密云水库上游(北京段)流域水生态健康评价

密云水库是北京市重要饮用水水源地,开展流域水生态健康评价并分析影响水生态健康的关键因素,对于密云水库上游(北京段)流域水生态保护具有重要意义。基于密云水库上游20个小流域生境结构、水质和水生生物数据,结合密云水库上游(北京段)流域生态现状,构建了涵盖生境结构、水质和水生生物的评价指标体系,运用基于熵权法的综合健康指数法对流域水生态健康状况进行综合评价,结果表明:密云水库上游(北京段)流域水生态健康状况总体为亚健康,其中小流域健康、亚健康、一般等级占比分别为10%、65%、25%;密云水库上游(北京段)流域水生态健康状况具有较强的空间异质性,健康等级较高的地区主要分布在白马关河、琉璃河、汤河中游、天河上游,健康等级相对较低的地区主要分布在潮河、白河中下游、汤河下游、清水河、安达木河上游;面源污染、植被覆盖度低、水土流失等是影响密云水库上游(北京段)流域水生态健康的关键因素。

密云水库流域降水径流非平稳特征识别及归因

为更准确揭示和认识变化环境下密云水库流域水文过程的非平稳特征,选取该流域1960—2019年降水和径流资料,采用多种时间序列分析方法综合诊断其趋势、突变点和周期等非平稳特征并进行成因分析。结果显示:该流域降水变化主要表现出较明显的随机特性,径流相比降水的下降趋势更显著,且在1979年发生了向下跳跃的强变异;相比气候变异影响,人类活动是密云水库流域径流减少的主导因素;1980—1998年流域水土保持措施与水利工程兴建对径流变化的贡献率为-111.40%,抵消了气候变异11.4%的增水效应;1999—2019年,塘坝建造和用地类型转变对径流变化的贡献率为-66.60%,同时叠加气候变异-33.40%的减水效应,导致近20年来该流域径流呈现显著减少的态势。研究结果可为密云水库安全运行、洪水调度以及流域水资源管理决策提供科学支撑。

基于多因素分析的密云水库流域径流变化归因

为准确揭示密云水库流域径流变化的物理成因,基于降水、径流非平稳特征诊断结果,采用SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,基于Budyko理论的弹性系数法和水量平衡法揭示该流域径流变化原因;对比验证各模型归因结果差异,进一步探究归因方法和基准期选择对流域径流变化归因结果的影响。结果表明:基于Budyko理论的水量平衡方法更适用于水利工程众多、跨流域调水活动频繁的密云水库流域径流变化归因计算;利用该方法进行分析,当基准期长度达到16年及以上时,流域径流变化归因分析结果逐渐趋于稳定,而基准期选取过短会高估人类活动对径流的减水效应;此外,基准期选取靠近研究初始时段时,计算得到人类活动的减水效应相对较大。综合考虑上述各因素的影响,认为人类活动是密云水库流域径流变化的主导因素;在变化期Ⅰ,其减水效应在-128.32%~-119.56%波动,在变化期Ⅱ,其对径流的削减作用为-75.58%~-70.70%。研究结果有助于提升对密云水库流域径流复杂演变规律和物理成因的科学认识。

密云水库上游不同空间尺度景观格局指数与水质相关性研究

密云水库是北京市重要地表饮用水水源地,开展不同空间尺度景观格局指数与水质相关性分析,可以精准识别水源保护的关键区域。以密云水库上游为研究区域,基于水质监测数据和土地利用数据,利用相关性分析和冗余分析等方法,对2015年、2018年、2020年研究区水质和景观格局指数进行分析,揭示不同空间尺度景观格局指数与水质的相关性,结果表明:密云水库上游不同尺度缓冲区土地利用类型主要为耕地、林地、草地;随着缓冲区半径的增大,景观破碎程度降低、斑块数量逐渐增多、不同类型斑块之间的分离程度逐渐提高;不同尺度缓冲区优势景观连通性差别不大,景观组成丰富度和均匀度接近;除TN外,研究区其余水质指标基本达到地表水Ⅱ类水质标准;半径为2000 m的缓冲区景观格局指数对水质的解释度最高,2000 m缓冲区是改善水质的关键区域。

生态系统服务的潜在供给与实际使用——以密云水库为例

以北京市重要水源地——密云水库为对象,采用影子工程法、替代成本法等方法核算了水源涵养、洪水调蓄、水质净化和气候调节的潜在供给与实际使用价值。结果表明:(1)2020年,密云水库潜在供给价值为671.42亿元,实际使用价值为303.42亿元。2000—2020年,二者增幅分别为3.8%和76.6%;(2)2020年,密云水库生态系统服务平均利用率为45.2%,2000—2020年,上升了18.6%;(3)密云水库潜在供给与实际使用价值呈正相关,即生态系统服务的供应强度越大,人类对其使用程度越高;(4)2020年,密云水库以占密云区约6.3%的面积承担起了全区约35.1%的潜在供给价值和75.5%的实际使用价值。案例研究表明,潜在供给可为生态保护工程和措施的效益评估提供数据支撑,实际使用可纳入国民经济核算,为生态补偿和生态交易的标准制定提供决策支持和政策导向。

