基于MIKE21模型模拟的异龙湖水动力特性与生态补水效果研究

异龙湖是云南九大高原湖泊中面积最小、水量最少、最易受人类活动干扰的湖泊,近年来湖泊水质波动性变化特征明显,湖区水质尚未企稳向好。针对异龙湖流域水文资料匮乏、水质资料较少且湖区水质受气候及人类活动干扰响应明显等特点,依托数值模拟技术来模拟并反演湖区水动力与水质演变过程十分必要。采用GPS示踪浮标法、声学多普勒流速剖面仪监测法和加密加频监测入湖河流与湖泊水质的方式,开展异龙湖生态补水前后的湖泊水动力与湖区水质监测,具象化分析及展示补水水质改善效果,并同时构建了基于MIKE21的平面二维水动力与水质耦合模型。模拟预测结果表明,在常年主导风场西南偏西风下,南北湖岸流向为西北—东南,湖心呈顺时针环流,湖东存在逆时针小环流,在湖西有明显的弱流区,不利于水量、物质交换;年内水质浓度COD总体呈现湖西低-湖中湖东高、雨季明显高于旱季的时空分布格局;在年补水量约3 500万m^(3)和多点、最大补水能力1.95 m^(3)/s的“旱季(11月至次年5月)补水”方案下,湖西、湖中、湖东3个点位COD年均浓度分别可改善约27.6%、24.0%、18.1%,补水带来的水质改善效果十分明显,可为异龙湖生态调度与湖泊水生态修复改善提供良好的决策支撑。

拆坝对河流生态环境影响利弊研究综述

为研究拆坝对生态环境影响的利弊,介绍了拆坝对水文情势、泥沙输运、河道地貌、河道水质、栖息地质量及生物多样性等生态的影响,综述了拆坝后河道物理化学及重要生态特性之间响应关系的研究进展。拆坝对生态环境的影响具有时空复杂性,且各生态因子相互影响;水文情势的变化是所有生态响应的触发条件,泥沙输运是生态响应的关键性因子。为了河道长期连续性的开发与利用,研究泥沙输运及泥沙污染物的释放规律,预测拆坝后河道水质时空变化过程,分析流域尺度上生态系统之间的响应关系等对拆坝的评估决策十分重要。

我国水生态系统完整性研究的重大意义、现状、挑战与主要任务

水生态系统完整性研究是当今国际热点,维护水生态系统健康与稳定已成为世界各国水生态系统保护的目标、方向和管理策略.“十三五”以来,我国地表水环境质量改善效果显著,但部分流域或局部水生态退化问题成为突出短板,强调水生态系统整体保护、促进水生态环境质量全面改善、提高生态系统自我修复能力将是未来我国水生态环境保护的重点任务.本文详细剖析了典型流域水生态系统保护现状和需求,阐述了我国开展水生态系统完整性研究的重大意义,系统总结了完整性研究国际进展和应用实践,深入分析了当前我国完整性研究面临的主要挑战,提出了未来发展思路与重点任务.加快研发完整性监测与评价新技术,建立物理、化学和水生生物多要素统筹的完整性评价指标体系,创新发展多尺度完整性评价理论,持续开展典型流域完整性状况评估,摸清水生态家底及演变趋势;突破完整性退化诊断与修复调控新技术,厘清退化机制及驱动因子,阐明气候变化与人类活动复杂压力下退化水生态系统修复路径和调控策略,提升水生态系统保护修复的科学性,加快推动我国水生态环境管理制度迈上新台阶,为恢复和维持重点流域水生态系统原真性和完整性提供科技支撑.

