面向生态环境复苏的生态流量优化计算研究

当前多数中小河流的水环境状况不容乐观,亟需开展河道的生态环境复苏工作,在河流生态流量确定过程中也存在计算方法不易推广和生态因子难以量化的问题。面向河道生境最大程度改善的河流生态复苏通常以水量保障和水环境改善为基础,并且也是对基于自然解决方案(NbS)中自然化修复理念的有效落实。为满足北方缺水河流的生态水量要求,该研究选取指示物种,借助二维水动力栖息地模拟模型和Penman-Monteith公式,开展恢复河流功能自然化、实现河流径流自然过程的研究。首先以恢复河流自然状态为目标,并以龙河作为典型河流在时空尺度开展指示物种-生态流量计算,得出相应生态流量及年最小生态需水量。然后以生态幅范围广且易于捕获的麦穗鱼为指示物种,开展产卵期(4-6月)、幼鱼期(7-11月)和成长期(12-3月)最适生态流量确定,3个时段对应的流量分别为3.22、4.30和10.81 m^(3)/s,典型河段芦苇的最小年生态需水量为1.51万m^(3)。计算结果均能满足陆域和水体指示物种的生理需水要求。以NbS为基础的生态流量计算方法适用范围广、结果代表性强,可用于流量小、流速低的北方中小河流的生态流量计算,利于实现河湖生态环境复苏。

生态服务价值与社会经济因素交互影响下的流域生态补偿标准研究

流域生态补偿是实现流域环境改善与区域经济均衡发展的一种政策工具,对消除上下游地区间的经济差异影响,实现区域社会发展的公平性具有重要意义。为定量寻求多元信息扰动下的流域生态补偿标准最优解,亟需开展基于多维关系协调及经济利益分配多目标优化求解的动态均衡博弈研究。以实现生态补偿标准讨价还价贝叶斯纳什均衡为目标,借助完全信息博弈的混合均衡策略实施过程探讨流域生态补偿标准均衡解存在条件,并基于流域上下游间的动态转移支付进行生态补偿标准均衡解求解,依托激励相容机制开展讨价还价的动态博弈贝叶斯均衡的合理性分析。本文结合弥河流域经济社会取用水费用标准及水资源使用价值的变化规律,在流域生态保护和社会经济发展基本均衡的情况下,下游的寿光市、中游的青州市对上游临朐县的水量-水质生态补偿额度分别为3194万元、859万元。本文给出的研究方法可用于处理博弈过程中的冗余信息以便于进行讨价还价,形成合理的流域生态补偿标准。

野生大鲵栖息活动适宜水动力条件实验及适宜性曲线构建

为了探求大鲵栖息活动的适宜水动力条件,开展有效保育措施,通过室外观测实验,研究了不同流速及底质条件对大鲵栖息活动的影响,利用模糊逻辑法对大鲵在不同流速下的日均停留总时间及日均出没次数等实验参数进行综合分析,确定了大鲵的适宜流速条件与阈值,构建了大鲵流速适宜性曲线,根据大鲵在不同底质区域的日均停留总时间参数构建了大鲵河道指数适宜性曲线。结果表明:大鲵在低流速状态下停留时间占总时间的69.13%,表现出的行为谱类型较多,大鲵在中高流速的停留时间占总时间的30.87%,进而确定大鲵适宜流速范围为0~0.5 m s(HSI>0.5,HSI为适宜性指数),流速在0.1~0.3 m s范围,HSI处于峰值区域(HSI>0.8),当流速大于0.6 m s时,栖息地适宜性逐渐降低;大鲵最适宜底质类型为砾石(8~16 mm)、卵石(16~250 mm)和漂石(>250 mm),不适宜在沙粒(0.062~2.0 mm)占比较多的区域活动。相关结果可为精准预测大鲵适宜栖息地分布,开展有效保育措施提供技术支撑。

湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流健康评价

为了全面掌握湖南张家界大鲵国家级自然保护区重要河流水生态、水环境、水安全的综合状况,选取澧水、澧水北源、澧水中源、澧水南源、溇水、溹水作为评价对象,利用SL/T 793-2020《河湖健康评估技术导则》中的分级指标评分法,依据河湖健康综合评分(RHS)确定河湖健康状况。结果表明:保护区河流总体评价结果均为健康,分项评价指标中生态流量满足程度、河流纵向连通指数、河岸稳定性未达到健康水平。提出需要将修复保护区河流纵向连通性、恢复河流生态基流作为管理与治理重点,同时对澧水北源、中源等涉及山区河段河流采取生态化的防洪治理模式,既满足防洪标准又尽量减少人为扰动,为野生大鲵生境保护与修复提供优良的河流底质条件。

基于能值分析的永定河流域农业生态补偿标准

实施农业生态补偿是消除当前农业生产中的负面影响,保证环境友好型农业生产顺利进行的前提。针对当前的农业生态补偿标准计算中,价值受时空动态变化影响较大、投入成本难以准确计量的弊端,借助能值与价值之间的可转化性,给出基于农业可持续发展的生态补偿标准计算体系。选择永定河官厅水库以上流域为研究区,从可更新资源(R)、不可更新资源(N)、物质投入(M)、服务成本(S)的能值计算出发,计算得出永定河流域的农业生产的总能值为3.80×1016Sej/hm2,其中可更新的能值为1.59×1016Sej/hm2,不可更新能值2.21×1016Sej/hm2。研究区农业生产的环境可持续指数(ESI)为0.1056,流域农业处于严重不可持续状态,应实施农业生态补偿进行调整。借鉴能值与生态服务价值之间的可转化性,为实现流域农业生产的可持续,下游区域政府或受益部门应对上游农业水土流失防护补偿约4亿元。该文研究结果的应用表明,基于能值的农业生态补偿标准计算方法具有一定的适用性。

基于SWAT模型的浑太河流域农业面源污染物产生量估算

结合浑太河流域的下垫面、水文气象、污染源的物理特征,基于实际监测数据,率定验证模型,建立降雨径流、土地利用方式对应下的SWAT模型,对农业面源污染物的迁移-转化过程进行模拟计算,系统解析流域面源污染物排放量、分布特征。划定浑河、太子河、大辽河干流左右岸河流两侧l km、水库周围5 km为缓冲区,改变现有的土地利用方式,恢复天然生态。以常规发展模式为基础,计算在区域生态保护占优模式下污染物产生量。在常规发展模式下,浑太河流域年平均土壤侵蚀模数为400 kg/hm^2,总氮、总磷输出强度为19、7 kg/hm^2;从单位面积上看,总氮、总磷负荷强度最大值分别为317、260 kg/hm^2。总氮、总磷负荷强度空间差异较大,通过面积加权计算,平均负荷强度为29和10 kg/hm^2。在生态保护占优模式下,耕地的氮、磷损失量有所减少,总氮、总磷单位面积年减少量为9.5、0.9 t/hm^2;从农业面源污染物化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、氨氮来源层面分析,单位面积土地退耕后化学需氧量、氨氮污染物减少量为14、5 kg/hm^2。经比较,在生态保护占优发展模式下面源污染物产生量相对常规发展模式下减少9%,化学需氧量、氨氮、总磷、总氮分别减少5.12%、31.67%、10.40%、25.95%,农业面源污染减排效果明显。研究为实现浑太河流域污染物排放总量不超标、水体水质达标,并确保农业基础地位不动摇,充分挖掘区域农业减排增收潜力提供策略依据。

浑太河污染物入河控制量研究

结合浑太河水资源网络节点图,针对计算单元部门供水预测数据,计算了点源、非点源污染物入河量,并预测了浑太河污染物入河量。以水功能区水体纳污能力为依据,给出基于规划水平年的变动污染物入河控制量。计算结果证实了该方法可行、有效。

我国水环境容量现状研究

水环境容量是水体在设计水文条件下承纳污染物的极限值。在对国内外流域水环境容量研究状况进行分析,以及对我国不同发展阶段的水环境容量研究成果详述的基础上,借鉴国外在污染物总量控制方面的成功举措,从理论与实践层面找出我国在水环境容量研究与实施中存在的问题。结合当前对水环境容量开展的不同层面的研究,提出适宜的改进完善策略,为我国进行水污染物总量控制,为"广义水资源"的高效可持续开发利用奠定基础。

