜力;将部分汛期输沙水量调整至非汛期可以减小竞争度、增大协作度。     

缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例

缓解水资源供需矛盾是缺水流域水资源管理的重点与难点,量化不同用水部门间的竞争与协作关系,可为缺水流域水资源供需关系提供评估方法和优化思路。分析了水资源的排他性和非排他性特征,定义了不同用水部门之间的竞争与协作关系,建立了用水竞争度和协作度量化方法,并提出减小竞争度、增大协作度的需水过程优化目标。以黄河流域为例评估用水竞争与协作关系,结果显示:2017年兰州以下各河段存在较强的用水竞争关系,汛期河道内缺水导致协作度较小;预测2030年兰州-河口镇和花园口以下用水竞争度较大,跨流域调水工程可有效降低各河段用水竞争度;流域水资源管理需进一步考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水过程,进一步挖掘用水协作潜力;将部分汛期输沙水量调整至非汛期可以减小竞争度、增大协作度。     

祖厉河流域水质评价与生态环境需水量研究

依据祖厉河流域上下游(会宁、靖远站) 2个水质监测断面2008-2017年的地表水水质监测数据,采用层次分析法研究各指标,应用模糊综合评价法对流域水质进行综合评价。采用Tennant法、近10年最枯月流量法、90%保证率最枯月流量法、月年保证率设定法分别计算了流域内2个断面的生态环境需水量。结果表明:(1)祖厉河流域上下游水质评价标准隶属度分别为0.954(汛期0.967)、0.706(汛期0.546),均属于Ⅴ类水质。(2)上游会宁站生态环境需水量为0.039 m3/s,下游靖远站生态环境需水量为0.413 m3/s,满足多年平均流量的10%以上。     

北方平原区河道生态需水量计算初探

河道生态需水量的确定对保持河道的生态功能具有重要意义。在现有河道生态环境需水理论的基础上,以聊城市徒骇河为例,结合北方平原河网地区河道的特点,分析了河道生态需水量的计算。河道生态需水包括河道内生态基流和敏感生态需水,其中生态基流分非汛期和汛期两个水期分别确定,非汛期生态基流按多年平均天然径流量的10％;汛期生态基流可按多年平均天然径流量20％确定;敏感生态需水选择了两处水利风景区确定。     

乌力吉木仁河水文要素时间尺度变异分析

由于气候变化和人类活动的影响,水文要素的分布形式和参数可能在统计意义上产生了变异。为了揭示水文要素在时间尺度上的变异关系,将乌力吉木仁河梅林庙测站1956~2000年的逐月径流资料,按照不同的时间尺度划分为季度、汛/非汛期和年径流序列,利用水文变异诊断系统分别对其进行变异诊断,并查阅相关文献得出剧烈的人类活动是导致变异的主要原因。通过归纳不同时间尺度的变异诊断结果得出,对于按照季度尺度划分的径流序列,不同月份径流量占年径流量的比例是影响季度变异的主要因素,在变异程度方面,第一季度的变异程度最大,而第三季度的变异程度则最小;对于汛/非汛期尺度划分的径流序列,其变异则受所包含月份的综合影响,且月径流量比例系数越大,其影响程度也越大;对于年径流序列,其变异则主要受到第三季度或汛期径流的影响。     

考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法

变化环境下水文序列常表现出非一致性,导致基于独立同分布假设的频率分析方法受到严峻挑战,故亟需研究适用于非一致性水文序列的频率分析方法。针对具有趋势变异的水文序列,提出了一种考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法:以具有局部与整体趋势识别能力的滑动窗口趋势分析法诊断序列;构造时变概率分布模型组,采用融合了贝叶斯理论的广义极大似然法估计模型参数;优选模型并按照等可靠度原则推求设计值及置信区间。应用该方法对甘肃石羊河流域红崖山水库站年径流量序列开展了实例研究,结果表明从设计值及95%置信区间角度看,所提方法与现行的一致性频率分析方法及考虑整体趋势的时变分布方法相比存在一定的差异,揭示了在准确识别序列局部或整体趋势成分的基础上,开展非一致性水文频率分析有助于合理估计设计值。     

引汉济渭工程初期运行调水区河道生态流量优化研究

针对跨流域调水工程等强人类活动对河道生态造成严重影响的实际问题,以引汉济渭工程为研究对象,建立并求解了工程运行初期多年调节水库三河口的中长期调度模型,设定了不同生态需水下的调度方案集,量化与评估了工程初期运行对供水与生态的满足情况,并推荐了最佳的调度方案与优化的生态流量过程。研究表明：（1）在生态需水为生态基流时（设计方案）,供水与生态基流保证率均满足设计要求,验证了模型与方法的合理性;（2）在生态需水为适宜生态流量时,供水与生态基流保证率分别为65%、98%,表明供水与生态两者间呈竞争关系;（3）在生态需水为修正的生态流量时,供水与生态基流保证率分别为95%、100%,在满足供水目标的同时,河道内月平均流量较设计方案提高了47%,推荐该调度方案与生态流量过程为最佳方案与最优生态流量过程。研究成果对构建生态流域、提高跨流域调水工程的综合效益具有实际意义和应用价值。     

