黄河河口生态需水研究进展与展望

黄河河口生态需水包括河流生态需水、湿地生态需水和近海生态需水。系统梳理了近20年来黄河河口生态需水目标、需水类别和需水量计算结果;结合黄河河口演变特点,提出生态需水研究的重点和主要方向。河流生态需水以满足重要渔业物种生境为主,重点研究指示物种对天然径流量节律的响应特征,量化水文-生态响应关系,在某种程度上恢复自然水文情势的生态功能。湿地生态需水应深入研究植被、土壤、水体的水盐平衡和蒸散发规律,从植被和鸟类生态位的合理设计以及生物多样性维持出发构建生态系统结构,确定湿地合理规模。近海生态需水应研究入海冲淡水对渔业物种低盐产卵育幼场的塑造和维持机制,以及重要渔业物种习性、适宜营养盐水平与磷酸盐输送扩散机制。小浪底水库运用以来,利津断面径流量满足已有生态需水径流量各项研究成果要求的年份比例为37%~58%,春季经流过程经常缺乏流量脉冲。初步分析以湿地、河道鱼类和近海鱼类为主要目标的全年生态需水量为86亿m^3,径流过程需要阶段性场次洪水。建议对小浪底水库调度方案进行多年优化调整,兼顾春季流量脉冲的塑造,在更大程度上满足河口生态需求。

新入海水沙情势下的黄河口沙嘴动态响应

河口沙嘴位居河海动力交互区,对水沙变化的响应速度快。为了解近期黄河入海水沙情势及其影响下的河口沙嘴演变规律,基于高分辨率卫星数据和水文资料,运用统计学方法进行分析探讨。结果表明:(1) 1999年以来入海水沙延续偏枯态势,变化过程由线性向周期性波动转变,波动周期为6~8 a, 2018—2021年处于波动上升期;(2) 2018年以来,河口沙嘴北、东汊道交替成为淤积主体,河长年均延伸0.7 km,沙嘴年均造陆16.9 km2;(3)尽管偏少的来水来沙条件不利于三角洲整体的向海淤积,但极端径流带来的强烈泥沙输移入海仍然会使河口沙嘴面积增加;(4)现阶段的汊道格局减缓了河长延伸但加快了沙嘴造陆,对于长期稳定清水沟流路起到积极作用,但当前不利于河口湿地生态安全。

基于水边线方法的辽河口鸳鸯岛形成与演变模拟

针对河口泥沙岛淤泥质潮滩坡度和潮汐变化对水边线的影响,提出一种利用两期遥感水边线模拟海岛岸线及潮滩数字高程模型(Digtal Elevation Model,DEM)的方法,研究辽河口鸳鸯岛的形成与演变过程。结合遥感影像、实测地形和潮位数据分析表明:1)模拟潮滩DEM与实测DEM之间的误差集中在—40~55cm的范围内,平均误差14.24cm,表明遥感模拟作为一种手段对实测资料的欠缺是一种有效的补充。2)从20世纪80年代初至今,鸳鸯岛的发育经历了萌生、生长和动态稳定三个时期;入海径流量的增加是鸳鸯岛萌生的诱因,涨落潮流路分歧及其形成的缓流区促进鸳鸯岛的持续生长。3)在鸳鸯岛生长过程中,南沙处在次生缓流区中,在相同时段内其潮滩淤积量大于北沙;在鸳鸯岛演变稳定期,就岸线和面积变化而言,东北部潮滩侵蚀程度小于南部潮滩淤积程度,但从体积变化来看,东北部潮滩侵蚀量略大于南部潮滩淤积量。

