黄河流域水生态环境变化特征分析

黄河是我国重要的生态屏障、西北和华北地区重要的水源地,在气候变化和人类活动双重影响下,精准掌握黄河流域水生态环境状况可为流域生态保护和高质量发展提供技术支撑。选取黄河干流及主要支流无定河、汾河、渭河和伊洛河共121个监测点位的水质、浮游植物、浮游动物、底栖动物4类指标,对黄河流域水生态环境状况进行评估。结论如下:黄河干流水质状况较好,达到Ⅱ类标准,支流无定河、汾河、渭河和伊洛河水质总体达到Ⅲ类标准。综合水质指标法分析结果显示黄河流域不同河段水环境在四季均达到了良好级别,部分河段达到优秀级别。黄河干流及重要支流浮游植物共检出7门60属136种,与20世纪80年代和2008年相比,种类数减少但生物量大幅度增加,近15 a黄河干流及重要支流浮游植物优势群落较为稳定;浮游动物共检出4类75种,以轮虫纲(占比为44.00%)和桡足类(占比为28.00%)为主;底栖动物共检出4类72种,与20世纪80年代和2008年相比,生物量分别降低84.83%和36.97%。黄河干流及主要支流水质、浮游植物、浮游动物和底栖动物状况具有明显的时空异质性,整体上水生态环境状况逐渐改善。

基于黄河流域系统治理的水库多目标调度约束阈值研究

水库是流域水沙调控以及水资源优化配置的重要抓手,黄河流域的水库调度最初以防洪减淤为目标。新形势下,黄河流域面临不断变化的来水来沙条件、库区-河道边界约束、区域社会经济发展和生态环境需求等,黄河流域亟需基于系统治理理念,突出流域系统可持续运行的水库多目标协同调度。本文依据流域系统科学理论和方法,通过资料分析、数据挖掘、关联度识别、回归分析等方法,筛选了黄河流域系统中行洪输沙、社会经济、生态环境各子系统表征指标,阐明了黄河上、中、下游不同河段多维约束因子的演变过程,揭示了黄河干流调控体系主要约束因子的相互作用关系,提出了基于多目标协同的黄河干流水库调度约束因子阈值,为黄河流域水库多目标协同调度提供科技支撑。

黄河流域水沙变化的文献计量分析

随着气候变化和人类活动影响的加剧,我国水沙情形所面临的挑战更加严峻。为研究我国黄河流域水沙变化情形的热点及发展趋势,借助CiteSpace可视化分析方法,对中国知网上1966—2022年间的1 907篇相关文献进行可视化分析,绘制出作者、机构及关键词等图谱,并对其展开分析,结果表明:(1)自2000年开始,水沙变化的研究量逐渐呈上升趋势,形成了较为密切的学术团队,且有着良好的合作关系;(2)中国科学院水利部水土保持研究所、河海大学水文水资源学院和中国科学院大学是该领域发文较多的机构;(3)水文模拟、黄土高原、土壤侵蚀及径流是出现次数较多的关键词,这表明当前的研究侧重于这4个方面;(4)当前的研究热点主要聚焦在黄河流域水沙变化的归因性分析及驱动机制的研究两个方面。

黄河流域强制性用水定额研究与思考

严格用水定额管理,从根本上抑制不合理用水需求,是当前缓解黄河流域水资源短缺问题的首要任务。强制性用水定额管理是《中华人民共和国黄河保护法》确立的一项基本制度,其核心目标是促进节约用水,强化节水监管,推进新阶段黄河流域节水工作高质量发展。在分析黄河流域现行用水定额管理的基础上,探讨了黄河流域强制性用水定额适用的行业范围,分析了相关法律法规要求,提出了开展强制性用水定额管理的建议,以期为黄河流域强制性用水定额管理制度的落实落地提供参考。