水量水质联合调控模型及其应用

针对水资源调控研究多以自然水循环为主体易忽略水质潜在功效,构建了在时空上合理调配的水量水质联合调控模型。以水功能区目标水质为调控中心,从二元水循环角度考虑了人为干预下水体时空演变规律,提出将水环境承载能力视为一种资源和水量统一协调,利用GAMS软件进行水量水质联合调控的多目标动态耦合求解。以松花江流域为例,合理确定节点、分区纳污能力、核算时段入河污染物控制量和削减量,实现了水功能区水质规划目标,验证了模型的实用性。

区域洪灾风险评价体系研究

针对国内外区域洪灾风险评价缺少系统规范体系现状,基于洪灾生命损失评价、经济损失评价,构建起以洪灾损失为核心的动态实用性的区域洪灾风险评价体系,实现由控制洪水向洪水管理转变。给出耦合致灾因子、孕灾环境、承灾体的区域洪灾风险定义,探讨了基于洪水分析、易损性分析、损失分析的区域洪灾风险评价流程图。针对区域洪灾风险评价不确定性,从被动破坏损失、主动防御减灾角度提出系统量化的区域洪灾损失经济评价指标,结合研究体系应用实际,给出区域洪灾风险评价体系的进一步完善策略。

流域农业土地生态价值内涵及应用分析

农业生态系统服务价值与其他产品生产密切相关。生态系统作为生产输入会提供服务价值,而其通常被看作购置性投入的替代品,利于成本降低。农业生态系统保护与粮食产量增加存在动态均衡,两者具有"下跌"关系。农业生产者为实现土地利用层面的利润最大化,对生态系统服务的更大依赖将导致农田产量削减。通过构建农业生态系统生产函数模型,合理确定替代条件和产出结果,量化研究种植土地保留数量与提供生态系统服务土地数量的分配比例。以永定河上游流域为典型区,借助用于生产的土地产量弹性计算,流域每增加1%的生态系统服务用地,对应农作物产量将缩减2.7%。虽对农业生态价值"下跌"影响从微级视角给出量化分析模型,但对生产中生态保护政策影响的研究仍需深化。

生态补偿机制研究

在对生态补偿定义重新界定的基础上,从生态资本、可持续发展、外部性、公共物品角度阐述了生态补偿机制的理论依据,分析了公共支付、市场贸易、一对一交易、生态标志补偿模式的内涵特点,系统阐发了生态补偿的遵循原则,提出了生态补偿理念拓展的概念。对国内外生态补偿的理论研究与实践活动进行分析的基础上,指出我国当前生态补偿存在机制不全、实施框架不完备的问题,从生态补偿基础研究、政策制定、机制实施、监管方面提出基于国情的、可持续的有效生态补偿机制改进策略。

浑太河流域水质达标控制方法研究

结合浑太河流域水资源网络节点图,根据污染物来源、种类及其产生机理,针对计算单元水资源供需平衡预测数据、降雨径流值,分点源、非点源进行规划水平年污染物入河量的预测。根据浑太河流域地形特征、入河污染物降解特性,以水功能区水体纳污能力为计算单元污染物排放总量控制条件,给出基于规划水平年入河污染物变动特性的水质达标控制方法。运用该方法进行浑太河流域水质达标控制:2030年,流域总需水7.4亿立方米,缺水深度在1%以下,COD、NH3-N、TP、TN的入河量分别为28.5×104、2.8×104、3.1×104、4.6×104t,对应的入河控制量分别为9.3×104、0.6×104、0.8×104、0.9×104t,经控制后水功能区目标水质达标率100%。证实了该水质达标控制方法有效、可行。

永定河流域农业土壤氮磷损失的计算及分析

为了解决当前农业生产过程中氮磷损失量计算过程中存在的不确定性问题,该文结合硝酸盐、铵盐与土壤颗粒结合类型的差异,从氮循环的角度定量评价降雨径流作用下的土壤氮损失量;结合磷元素的运移与土壤类型密切相关的特性,通过对土壤中的溶解态、颗粒态磷质量分数进行计算,确定农田径流量对应下的土壤磷损失量。永定河流域化学肥料施用量过大,致使土壤总氮损失量为96kg/hm2,总磷损失量为9kg/hm2,研究区内部的氮磷损失量数值差异较大。由于流域氮磷损失量计算方法充分考虑了流域土壤及施肥特性,因此,计算结果具有一定的合理性和适用性。本研究为土壤氮磷损失计算以及流域农业生产面源污染的源头控制提供依据。

