基于水-经济社会-生态环境协同演变的生态流量阈值适宜性研究

针对天门河-汉北河流域生活-生产-生态“三生”用水矛盾突出、水生态退化及经济社会发展受限等问题,基于水系统理论与系统动力学方法,构建“水-经济社会-生态环境”耦合模型,从系统层面研究河道内生态流量阈值的适宜性。应用情景模拟法,考虑高效节水、再生水利用率提高等调控措施及未来天然来水的不确定性,设置9种情景模拟2022—2035年研究区高、中、低3种生态流量阈值下的水资源供需及经济社会发展态势。结果表明:高效节水和再生水利用率提高均有利于缓解因生态流量阈值增大而引起的区域水资源用户间的冲突问题;从“水-经济社会-生态环境”协调发展的角度分析,建议研究区丰水年(P=25%)生态流量阈值设置为年径流量的30%~50%,平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)生态流量阈值设置为年径流量的10%~30%;增大生态流量阈值的同时应采取提高水资源利用效率的调控措施。研究结果从“水-经济社会-生态环境”耦合系统的协同演化机制出发分析河流生态流量阈值的适宜性,为复杂水资源系统的优化运行与科学管理提供了理论基础。

宁夏引黄灌区适宜生态需水估算

为实现黄河水资源的可持续利用,合理配置有限的水资源,在充分掌握相关资料的基础上,对宁夏引黄灌区非农地(荒地)、湖泊湿地、人工防护林、城市以及地质的适宜需水量采用相应的计算方法进行计算并汇总进行分析。结果表明:在现状条件下,平水年份(降水频率50%)灌区周边的适宜生态需水量为11.12亿m3,枯水年份(降水频率75%)灌区周边的适宜生态需水量为12.72亿m3,该成果可为灌区基于生态的水资源合理配置提供科学依据。

博斯腾湖小湖区湿地生态需水量阈值研究

湿地生态需水量阈值是其生态系统发生质变的临界条件,一旦某阈值被超越,系统的某些物质平衡关系、功能、健康就会受到影响,而月尺度的湿地生态需水量阈值研究有助于水资源优化配置。针对博斯腾湖小湖区芦苇沼泽镶嵌交错明水塘道的景观结构,结合遥感数据同步获取大范围数据的优势,利用长时间序列的水面面积频率分析,确定月尺度最小、中等和理想状态的小湖区湿地明水区面积;采用蒸发皿观测值计算法,核算小湖区湿地的月尺度最小、中等和理想生态耗水量。结果表明:小湖区湿地全年月平均最小、中等和理想的生态水面面积为14.47 km^(2)、21.56 km^(2)、26.75 km^(2);小湖区湿地生长季3—9月最小生态需水量为0.22×10^(8)m^(3)、0.35×10^(8)m^(3)、0.44×10^(8)m^(3)、0.51×10^(8)m^(3)、0.39×10^(8)m^(3)、0.41×10^(8)m^(3)、0.28×10^(8)m^(3),其中6月最大,3月最小,小湖区湿地年最小生态需水量约为3.02×10^(8)m^(3);如若同时满足小湖区湿地生态目标芦苇生长所需动态水位,3—9月最小生态需水量为0.40×10^(8)m^(3)、0.52×10^(8)m^(3)、0.79×10^(8)m^(3)、0.86×10^(8)m^(3)、2.31×10^(8)m^(3)、0.41×10^(8)m^(3)、0.28×10^(8)m^(3),其中7月最大,9月最小,小湖区湿地年最小生态需水量约为5.99×10^(8)m^(3)。本研究计算结果可用于小湖区湿地年、月尺度来水分配及出水调控,有利于提高区域水资源利用效率,确保小湖生态可持续发展。

基于多目标的河流生态需水阈值研究

选取了水生生物保护、河流输沙、河流自净作为河流生态系统健康运行的生态目标,进行多目标下的河流生态需水阈值研究,结合变异性范围法(RVA)进行比较验证。以西安市灞河为实例进行分析,从维护河流生态系统整体功能健康的角度出发,确定河流生态需水阈值为1.43×108m3,占灞河多年平均地表径流总量4.9×108m3的29.2%,RVA法计算结果为1.49×108m3,占灞河多年平均地表径流总量的30.41%,与计算结果吻合。