基于相关积分法的水文时间序列变异性度量

人类活动加剧了水文系统的变异。本文提出一种概率统计方法,来度量水文时间序列发生变异的程度。基于相关积分的概念,定义水文时间序列的变异标度指标——变异度和变异率。以北江流域径流量序列为例,证明该方法的有效性,并对北江流域径流序列的变异程度做了初步评价。     

中线调水对汉江中下游区水文情势影响研究

2014年南水北调中线工程正式通水,汉江中下游区水文情势发生显著变化。定量评估汉江中下游区水文情势变化特征,可为此区域水资源可持续开发利用提供科学依据。以黄家港、皇庄、仙桃站1987—2019年流量和水位数据,采用距平分析法、Mann-Kendall趋势检验法以及Yamamoto突变检验法对年、月尺度流量和水位序列进行分析,并采用水文变化指标法分析中线调水前后水文特征值变化。结果显示：调水后汉江中下游区典型站年径流量和年水位均较调水前呈下降趋势;各水文特征值均发生较为显著变化,各站点月平均流量和水位、年极端流量和水位总体低于调水前;调水后径流年内分配趋于均匀化。表明南水北调中线调水工程对汉江中下游流量和水位产生了显著影响。     

渭河源区典型小流域水沙演变规律分析

根据渭河源区清源河典型小流域实测水文资料,分析了流域水文要素的年内和年际变化规律,流域降水、径流和泥沙主要集中在汛期,5-9月降水量占全年的78.5%,5-10月径流占全年的78.7%,5-8月输沙量占全年的88.9%。受上游修建水库、水土保持等人类活动的影响,流域汛期径流和泥沙1997-2013年比1980-1996年均减少了5.9%。流域面平均降水量、平均流量、平均输沙量年际变化不稳定,总体呈减少趋势,序列最大可能变异点分别为1995年、1994年和1997年。建立了流域年降水量与年径流深、次降水量P+Pa与次径流深相关模型,相关系数达到0.902和0.860。以年最大洪峰流量为参数,分别建立了流域年径流量与年输沙量、次径流量与次输沙量关系模型,相关系数达到0.835和0.917,公式模拟值与实测值接近,误差较小,可以作为以径流推算泥沙的重要依据。通过定性定量分析人类活动对流域径流、泥沙的影响程度,对区域抗旱防洪减灾、水资源管理、小流域治理及生态环境保护具有重要意义。     

大通河流域水能水资源开发对河流水文过程和环境的影响

根据水文观测和引水与水电开发资料,分析了大通河流域水能水资源开发利用现状及其对河流水文过程与生态环境的影响.结果表明：由于区域用水和跨流域引水,使大通河中下游河道的水量减少,水环境容量减小,其中,青石嘴、天堂、连城(二)站3-11月平均流量分别减少0.6%~9.6%、0.5%~3.8%、1.7%~52.9%. 自1994年引大入秦工程建成跨流域引水后,连城(二)站年径流量开始减少,1994-2010年平均径流量比1977-1993年减少了5.7%;引大济湟工程建成通水后,加上引大入秦和引硫济金工程,引水总量将达到12.33×10⁸ m³,占大通河多年平均径流量28.16×10⁸ m³的43.8%,对河川径流的影响十分显著. 至2011年,大通河上已建成梯级电站34座,洪水期电站同时泄水会瞬间加大河道流量,枯水期蓄引水又使减水河段水量减少. 梯级水电站群无序蓄放水使洪水过程由天然的平稳状态转变为人工干预的剧烈变化状态,上下游洪峰不对应,对下游地区的防洪安全产生极大威胁. 过度的水能水资源开发,使大通河中下游部分自然河段出现淹没、断流,水生物和两岸的植物萎缩,水环境污染加重,对生态环境产生负面影响. 建议实行流域水资源统一管理,对梯级电站下泄水量统一调度,在减水河段预留必须的生态基流,确保河道内外生态用水;加强河道水位、流量、泥沙、水环境、水生物监测,为流域防汛、水资源管理、生态环境保护等提供决策依据.     