海岛景观生态风险演变研究——以舟山朱家尖岛为例

受自然过程和人类活动的影响,海岛景观生态风险处于不断演变之中。以浙江舟山朱家尖岛为例,基于1988-2014年间3期Landsat TM/ETM+遥感数据,进行土地利用/景观分类,计算景观格局指数,并引入生态风险指数,分析景观生态风险及其演变。结果表明:(1)26年间朱家尖岛景观格局发生了显著变化,林地和农田景观类型面积呈下降趋势,而建设用地、养殖区及未利用地等景观类型面积呈上升趋势;(2)1988年朱家尖岛以低和较低生态风险等级为主,至2014年中等和较高生态风险区面积持续上升,沿海出现高生态风险区;(3)从景观生态风险的空间演化趋势和速率看,低和较低生态风险区不断向岛内退缩,而中等和较高生态风险区不断向岛内扩张,朱家尖海峡大桥建成通车后的13年间景观生态风险等级的演化速率较前13年快。并初步探讨了降低以人类活动为主要风险源的海岛景观生态风险的方法。

大河三角洲侵蚀灾害与应对策略研究进展

大河三角洲具有重要的社会经济和生态环境价值,受到学界的普遍关注。部分大河三角洲侵蚀已造成了严重的土地流失,损毁了道路、房屋、沿岸工程等设施,带来巨大的社会经济损失,已经从单纯的自然变异过程上升为一种灾害。通过梳理和总结现有研究成果,系统总结了世界上主要大河三角洲的侵蚀状况,在充分认识三角洲发育和演变受多因素制约的基础上,从自然环境影响和人类活动干预两大方面,科学界定了三角洲侵蚀灾害的致灾因子。在综合分析侵蚀灾害监测与评价发展过程的基础上,从海岸堤防工程、生态与绿色海堤工程、泥沙补给工程等视角详细阐释了目前三角洲侵蚀灾害防护研究的相关主题、发展脉络和主要论点。最后分析现有研究的不足,展望未来研究趋向,为今后大河三角洲侵蚀灾害与应对策略研究提供思路与参考。

黄河现行清水沟流路汊河运用方案探讨

对黄河河口现行清水沟流路范围内不同汊河的形成、演化及其特征进行了梳理总结,围绕汊河不同运用方案的影响效应进行了论证分析。研究表明:现行清水沟流路范围内的汊河运用方案不适用于多汊河轮流行河模式、同时行河与轮流行河联合模式和同时行河模式,而采用单一汊河轮流行河模式可以充分发挥海洋输沙动力,保证河口海域向外海的较大输沙量,对延长清水沟流路使用年限更有利,更为科学和经济合理。在现行清8汊河达到改道标准后,应优先使用老河道汊河,该方案不仅有利于未来海岸线的均衡发展,而且更有利于延长清水沟流路的使用年限。

黄河入海流路地貌单元分类问题的探讨

基于黄河河口、现代黄河三角洲、黄河入海流路三者在概念定义上的异同,划定了黄河入海流路地貌单元分类研究的范围。在系统总结河口地貌研究现状的基础上,运用一般地貌学原理、"形态-成因"原则和等级系统原则,综合比较入海流路各地貌单元的存在形式、主要生成原因、发育规模和范围、以及对流路演变的影响权重。将整个流路系统视为Ⅰ级地貌,形成了包括河道、海岸、水下三角洲等三个Ⅱ级地貌,堤防、河槽、汊河、拦门沙、滩涂等16个Ⅲ级地貌的黄河入海流路的地貌分类系统。进一步构建了沟汊、滩涂、拦门沙等典型地貌单元类型的分类谱系。结合黄河河口及其三角洲的实际现状,提出了今后入海流路地貌发育的研究方向。

黄河三角洲工程防护区海床侵蚀过程与不稳定性评估

近年来受入海水沙减少、海岸带高强度开发和海洋动力作用等的影响,黄河三角洲近岸海床侵蚀凸显。基于实测地形和波浪资料,研究了黄河三角洲工程防护区海床侵蚀过程及稳定性变化。工程防护区海床侵蚀主要分布在近岸10 km内,2007-2015年距岸8 km区域内表现强烈侵蚀,堤前海床较2000-2007年时段侵蚀量增大,海床侵蚀向岸加剧。随着现行河口沙嘴的淤积延伸和孤东浅水区的不断侵蚀,孤东南大堤外海逐渐形成了"近岸区深,远岸区浅"的反剖面形态。随着工程防护区近岸持续侵蚀,等深线不断向岸移动,堤前海床不稳定性逐渐加剧,2015年84.20%的堤前海床处于强或极强不稳定状态。本研究可为新形势下黄河三角洲综合治理提供科学依据。