湿地植物生态数值模拟进展及鄱阳湖湿地研究示例

湿地植物群落结构和空间分布格局对湿地生态系统结构和功能起着决定性作用。传统的野外监测和受控实验在研究大尺度湿地植物群落结构和空间分布方面存在局限,在建立“生态过程-空间格局”有机联系并预测动态变化方面存在不足。因此,数学模型成为研究湿地植物种群扩张、空间分布及相互关系的重要工具。通过综述国内外相关研究文献,按照模型对生态机理及空间格局刻画的程度,湿地植物生态模拟的数学模型可分为统计模型、物种分布模型和种群动力学模型三种类型。尽管当前湿地植物模型在理论方法层面取得一定进展,但环境条件模块与植物模块的时空匹配问题,以及湿地植物生活史过程的机理融合问题显著制约了模型的合理性和准确性。最后,以大型通江湖泊湿地-鄱阳湖为例,构建了水动力驱动下的湿地植物生态数值模拟框架,从机理和应用两个层面提出了湿地植物生态数值模拟的发展方向。在机理层面,应基于通江湖泊独特的水文过程,强化生态学机理支撑;在应用层面,应聚焦江湖关系变化下的水文情势,在水动力模型基础上耦合种群动力学方法,刻画植被演替动态及空间格局,并通过野外调查和遥感影响比对验证,以提高模型精度。

基于海绵铁-斜发沸石组合系统的模拟农村黑臭水体脱氮除磷研究

农村水体黑臭污染现象仍不容忽视。研究以海绵铁及斜发沸石为基质,分别按0/1、1/10、1/5及1/1的填充体积配比构建了四组柱反应器(Device-Ⅰ~Device-Ⅳ),考察了各反应器在连续流及潮汐流进水方式下对低C/N模拟农村黑臭水体中氮磷等污染物的脱除表现,并对作用前后的填料进行表征,分析了反应器内微生物的自然生长情况。结果表明,海绵铁可强化系统NO_(3)^(-)-N及TP的去除效果,并在潮汐流下利于COD的去除。潮汐进水方式下,具海绵铁反应器的NO_(3)^(-)-N及TP去除率均可分别超过98%及95%,Device-Ⅱ平均NO_(3)^(-)-N及TP去除率分别可达99.66%及99.36%,COD最高去除率可达93.38%。系统NH_(4)^(+)-N的脱除依赖于斜发沸石的作用,潮汐进水促进了沸石系统的生物再生,可弥补连续流下氧缺乏及微生物作用低下对系统NH4+-N脱除的限制。

植被弯曲形态对水流的阻力效应研究

植被化生态河道的阻力特性是环境水力学的研究热点之一。为探寻柔性植被不同弯曲倾角下的阻力特性,利用圆柱铝棒进行弯曲模拟柔性植被,并采用测力装置,对不同倾角状态下圆柱铝棒及流速范围开展室内水槽试验,首先研究直立圆柱铝棒阻力与流速之间的关系,得到的拖曳力系数Cd符合已有研究,同时验证了测力装置的可靠性;随后开展不同倾角下的植被阻力试验,得到Vogel数随着倾角的减小呈逐渐降低最后突增的趋势。当植被弯曲时,已有的刚性直立植被丛模型不再适用,通过引入与倾角相关参数Cθ对模型进行修正,显著提高了模拟精准度。研究结果可为生态植被化河道水力学精准模拟提供技术支撑。

特殊区域地表水环境背景值表征技术方法研究与应用

选取黑龙江省源头水保护区作为研究对象,根据DEM数据对保护区内随机布设的水质监测点控制单元进行划分并提取单元内的相关指标建立监测点背景特性量化模型,基于量化结果提出地表水环境背景值监测方案,建立背景值数据库.选取研究区自然属性指标与空间属性指标,以空间叠置技术与聚类分析方法对研究区地表水进行背景值分区,最终将黑龙江省分为六大地表水水质背景值地理分区,并计算了各分区地表水环境背景值表征范围.表征范围显示:依据现行标准进行水质评价,保护区内水质背景值已超出II类水质标准限值.因此,基于水质背景值研究成果提出了考虑背景值影响下的水环境质量评价方法,并将方法应用于研究区,结果表明方法切实可行且优于单因子评价法.研究成果可为区域制定背景值影响下的水环境评价方法提供科学的数据支撑与理论依据.

