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。     

城市化生态水文效应

研究城市化的生态水文效应对于指导河流的保护与生态修复实践具有重要意义。基于河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面的重要性,在分析现有生态水文指标体系的特征及可操作性的基础上,建立了以径流历时曲线、洪峰流量频率超出曲线和T_0.5(区域径流超出天然状态下重现期为0.5年的降水所产生的洪峰流量的时间占区域有径流总时间的比例)为代表的生态水文指标体系。利用SWMM(Storm Water Management Model)来模拟不同城市化程度下的降雨径流过程,并利用所建立的生态水文指标体系模拟其生态水文效应。结果表明:城市化程度越高,其时段流量幅度及历时越大,洪峰流量及发生的频率越大,T_0.5越小。城市化通过改变径流的大小、历时及频率,改变了水域生态系统完整性与多样性,进而对河道生态系统产生了负面影响。     

生态标准河流和调度管理研究

河流生态用水安全是维持河流系统健康的基本条件。本文首先从河流生态系统特性入手,提出生态水文季节,构建了多参数生态需水(最小生态需水、适宜生态需水、洪水期生态需水)体系并分析其内涵,组成了能反映河流生态系统健康的流量等级。生态需水按生态水文季节形成具有时间特征的生态标准河流。在此基础上,提出生态用水预警制度和危机管理机制,探讨保障生态用水安全的调度和管理模式。以黄河流域中下游为例,开展实践应用研究,为黄河中下游的生态用水安全调度和管理提供科学依据。     

水库对河流径流过程的影响分析——以故县水库为例

水流情势是河流生境的主要定因素之一,影响水生生物群落的组成和多样性.水利工程会改变河流的天然水流情势.本文基于Richter提出的生态水文指标体系,分析了洛河流域长水站的生态水文特征变化.结果显示总体上故县水利枢纽对河流天然径流的影响程度较大.     

城市化的生态水文指标体系模拟及生态水文效应研究

对城市化的生态水文效应进行研究,以及相关生态水文指标体系进行科学模拟,在指导区域河流保护及生态修复实践方面意义重大。以辽宁省铁岭市为主要研究对象,考虑研究区河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面具有重要作用,故在对现有相关生态水文指标体系相关特征进行模拟、分析基础上,科学构建了以径流历史曲线、洪峰流量频率超出曲线为代表的区域生态水文指标体系。分析过程中,基于SWMM模型对该研究区不同城市化程度下的降雨径流和生态水文指标体系进行模拟,最终对铁岭市生态水文效应进行了客观分析研究。     

基于典型水文频率方法的新疆开都河生态需水量计算

开都河位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内,是区域内第一大河流,近年来流域水生态环境出现不同程度的退化,亟需加大对区域水资源的生态保护。河流生态流量作为维持河流生态系统健康的关键因素,保证合理生态流量对河流水生态环境改善起着积极作用。结合新疆开都河大山口水文站1970-2019年实测水文资料,采用典型水文频率方法对开都河生态需水量进行计算。结果显示：开都河年距平率最低为1986年,为-30.68%,是开都河有记录以来最枯年份,以1986年的2月份来水量36.5 m³/s作为其生态最小水量,计算开都河全年生态最小水量值为11.59×10⁸ m³。计算成果对于新疆开都河生态保护具有重要的参考价值。     

苏北平原区河流生态水位阈值计算方法适用性研究

针对平原区多数河流缺乏有效的流量资料的情况,研究适用于平原区河流生态水量阈值的计算方法具有重要现实意义。本文对比分析7Q10法、保证率法、湿周法、基于Tennant改进的生态水位法等4种代表性生态水量计算方法与结果,以水文节律、生态水位满足度为判别原则,评价了上述方法的适用性。分析结果显示：（1）在水文节律相应性方面,7Q10法、Q90法、湿周法计算的生态水位值为单一的特定值,无法反映水文节律的天然变化过程;（2）在生态满足度方面,7Q10法的多年平均生态水位的满足度最小;（3）基于Tennant法改进的生态水位法的水文节律模拟效果最好、生态水位满足度最高。研究表明：在选择的4种计算方法中,相较于7Q10法、Q90法及湿周法,基于Tennant法改进的生态水位法能较好地满足水文节律相应性和生态水位满足度原则,对平原区河流生态水位（阈值）计算具有一定的适用性。该研究成果可为苏北平原河网区流量资料缺乏型河流生态需水的确定和管理提供有益的参考。     