现行黄河口区的水沙动力与汊道演变

近年来黄河入海水沙量持续减少,河口水沙动力和地貌演变出现了新的情势。基于黄河口区实测水文泥沙和利津站水沙数据等,阐述目前黄河口的水沙动力与汊道演变。研究发现,现行黄河口区潮汐存在“潮位一升一降,潮流二次往复,流速四峰四谷”的特征,形成了涨潮北流、涨潮南流、落潮北流和落潮南流4种流动形式,以及近岸与远岸对峙的余流场;河口径流量减少,潮流界和潮区界有所上溯;口门东、北两汊涨落时刻不同步,形成了短时汊道环流。剪切应力计算结果显示,口外悬沙含沙量主要取决于床面的泥沙动态,悬沙含沙量主要受泥沙的沉降和再悬浮控制。口门进出潮水量计算结果显示,口门进潮量北汊大于东汊,而入海水量北汊小于东汊,表明目前北汊趋于衰退,而东汊将逐渐成为径流入海的主汊。

黄河三角洲生态保护修复制度研究

黄河三角洲水资源紧缺、生态脆弱,且长期以来存在多个管理主体。生态保护与修复迫切需要制定相关制度,促进河流生态系统健康,提高生物多样性。黄河三角洲初步建成了较完善的防洪工程体系,保障了生态安全;1999年开始实施的黄河水量统一调度有效改善了河口的生态环境状况。黄河三角洲现有法规制度已初步形成体系框架,为综合治理与生态保护修复提供了制度保障,然而这些制度存在管理范围交叉重叠,生态用水保障较弱,流路保护效力偏低,配套规划滞后和标准有待统一等问题,建议确立黄河三角洲生态协调机制、黄河三角洲生态用水保障制度、严格的入海河道管理保护制度和黄河三角洲生态综合监测制度,同时,作为配套措施,加快推动《黄河河口综合治理规划》的批复,划定容沙区范围,制定地表水和海水统一的水质监测标准。

黄河三角洲孤东近岸海床冲刷平衡深度预判

近年来,在流域来水来沙减少和河口尾闾不断改道变迁的情势下,黄河三角洲除现行河口口门附近外,其他区域都表现出不同程度的侵蚀。孤东海岸是黄河三角洲侵蚀最强烈的区域,海床冲刷演变过程与冲刷动力机制被广泛关注,但其冲刷平衡深度及冲刷极限深度却一直没有定论。基于尖点突变理论,针对近岸泥沙运动特征,推导出海床冲刷平衡深度预判公式;通过预判公式计算得到孤东近海海床冲刷平衡深度为6.5~7.5 m,与海岸剖面演变过程分析得到的冲刷极限深度6.8~7.2 m一致,证明了泥沙突变模型在预测海床冲刷中的适用性。预判结果表明:孤东海岸堤前海床还将持续冲刷2 m左右,加强海堤防护工程日常维护十分必要。

黄河三角洲水文-地貌-生态系统演变与多维调控研究进展

河口三角洲是由水文、地貌和生态耦合作用形成的复合系统,其演变具有时空波动性强、响应高度敏感、边缘效应显著与环境异质性高的特性,属典型的易失衡区。从黄河三角洲水文-地貌-生态子系统演变过程、耦合作用关系以及多维调控理论与技术等方面,阐述了多重压力下的子系统自适应调整与状态特征,归纳了水文条件与河口地貌-生态系统演变的互馈关系,搭建了多维协同的水沙配置研究框架,并提出了基于水沙优化配置的多维调控策略。针对目前研究存在的问题,从连续性监测平台建设、全过程模型构建、失衡风险预测以及多维调控理论与技术研究等方面提出了未来研究的重点方向,以期为优化利用有限水沙资源维持河口系统稳定提供科学支撑。