黄河源区生态环境系统格局与服务功能演变

基于2017年以来的水质监测数据、1980—2020年土地利用类型数据以及1956—2020年的水文数据,对黄河源区水资源、水环境、水生态和生态系统格局及服务功能等生态环境全要素演变特征进行了分析研究。结果表明:黄河源区1956—2020年唐乃亥站年径流量呈现不显著波动增加趋势,在整个65 a的研究尺度上,源区径流存在2次较大尺度的丰枯交替变化,即枯(1956—1965年)—长丰(1966—1989年)—长枯(1990—2005年)—偏丰(2006—2020年);近10 a黄河源区水质整体呈良好状况,底栖动物多样性总体表现为α多样性低、β多样性高的特征;黄河源区河流演变丰富了底栖动物栖息地类型,提高了底栖动物的丰度、密度和生物量,且黄河源区河流生态系统处于长期变化的动态平衡状态;1980—2020年黄河源区综合土地利用动态变化幅度较小,景观生态格局总体表现为异质性增强,破碎化程度上升,连通度下降;1980—2020年黄河源区生态系统服务功能整体向好,其水源涵养功能、碳储功能、生境质量和洪水调蓄功能均在稳步提升。

黄河流域生态保护和高质量发展的资源要素及其法制保障

黄河流域作为中国的“资源流域”,合理有序地开发矿产资源、土地资源和水力资源,统筹协调资源开发与生态环境保护之间的关系,对推动黄河流域能源与矿产资源保护具有重要意义。本文以黄河流域资源开发利用和黄河流域生态保护高质量发展关系为基础,提出黄河保护法草案中承载力的法规制度保障。厘清黄河流域资源开发现状、存在问题,针对问题和目标,加强顶层设计,进行黄河保护相关法律法规的保障建设。

黄河流域碳排放状况及“双碳”目标实现路径研究

为探究黄河流域碳排放状况及实现“双碳”目标的路径,并为制定黄河流域碳减排策略等提供参考,通过探究1997—2019年黄河流域九省(区)逐年碳排放量的空间分异格局,判定碳排放趋势及碳达峰状态,并对黄河流域碳排放主要驱动因素进行分析。结果表明:1)1997—2019年黄河流域碳排放量多年平均值为23.61亿t,从各省(区)碳排放量看,山东、河南、内蒙古、山西排放量较大(占比合计达72.95%),四川、陕西、甘肃、宁夏、青海排放量相对较小(占比合计为27.05%);2)研究期黄河流域碳排放量经历了无增长、快速增长、缓慢增长3个阶段,2012年以后增长速率降低,但尚未实现碳达峰;3)黄河流域九省(区)碳排放量变化态势在2011年以前类似,在2012年及以后出现分化,甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、山东碳排放量在高位徘徊,四川、河南分别于2013年、2011年碳达峰,青海碳排放量于2016年达到最大值后呈下降态势但仍属未达峰状态;4)黄河流域碳排放的主要碳源是煤炭消耗,其占比达79.93%,除宁夏和山东外其他7个省(区)源于煤炭消耗的碳排放量占比呈现下降趋势,其中四川、青海、河南下降率较高;5)经济发展是黄河流域碳排放的主要驱动力,能源结构改善、能源消费强度降低、能源利用效率提高是黄河流域碳减排的重要途径。黄河流域各省(区)“双碳”目标的实现路径因其自然禀赋、资源状况、经济发展水平及对能源的依赖程度等差别较大而具有差异性。

考虑暴雨径流的生态环境非点源污染负荷定量控制研究——以柴达木盆地东区都兰县为例

提出考虑暴雨径流的生态环境非点源污染负荷定量控制模型。根据污染源的正向指标对非点源污染负荷削减空间进行优化分配,建立污染负荷控制目标模型,采用遗传算法对模型求解,得到最优污染负荷定量控制方案。以柴达木盆地东区都兰县为试验对象,对所提方法的控制性能进行测试。污染负荷控制前和控制后的对比实验结果表明:污染物平均浓度由0.035 mg/L下降至0.012 mg/L,平均削减率65.7%;峰值浓度由0.078 mg/L下降至0.018 mg/L,最大削减率88.2%。研究成果可为柴达木盆地水资源高效利用、水生态保护以及区域水资源规划利用提供理论依据,为区域生态环境治理工程提供数据支撑。