考虑关键物种全生命周期的减脱水河段生态流量研究

针对引水式电站改变河流的水文水力学特性、地形地貌等天然状况,在电站与引水坝之间形成减脱水河段,使河流生态环境遭到破坏的问题,选取长江二级支流后溪河镇泉大坝下游作为研究河段,通过实地调研与资料收集,以当地土著、重点鱼类齐口裂腹鱼作为指示性物种,考虑其全生命周期的生态过程,归纳得到产卵期水深、流速适宜性曲线。在识别研究河段现状地貌单元分布的基础上,考虑水深、流速阈值与底质特征,建立了水深、流速与水力单元的关系,识别了不同流量下索饵场、越冬场面积变化,并结合蒙大拿法,分时期、分阶段确定了减脱水河段的最佳、适宜、最小生态流量。

新时期河流水生态系统修复设计研究

近年来,随着经济的快速发展,河流水生态水环境问题不断累积且日益突出,推进河流水生态系统修复,维持河流健康已成为全社会关注的焦点。围绕新时期治水思路,在前人经验的基础上,搭建了河流水生态系统修复设计STS模型,提出了水生态系统修复螺旋式发展模式,系统阐述了科学、技术、社会三要素在修复过程中的作用以及三者之间存在的关系,并在模型框架下总结了各要素运行的关键程序,以期为新时期河流水生态系统修复提供参考。

基于MIKE21模型的普者黑湖水环境数值模拟研究

普者黑湖是云南石漠化地区喀斯特地貌岩溶湖的典型代表。近年来,受渔场养殖、民俗旅游及农业面源污染等影响,湖泊水质污染问题日益凸显,在流域水文水质监测资料十分匮乏的条件下,水环境数值模拟研究对于预防普者黑湖水质污染具有重要意义。基于污染源调查、水质监测与水文数据资料,构建了MIKE21模型的普者黑湖平面二维水动力与水质模型,模拟分析了普者黑湖湖流形态、环流结构及入湖污染物在湖区内迁移扩散状况,揭示普者黑湖水动力特性及入湖污染物的迁移扩散规律。结果表明:(1)普者黑湖整体上自西北向东南呈单一流向明显,环流较多,上游平均流速为0.3~0.7 cm/s,呈现出条带形河流的特征,中游平均流速为0.4~0.9 cm/s,流速较大,中小型环流较多,下游整体呈现湖泊型特征;(2)受入湖河流水质较差、临湖密集村落及农业灌溉退水的影响,普者黑湖水质整体呈现出上游高—中游高—下游稍低的空间分布格局,雨季污染物浓度明显大于旱季的时间变化规律。

城市黑臭水体治理进展及水利措施研究

水体黑臭是经济社会快速发展和城镇化进程不断快速的产物,且部分城市仍遭遇黑臭水体“治理反复、反复治理”的困境。目前,城市黑臭水体治理大多从生态学、水污染治理等角度来开展,忽视了水利措施的重要作用。系统地梳理城市黑臭水体成因、治理进展及其常见的治理措施,并结合黑臭水体治理中存在的水利技术需求,研究提出城市黑臭水体治理过程中所需的水利措施,包括生态流量保障、河道整治、河湖水系连通、岸坡修复等水利措施与技术,以期为城市黑臭水体治理脱困提供技术参考。

面向污染物通量科学核算的跨界河流生态补偿标准研究

针对当前基于污染物通量的跨界河流生态补偿标准研究中忽略不同来源污染物削减成本的差异性及污染物通量核算不合理等问题,结合现有河流污染物通量估算方法,从污染物通量和污染物削减成本核算两方面对该方法进行改进,根据简化后5种污染物年通量核算方法,选取水质污染严重的弥河流域进行实例验证。结果表明,NH_(3)-N、COD通过加权均值得到的单位削减成本分别为18364、4287元/t,安家林断面上游临朐县因NH_(3)-N超标排放需向下游青州市补偿33万元,而因未超标排放COD得到下游青州市补偿307万元;谭坊断面上游青州市NH_(3)-N和COD均未超标排放而得到下游寿光市的补偿为306万元。核算结果基本能反映区域污染的特点,金额相对合理。研究结果为弥河流域跨界河流环境管理提供技术支持,也为跨界流域污染物生态补偿标准测算的完善提供尝试与探索。

