中国北方农牧交错带水资源问题荟萃分析

伴随全球气候变化的不断演变,中国北方农牧交错带暖干化持续加剧,加上区内农业灌溉规模的扩大与城乡建设的持续提速,共同导致湖泊干涸、湿地萎缩、地下水超采等一系列生态问题。通过对中国北方农牧交错带水热条件演变、水资源与水环境状况、土地利用与农业活动强度等方面的研究综述,总结当前该区域比较突出的水资源问题有:1、气候暖干化持续发展并深刻影响生态系统供水的稳定性;2、水资源过度消耗导致生态平衡被打破的危险性增加;3、农业面源污染形成对地下水的重大污染风险;4、土地利用剧烈变化,局部地区植被退化严重,水源涵养功能弱化。同时,综述指出当前该区域现有水资源保护领域需要重点解决的问题有:1、加强机制性、系统性的生态水文过程研究;2、以水资源为限定条件,对山水林田湖草沙进行统筹配置;3、开展生态—经济—社会综合治理,实现生态保育与经济社会的协同发展。

基于GIS的校园雨水资源化潜力分析研究

当今社会雨水资源的开发利用已经成为解决水资源短缺问题的重要途径之一。研究区域性雨水资源化的潜力可为开展雨水收集利用工作奠定理论基础。因此以河北建筑工程学院校园为研究区域,使用GIS技术测量校园4类汇水面面积并赋予属性,应用径流系数法,结合当地的降雨分布规律,预测了校园在丰水年(P=25%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)可收集的雨水量分别为77359.17,65914.42和57296.67 m^(3),大约相当于校园1年用水情况的11%,9.3%,8.1%;并对校园内景观水系调蓄能力进行了核算与评估。研究结果表明雨水资源化潜力可观,可以在提高雨水利用率的基础上展开雨水资源化的相关研究工作。

四川昭觉地区优质偏硅酸地下水的特征、成因及其开发利用建议

【研究目的】近年来,随着生活水平的不断提高,人们对健康饮水的要求也在不断提高,寻找与开发富含H_(2)SiO_(3)等矿物质优质地下水已成为关键。【研究方法】本文以昭觉地区水文地质调查工程、地下水污染调查工程所获取的地下水化学数据为基础,探讨了昭觉地区富H_(2)SiO_(3)地下水的分布特点、元素水文地球化学特征、形成条件及成因。【研究结果】结果显示:(1)全县富H_(2)SiO_(3)(≥25 mg/L)地下水均属于低矿化度偏碱性水,分布在基底岩石为玄武岩的6个片区,H_(2)SiO_(3)含量一般介于25.74~46.04 mg/L,pH含量一般介于7.4~8.58,TDS含量一般介于49.4~333 mg/L;(2)玄武岩地下水存在HCO_(3)-Ca、HCO_(3)-Ca·Mg、HCO_(3)-Ca·Na、HCO_(3)-Ca·Mg·Na、HCO_(3)-Na等5种水化学类型,总体以HCO_(3)-Ca·Mg为主,其次为HCO_(3)-Ca,再次为HCO_(3)-Ca·Na,三者分别占总采样点数的50.00%、25.76%、12.12%;(3)全县富H_(2)SiO_(3)地下水的形成受水岩相互作用、硅酸盐矿物的分布范围及其可溶性、围岩裂隙发育程度、水源涵养及补给条件等四方面因素影响,其中水岩相互作用占据主导作用;(4)在后续开发利用过程中,需进一步揭示影响地下水中H_(2)SiO_(3)分布与迁移的因素。【结论】研究结果可以为昭觉地区矿泉水产业的发展及城乡优质水源地的建设提供依据。