黄河流域河南段农村污水治理现状及建议

农村污水治理是我国农村人居环境改善以及新农村建设的重要内容。基于黄河流域生态保护和高质量发展及乡村振兴的国家战略需求,本文梳理了黄河流域河南段农村水污染及污水治理现状,分析了污水收集管网建设、污水处理设施适用性、农业面源污染以及公众参与等方面存在的问题,探索了适用于本地区的污水处理模式及污水处理技术,提出了相应的建议:完善乡村地区市场融资机制、优选污水处理工艺、加强农业面源污染的防控措施、增大宣传力度和普及水环境保护教育,为流域内农村污水治理提供有效的决策依据。

黄河流域水资源节约集约利用立法研究

黄河流域大部分地区位于干旱半干旱区,为实现黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略要求,必须在经济社会发展中将水资源作为最大的刚性约束,从而确保有限的水资源发挥最大的社会效益。为缓解流域用水紧张的局面,亟须开展水资源节约集约利用立法研究。因此,从国家层面、流域层面和省(区)层面全面系统总结了与水资源节约集约利用相关的制度,并将水资源节约集约利用划分为用水总量控制制度、定额管理制度、经济激励制度、监督考核制度四类,分析了这四类制度在实施过程中存在的问题,并提出界定流域管理机构和当地政府的权利与义务、严格取水许可管理、建立强制性用水定额体系、完善水资源节约集约利用的市场激励机制、完善水资源节约集约利用的监督考评体系等立法建议。

着眼黄河流域整体完善防洪工程体系

在总结黄河流域防洪情势变化、新时代高质量发展战略需求基础上,阐明了黄河流域“行洪输沙—经济社会—生态环境”三大子系统协同发展的前提条件和耦合作用、大中小流域防洪工程体系与水沙调控体系的网络架构与相互关系,提出了系统治理理念驱动下,统筹黄河治理保护、生态安全、乡村振兴等国家战略,完善黄河干流防洪工程体系与中小流域防洪体系格局的建设思路,秉承系统科学理念,强化多学科交叉融合,探讨流域各子系统的互馈耦合关系,从传统的水沙调控向精细化的流域全物质通量统一调控发展。

黄河下游引黄灌区水系连通条件下水环境变化效应模拟

赵口引黄灌区二期工程新建总干渠—运粮河—涡河和东二干渠—陈留分干渠—惠济河输水通道,以提升灌区连通性,形成有效的输配水网络。为分析水系连通条件下灌区水环境变化效应,基于灌区二期工程范围内河、沟、渠基本构架及水文、水生态环境多项指标监测数据,利用MIKE11软件中水动力模块和对流扩散模块,构建灌区水动力-水质耦合模型,模拟灌区水系水量、水质动态变化,解析水系连通工程对灌区退水受纳水体涡河和惠济河水环境的影响。结果表明,水系连通后涡河和惠济河TN、TP、NH+4-N和NO-3-N的浓度降低,水环境容量增大。水系连通工程建设可促进灌区水系水循环,提升水体可再生性,提高灌区退水受纳水体水环境质量。

近20年延河流域生长季产水系数时空变化特征及影响因素

[目的]流域产水系数的变化反映了降雨和下垫面变化的综合影响,研究产水系数的变化特征对流域水资源合理调控具有重要意义。[方法]以延河流域为研究区,采用一元线性回归和Mann-Kendall方法分析生长季产水系数的变化趋势,结合NDVI、降雨量、暴雨日数和无雨日数4种产水系数影响因素进行空间聚类分析,并探究其时空变化特征。[结果]2001-2017年延河流域生长季的产水系数呈现波动增加趋势,但增加趋势不显著,且大部分区域变化幅度相对较小,倾向率介于-0.017~0.031/10 a,延河流域生长季平均产水系数空间上呈北向南、西向东逐渐增大,大部分区域存在不显著的上升趋势,西北部区域产水系数呈不显著的下降趋势,中部部分区域呈现显著的上升趋势。[结论]就变化率而言,产水系数与降雨量、暴雨日数呈正相关,与无雨日数和NDVI呈负相关。就多年平均值而言,平均产水系数与平均降雨量、暴雨日数和NDVI均呈现正相关关系,与无雨日数呈负相关关系。延河流域产水系数时空变化特征及影响因素分析可为干旱半干旱区流域水资源管理和规划提供理论支撑。