石羊河流域天然植被适宜生态需水量估算

基于遥感手段并运用ArcGIs9．3软件统计获得石羊河流域1987，2000及2010年3期各类型天然植被面积数据，采用阿维里扬诺夫估算方法对石羊河流域各县区天然植被的生态需水量进行了估算。结果表明，石羊河流域1987，2000及2010年天然植被适宜生态需水量分别为2．43×10^9，2．34×10^9，2．06×10^9m3，其中各县区天然植被适宜生态需水量由多到少依次为：肃南县〉天祝县〉永昌县〉民勤县〉古浪县〉凉州区〉金川区。石羊河流域林地、草地的生态需水量基本各占总需水量的1／2，但各县区林地、草地生态需水量的百分比差异明显，流域天然植被的水分利用率介于2．74～16．55艇／（hm2·mm）。通过对石羊河流域3期天然植被适宜生态需水量的研究发现，流域天然植被无论从总需水量还是各优势盖度的需水量上均呈现减少趋势，因此确定天然植被的适宜生态需水量，对区域水资源的合理配置和科学制定生态恢复方案具有重要的现实意义和借鉴作用。

生态护坡植物种子萌发需水阈值构建与抗旱性研究

探讨不同水势梯度环境下对于黑麦草、苇状羊茅、批碱草几种草本生态护坡植物的吸水萌发速率的影响。设置4个水势梯度(0、-0.5、-0.8-、1.2 MPa)的边界条件,利用聚乙二醇PEG溶液对植物种子模拟水分胁迫处理,通过20 d的发芽盒培养,统计种子的每天萌发率,拟合试验的水势—时间曲线,计算种子的相对萌发率和种子的萌发需水阈值。结果表明:随着环境水势的降低,3种草本植物的相对发芽率呈显著下降,达到其50%萌发率的时间也相应增加。黑麦草、苇状羊茅、批碱草的需水阈值分别为-1.7907-、1.9660-、2.2146 MPa,抗旱性比较为:批碱草>苇状羊茅>黑麦草。

基于RVA阈值区间集成的河道内生态需水计算与应用

在对河道生态需水特点进行分析和总结的基础上,提出了基于变化范围法和多种水文学法计算成果的河道内生态需水计算方法——下包线法,建立了考虑径流资料精度的评价体系。结合一致性审查、河道内生态需水计算和评价,构建了考虑径流非一致性的河道内生态需水计算框架,并应用于陕西省引汉济渭工程。结果表明:河道内生态需水过程具有波动性、季节性、时效性和区间性;在生态需水阈值区间内,下包线法同时满足维护河道生态和保证兴利效益的目的,可在较高生态需水标准基础上进一步压缩生态需水总量;下包线法和Tennant法中Tennant-好、Tennant-差所得生态需水过程分别为引汉济渭工程理想、适宜和最低生态需水过程。

黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨

研究河道生态需水阈值对于提升河流生态系统多样性、稳定性、持续性及河道生态需水管理具有重要意义。针对黄河流域甘肃段河流断流、水污染严重及泥沙含量高等水与生态环境问题,依据30个水文站1956—2016年的河流月径流资料,采用年内展布计算法确定生态基流量,并与自净需水量、输沙需水量按照“取大”原则整合为基本生态流量;采用逐月频率计算法确定目标生态流量。综合基本生态流量与目标生态流量分布特征,获得年内河道生态需水阈值,对其进行等级评价并分析满足程度。结果表明:年内水量较枯、较丰时段黄河干流河道生态需水阈值分别为74.78~393.29 m^(3)/s、595.35~1108.84 m^(3)/s;玛曲至上诠段支流分别为8.97~26.81 m^(3)/s、30.16~156.20 m^(3)/s;上诠至安宁渡段支流分别为0.64~11.93 m^(3)/s、3.50~124.61m^(3)/s;安宁渡以下段支流分别为5.67~7.76 m^(3)/s、14.77~30.53 m^(3)/s。河道生态需水阈值评价等级在年内水量较枯、较丰时段分别位于“一般—最佳”、“很好—最佳”;其满足程度在年内各个时段祖厉河、马莲河皆未超过67%,在水量较丰时段大通河、庄浪河未超过50%。研究成果对于研究区河道生态需水管理具有可操作性,可为黄河上游水源涵养及水资源优化配置提供一定的科学依据。