生态修复措施对干旱半干旱地区生态系统服务影响研究——以河北坝上地区为例

为了揭示生态修复措施对干旱半干旱地区生态系统服务的影响,以对生态可持续发展提供决策参考,基于典型的干旱半干旱地区——河北坝上地区2000年、2018年土地利用数据以及4种与生态修复措施对应的情景,结合InVEST模型分析了生态修复措施对该区3个重要的生态系统服务(水源涵养、生境质量、碳储量)的影响。结果显示:(1)2000—2018年坝上地区土地利用变化以草地大量缩减以及林地显著扩张为主(>500 km 2),期间,水源涵养量下降7.03%,碳储量、生境质量分别增长2.82%,1.29%;(2)相比林地缓冲带、植树造林情景,开垦荒地和综合发展情景对上述3个生态系统服务的提高更为显著;(3)水源涵养、碳储量均与生境质量呈较强协同作用(r>0.42),碳储量与水源涵养呈较弱协同作用(r<0.24)。综上分析,生态修复措施能够提高坝上地区生态系统服务的供给,但以造林为主的生态修复方式在干旱半干旱地区仍需谨慎实施。

河北坝上地区雨养裸燕麦田间蒸散规律

依托大型称重式蒸渗仪在2018年和2019年裸燕麦生育期内进行田间蒸散量的测定,利用根区水质模型(RZWQM2)对田间蒸散量变化的动态过程进行了模拟,并分析了不同时间尺度下田间蒸散特征及其环境影响因素。结果表明:RZWQM2模型对裸燕麦生育期内田间蒸散量模拟结果较好,2018年和2019年绝对平均误差(MAE)分别为1.11 mm·d^(-1)和1.19 mm·d^(-1),决定系数(R2)分别为0.71和0.68,一致性指数(d)值均大于0.60;生育期内裸燕麦田间蒸散呈现“单峰型”曲线,在孕穗期日均蒸散峰值分别达到5.02、5.41 mm·d^(-1);各生育期内日均蒸散量为:孕穗期>开花期>成熟期>拔节期>出苗期,变化态势与叶面积指数表现一致;两种不同天气(多云和晴天),雨养裸燕麦田间蒸散均主要集中在6∶00—18∶00,约占日总蒸散的84%,而在18∶00—6∶00蒸散较低且变化相对稳定,约占日总蒸散的16%,雨养裸燕麦的蒸散过程受天气影响较大,晴天田间蒸散约为多云条件下的2倍。

滦河上游流域水质特征及污染源解析

滦河位于京津冀水源涵养功能区的核心区域,精准分析其水质演变特征及污染来源,对于流域水污染防治具有重要意义。通过对滦河上游流域19个监测断面、8个水质指标进行监测,采用对数型幂函数普适指数公式进行富营养化评价,运用主成分分析法结合多元线性回归源解析模型确定污染来源。结果表明:滦河上游流域属于弱碱性水体,大部分水体处于过饱和状态,高锰酸盐指数(CODMn)的数值丰水期变幅相对较大,年际超标率为7%,总氮(TN)浓度整体远大于氨氮(NH+4-N)浓度,且TN年际超标率高达94%,枯水期全样本超标,说明水体氮素污染较为严重。总磷(TP)全年均值为0.09 mg/L,年际超标11%,整体浓度相对较低。滦河上流流域全监测区域处于富营养、中营养以及重富营养等不同程度富营养化,且处于富营养状态区域占比高达78.94%。其中丰水期富营养化程度较为严重,重富营养化均出现于丰水期。根据污染源贡献率解析可知,对水体TN、NH+4-N贡献最大的是农业非点源污染,支流还受到畜禽养殖及生活污水影响,干流TN有一部分潜在污染来源,TP和CODMn主要来自城市面源污染,五日生化需氧量(BOD5)支流主要来自畜禽养殖、生活污水,干流区域来源相对较为复杂只受潜在污染源影响。