河流生态补偿研究进展

我国当前河流的资源及其环境问题严重影响了河流生态健康。国际上已将河流治理的重心转到以河流生态价值功能为主的生态补偿机制研究上,我国的河流生态补偿研究刚处于学习探索阶段。结合河流系统自身特点及国际成功的经验,对我国河流生态补偿机制从系统耦合角度进行了探索研究,揭示出基于生态风险评价的河流有效补偿机制是实现经济、社会、河流生态多目标管理协调可持续的基础。

北方缺水城市水资源短缺问题解决策略研究——以廊坊市为例

针对造成北方城市水资源短缺的症结所在,基于水资源可持续利用的用水模式,提出科学解决策略,即在配置方法上,注重多源统筹调控;在利用方向上,实现先内后外,次序开发;在措施保障上构建水系连通网络。合理配置本地地表水、地下水、再生水、雨洪水、外调水、过境水多资源,提升城市供水保证率;构建丰枯互济的大水源连通网络,实现地下水采补平衡;确保外调水与本地水、地表水与地下水、常规水源与应急水源联合调度。以廊坊市为研究区,遵循"先节水后调水,先治污后通水,先环保后用水"的理念,基于"三次平衡"分析思想实现水资源供需平衡。结合廊坊市的水资源平衡分析结果,2030年廊坊市多年平均缺水量为0.02亿m^3(需水量为13.63亿m^3,供水量为13.61亿m^3),缺水率为0.1%。论文提出解决廊坊市缺水的水量调度原则和绿色水系网络连通方案。研究成果为解决北方缺水城市水量不足问题提供经验借鉴。

地下水库的实践经验探讨

因地制宜修建地下水库作为一项"绿色生态工程"是解决水资源稀缺问题的战略选择。在阐述地下水库含义的基础上,结合国内外地下水库的研究现状与实践经验,探讨了地下水库在解决水资源稀缺性方面的优势及不足之处,对其发展态势作了展望。

基于M-K检验的黄旗海湖面面积退化成因分析

黄旗海具有农牧交错带闭塞湖泊的一般演变规律,20世纪70年代以来湖面面积不断波动,总体上呈萎缩趋势。为寻求黄旗海湖面面积变化与降水量、入湖水量、区域经济社会用水、地下水位变化等因素的关系,采用M-K检验方法对黄旗海湖面面积1975-2012年数据系列趋势进行分析,寻求突变点和突变时段,深度剖析湖面面积变化原因。1999年前后的湖面面积变化趋势存在较大差异。按1975-1999年和1999-2012年两个时段借助相关性分析判定主要影响因子:(1)1975-1999年时段,气候较湿润以及人类活动不剧烈,湖水面积主要受降雨、温度等气候因素变化的控制;(2)1999-2012年时段,气候条件(降水和温度)变化不显著,湖水面积缩小主要受经济社会发展、地下水位变化等一系列人类用水活动控制。M-K检验证实了黄旗海湖面面积退化是多种成因综合作用的结果。

洪灾风险评价体系研究

洪灾风险评价是进行御洪管理、防灾减灾的基础。针对国内外洪灾风险评价缺少系统规范体系现状,在洪灾生命损失评价、经济损失评价的基础上,构建起以洪灾损失为核心的动态实用性洪灾风险评价体系。给出耦合致灾因子、孕灾环境、承灾体的洪灾风险定义,探讨了基于洪水分析、易损性分析、损失分析的洪灾风险评价流程图。针对洪灾风险评价不确定性,从被动破坏损失、主动防御减灾角度提出系统量化的洪灾损失经济评价指标,结合研究体系应用实际,给出洪灾风险评价体系的进一步完善策略。

河流生态补偿研究初探

在合理界定河流生态补偿概念的基础上,结合河流系统自身特点及实践经验,从系统耦合角度对河流生态补偿机制进行初探,并提出了河流生态补偿未来研究重点。