无人机高光谱遥感和集成深度置信神经网络算法用于密云水库水质参数反演

随工业化及社会经济迅速发展,水源地面临的水体污染、恶化不断加剧,开展有效的水质监测是水源保护的重要前提。密云水库是北京重要的地表水源地,在保护首都水源安全方面发挥着重要作用。为更精准的监测密云水库水质参数及污染程度,采用4期无人机高光谱遥感数据,基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法(EDBN),构建密云水库水质参数反演模型,对密云水库总氮(TN)、总磷(TP)两项水质参数进行反演。首先,采用基于递归特征消除法对高光谱影像降维处理,将光谱数据与地面水质监测数据进行叠加,通过最小化训练过程中误差来确定隐藏层数、神经节点数等网络结构参数;然后采用由知识源域向网络迁移方式逐步拓展网络,对密云水库总氮和总磷两个水质参数进行训练并对结果进行验证;最后,反演密云水库潮河大坝和白河大坝区域水质参数,揭示其主要水质参数时空演变规律。研究结果显示:(1)构建总氮、总磷反演模型R^(2)分别为0.8355、0.7703,MSE分别为0.0153、0.0008,这表明基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法模型对密云水库水质参数反演效果较好;(2)密云水库总氮浓度变化随季节发生一定波动,在夏季浓度较低,秋季相对较高。总磷浓度变化相对平稳,表明密云水库周边区域对磷污染控制效果良好;(3)白河大坝区域水质优于潮河大坝区域,总氮浓度相对偏高,整体处于Ⅲ类水平。而总磷浓度较低,整体处于Ⅱ类水平,较好时可以达到Ⅰ类水平。整体水质可以满足饮用水源的标准,但仍需加强对氮、磷污染物有效监管。研究结果将为密云水库水质高效监测与水源保护提供重要科学依据。

密云水库上游潮白河流域丰平枯特征及其与入库水量的定量关系

[目的]揭示密云水库上游潮白河流域水量变化的年际时序规律及丰平枯季节性差异,为京津冀地区水资源高效利用及生态用水保障提供决策参考。[方法]在收集流域水量数据,进行潮白河流域逐月丰平枯水期分析的基础上,采用距平百分率解析潮白河流域水量变化特征,并推导流域丰平枯时段与径流水量的定量化关系。[结果]2010—2021年,潮白河流域的枯水期历时远大于丰水期和平水期时间,但丰水水量及其距平百分比每隔1~2 a均会呈现指数级增长趋势,表明潮白河流域近年来更多的表现出了极端的气候特征。潮白河流域的丰水时段均主要出现在7—12月,流域平水时段基本伴生于丰水时段,但是2010—2021年,潮河与白河流域仅出现了6~7个月的平水期;枯水时段占据了12 a来的大部分时期,阶段性密集分布在除丰水期和平水期以外的所有时段。在所有时段,白河流域的水量均高于潮河流域,这可能归因于春季融雪对径流的补给。[结论]2010—2021年,潮白河流域极端降水时间增多,但枯水时段的比例远高于平水期和丰水期。3者的比例关系是影响流域水量最重要的因素。

高水位运行条件下密云水库洪水防御对策分析

密云水库作为北京市重要的水资源战略储备基地的同时还承担着关键的防洪任务,近年来持续高水位运行使密云水库面临着“蓄泄”两难的实际问题,洪水防御压力不断增加。为分析密云水库现状防洪能力,从洪水监测预报预警、洪水调度和防洪抢险技术3个方面,围绕工程措施和非工程措施,开展密云水库洪水防御的对策分析。分析了密云水库建库以来历史洪水特征及预报预警现状,对中小洪水在不同控泄情景下进行调洪计算,提出中小洪水相机实施预报调度的措施建议,选取北京市、山西省、河南省典型降雨情景,开展极端降雨过程移置模拟,提出调度方案,为水库应对极端降雨提供参考。基于以上分析,提出了建设监测、预报、调度一体化的,具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧系统工作建议,以期为密云水库洪水调度优化和洪水防御技术提升提供参考。