中国北方城市草坪蒸散特征及影响因素研究——以河北张家口市某早熟禾草坪为例

中国北方城市不合理的草坪灌溉以及草坪扩张导致的地表水分大量蒸散,不仅加剧了北方干旱区水资源短缺,也严重制约了水资源可持续发展以及节水城市的建设。以中国北方干旱区河北省张家口市典型早熟禾草坪为研究对象,通过蒸渗仪实测和基于气象和土壤水分要素构建的主成分回归模型,明确了月、日、时不同时间尺度上的草坪蒸散规律及关键影响因子。结果表明:(1)草坪蒸散呈现"夏季高、冬季低"的季节性特征,最高/最低出现在6/2月份,平均值为5.27/0.29 mm/d;(2)典型日逐小时草坪蒸散呈现"早晚低、中午高"的单峰型变化,蒸散变化受日照时长和气温影响最大;(3)10 cm和20 cm深度的土壤水分消耗动态与草坪蒸散变化高度同步;(4)蒸散与影响因子建立主成分回归模型拟合程度较好,R^(2)=0.70(p<0.01),与蒸散相关性大的影响因素依次为:光合有效辐射>气温>10 cm土壤含水率>空气湿度>风速>20 cm土壤含水率>30 cm土壤含水率。研究结果解析了城市草坪蒸散耗水规律,对城市节水灌溉提供了科学依据。

RZWQM2模型对河北坝上地区大白菜模拟适用性评价

为明析根区水质模型(RZWQM2)对河北坝上地区蔬菜作物的适用性,以该地区膜下滴灌大白菜为研究对象,建立模型运行的气象、土壤及作物数据库,模拟2018年和2019年大白菜生育期内田间土壤水分动态变化、作物株高变化及最终产量,并通过实测值进行对比分析。结果表明:①经过对该模型参数的校准,得到各土层(20 cm、40 cm及60 cm)土壤水分模拟结果RMSE(均方根误差)值位于1.00%~3.03%之间,d(一致性指数)值位于0.50~0.78之间;②在2018年和2019年,作物株高模拟结果RMSE值分别为0.87 cm和0.90 cm,d值均大于0.85,产量的d值达到了0.99和0.98。校准后的RZWQM2模型在河北坝上地区具有较好的适用性,可为该地区大白菜田间水分高效利用、不同灌溉制度等进一步相关研究奠定基础。

城镇污水处理与资源化的研究

随着城镇化的不断加快,我国城镇水环境状况不容乐观,这不仅给居民用水安全带来威胁,也制约了我国经济的可持续发展。因此,使用合理高效的污水处理方法来提高城镇的水质质量,实现污水的资源化是当前急需解决的问题。本研究探讨城镇污水处理和资源化的现状,讨论城镇污水处理的常用工艺。

乌蒙山区地下水赋存独特性与开发利用模式——以昭觉地区为例

通过地面水文地质调查、水文地质钻探和地下水资源开发利用等综合研究手段,查明研究区地下水类型以基岩裂隙孔隙水为主,碳酸盐岩岩溶水和第四系松散岩类孔隙水为辅,总结出不同类型地下水的赋存特征;从断裂、皱褶和裂隙发育特征阐明地质构造对研究区地下水运移、存储、富集和排泄的影响规律,断裂破碎带通常具有阻水作用,而在断裂一侧或两侧某一段的影响带内往往充水,沿断裂带发育方向易形成地下水排泄带,次级断裂是控制研究区内深部热水活动通道的主要构造;向斜构造使得浅层裂隙水和下部层间水得以富集,形成向斜储水盆地;近东西向张性和"X"节理裂隙有利于地下水的富集。根据研究区内主要地形地貌和含水层特点,将研究区划分为山间盆地、丘陵山区和岩溶山区3种主要类型区,通过对各类型区地下水赋存特征及规律分析总结,结合开发利用可行性,归纳出3种地下水开发利用模式:山间盆地蓄水构造钻井抽水模式、丘陵山区表层泉水池调蓄模式和岩溶山区溶洼成库和地下河堵洞成库地表-地下联合模式。研究成果为提高乌蒙山区地下水开发利用效率,解决该地区用水困难提供科学依据。