极端降雨条件下濮阳市马颊河流域水灾害风险研究

近年来,极端降雨事件频发,给城市健康发展带来阻碍,北方平原城市存在降雨量偏少、地势平坦、河流水动力不足等现象,在面对超标准暴雨事件时,存在较大风险。以北方平原城市濮阳市马颊河流域为研究对象,基于MIKE FLOOD平台构建一维河网-二维地表模型相耦合的大尺度洪涝数值模拟模型,利用实测水文数据,对模型关键参数进行本地化处理,对100 a一遇降雨及极端降雨条件下区域洪涝状况进行了研究。研究结果表明,当河流糙率取值0.031、居民用地糙率取值0.08、有植被覆盖的土地糙率取值0.025、空地糙率取值0.028时,模型模拟精度较高。两种暴雨条件下,清丰县城、濮阳市区、濮阳县城受灾情况较为严重。极端降雨条件下,受灾面积、淹没水深、淹没时长均明显增加,受灾规模呈显著扩大趋势,积水深度超过1 m区域面积最大可达315.5 km^(2),是100 a一遇降雨的6倍。极端降雨条件下,高风险区域面积达100 a一遇降雨的6.26倍,灾害风险严重程度显著上升;遭遇极端降雨时,应提升应急反应速度,加强防御能力,多措并举保障人民生命财产安全。

“7.20”暴雨对黄河干流河南段水文水质影响及应对措施分析

气候变化背景下极端天气事件对人类和自然生态系统造成的影响越来越受到关注。通过对河南2021年“7.20”暴雨后黄河干流河南段水质进行跟踪监测以及对暴雨前后各代表站流量含沙量等水文要素分析,揭示“7.20”暴雨引发的黄河干流水文要素变化状况以及对应污染物输移规律,探究此次暴雨对黄河干流河南段水文以及水质的影响。研究结果表明,各水文站点含沙量变化趋势与流量变化趋势保持一致,呈显著正相关性,均为先上升后下降趋势,同时受降雨汇流状况影响,峰值出现时间有所差别。暴雨给黄河干流河南段水质带来一定不良影响,其中,主要超标污染物为TP与TN。TP可快速恢复至正常水平,TN浓度达到峰值后持续下降,其余指标略有波动,但可较快恢复至暴雨前水准。总体而言,暴雨引发了严重的总氮超标现象,持续时间较TP等指标长,且氮磷具有异源性。但暴雨引发的水质污染是短期、动态可恢复的,入河污染负荷未长时段超出黄河干流环境容量。建议采用LID措施、耕作方式调整、调蓄池、农村坑塘体系、滨水缓冲带、生态沟渠等手段,降低暴雨期氮磷等污染物入河风险,保护黄河健康。

基于IHA-RVA法的人类活动对窟野河流域水文情势影响评估

定量评估人类活动对流域水文情势的影响是维持流域生态平衡的一项重要基础研究工作。基于窟野河径流控制站温家川水文站1954~2016年的日径流数据,采用IHA-RVA法计算了水土保持效应期和煤矿开采影响期流域的水文情势指标变化情况。结果表明,水保措施和煤矿开采均导致窟野河径流的水文情势发生改变,其改变度分别为中度和高度,煤矿开采对流域水文情势的影响更大;受人类活动干扰后,温家川水文站在水土保持效应期有17个水文指标发生了中度改变,煤矿开采影响期有21个指标发生了高度改变,两个时期相比较有13个指标发生了高度改变,分别占指标总数的53.1%、63.6%、39.4%;水保措施涵养水源的作用较明显,煤矿开采的减水效应大于水保措施的减水效应,其中煤矿开采消减洪峰的作用大于水保措施消减洪峰的作用。研究成果对于流域水资源开发与保护有重要意义。