黄河口治理发展回顾与展望

1855年以来,黄河口治理经历了被动防洪阶段、除害兴利阶段、维护河口健康生命阶段和建设幸福河口阶段等四个主要发展阶段,取得了一系列治理成效。新时期黄河口治理需要立足现状,针对依然存在的流路不稳定、海岸演化不平衡、生态环境脆弱、社会经济发展协同不足等问题,在国家系统治水理念指导下,结合黄河综合治理战略与未来水沙情势,统筹河口地区防洪保安、生态保护和社会经济发展。在防洪保安方面要构建长期稳定的流路运用与防洪防潮协同的水安全保障体系,在生态保护方面要形成水资源刚性约束下的生态调度与生态用水配置体系,在社会经济发展方面要优化彰显大河文明的河口文明利用与资源要素均衡支撑体系。

黄河三角洲海岸线标准对陆地面积的影响

黄河三角洲陆地面积变化关系到河口综合治理、国土规划、自然保护区发展以及油气资源的勘探开发等战略布局。已有研究采用的海岸线标准主要有:根据实测资料确定的高潮线、低潮线、黄海0 m线和黄海−2 m线以及从卫星遥感影像提取的高潮线、低潮线和瞬时水边线。近代黄河三角洲、现代黄河三角洲、清水沟流路范围、清8汊河范围内采用不同的海岸线标准得到的亿吨来沙造陆面积(造陆效率)成果存在较大差别。采用影像特征海岸线得到的部分时段造陆效率偏差较大,其原因主要与黄河三角洲沿岸发育的坡度平缓的广阔潮滩有关。从黄河三角洲海岸演变特征出发,采用黄海−2 m线作为海岸线基本上包含了径流与海洋动力作用最强烈区域,适宜于研究海岸淤进和蚀退,以及由此产生的对流路出汊、摆动和黄河下游的反馈影响。已有动态平衡沙量研究因采用海岸线标准不一致存在较大差别,而且三角洲长时期以淤进为主,蚀退时段的样本较少。在目前行河流路处于长期相对稳定的局面下,研究清水沟流路范围内海岸动态稳定的沙量更有实践意义。

基于DSC模型的黄河入海流路稳定评价指标体系及其应用

历史上的黄河入海流路具有“十年一改道”的演变特征,其流路稳定问题一直是黄河河口综合治理研究和实践进程中的热点、难点和焦点问题。本文基于对黄河入海流路失稳驱动因子的分析,以黄河入海流路失稳驱动力响应模型作为构建流路稳定评价指标体系的理论依据,以DSC模型(DrivingForce-State-Control,驱动力-状态-控制模型)作为描述框架模型,通过对15个要素、83个具体指标因子的筛选、调整和优化,分别构建了具有不同稳定目标特征值的基本判别指标体系和综合判别指标体系。利用两种判别指标体系对现状黄河入海流路的稳定状态进行了计算判断,结果表明:现状西河口水位(二)站在10000 m^3/s流量时水位为10.52 m,距离12 m改道标准尚有1.48 m的上涨空间,其流路综合稳定状态评价值为0.259,流路稳定状态良好。

基于正交曲线网格的河道地形插值方法及应用

传统的插值方法在采样河道地形横断面分布稀疏情况下,无法有效获得弯曲河道高精度插值结果,亟须研究有效的弯曲河道地形插值新方法,对河道演变及其规律进行定量分析。为此,提出了一种基于正交曲线网格的河道地形插值方法(OCGI),首先沿横断面进行线性插值,然后沿纵向网格线进行插值,弥补了纵向采样点空间分布不足的缺陷,且考虑了河势变化,将插值范围控制在网格分布的区域。应用实例表明:该方法比反距离加权法(IDW)和普通克里金法(KG)能得出更合理的结果,可应用于黄河口尾闾等弯曲河道的地形插值。

基于K线图理论的河流水位变化表征方法及其应用研究

首先总结分析河流水位变化传统表征方法的优缺点,其次运用K线图理论确定水位K线图4个特征水位值的提取方法,最后依据1950—2019年黄河利津水文站相关实测资料,分别绘制基于1 a、10 a周期的3000 m^(3)/s流量对应的水位K线图。结果显示:与传统的水位变化过程线相比,K线图既能显示单一周期和多个连续周期的水位变化趋势,也可以从中获取水位变化的其他重要信息,表征水位变化的效果十分理想。