河北平原农业灌溉以电折水系数影响因素研究

“以电折水”是一种农业灌溉用水的间接计量方法,通过建立灌溉耗电量与取水量之间的定量关系,实现利用灌溉耗电量数据间接求算灌溉用水量。以电折水系数是灌溉取水量与耗电量的比值,其准确性是影响该方法进行灌溉用水间接计量的主要因素。本研究基于县域农业灌溉以电折水系数与地下水位监测结果,分析了河北平原区以电折水系数的区域特征以及地下水埋深对以电折水系数的影响;选择位于山前平原区的中国科学院栾城农业生态系统试验站为典型地点,开展了机井用电量和抽水量关系的灌溉试验研究,分析了灌溉时长、灌溉方式和季节等要素对以电折水系数取值的影响规律。本研究发现:1)同等地下水埋深条件下,山前平原区以电折水系数高于中东部平原区,且随着地下水位埋深增加,以电折水系数降低。地下水埋深每增加10 m,山前平原区深层井以电折水系数降低0.42 m^(3)∙kWh^(−1),中东部平原区深层井降低0.15 m^(3)∙kWh^(−1)。2)灌溉试验结果表明,机井的灌溉耗电量与取水量关系较为稳定,同一机井不同次灌溉之间的以电折水系数波动幅度为5.7%;受地下水水位季节性变化的影响,3月上旬到6月中旬的灌溉季内以电折水系数季节性变化幅度约为±10%;管灌、喷灌等不同灌溉方式对实际以电折水系数具有显著影响,管灌比喷灌的以电折水系数高28.8%。3)目前的河北平原县域以电折水系数测算结果尚不能满足农户灌溉用水计量和水权、水资源税核定的需求,应考虑地下水季节性变化、灌溉技术类型差异和非灌溉用电的影响,进一步提高以电折水方法的计量精度。

绿色低碳生态校园发展思路与重点建设领域研究

以河北省某新建校区为研究对象,针对重点建设领域开展了案例研究,结果表明:在深入调查校园设施现状、水文资源、气候、地区发展现状等基础上,因地制宜,确定从中水生态循环利用、雨水收集利用、可再生能源等重点建设领域探索具有典型地区代表性的城市绿色低碳生态校园建设模式,为助力首都“两区”建设提供借鉴与帮助。

基于土地利用的北方农牧交错带生境质量研究

明析生态脆弱区生境变化及其驱动因素,对区域内生态建设和可持续发展具有切实意义。以中国北方农牧交错带为研究对象,基于该区2000年、2010年、2018年土地利用数据,通过土地动态度、转移矩阵等指标并结合InVEST模型分析了研究区退耕还林还草以来土地利用演变特征及其视角下的生境质量变化。结果表明:(1) 2000—2018年中国北方农牧交错带土地利用类型以草地、耕地、林地为主,面积合计逾43万km^(2),占比超过90%;区内林地、建设用地显著扩张,草地与耕地有明显减少趋势。(2)"高"与"较高"等级的生境质量区域占据研究区48%,"较低"和"较高"等级的生境质量区域面积最大,多年来两者占比均保持在32%~35%。(3) 2000—2018年,中国北方农牧交错带的退耕还林还草区域生境质量进化区域面积超过7 000 km^(2),退化区域未超过1 200 km^(2)。近20年来北方农牧交错带整体生境质量偏高,整体呈现"南高北低"的分布,退耕还林还草政策是促使该区生境质量转好的主要原因之一。

南洞地下河流域水质分析及灌溉适用性评价

为查明云南南洞地下河流域水质特征和农业灌溉适用性,分别在雨季和旱季共采集32组地表河水样和24组地下河水样,进行12种常规指标和9种金属元素检测。利用内梅罗综合指数法进行水质评价,利用钠含量法(SC)、钠吸附比法(SAR)、残余碳酸钠法(RSC)和渗透指数法(PI)揭示雨季和旱季水体的农业灌溉适用性。结果显示,区内水体主要呈弱碱性,Ca^(2+)和HCO_(3)^(-)为主导型离子。地表河水,常规指标仅NH4+含量超过我国相关水质标准限值,金属元素Al、Pb、Mn和As含量超标,旱季超标率总体高于雨季。地下河水的金属元素Al、Pb、Zn、Cr、Mn和As含量超标,雨季超标率总体高于旱季。工矿业活动排放和裸露型岩溶水文地质是导致水体金属元素含量超标的重要原因。据水质评价结果,区内水质整体较好,旱季和雨季水质处于良好及以上级别分别占比89.29%和85.71%。灌溉适用性评价结果显示,区内水体灌溉适用性整体较好,仅在旱季地表河水As含量(54.70μg·L^(-1))高于农田灌溉水质标准中蔬菜和水作标准限值,不适合周边蔬菜和稻田的灌溉。