基于DTW算法的窟野河流域水文情势相似度研究

为了明晰不同人类活动对流域水文情势的影响效果,基于窟野河径流控制站温家川水文站1954—2016年的日径流数据,采用动态时间弯曲(Dynamic Time Warping,DTW)算法分析了不同人类活动影响期的水文情势相似度。结果表明:①水土保持措施和煤矿开采均大幅减小了窟野河的径流量,其中煤矿开采的采空区储存水量减水效应大于水土保持措施涵养水源的作用;②人类活动弱干扰时期(第一时期)、水土保持时期(第二时期)和煤矿开采时期(第三时期)两两之间的DTW距离分别为0.13(第一、二时期)、0.19(第一、三时期)和0.17(第二、三时期),说明水土保持措施和煤矿开采对流域水文情势的影响效果较为相似;③煤矿开采对非汛期流量、基流的影响历时、最大流量出现时间、大/小流量出现次数的影响均比水土保持措施明显。

黄河泥沙物化特性与改性利用研究进展

泥沙治理是协调黄河水沙关系的关键,在新时代绿色发展理念的推动下,黄河泥沙的资源属性日益凸显,黄河泥沙治理与资源利用成为研究热点。通过对现有黄河泥沙治理与资源利用相关的文献资料进行分析,归纳总结黄河泥沙物化特性、泥沙对黄河生态安全的影响以及泥沙资源利用途径。结果表明:黄河泥沙主要源自中游多沙粗沙区,不同河段的泥沙物化特性略有不同;碱激发改性是泥沙资源利用的主要技术手段,改性剂类型对泥沙改性材料强度等性能影响较大。结合黄河泥沙治理与资源利用研究进展,提出建立黄河泥沙治理的统一标准、将黄河泥沙与多种废弃材料或工业副产品相结合进行资源利用等建议,以提高黄河泥沙整体利用率。

近50年伊洛河流域径流演变归因分析

流域尺度的径流变化反映了气候和人类活动的综合影响,然而目前伊洛河流域径流演变的量化归因尚不明晰。基于Budyko假设构建解析径流变化归因的模型,量化评估径流对各环境因素变化的敏感性系数,定量揭示各因素对径流变化的贡献。结果表明,1970—2018年间,伊洛河流域径流显著下降(α=0.05),且在1991年发生突变,突变后径流减少了46.43 mm(34.32%)。径流变化对降水、潜在蒸散发和下垫面参数的敏感性系数分别为0.42、−0.18和−78.36,即降水每增加1 mm将导致径流增加0.42 mm,潜在蒸散发量每增加1 mm将导致径流减少0.18 mm,下垫面参数每增加1个单位将导致径流减少78.36 mm。气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为42.60%和56.36%,人类活动引起的下垫面变化是径流变化的主要原因,其中植被变化是下垫面变化的主导因素。研究结果可为流域径流演变归因和水资源管理规划提供理论支撑。

2001-2018年伊洛河流域产水系数演变分析

产水系数演变反映了气候和下垫面变化双重影响下的流域水文循环的响应,对流域水资源高效利用和合理调控有着重要意义。研究以伊洛河流域产水系数为研究对象,采用一元线性回归分析法和Mann-Kendall检验法识别产水系数时序数据的趋势性,结合降水特征、土地利用类型和归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)等数据,基于空间聚类分析法,分析产水系数的时空分布及变化特征。结果表明:2001-2018年间,伊洛河流域产水系数变化幅度较小,倾向率介于-0.05/10 a到0.03/10 a之间;2008-2018年伊洛河洛阳至郑州段的平均产水系数为0.24,小于全国平均值(0.4),最高值出现在洛阳市市区(0.41);产水系数变化趋势主要受降水量影响,不同区域土地利用/覆盖变化会对蒸散发产生不同影响,进而影响产水系数的变化趋势。产水系数的空间分布与降水特征的相关性较大,与土地利用类型和植被覆盖度的相关性次之。其中,产水系数与降水量、暴雨日数和植被覆盖度呈正相关,与无雨日数呈负相关,但与暴雨日数的相关系数较低。本研究结论可为伊洛河流域水资源的调配与利用提供科学依据。