基于eDNA技术的密云水库鱼类群落结构及生态位变化分析

为探究南水北调中线工程蓄水后新水域环境对鱼类群落的影响,采用eDNA宏条形码技术(environmental DNA metabarcoding)首次对密云水库鱼类群落结构及多样性的时空变化特征进行了分析,并结合生态位宽度Shannon-Winner(B_(i))和重叠Pianka指数(Q_(ik))研究了鱼类种群间的相互作用、共生共存及生态位分化的响应过程。结果表明:本次调查密云水库共检出86个鱼类物种eDNA信息,隶属14目21科68属,有3个鱼类eDNA信息仅注释到科、属级分类水平;鱼类主要栖息于水库底层(61.63%),以肉食性(43.02%)和杂食性(26.74%)摄食类型为主;PCoA分析显示,密云水库各采样点鱼类群落结构无显著性差异(P>0.05),Alpha多样性各项指数也无显著性差异(P>0.05);主要鱼类生态位宽度为1.15~9.25,均为中生态和广生态位种,其中,生态位重叠指数Q_(ik)>0.6的种对有517对,约占总种对数的14.15%;与历史资料相比,鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(Aristichthys nobilis)、鲫(Carassius auratus)、鲂(Megalobrama terminalis)和鲤(Cyprinus carpio)等增殖放流鱼类仍为水库主要经济鱼类。研究表明,蓄水后营底栖、以肉食性和草食性为主要生活策略的水库鱼类对环境的适应能力较弱,且彼此之间竞争明显。

密云水库上游不同造林树种叶片-凋落物-土壤生态化学计量特征

平原生态林作为北京人工林生态系统的重要组成部分,探究其生态化学计量特征是揭示平原造林后森林生态系统物质周转和养分循环等生态功能的关键。本研究以北京市密云水库上游平原生态林区域的刺槐、侧柏、臭椿和白榆4种林分为对象,采用野外取样和室内实验分析相结合的方法,研究4种造林树种叶片-凋落物-土壤的碳(C)、氮(N)和磷(P)生态化学计量特征及其相关性。结果显示:4种树种叶片、凋落物和土壤中C、N和P的含量呈现显著差异,其中白榆的C含量在叶片、凋落物和土壤最高,4种树种鲜叶和凋落叶C︰N︰P化学计量比存在显著差异。4种树种鲜叶C︰N与C︰P均表现为白榆>刺槐>臭椿>侧柏。4种树种凋落叶N︰P表现为刺槐>臭椿>侧柏>白榆,且三者之间存在显著差异性。土壤C︰N,C︰P、 N︰P与SOC和TN含量有非常显著的相关性(P<0.01),说明植物体内的养分需求与土壤的SOC和TN养分供应有一定的关联。该区域刺槐、臭椿、白榆叶片N/P为16~19,说明这3种树种生长可能受P的限制。研究结果表明,在未来北京平原生态林养护管理中,可以通过开展合适的树种混交和提高树种多样性来有效改善养分限制,提高林分养分循环能力,维持林分长期生产力。

基于数据与机理驱动的密云水库洪水预报技术研究及应用

密云水库作为北京市重要的防洪控制工程、地表饮用水水源地和水资源战略储备基地,其安全运行对首都防洪安全、供水安全和生态安全至关重要。近年,在“自然-人工”二元因素的作用及影响下,流域的产汇流特征发生了很大变化,高水位运行对水库洪水预报精度提出了更高要求,原有的洪水预报模型系统已经不能满足需求。在原洪水预报模型系统的基础上,以密云水库上游流域作为研究对象,系统研究了高强度人类活动影响的水文模拟技术、水文模型参数高效率定技术、基于数据驱动的洪水预报技术、基于贝叶斯平均的多模型集合预报技术,并对其进行应用。结果表明:机理驱动模型在洪峰预测上精度更高,但呈现低谷且峰现时间滞后特点;数据驱动模型的峰现时间预测更准,洪峰预报精度整体上不如机理驱动模型;集成两类模型的贝叶斯平均贴近实际过程,预报精度大幅度提高。

模块化拼装钢围堰在密云水库调蓄工程中的应用分析

为了解决密云水库调蓄工程第1~7级泵站进水口、出水口、水下建筑物的维修作业施工难度大的问题,确保维修质量,提出了模块化拼装钢围堰施工技术。通过阐明模块化拼装钢围堰工艺原理,严格按照规程施工作业,如钢围堰制作及吊装定位、围堰变形监测、钢围堰排水及拆除等各道工序,并加强现场管理,取得了理想成效,希望能对北方地区建造低扬程、立式泵站项目提供一些参考。

密云水库水源涵养林的建设及管养要点

密云水库是北京重要的饮水源,周边的水源涵养林对保护水质和维持生态平衡起着基础作用。通过改善土壤的保水性、调整树木种植结构,可增强生态系统的服务功能,从而间接改善水质和稳定生态环境。密云水库周围的森林是北京水源的天然屏障,它们的存在对保持水质清洁非常重要。