滦河支流水质评价及农业面源污染来源的相关性

为深入了解并改善承德地表水水质现状,实现研究区域内生态可持续发展。现采用加拿大水质指数(CCMEWQI)评价法、主成分分析法,进行水污染源探讨和主要农业面源污染指标的相关性分析。研究对象为区域内四条主要支流,河流水质检测结果显示:TN浓度超标2.25~12.80倍,部分断面存在粪大肠菌群、TP、COD浓度超出地表水Ⅲ类标准的情况;柳河上、下游断面CCMEWQI水质评价结果基本稳定在80.74~89.00,武烈河及伊逊河近年来源头污染问题加重,单因子评价水质类别基本符合水功能区目标水质;初步认定污染主要来源于生活污水或农田耕作、降雨径流、浮游生物的生长繁殖、石油泄漏;瀑河主要农业面源污染物浓度与水质评价结果呈显著负相关关系。瀑河农业化肥施用量和畜禽粪尿的减少对水质评价结果存在正向影响;但城镇污水仍然是伊逊河、武烈河、柳河、瀑河主要的污染贡献来源。近年来承德主要支流水质有所改善,但水质污染问题依旧存在,且各支流在地理条件和土地利用的影响下存在不同的污染现状。因此应积极推动各支流专项治理工作,搭建城市地下市政管道系统,改革现代化污水处理技术厂区,加强工业企业生产的监督管理;精耕细作,科学限制农业化肥投加比例,规范畜禽养殖模式,推进承德地区社会主义现代化生态文明建设的历史进程。

河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布与累积特征

[目的]探索干旱半干旱区土壤水盐氮的分布规律,为防治地下水面源污染和实现水土资源可持续利用提供依据。[方法]选取河北坝上地区4种典型的土地利用类型(林、田、湖、草),分析土壤水分、盐分以及硝态氮的变化特征,阐明不同土地利用类型土壤剖面的水盐氮分布规律。[结果]①不同土地利用方式中,安固里淖干涸湖底的土壤水盐含量最高,平均含水率达60.18%,且土壤水盐分布均表现出中等变异性,含水率变异程度更大。②林地、旱作农田和安固里淖干涸湖底0—220 cm土壤水盐分布规律基本一致,分别呈振荡型、均匀型和底聚型,而草地的水盐分布存在差异。③盐分离子在4种土地利用类型间均具有显著差异(p<0.05),其构成以SO_(4)^(2-)为主,K^(+),Mg^(2+)和Ca^(2+)普遍缺乏。④安固里淖干涸湖底土壤剖面平均硝态氮含量高达134.18 mg/kg,在林地和旱作农田分布呈表聚型,在安固里淖干涸湖底呈中间少、上下多的特征。草地硝态氮上层土壤累积明显。⑤林田湖草土壤硝态氮均与K^(+)存在显著或极显著正相关,K^(+)是控制区域硝态氮变化的主要因子。[结论]河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布具有明显的差异性,安固里淖干涸湖底土壤水盐氮含量显著高于其他3种土地利用类型,对地下水造成严重的潜在污染。

生活垃圾渗滤液零排放工艺研究 ——以山西和天津渗滤液处理工程为例

以山西某垃圾焚烧厂垃圾渗滤液处理工程与天津某垃圾填埋场渗滤液处理工程为例,详细说明了以“生化处理+膜分离”为核心的处理工艺和以“MVR蒸发”为主的渗滤液近零排放处理工艺的设计要点和主要参数,为渗滤液近零排放处理工程工艺选择和设计提供参考。