基于RVA法的河道生态需水阈值预测方法研究

河道生态需水是协调生态保护和社会经济发展的核心。为提高夏季生态需水预测的精度,文章设计基于RVA的河道生态需水阈值预测方法建立生态需水模型,得到某河段在某年某月的月径流量,计算绝对径流之和与95%保证率下的径流之和的比值,并以此得到生态需水的供水指数,以及RVA方法下的河道生态需水阈值区间,判断生态需水阈值的上界与下界。由此可见,该生态需水阈值预测方法可以保证全年的预测精度,优于其他预测方法。

基于变区间阈值法的河道生态需水计算方法

针对河流天然来水丰枯情况不同的特征,提出了一种考虑年内径流变化程度的生态需水计算方法—变区间阈值法,在枯水期生态需水仅设定下阈值,丰水期则须同时设定上、下阈值。通过与Tennant法和分布流量法对比分析,结果表明:变区间阈值法性能不弱于分布流量法,且非劣解集的分布较Tennant法更均匀;在2月份水位有所下降,有利于抵御咸潮入侵;在3-5月份出库流量较大,有利于生态环境和鱼类产卵期产卵;降低了枯水期对径流资料的依赖,便于计算。丰富了现有生态需水计算方法,可为相关研究提供技术支持和参考依据。

太子河上游河道内适宜生态需水分析

结合太子河上游南甸和本溪两个水文站建站以来天然来水量数据,分别按照保证率为45%(丰水期)、75%(枯水期)、55%(平水期),采用水文学方法对太子河上游适宜生态需水进行计算,并结合Tennant法对其生态状况进行评估。结果表明:太子河上游两站适宜生态需水量分别为91.9亿m~3和50.7亿m~3。

浑河上游最小和适宜生态需水量计算分析及评估

结合浑河上游南口前和南章党两个水文站建站以来天然来水量数据,分布按照保证率为40%(丰水期)、70%(枯水期)、50%(平水期),采用水文学方法对浑河上游最小和适宜生态需水进行计算,并结合Tennant法对其生态状况进行评估。结果表明:浑河上游两站最小生态需水量分别为9.4亿m^(3)和4.04亿m^(3),适宜生态需水量分别为76.59亿m^(3)和42.21亿m^(3),枯水期生态需水满足度低。

赣江下游河道适宜生态需水量计算

受气候变化及人类活动的影响,赣江下游河道生产生活与生态用水的矛盾日益增加。本研究采用Tennant法和生态流量阈值法分别计算外洲断面生态需水量,并采用基于四大家鱼为生态保护目标的湿周法进行筛选比对,确定赣江下游适宜和较适宜的生态需水过程。结果表明:Tennant法和生态流量阈值法计算得到的年均适宜生态需水量分别为845.44m3/s、1041.30m3/s,占外洲断面多年平均径流的40%左右;年均较适宜生态需水量为626.60m3/s、561.16m3/s,占外洲断面多年平均径流的27%左右,为赣江下游适宜生态需水量的预留提供依据。

沂沭河流域河流生态径流及生态需水研究

为更好地维持沂沭河流域河流生态系统健康、稳定,以沂河临沂站、沭河大官庄站为例,基于两站1958-2000年天然月径流数据,采用逐月次最小（大）值法、改进Tennant法计算其年内最小（大）生态径流及生态需水过程,运用三种逐月频率法计算其年内适宜生态径流及生态需水过程,参考地表水合理开发阈值和IHA法,依据逐月频率法获得其年内适宜生态需水阈值,最终获得两站完整的生态径流及生态需水过程,并与实测径流过程比较,获得其生态需水保证率。结果表明,逐月次最小（大）值法计算得到的部分月份最小（大）生态径流量不利于生态系统的健康稳定,需结合改进Tennant法结果做调整;年内各月径流保证率均取50%的逐月频率法更适合适宜生态径流及生态需水计算;大部分时间内河流生态需水均能得到保证,但仅有超过30%月份、近50%年份河流生态需水为适宜生态需水。