水工程规划设计关键生态指标体系

从河流开发与保护的流域生态安全概念出发,基于驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)的模型方法,构建了水工程规划设计关键生态指标体系。在分析流域生态系统结构和功能的基础上,提出该指标体系包括5个生态属性层,即水文水资源、水环境、河流地貌、生物及栖息地和社会环境,分析各属性主要生态要素,并进一步细分为19个要素层。根据中国水工程规划设计类型和阶段划分,考虑不同的空间尺度效应,建立了该指标体系的结构框架,并采用专家咨询、频度分析方法,筛选确定了36个关键生态指标。该指标体系具有多维度、多层次的特点,可适用于不同空间尺度、不同规划设计阶段及水工程类型。     

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。     

河岸带生态系统综合评价指标体系研究

河岸带是水陆交错带,其生态状况对河流生态系统有着很大的影响。河岸带生态系统综合评价包括:结构稳定性评价、景观适宜性评价、生态健康评价、生态安全性评价等。建立合理有效的河岸带生态系统综合评价指标体系是河岸带生态系统综合评价的基础。河岸带生态系统综合评价指标体系分为4个层次:总目标层、子目标层、准则层和指标层。     

基于生态保护目标的武江流域生态流量定值研究

基于武江河道内的生物多样性和物种特征,提出适宜水力学指标法计算维持河道生态系统稳定性所需的生态流量。该方法以代表鱼类为生态保护目标,根据湿周、流速与流量的关系,求得鱼类不同生命周期的生态流量。结果表明:(1)越冬期鱼类所需流速下限为0.2m/s,产卵期平均流速为0.5～0.7m/s,肥育期流速范围为0.3～0.6m/s;(2)产卵期河道生态流量为116.3～150.3 m/s,越冬期与肥育期中后阶段生态流量为49.55 m~3/s;肥育期初期(8月)生态流量为71.97 m~3/s;(3)提出的适宜水力学指标法以维持鱼类良好的生境条件为生态保护目标,计算结果符合Tennant法河流生态用水标准,且更能反映河流的丰枯变化,可为流域水资源开发利用提供参考。     

清江最小和适宜生态流量的计算与评价

确定河流生态流量既是保护河流生态系统的根本举措,又是开展梯级水库生态调度的重要依据.基于逐月最小生态流量法、RVA法、DC法和逐月频率法,分别计算了清江水布垭和隔河岩水库坝址的生态流量过程,并采用Tennant法对结果进行合理性分析.结果表明:RVA法优于逐月最小生态流量法和DC法,计算得到的最小生态流量在一般用水期和...     

河流梯级开发生态环境效应与适应性管理进展

筑坝蓄水将迫使淹没区陆生生态系统退化消失,改变其下游受影响河段的环境与生态,破坏自然河流连续性与连通性,是影响河流生态系统显著且强烈的人类活动。河流梯级开发对其生态系统的影响可能存在"累积效应",即将大坝拦截阻隔对河流生态系统的影响逐级"放大"。然而,"累积效应"的作用对象、途径与水文生态机制目前仍不明晰。不仅如此,河流梯级开发的适应性管理的对象、目标、时空范围与作用途径等已不能简单地参照或套用当前以恢复水文自然情势来修复河流生态系统为主线的实践模式,其适应性管理取决于对河流—水库系统生态结构功能、演替规律的科学认识,也受到多利益主体的制约和影响。长江上游梯级开发在全球大河流域开发中独树一帜,将深刻改变长江上游河流生态格局。对长江上游梯级开发的适应性管理应以优化河流—水库生态结构功能、维持河流—水库生态系统健康为目标。揭示长江上游梯级开发"累积效应"的作用对象与形式,通过优化提升生态系统服务以权衡多利益主体诉求,构建长江上游绿色水电运营管理新体系,值得进一步探索。     

生态水文科学研究的现状与展望

生态水文科学研究是区域生态系统研究和区域水文科学研究的交叉领域 ,其核心内容是揭示不同环境条件下植物与水的相互关系机理 ,探索各种植被的生态水文作用过程。近年来 ,生态与水文相互作用过程的数学模拟和专门模型研制日益成为重要的发展领域 ,同时 ,生态水文学的研究十分注重尺度效应 ,把在一定尺度上获得的水文与生态原理或模型向其它不同尺度转换已成为最具挑战性的问题。山地生态系统成为全球变化研究最为重要的研究场所 ,开展与全球变化相关的生态系统物质与能量循环、生态过程的梯度效应及其与水文过程的耦合关系、生态系统结构与功能及其变化等方面的研究 ,是生态水文学研究最具活力的方向 ,其中建立包含区域气候变化因素的多元生态过程动态模拟模型 ,并使该模型具有不同时空尺度、不同地貌和生态带的广泛适应性是目前广泛关注的热点问题。     