基于DPSR模型的区域水环境承载力评价研究

针对传统PSR模型难以表征水环境承载力评价中存在的驱动力Driving-压力Pressure-状态State-响应Response (DPSR)逻辑关系的问题,采用水资源驱动、水环境压力、水生态状态和土地生态功能响应的DPSR模型构建区域水环境承载力评价指标体系,用以评估北京市朝阳区2019年水环境承载力。结果表明:2019年朝阳区水环境承载力指数达0.64,属于高承载水平。其中,三产水污染强度指数、城市面源污染强度指数和万元GDP耗水量的贡献率高达85.51%,尤其是城镇生活污水排放强度占比46.72%。由此推测出朝阳区的产业结构以第三产业为主,提高用水效率和加强生活污水处理力度,可显著提高水环境承载力指数。这也说明朝阳区水环境承载力评价结果与《朝阳区分区规划(2017年~2035年)》相吻合,可为北京市水污染防治工作提供科学依据。

基于自然解决方案的流域生态修复成效评估研究

针对流域系统治理、可持续发展的理念提出评估流域生态修复实施效果的概念框架,是以生态系统发展阶段特征、微栖息地地貌环境和现行生态保护法规为着眼点,结合河湖健康评价方法,将自然属性、社会投入和生态响应综合考虑,定量评估经济社会活动影响下的水生态系统演变态势。评估过程中,选取敏感水生生物指示物种鱼类对河流生态系统健康进行实时监测,综合运用数据分析、深度学习等手段开展大型脊椎动物特性的量化研究。借助河湖水质综合评价模型,依托适应性管理策略,对生态风险评估的方法和过程进行识别。借助环境可持续性指数以能值三角形为表征方法,对修复后的流域水生态多样性状况进行判定。提出的基于自然解决方案的流域生态修复成效评估方法可对不同治理及修复水平下的流域生态健康状况进行综合评估,为检验河湖生态系统的自然化修复效果提供方法参考。

鄱阳湖湿地典型植被对关键水文要素的响应规律研究

为了揭示鄱阳湖湿地植被对关键水文要素的响应规律,综合运用EFDC水动力学模型和高斯模型,建立了湿地植被分布面积对淹没水深、淹没时长和退水时间的响应关系,明确湿地植被对关键水文要素的生态需求。结果表明:鄱阳湖湿地典型植被对这3种关键水文要素的生态阈值点由小到大依次均表现为:芦苇<苔草<虉草<蓼子草,从而形成了芦苇、苔草、虉草和蓼子草由高到低的空间分布格局;苔草的生态幅宽最大,表明其对生境的适宜范围最广、适应能力最强,从而使得其在鄱阳湖的分布范围最广。

《水利风景区评价规范》风景资源评价适用性分析

为适应新时期水利高质量发展,推动水利风景区高品质建设,对SL 300-2013《水利风景区评价标准》和SL/T 300-2023《水利风景区评价规范》风景资源评价体系进行了深入剖析,厘清其与生态文明建设和水利高质量发展要求的适应关系,明确了新时期水利风景区高质量发展为新要求,阐释了风景资源评价指标体系结构、评价内容和指标体系分值分配的缘由。实例验证结果进一步表明,《水利风景区评价规范》风景资源评价有较好的延续性和适用性,可作为推动水利风景区高质量发展的技术指导。

白洋淀上游河流生态流量确定研究

由于人类活动过度干扰,白洋淀上游河流出现下垫面条件改变、天然水量减少、水体污染等问题,采用环境流量历时转移曲线法,基于不同河段面临的胁迫程度,确定白洋淀上游河流的生态流量,提出生态流量的保障思路。研究表明:综合考虑流域内水功能区划、河流受胁迫程度等情况,将大清河上游河流分为5个胁迫类型区,其中中易水河和南拒马河目前受胁迫程度最大,需要更多生态流量来维持河流基本生态功能。

