长江下游干流沉积物重金属特征及生态风险评价

【研究目的】长江下游干流沿岸分布众多取水口,为保障用水安全和生态环境健康,亟需了解近岸沉积物中重金属相关现状。【研究方法】调查过程中自上而下分左右岸共采集沉积物样品85组,利用描述统计分析重金属含量特征,综合相关性分析和主成分分析探讨重金属来源,采用地累积指数法、污染负荷法分析重金属污染程度,并评估其潜在生态风险。【研究结果】平均含量由高至低为Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd;上游至下游,Cu、Zn、Cr、Ni呈小幅波动增加趋势,As、Pb呈小幅波动下降趋势,Cd呈较大波动下降趋势;Cd的污染程度最重,主要来源于农业生产等人类活动,1~4级污染分别占比1.18%、1.18%、18.82%和34.12%,Cr和Ni为无污染,主要是工业生产源和地球化学自然源;中等污染程度(1≤PLI_(point)<2)的样点占比34.18%,潜在生态风险指数(RI)为19.48~388.62,轻微潜在生态风险、中等潜在生态风险、强潜在生态风险和极强潜在生态风险占比分别为38.82%、42.35%、17.65%和1.18%。【结论】长江下游干流沉积物中重金属含量较低,流域整体处于轻微—中等风险的无污染状态(PLI_(area)<1),右岸重金属平均含量、污染程度和潜在生态风险均普遍高于左岸。

长江中下游城市内涝与雨季污染协同治理对策

针对长江中下游城市内涝与雨季污染协同治理的突出问题,对城市水安全、雨季水体返黑返臭风险和河湖水生态退化三方面存在的问题进行了论述。发现长江中下游城市河网密度高、降水量大、暴雨多发,同时人口密集、经济发展水平高,内涝、污染、生态退化等水问题突出;城市内涝频发,雨季污染造成某些城市水体局部返黑返臭,严重影响城市水环境品质,成为制约长江中下游城市绿色发展的重要瓶颈问题。提出了建立三级内涝协同防治体系、构建城市“绿-灰-蓝”设施耦合工程体系、协同推进水体品质提升与生态修复等建议。

基于环境DNA技术的珠江中下游鱼类多样性初步研究

通过环境DNA技术(Environmental DNA,eDNA)检测珠江中下游鱼类生物多样性,探索珠江中下鱼类多样性监测和保护的新途径。2023年2月在珠江中下游设置了桂平、藤县、封开、德庆、肇庆和九江共6个采样点,通过水样采集及过滤、eDNA提取、遗传标记扩增及测序和数据库比对分析等流程检测鱼类多样性。结果表明,6个采样点共检测出30种鱼类,隶属于4目10科27属,其中土著鱼类26种,外来种4种。较已有传统调查数据新检出2种鱼类:美丽沙鳅(Botia pulchra)和齐氏罗非鱼(Oceochromis zillii)。鱼类优势种为子陵吻鰕虎鱼(Rhinogobius giurinus)、瓦氏黄颡鱼(Pelteobagrus vachellii)、鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、尼罗罗非鱼(O.nilotica)、齐氏罗非鱼、南方波鱼(Rasbora steineri)和鲤(Cyprinus carpio)。根据Shannon指数和Simpson指数显示,eDNA检测九江和桂平站点的鱼类多样性最高,藤县的最低。作为一种新的检测方法,eDNA技术可用于快速检测珠江中下游鱼类的多样性及分布,在实际应用中可将eDNA技术与传统的监测方法相结合,以提供更全面的鱼类生物多样性数据信息。

水库拦沙对黄河下游河床演变的影响

为充分认识水库拦沙对其下游河道河床演变及防洪的影响,基于三门峡水库和小浪底水库拦沙期水沙及断面观测资料,研究了黄河下游河槽冲淤、洪水冲刷效率、河槽几何特征、排洪能力等规律。结果表明:水库拦沙期,黄河下游沿程河槽均发生了不均衡冲刷;河床粗化明显,粗化后床沙中值粒径最大值为冲刷前的2.1~2.5倍;高村以上河段同水位过洪能力增加明显,冲刷后较大的河槽容积可为小浪底水库排沙提供暂时的滞沙;河床粗化后细泥沙和中泥沙补给能力不足,河槽冲刷效率随冲刷历时的增加衰减明显。由于水库多年调节水沙过程及下游相对完善的河道整治工程约束,小浪底水库拦沙期黄河下游河槽冲刷重心下移,河床粗化程度增加,冲刷效率明显降低。研究成果可为水库水沙调控技术指标的选取提供科学依据。