广西会仙岩溶湿地水体主要离子和溶解无机碳来源及控制因素

【研究目的】为查明会仙岩溶湿地水体主要离子和溶解无机碳(DIC)的来源及控制因素。【研究方法】于会仙岩溶湿地采集地下水和地表水样品,分析了水化学和溶解无机碳同位素(δ^(13)CDIC)参数特征。【研究结果】会仙岩溶湿地大部分的地下水和地表水水化学类型为Ca−HCO_(3)。湿地水体Ca^(2+)、Mg^(2+)与HCO_(3)^(−)主要来源于碳酸盐岩溶蚀;NO_(3)^(−)主要来源为农业化肥和土壤有机氮的硝化;K^(+)、Na^(+)和Cl^(−)主要来源为化肥、粪肥和污水等;SO_(4)^(2−)主要来源为酸雨和硫铁矿的氧化。湿地地下水中DIC主要来源于土壤CO_(2)和碳酸盐岩矿物的溶解,据同位素质量平衡,计算结果显示约46%来自于土壤CO_(2),约54%来源于矿物本身的贡献。会仙岩溶湿地不完全是CO_(2)参与下碳酸盐岩风化的结果,含硫矿物、酸雨和人类活动来源的H_(2)SO_(4)作为侵蚀介质也参与碳酸盐岩的风化,此外,农业输入还原态氮肥的硝化作用不容忽视。湿地地表水中DIC主要来源于地下水,湿地地表水中δ^(13)CDIC值受水生植物的光合作用和CO_(2)脱气的影响,组成较地下水相对富集偏正。【结论】水化学和δ^(13)CDIC可以帮助理解岩溶湿地的风化和生物地球化学过程,同时还应结合湿地水文地质和人为活动等条件才能提供更准确的信息。

进水底物对好氧颗粒污泥特性及微生物群落的影响

为了研究进水底物对好氧颗粒污泥(AGS)特性的影响,通过接种絮状污泥于序批式反应器(SBR)中以生活污水和模拟生活污水作为进水底物,对AGS形成过程中的污泥特性和微生物群落展开研究。研究表明:以模拟生活污水为进水底物,发现颗粒污泥内部以丝状菌为框架,通过对污泥的截留逐渐形成AGS,污泥沉降性能良好。随着AGS的形成胞外聚合物(EPS)组分中蛋白质(PN)含量增加显著,PN/PS由1.77上升至5.80,促进了AGS的形成和稳定性,且EPS含量与Zeta电位、污泥沉降指数呈负相关。连续投加Fe(OH)_(3)胶体抑制了NOB菌的活性,导致生活污水阶段污染物的去除效果较差;AGS形成后污染物的去除效果明显上升,特别是氮、磷污染物。生活污水阶段Candidatus_Microthrix菌属引起了系统内丝状菌膨胀,同时微生物群落丰富度、多样性逐渐降低。模拟生活污水阶段具有疏水性和分泌EPS功能的菌属丰度占比持续上升,例如:unclassified_o__Saccharimonadale(33.%→22.0%)、Zoogloea(3.0%→6.0%)、unclassified_f__Sphingomonadaceae(0.87%→3.1%)菌属等;促进了污泥颗粒化;同时随着污泥颗粒化程度提高,具有反硝化和除磷功能的菌属丰度占比持续上升,保证了AGS系统高效的脱氮除磷性能。

铁碳微电解填料对人工湿地反硝化作用的影响

为探究铁碳微电解原理对人工湿地系统中反硝化作用的影响,利用液相还原法制得活性炭表面负载零价铁(Fe~0)材料,以填料不同投加配比,搭建垂直流人工湿地模拟小试装置,分别有1号纯砾石、2号砾石+3%铁碳、3号砾石+8%铁碳,观察每日进出水水质情况。结果表明:投加初期,2号与3号装置对硝态氮的去除效果显著,几乎可实现全部转化;填料表面Fe元素会伴随水流有一定损耗,且投加量越大损耗越高;两装置分别在18d和21d后出水水质达到稳定状态,硝态氮浓度稳定在11mg/L和13mg/L,略低于空白装置。