密云水库1960-2022年水位变化及驱动因素分析

文章以水文站长期监测资料整编成果、遥测雨量站降水监测成果、流域历年降水蒸发数据及水库蓄水资料为基础,综合运用一元线性回归法、水量平衡法、相关系数分析法、相对评判法,分析密云水库1960—2022年水位变化特征及其影响因素。研究认为:密云水库水位年代际变化依次经历了五个涨落阶段,水位呈上升变化趋势;人类调控和自然来水相互作用导致的入库、出库水量变化,影响密云水库蓄水量上升或下降,是水库水位变化主要驱动因素。该成果对密云水库安全调度、水资源合理利用具有一定参考价值。

基于长系列数据的密云水库入库径流演变规律及驱动力分析

密云水库是华北地区最大的水库,是首都的战略资源库。目前,水库正处于高水位运行,研究径流演变规律及影响因素,对高水位下水库水资源的合理利用具有重要的理论和实践意义。本文运用随机水文学、序列统计等方法,分析径流演变规律,探讨了降水和人类活动对密云水库径流变化的影响。结果表明:密云水库径流年内分配极不均匀,主要集中在7月下旬至8月上旬,8月居多,并且集中期有滞后现象,最大滞后9天;年际变化剧烈,年代变化明显,密云水库流域径流呈下降趋势,1999年以来下降趋势更为显著;非汛期年径流预测持续年份需在24年以上,汛期径流预测持续年份需在40年以上;密云水库流域径流量与降水量的年代、年内变化趋势基本一致,但两者的变化趋势不太一致,不同时期降水与人类活动对径流的影响不同。

密云水库流域径流变化及其影响因素分析

双累积曲线是检验降水与径流关系一致性及其变化的常用方法 ,通常用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正,以及水文气象要素的趋势性变化及其强度分析。能够反映人类活动对径流影响的阶段性变化,可以定量地反映降水变化和人类活动变化的贡献率。根据密云水库流域1960年~2012年的逐日降雨、流量观测资料汇总,运用数理统计、随机水文学及时间序列理论等方法 ,通过对流域径流年内变化、年际变化、年代变化趋势及密云水库流域降水变化的分析,探讨人类活动对径流变化的影响,结果可为流域范围内水资源管理和合理利用提供科学依据。

高水位运行下水库防汛物资储备管理对策研究——以密云水库为例

防汛物资是抢险工作最重要物质条件,汛前必须储备妥当。近年来,密云水库高水位运行,增加了水工建筑物出现渗透破坏等隐患的风险,对水库抢险物资储备管理提出新的挑战和要求。阐述了高水位运行下的土石坝可能出现的险情、应对措施及各种抢险物资的应用场景,从抢险物资的种类、数量、管理模式、管理制度以及存在问题和建议措施分析了密云水库抢险物资储备管理现状,为水库抢险物资精细化管理提供科学依据。

密云水库高水位运行工程性态分析与评价

密云水库是首都北京重要的地表饮用水源地和水资源战略储备基地,自2021年以来持续处于高水位运行状态,且连续刷新水位新高纪录。文章结合近年水库高水位运行渗流、变形监测数据及历史监测资料,通过趋势性、相关性、对比性分析,得出结论:各建筑物渗流场、渗透、变形已趋于稳定,符合土石坝变形规律。在此基础上,结合历次安全鉴定和检查情况,对重点建筑物进行专项分析和复核计算,结果表明:白河主坝斜墙渗透稳定性符合安全运行要求,第二溢洪道闸首抗滑稳定满足规范要求,密云水库工程安全状况总体良好。

北京“23·7”特大暴雨对密云水库上游河道水质影响研究

2023年7月,台风“杜苏芮”导致北京市及周边地区出现灾害性天气,密云水库上游流域普降大到暴雨。针对密云水库上游河道水体,选取北京“23·7”特大暴雨前后6个监测断面、9项指标作为研究对象,分析北京“23·7”特大暴雨对密云水库上游水体水质的影响。结果表明:北京“23·7”特大暴雨过程中,密云水库上游水体水质变化趋势显著。水库上游河道水体水温呈先下降后上升趋势;暴雨中期,pH下降趋势显著,浊度上升幅度较大。暴雨期间,水体理化环境发生改变,营养盐及有机综合指标浓度呈先上涨后渐趋于平稳态势。

密云水库水生态空间管控体系构建

构建了一套“现状梳理—格局识别—分析评价—综合优化”执行框架,来实现优化水库水生态空间管控的有效路径。立足于我国新时期新发展阶段的治水思路及生态文明建设要求,以密云水库一级保护区为单元,对水资源、水环境、水生态、水安全方面的突出问题进行梳理,提出水生态空间管控的主要指标、具体要求及实现途径,旨在为密云水库水生态空间管控提供依据,助推密云水库的生态保护和高质量发展。