长江中下游岸线大型临江港区工程水土保持设计探讨

为有效防治长江中下游岸线大型临江港区工程建设可能造成的水土流失,以武汉新港阳逻港区三作业区一期工程为例,分析了设计和施工中面临的平面布置制约因素多、土石方工程量大、生态环境敏感性强、施工组织复杂、水土流失风险高等难点。针对上述问题,提出了从水土保持角度优化工程布局和施工组织设计,制定完善的水土流失防治措施体系,采取蓄、渗、滞、排的雨洪集蓄利用技术等建议。经多年运行,工程经济、社会、生态效益显著,设计思路可为同类工程水土保持设计提供借鉴。

长江中下游成矿带南陵—宣城矿集区中生代构造—岩浆—成矿特征及其地质意义

安徽南陵—宣城矿集区是长江中下游成矿带中一个新确立的矿集区,近年来找矿勘查工作取得重要进展。笔者等在广泛收集以往区域地质调查以及最新地球物理探测和矿床地质勘查成果的基础上,系统总结了矿集区地质构造、岩浆岩和铜多金属矿床的地质和地球化学特征,探讨了中生代时期区域构造作用与岩浆作用和成矿作用的相互关系。研究认为,南陵—宣城矿集区构造上为一个受深大断裂控制的中生代—新生代陆相凹陷—断陷火山—沉积盆地,盆地之上叠置古生代地层构成的NE向指状展布的复背斜/逆冲推覆体,盆地基底地层组成和构造特征与盆地之上叠置的复背斜/逆冲推覆体基本一致,且两者均发育相同时代和特征的侵入岩及相关铜多金属矿床。南陵—宣城矿集区构造—岩浆—成矿特征总体上与长江中下游成矿带其他地区基本一致,反映自中生代以来受古太平洋板块向欧亚板块之下俯冲作用的控制,经历了强烈的陆内变形改造以及相应的多期次NW—SE向挤压作用和拉张作用。南陵—宣城矿集区构造—岩浆—成矿特征同时又具有其独特性,表现在其地质构造格架、侵入岩和矿床特征与长江中下游成矿带其他火山—沉积盆地明显不同,反映其在区域构造空间以及地壳基底结构和组成上的差异,同时揭示南陵—宣城矿集区是长江中下游成矿带跨构造单元复合系统的典型代表。

小浪底水库运行以来对黄河下游河道河床演变特性的影响

小浪底水库自1999年10月下闸蓄水,23年来深刻改变了进入黄河下游河道的径流泥沙过程,进而引起了下游河道的再造床。本研究以1960—2022年长序列水文泥沙、断面地形、遥感影像等多源资料为基础,从径流泥沙、冲淤演变、形态调整三个方面阐明了小浪底水库运行以来对下游河道河床演变特性的影响。结果表明:(1)水库拦沙效果显著,下泄水量在年内分配更加均匀、沙量则向汛期更加集中;大流量和高含沙事件的严重程度和发生频率均有所降低;悬沙调整不明显,床沙粗化显著。(2)扭转了黄河下游河道持续淤积的趋势,冲淤调整主要发生在花园口至高村的游荡性河段;冲刷效率持续下降,主槽过流能力得到显著恢复。(3)游荡性河段横断面形态向窄深发展,二级悬河发育得到有效缓解,整体河势处于相对稳定状态。研究成果丰富了多沙河流修建水库对下游河道影响的科学认识,也可为小浪底水库优化调度提供科技支撑。

初论黄河下游河道的河槽线

黄河白鹤镇至陶城铺河段两岸堤距宽,历史上河道冲淤变化迅速、河势游荡多变,经多年河道整治,总体上河势得到基本控制,滩槽逐步稳定。在此条件下,为促进黄河的生态保护和滩区发展,提高河道管理水平,将河道粗分为河槽与滩地,首次提出河槽线的概念,明确了河槽线的含义及绘制河槽线的原则,强调绘制河槽线要以防洪安全为前提,给出了河槽线的绘制方法及其现场标示办法,分析了河槽线的作用等。