现行黄河口滨海区冲淤时空演变及其影响因素

自黄河入海流路人工改道清8汊后,受自然因素变化和人类活动干预影响,入海水沙出现新的情势,河口滨海区水下地形也发生相应调整。本文基于1997-2018年实测水深断面资料,建立水下地形数字高程模型(DEM),综合研究了黄河口滨海区冲淤的时空演变及其影响因素。结果表明,1997-2018年黄河口滨海区整体呈淤积状态,累积淤积量为5.36×108m3。从时间上来看,水下地形演变经历3个阶段:缓慢冲刷(1997-2002年)、快速淤积(2002-2007年)、缓慢淤积(2007-2018年)。从空间上来看,现行河口区呈淤积状态,而孤东近岸和老河口区呈冲刷状态。在水下地形不同的发展阶段,维持冲淤平衡的临界输沙量也有所不同,调水调沙之前为1.65×108t/a,调水调沙以来为1.09×108t/a。来水来沙对河口滨海区的冲淤演变起着主导作用,2016-2017年调水调沙中断,河口滨海区大面积冲刷。2018年防洪调度的实施使水下地形迅速淤积。黄河口滨海区演变除了受来水来沙的直接影响,还受泥沙粒径和口门位置的影响。

黄河三角洲北部近岸悬浮物季节性分布及驱动因素

近岸海域悬浮颗粒物的分布与扩散对水体生态环境、海岸地貌演变、水产养殖以及海岸工程等有重要影响。由于刁口河流路的改道,黄河三角洲北部成为强烈侵蚀岸段,揭示该区域的悬浮物浓度变化特征和规律是防护工程安全维护的基础。利用经良好检验的模型反演近岸海域悬浮物浓度,Landsat-8和Sentinel-2卫星影像反演结果的交叉验证表明,基于两种传感器反演的悬浮物浓度具有较强的一致性,两种卫星数据可以结合使用。研究区近岸海域悬浮物浓度季节变化明显,冬季和春季悬浮物浓度较高,夏季较低,秋季是悬浮物浓度从低向高转换的季节。冬、春季该区域风浪较大,在波浪掀沙和潮流输沙的联合作用下,底床泥沙强烈再悬浮,是形成悬浮物的主要来源,丁坝群的修建也在一定程度上改变了悬浮物的时空分布。

黄河下游地区水资源生态足迹时空分析与预测

[目的]评价黄河下游水资源生态承载状态,为地区水资源管理与规划提供理论依据。[方法]运用水资源生态足迹理论结合对数均值迪式指数分解法(logarithmic mean divisia index,LMDI)对2007—2020年黄河下游水资源生态足迹的时空分布特征及驱动机制进行核算分析,并通过灰色预测模型GM(1,1)对2021—2030年的水资源生态足迹变化趋势进行预测。[结果]黄河下游历年水资源生态足迹远高于生态承载力,水资源生态赤字现象严重;水资源生态足迹与生态赤字年际间均呈波动降低趋势,用水效率逐渐提高,农业用水是最大的水资源生态足迹账户;黄河三角洲是黄河下游水资源生态压力最大的区域,淄博、济南、郑州和泰安4市的生态压力相对较小;经济效应对黄河下游水资源生态足迹变化起正向主导作用,技术效应起负向主导作用;预测结果表明,2021—2030年黄河下游人均水资源生态赤字由0.387 hm^(2)/人降至0.359 hm^(2)/人。[结论]在生产力快速发展和用水结构优化调整等综合作用下,黄河下游地区用水效率逐渐提高,水资源生态压力有一定幅度的缓解。但由于该区域水资源生态赤字基数较大,未来水资源可持续利用形势依旧十分严峻,亟待进一步加强水资源的统筹管理,助力黄河下游地区高质量可持续发展。