基于数据驱动模型的河流水温异变研究

河流水温是重要的生态和环境评价因子,人类活动的干预(如大坝建设)会引起河流水温异常变化,对河流生态系统造成一定负面影响。有效的水温预测能够为河流的长期演变趋势提供良好指示,将一种新型的数据驱动水温预测模型——Air2stream模型,应用于长江三峡大坝上游寸滩站和下游宜昌站建坝前后的水温预测,模型的预测效果通过均方根误差和纳什效率系数两种指标衡量,并与其它经验回归模型进行对比分析。结果表明Air2stream模型相比经验回归模型具有精度高、稳定性好的优点,可用于判断影响河流水温变化的主要因子,检测河流水温的异变现象和幅度。该模型适用于反演自然演化条件下(即不考虑大型水利工程等强人类活动影响)河流水温的中长期变化,其中实测值和模拟值之差可作为大型水利工程等强人类活动的影响指标。可为河流生态系统监测及管理提供重要技术支撑。     

筑坝对河流生态系统影响研究进展

河流是陆地生态系统和水生态系统间物质循环的通道,筑坝人为改变河流物理、化学、生物地球化学循环模式,影响河流生态系统的结构、功能.分析了筑坝对河流水文水力特性、生源要素(氮、磷、硅等)、水生态系统结构和功能的影响以及河流生态系统恢复等研究的进展.随着水库成为陆地水分循环的一个主要组成部分,对流域生态系统健康的影响日益显著,进而对大坝的生态效应、河流生态恢复等需要进行深入的研究,减轻大坝的负面效应.     

生态水文科学古人的现状与展望

生态水文科学研究是区域生态系统研究和区域水文科学研究的交叉领域，其核心内容是揭示不同环境条件下植物与水的相互关系机理，探索各种植被的生态水文作用过程。近年来，生态与水文相互作用过程的数学模拟和专门模型研制日益成为重要的发展领域，同时，生态水文学的研究十分注重尺度效应，把在一定尺度上获得的水文与生态原理或模型向其它不同尺度转换已成为最具挑战性的问题。山地生态系统成为全球变化研究最为重要的研究场所，开展与全球变化相关的生态系统物质与能量循环、生态过程的梯度效应及其与水文过程的耦合关系、生态系统结构与功能及其变化等方面的研究，是生态水文学研究最具活力的方向，其中建立包含区域气候变化因素的多元生态过程动态模拟模型，并使该模型具有不同时空尺度、不同地貌和生态带的广泛适应性是目前广泛关注的热点问题。     

基于库容分区运用的水库群生态调度模型

在不影响防洪、供水等现有利益格局的前提下,通过改善水库调度方式、发挥库群联合调控作用,提高生态供水保证率,是当前中国北方缺水地区流域水资源管理中的重大科学问题。把河流生态系统作为一个独立用水户,制订多用户分区运用水库群调度模拟规则,同时考虑调度方案对生态与发电的影响,建立水资源系统仿真模型,结合保证各用户供水保证率最大且尽可能均衡的目标函数,构建基于库容分区运用的水库群生态调度模型。将模型应用于海河流域滦河水系,提出了现状供水条件下潘家口、大黑汀和桃林口三大水库联合调度方案,绘制了水库群分区运用调度图,评价了调度方案对水力发电和下游生态系统的影响。结果表明,所提出的模型有效,水库群生态调度方案较之现行调度,可在不降低兴利和防洪效益的前提下,将河流生态系统供水保证率由46.9%提高到93.8%,生态水文改变度指标改善明显。     

水库调度的新阶段——生态调度

现行水库调度方式以防洪调度与兴利调度为主,从保护河流生态系统的观点看,没有涉及生态因素,调度应兼顾河流生态系统需求.分析了生态调度的内涵,介绍了国内外大型水利工程生态调度的进展情况,分析了生态调度包含的内容.在此基础上,提出了生态调度的专项调度:生态需水量调度、生态洪水调度、泥沙调度、水质调度、其他生态因子调度和涉及几个专项的综合调度.     

考虑水文变异的大通河生态需水研究

鉴于变化环境对流域水文情势的影响,开展水文变异条件下的生态需水研究尤为紧迫。以大通河流域为研究对象,采用水文变异诊断系统对变异前后的水文序列进行划分,分析变异成因;应用5种概率分布函数拟合变异前月均流量序列,推求概率密度最大处流量,将其作为当月生态需水;最后计算生态需水满足率,分析水文变异对生态需水的影响。研究表明：（1）尕大滩站在1973年、1990年发生弱变异;天堂站、享堂站在1990年发生中变异;（2）变异后,汛期生态需水满足率相比变异前平均下降7%,非汛期生态需水满足率相比变异前平均上升11%;(3)降水减少导致汛期生态需水满足率下降,冻土退化促使非汛期生态需水满足率上升;水利工程建设导致汛期生态需水满足率下降,非汛期生态需水满足率上升。研究结果可为大通河流域水资源开发利用和生态保护提供重要参考。