基于GEE的白洋淀水体生态补水后时空格局变化分析

生态补水是白洋淀生态环境治理的一项重要举措,根据生态补水机制的变化过程,将白洋淀的生态补水过程分为临时补水阶段、应急补水阶段和稳定补水阶段。为进行各生态补水阶段下白洋淀水体的时空格局变化分析,通过GEE对白洋淀在1990-2022年的701幅遥感影像进行水体和冰体提取,分析不同阶段下水体时空变化格局,以及专门分析了冬季结冰期的冰体面积变化。主要得出以下结论:①在各个生态补水阶段,白洋淀水体面积均呈现在夏季最小,冬春季最大的特点,而随着生态补水机制的不断完善,白洋淀水体面积变化幅度逐渐减小,呈现“削峰补低”的变化规律,其中临时补水阶段的逐月平均水体面积介于0.63~186.03 km^(2),稳定补水阶段的逐月平均水体面积介于17.88~109.15 km^(2),变化幅度减小了50.77%;②生态补水机制的完善让白洋淀呈现永久性水体大幅增加,间歇性水体大幅减小的变化规律,其中临时补水阶段永久性水体面积为7.66 km^(2),而稳定补水阶段的永久性水体面积为23.62 km^(2),增加了208.16%,间歇性水体面积则从263.50 km^(2)减少到143.58 km^(2),减小了45.51%;③从冰体面积变化角度分析,随着生态补水机制的不断完善,白洋淀的冰体面积不断减小,其中一月份的平均冰体面积从72.77 km^(2)减小到12.60 km^(2),减小了82.69%。结果表明:生态补水机制的完善并没有导致白洋淀水体面积不断增加,而是使白洋淀的水体环境更加破碎化;在全球变暖以及其他因素的影响下,白洋淀的冰体面积大幅减小;这种趋于破碎化、板块化的水域特征可能不利于生物多样性的保护,但鉴于生态系统对于水文响应具有滞后性,今后需进一步加强生态水文响应过程监测和研究。

明渠水流淹没植被阻力系数计算公式研究

阻力系数是评估明渠水流过流能力的一个重要参数,而对于含植被明渠水流运动,水流结构和流速分布特性较为复杂,传统的明渠水力学公式不再适用。采用经典Darcy-Weisbach方程,通过对含植被河道阻力系数理论分析,识别出影响阻力系数的关键因子为植被淹没度和无量纲化阻力长度,进而基于广泛搜集的水槽试验数据,利用最大差异性算法和遗传算法确定了淹没植被环境下的阻力系数计算公式。结果表明,基于数据驱动求解的阻力系数公式具有相对简洁的形式,预测能力相对于已有公式有较大提升,能应用于含植被河道阻力系数计算中,为植被生态修复后的防洪评价提供技术支撑。

三峡水库支流库湾营养源解析及水体富营养化调控对策研究

支流库湾水体富营养化是三峡水库带来的主要环境问题之一,三峡水库进入常态调度运行后,支流库湾水体富营养化问题日益突出。为厘清易发生水华的支流库湾水体富营养化的驱动力因素,本文以重庆市奉节县梅溪河为典型支流,采用三维水动力与水环境模拟技术解析了支流库湾水动力的驱动机制及营养盐来源及其组成。干-支流水温差导致的密度流是梅溪河支流库湾蓄水期及枯水运行期的主要驱动力,密度流对支流库湾的水动力影响自河口向上游逐渐减弱,干流倒灌输入的N、P营养盐占梅溪河易发生水华的库湾尾部区营养盐收支比重不足20%,而陆域面源输入(>70%)成为梅溪河支流库湾水体富营养演化的主要营养来源。因此,在长江干流水质及干支流水温难以有效调控的条件下,遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水体原位削减-水生态系统修复”的系统治理思路有针对性支流库湾富营养化水体调控对策措施,可为三峡水库水体富营养化程度较重的支流库湾水污染治理及水质目标适应性管理提供参考。