黄河下游花园口以上河段滞沙能力分析

黄河下游河床调整主要取决于来水来沙和河床边界条件,河床调整沿程不均衡特征明显,花园口以上河段床演变对水沙条件的变化响应尤为突出,泥沙冲淤调整幅度最大。基于河道冲淤及水沙演进特性、滞沙可行性、河槽几何特性等分析,提出了花园口以上河段可作为泥沙天然反调节“库”概念,结合黄河下游实测洪水资料,采用水力计算方法,计算了花园口以上河段的河槽排洪能力及不同河槽规模条件下河槽允许滞沙量,提出了反调“库”滞沙能力,可为小浪底水库排沙指标的确定提供依据,对维持小浪底水库有效库容、弥补后续清水河床沙源不足、改善黄河下游河槽冲淤不均衡现象具有重要意义。

关于加强水库大坝下游水位监测的认识与建议

下游水位监测是1级~5级水库大坝必设的安全监测项目,但在实际建设过程中常常被忽视或误解,不利于充分发挥监测系统作用。通过设置下游水位监测,可以确定准确完整的坝体浸润线位置,支撑智慧水利建设;定量分析监测断面的防渗效果与渗流安全性态,提高渗流安全监测资料分析深度;为大坝渗流计算提供可靠的重要边界条件参数,提升渗流计算成果可靠性与准确性。下游水位监测对大坝安全监测以及大坝安全管理至关重要,建议有条件的水库补充设置下游水位监测,进一步完善大坝安全监测系统。

长江中下游崩岸险情智能感知预警与防治关键技术研究构想及成果展望

崩岸是长江中下游河道自然演变的常见形式,严重威胁防洪安全、航道畅通及沿江经济基础设施正常运行甚至是人民生命财产安全。三峡工程等水利水电工程建成运行引起长江中下游水沙情势显著改变,近年来,中下游河道持续冲刷、局部河势调整、崩岸频发,造成多方面不利影响。尽管以往已开展了相关研究并进行了治理,但由于影响因素众多,崩岸机理复杂,隐蔽性、突发性和随机性强,预警及治理难度依然很大。本文以“崩岸机理揭示—大范围筛查—介入式监测—多尺度预警—系统化防治”为总体思路开展研究,围绕流-固耦合作用下的崩岸机理与险情智能筛查、河道岸坡土体全要素实时感知及崩岸模拟预警技术、耦合河势控制措施的崩岸系统防治技术等关键科学技术问题,重点研究持续冲刷下河势变化与崩岸动态响应关系,研发多源信息融合的崩岸险情智能筛查技术、河道岸坡全要素一体化智能感知技术、多尺度河道崩岸预测与预警技术,以及耦合河势控制措施的崩岸系统防治技术,旨在揭示持续冲刷条件下长江中下游崩岸发生的驱动因素及内在机理,研发崩岸险情智能感知预警及防治关键技术,实现崩岸险情智能筛查、多要素监测、动态预警与系统防治。研究有望显著提高长江中下游河道崩岸发生的预见性和治理技术水平,促进崩岸从灾后抢护向灾前预防转变,为河道系统治理和水安全保障能力提升提供科技支撑。

黄河下游花园口至孙口河段高效输沙洪水阈值研究

河流能量耗散率变化反映了河道水沙输移能力以及河床形态的调整规律。本文研究区域为黄河下游花园口至孙口河段,从能量耗散角度出发,结合对实测资料的统计分析,探究了河流边界阻力能耗率与来水来沙、断面形态以及河床稳定性之间的定量关系,并基于边界阻力能耗率与河床稳定性双重指标,确定了花园口至孙口河段的高效输沙洪水阈值。研究结果表明:流量是影响边界阻力能耗率的主要因素,并与边界阻力能耗率的幂次呈线性相关;随着流量增大到2000 m^(3)/s以上,边界阻力能耗率随含沙量增加呈先减弱后增强的趋势。大流量条件下边界阻力能耗率与宽深比呈负相关关系,花园口与夹河滩断面形态复杂,相关性较弱;相比之下高村与孙口断面形态简单,相关性增强。非恒定水沙条件下的河床大多处于失稳状态,在综合考虑河床形态稳定及边界阻力能耗率最低的前提下,计算得出花园口至孙口河段的洪水高效输沙临界流量约为1500 m^(3)/s,含沙量约为23 kg/m^(3)。