基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因

环境变化改变了河流水文情势,影响了河流的生态系统健康,亟需开展变化环境下河流水文健康演变定量归因方法研究。选取北方半干旱地区老哈河流域为研究区,依据流域内3个水文站、17个雨量站和6个气象站1964—2016年数据,基于可变下渗容量模型还原河流的天然流量序列;采用概率密度法计算河流生态流量,基于生态流量阈值推求河流水文健康等级;基于"观测-模拟"对比分析法,定量分离气候变化和人类活动对河流水文健康情势的影响。结果表明:人类活动是甸子和太平庄子流域自1980年以来河流水文健康情势退化的主要原因,其贡献率分别为86.9%和87.9%;大面积农业灌溉用水引起地表径流下降以及水利工程改变天然水文情势,影响了河流水文健康情势;90年代降水量较为充沛,研究流域受人类活动影响程度较小,河流水文健康等级维持在较高的水平。综合生态流量阈值和"观测-模拟"对比分析方法可定量识别河流水文健康情势演变原因,为适应环境变化的河流健康管理提供科学依据。     

基于栖息地突变分析的春汛期生态需水阈值模型

根据春汛期水生态系统的特点,应用河道内流量增量法,选用二维河流模型River2D,建立栖息地与流量变化的动态关系,进而应用Mann-Kendall方法,开发基于栖息地突变分析的生态需水阈值模型。以第二松花江支流辉发河五道沟断面附近河段为例,选择松花江流域分布较为广泛的鲤鱼作为对象物种,以流速和水深两个因素表征鱼类栖息地,利用1956～2000年45年的春汛期月径流资料,判定鱼类栖息地在1970年开始发生了突变。在突变前加权可用面积95%的置信区间范围为275.5～915.7m2/km,对应的流量范围为58.8～121.1m3/s,并将其作为研究区春汛期间的生态需水阈值。春汛发生在冰封期刚刚结束的时段,适宜的春汛期生态需水能够提高生态系统多样性,对于鱼类等水生生物乃至于整个生态系统都有重要的生态意义。     

招苏台河王宝庆站降水特征及演变趋势分析

采用降水倾向率法、肯德尔秩次相关法法对王宝庆站1951年以来逐月降水量资料进行分析研究,结果表明:王宝庆站降水年内分配极不均匀,主要集中在汛期;年际降水量变化比较明显,最大年降水量是最小年降水量的2.77倍;通过采用降水倾向率法和曼-肯德尔(Mann-Kendall)秩次相关法进行分析:年、汛期、非汛期降水量三个序列均呈现不同程度的下降趋势,但是下降的趋势不显著,汛期降水量变化趋势也决定着全年降水量的趋势,非汛期降水量的影响较小。     

大凌河流域河道生态需水量估算

本文从大凌河流域存在的环境问题出发,分别估算了各水资源分区的河道生态需水量（包括生态基流量、自净需水和输沙需水）及各区的河道生态需水贡献量。提出了使用偏枯年（75％保证率）水文数据估算河道生态需水量的方法．弥补了Tennant法、枯水季最小流量法等方法计算结果偏大或偏小的不足。结果表明,大凌河的4个河段（建凌站以上、建凌站至朝阳站、朝阳站至义县站、义县站至锦县段）的河道分区需水量分别为0．55×10^8m^3、5．21×10^8m^3、3．9×10^8m^3和1．34×10×10^8m^3。锦县水文站以上河道生态需水总量11×10^8m^3,占地表水总资源量的59．75％,因此．大凌河地表水资源取用率应在40％以下。     

生态水文过程对水环境影响研究述评

当前生态水文过程对水环境影响的国内外研究主要包括生态水文过程的形成、基于生态水文格局分析的生态需水研究、流域尺度上生态水文过程对水文、水质和水生态的影响以及理论、方法与模型研究;但这些研究尚未过渡到生态水文过程的揭示上来,我国的生态水文学研究尤为薄弱。未来生态水文过程与水环境安全调控研究中的主要议题包括:①生态水文过程形成、演化及驱动机制分析;②基于生态水文过程的生态需水时空分异;③流域生态水文过程对地表水水质分异的影响;④流域生态水文过程与水的生态空间变化;⑤近海陆域生态水文过程与近海水质调控;⑥基于现代地理信息技术的生态水文模型研究;⑦基于水环境安全的生态水文决策与管理研究。     

滨江流域降水时空演变规律分析

降水是水循环的关键环节,直接影响着径流过程和可利用水资源量的时空分布,关系到区域水资源安全和可持续发展。为了探讨气候变化下华南湿润区典型小流域降水时空演变规律,利用珠江流域北江一级支流滨江流域内及其邻近共10个站点近47年日降水量观测资料,采用非参数统计方法Mann-Kendall(M-K)趋势检验和Mann-Whitney-Pettitt(MWP)检定方法,对年、汛期/非汛期、年日最大和年月最大降水量进行分析。结果表明:滨江流域多年平均降水量呈北少南多分布,主要与区域气流走向及流域地形有关;年降水量总体呈现减少趋势,其中流域南部呈显著减少趋势,北部呈不显著减少趋势,其主要是汛期(4~9月)降水量减少,非汛期(10~翌年3月)降水量变化不大;年日最大和年月最大降水量均呈减少趋势。流域南部年降水量和汛期降水量在1983年发生了显著性变异;流域北部年最大日降水量和年月最大降水量分别在1987年和1985年左右发生显著性变异。