论河流生态环境需水

回顾了生态环境需水量研究的进展 ,讨论了实现河流各项基本功能目标的河流生态环境用水分类、各类生态环境用水量的计算方法及其间关系。提出了河流生态环境用水量及其阈值确定的各项原则 ,包括功能性需求原则、分时段考虑原则、分河段考虑原则、主功能优先原则、效率最大化原则、后效最小化原则。

黄河下游河流最小生态环境需水量初步研究

根据河流生态环境需水量的概念 ,针对黄河河流系统的主要功能目标 ,利用 1 95 0年以来的观测资料 ,分析了黄河下游河流各类最小生态环境需水量。研究表明 ,黄河下游汛期最小生态环境需水量主要由输沙用水的需求决定 ,由于黄河下游汛期占全年的大部分来沙量 ,因而在汛期需水量应该首先满足输沙功能的最低要求。在非汛期 ,高村、艾山、利津三部对应的各种功能所需临界流量也以输沙需水量为最大 ,但因该阶段各个河段输沙效率较低 ,可以优先考虑河流污染防治功能与河流生态功能 。

作物生态适宜性定量化评价方法及通用工具

该文研究了作物生态适宜性定量化评价方法。针对环境适宜程度的量化问题,提出了四基点生态距离计算方法,模拟了限制性因素及一般性因素的区别;在评价结果分级中,提出了二次阈值方法,将生态学意义清晰与不清晰的部分进行分离;提出了作物生态适宜性评价过程的数字化表达方法。在以上3项工作的基础上,研发了作物生态适宜性评价工具软件。以北京市冬小麦适宜性评价为例进行了应用,结果表明该评价方法和工具可以容纳主要的评价因子及主流的评价算法,具有实用性。

淮河上游生态需水量计算分析

为分析计算淮河上游河流生态需水量,提出了丰水期、枯水期、平水期保证率分别为45%,75%,50%的淮河上游适宜生态径流计算方法,选用淮河上游干流息县、长台关以及大坡岭3个主要控制站1960-2005年历年天然来水量资料,计算了淮河上游最小生态径流和适宜生态径流,并运用Tennant法进行评价.结果表明,最小生态径流在很大程度上有损于河流生态系统稳定与健康;总体而言,3站适宜生态径流均可以使淮河上游河流生态环境状况达到最佳,但在某些年份各站实测月均流量小于其适宜生态径流量,而且丰水期适宜生态径流破坏率较枯水期的要高.因此,在某些年份为满足淮河上游适宜生态需水要求,还应增加河道内生态用水量.

扎龙湿地生态需水研究

通过分析湿地的水文情势与湿地生物群落的空间分布及演替,提出在确定湿地的中心区及活动区的基础上计算湿地最小生态需水及适宜生态需水的计算方法。并以扎龙湿地为例,通过ArcGis9.0对DEM数据插值计算,利用1956-2000年45年月降水蒸发资料及遥感影像解译资料,得出扎龙湿地最小生态需水量为1.06亿m3,估算出适宜生态需水量为2.34亿m3。这对于扎龙湿地的生态安全管理具有重要参考意义。

干旱区植被生态需水理论研究进展

综述了植被生态需水的概念及其内涵,评价了植被生态需水的主要研究理论——生态适宜性理论、系统阈值理论、水文循环水量平衡理论、农业气象学理论,评析了各种理论在实践应用中的优缺点。指出在未来的植被生态需水研究中应加强生态体系健康标准建立、定量评价指标体系的数值模拟模型构建,研究中还必须注重植被生态需水的时空特性,充分利用"3S"技术手段和先进的科学试验设备,全方位、多角度获取不同研究区域的基础信息,为建立植被生态需水理论提供可靠的数据支撑。