黄河下游高效输沙指标及输沙水量研究

研究提出黄河下游高效输沙的定义和内涵,依据小浪底水库运用方式和黄河不同时段河道水量的功能定位,将汛期的洪水水量定义为狭义输沙水量,汛期的平水期和非汛期水量的主要功能为满足生态、灌溉、发电等需求,不作为输沙水量。建立了单位输沙水量与排沙比及流量含沙量之间的定量关系,提出了高效输沙流量和含沙量指标的定量计算方法,在现状下游河道过流能力条件下,计算了满足高效输沙要求的流量与含沙量搭配指标。提出了维持下游河道全年一定冲淤水平的利津断面狭义输沙水量计算方法,当进入下游年沙量为3亿t时,维持下游河道全年冲淤平衡的利津断面洪水输沙水量为56.2亿~69.6亿m^(3)。

基于SPI和VHI的长江中下游地区干旱时空特征分析

近60 a来,长江中下游地区干旱发生频率越来越高,强度不断增强,影响范围不断扩大,持续时间不断变长,对经济发展造成了严重的影响。通过构建长江中下游地区60 a长序列历史降水数据和40 a遥感数据集,基于标准化降水指数、植被健康指数等指标建立干旱监测指数序列库,分析时序干旱指数变化特征,开展旱情时空分布、季节差异、发生频次等指标统计分析,探究旱情发生频率及其时空分异特征、旱情程度等时空特征。研究结果表明:长江中下游地区干旱事件发生具有明显的季节性,春夏季干旱频率高,秋冬季干旱频率低;干旱存在明显区域性差异,易旱地区主要包括湖北北部、湖南南部等地。

变化条件下长江下游地区防洪问题与韧性提升对策

长江下游地区圩区广布、城镇众多、水网稠密,汛期受长江上中游来水、长江口及沿海高潮和本地暴雨共同威胁。目前,该地区形成了以江河湖海堤防为基本屏障,以水库、湖泊和蓄滞洪区为洪涝调蓄空间,以长江及区域主要河道为洪涝行泄通道,各类闸站相配套的防洪治涝工程体系。但近年来长江流域大洪水事件表明,长江下游防洪工程薄弱环节仍然明显,蓄泄矛盾突出,空间统筹治理和工程协同调度不足,灾害风险预防管控存在盲区,同时还面临着气候水文和经济社会条件双重变化的复杂形势。为强化长江下游地区洪涝灾害风险集成调控、提升应对大洪水的韧性,需在稳固长江干流防洪屏障和行洪主通道的基础上,科学优化各水系洪涝蓄泄格局、加快补齐防洪基础设施短板、促进洪涝治理空间均衡协调、加强洪涝灾害风险管控预防、提升防洪管理智慧化水平。同时,还应针对长江下游地区重大防洪科技问题开展系统深入研究。

黄河下游花园口以上河道滞沙指标研究

水沙搭配关系是影响黄河下游河道冲淤调整的重要因素,局部河段滞沙则是改善下游水沙关系的有效手段之一。小浪底水库运用后,河槽沿程冲刷不均衡,河床粗化,细沙补给不足,输沙效率明显降低。分析黄河下游河道冲淤特性及水沙演进规律,建立不同类型洪水滞沙河段(花园口以上河段)与排洪瓶颈河段(高村—艾山河段)的冲淤关系。基于滞沙对河道行洪和稳定性的影响,以排洪瓶颈河段不淤积为约束,提出洪水滞沙的水沙优化配置指标。中泥沙洪水滞沙指标为:洪水平均流量为1800~3700 m^(3)/s,平均含沙量为66~235 kg/m^(3)。

黄河中下游地区耐旱作物扩种的节水降碳协同效应评价

为应对黄河流域农业可持续发展面临的气候变化和水资源短缺挑战,通过推广种植耐旱作物,缓解区域农业用水压力,并分析其节水降碳协同效应,研究设计了趋势照常、缓慢增长、技术引导、政策扶持等不同发展情景,制定了小麦、玉米、高粱、马铃薯4种耐旱作物扩种的节水降碳协同效应分析方案;采用农业节水潜力修正模型和农业降碳潜力模型定量评估了不同情景下耐旱作物扩种的节水效应及降碳潜力。结果表明:黄河中下游地区小麦和玉米的种植面积最大,高粱和马铃薯则相对较小,在政策扶持情景下,2060年小麦、玉米、高粱、马铃薯的扩种规模分别为23.12万、17.34万、34.68万、40.45万hm^(2)。在技术引导和政策扶持情景下,黄河中下游作物的节水效应和降碳效应均显著提升,2060年该区总节水量达153.52亿m^(3)、降碳潜力的平均水平达65.93 t/km^(2)。在黄河中下游地区推广耐旱作物有助于缓解水资源短缺状况,保障区域粮食安全,实现节水降碳增收多重目标。

西北江下游河流底栖动物群落健康评价

2020年12月在西北江下游河流设置11个采样点,调查底栖动物群落结构,应用底栖动物完整性指数(B-IBI)评价河流健康状况,并分析B-IBI值与环境因子的关系。结果表明,参照点位的B-IBI值在0.59~4.00之间,处于中等—优状态;受损点位的B-IBI值在0~0.82之间,处于很差—良好状态,其中较差和很差状态占比为87.5%。氨氮浓度与B-IBI值呈现极显著的负相关性,降低水污染负荷是促进底栖动物群落恢复健康的有效途径。在水质已经实现好转的基础上,可通过营造河底卵石生境来促进底栖动物群落恢复,同时也应加强河岸带的修复。

近136年(1885~2020年)长江中下游伏旱期划分及其演变分析

少雨高温的伏旱期对长江中下游地区农业、水利和人体健康等具有重要影响,但目前缺乏对该地区伏旱期的历史划分,对其长期变化规律也缺乏充分认识。本文利用1885年以来已划定的长江中下游沿江五站(上海、南京、芜湖、九江和汉口)梅雨期和夏季日气温、降水资料,对出梅后的少雨高温时段分别确定了少雨和高温的定量标准,划定出1885~2020年长江中下游伏旱期,并用统一气温标准结合伏旱期长度,综合确定了近136 a(1885~2020年)伏旱期强度指数。这136 a(包含有16个无伏旱年及10个入秋伏旱年)里伏旱期的年平均长度为21.6 d,呈现出3~6 a、36 a和84 a周期。1951年以来,1959~1978年是伏旱期长度的主要峰期,1980~1987年是伏旱期长度的下降谷期,之后缓慢增加;1980年代之后虽然大于30 d的长伏旱期有减少趋势,但是15~30 d且高强度的伏旱期频现;1995年之后秋伏旱明显增多,夏季延迟。136 a里最长且强的伏旱期依次出现于1934、1967、1978和2013年;最早的伏旱期出现在6月中旬,最晚在9月中下旬。近40 a来,伏旱期高温(≥35.0°C)日数大幅提高,伏旱期高温发生率从1980年代的30%左右上升到近年的50%以上,对人体健康构成威胁。长(强)伏旱期的副热带环流特征为西太平洋副热带高压稳定控制长江中下游区,而短(弱)伏旱期西太平洋副热带高压多偏东或偏南,入秋伏旱与副热带高压稳定西伸有关。伏旱期内高温日数的演变受到双重人类活动的制约,它不仅与人类活动导致的全球海陆升温有关,并且因地而异,即受到局地生态环境演变和城市热岛效应增减的人为作用影响。印度—太平洋季风区陆海温差对长江中下游伏旱期长度年代际变化有重要调制作用。

黄河下游灌区引黄涵闸引水能力变化原因分析

黄河下游引黄涵闸受河床下切、河势变化等因素共同影响,引水条件与设计情况相比发生了变化,造成部分河段涵闸引水困难,影响农业适时灌溉和生产。为给应对引黄涵闸引水能力下降问题提供参考,基于黄河下游2000—2016年引黄涵闸引水水位和河道断面实测数据,分析引黄涵闸引水水位变化、河槽冲刷、引黄渠道淤积变化等因素对引黄涵闸引水能力产生的影响。结果表明:1)2016年黄河来水300~900 m^(3)/s时,黄河下游引黄涵闸实际引水能力仅为设计引水能力的13.63%~39.43%,引黄涵闸引水能力明显下降;2)相较2000年,2016年的引黄涵闸设计值对应黄河流量的水位,高村以上河段下降了2.95~3.35 m,高村以下河段下降了1.55~2.95 m;3)从河段河床平均冲刷厚度看,花园口—夹河滩、夹河滩—高村、高村—孙口、孙口—艾山、艾山—泺口、泺口—利津河段的冲刷厚度分别为3.88、3.06、1.84、1.88、1.88、2.02 m,河槽连续冲刷导致同流量水位明显降低,严重影响河南和山东段引黄涵闸正常引水;4)涵闸前后引、输水渠道淤积会导致引黄涵闸引水能力降低。