青海省生态修复关键区识别及修复分区划分

[目的]基于“整体保护、系统修复、综合治理”的治理思路识别生态修复优先空间抑制生态退化,是区域社会—经济协调发展、筑牢生态安全屏障和推进生态文明建设的重要举措。[方法]以青海省为研究区,通过土地利用强度、土地利用重心迁移反映城市化进程,定量评估2005—2020年7项生态系统服务、生态敏感性和生境退化度,提出基于“生态系统服务簇—生态敏感性-生境退化度”识别生态修复优先空间,将内部缺陷和外界胁迫相结合,划定5类生态修复优先区并提出相应修复策略。[结果]青海省2005—2020年产水深度分别为125.1,106.9,80.0,135.4 mm,水源涵养深度稳定在15 mm左右。粮食产量由1.42 t/hm^(2)提升至2.02 t/hm^(2),防风固沙能力由2.42 t/hm^(2)提升至4.59 t/hm^(2),土壤保持能力由85.90 t/hm^(2)下降至65.30 t/hm^(2);青海省生态系统服务簇可划分为生态宜居和谐簇、水土耦合协调簇、生态源地保育簇、自然生态修复簇、防风固沙功能簇5类。基于双变量自相关识别生态恢复优先点结果可知,青海省主要关键生态恢复点和自然生态恢复点面积分别占5.26%和2.55%,其中关键生态恢复点和生态宜居簇增加区域在空间上分布基本吻合。[结论]青海省生态修复优先区集中在生态环境脆弱的西北荒漠地区、高海拔山区、水源地和河流沿岸及人类活动较频繁的河湟谷地和天峻县、兴海-玛多—曲麻莱县一带。

基于AHP-熵值法组合赋权的甘肃省城市生态用水安全综合评价及影响因素分析

[目的]综合评价甘肃省城市生态用水安全的关键影响因素,为协调地区生态、生产和生活的关系提供借鉴。[方法]基于社会、经济、生态以及水资源开发利用,构建生态用水评价体系;综合层次分析法和熵值法得出权重,进行生态用水安全水平划分,并辨析生态用水安全主要影响因素。[结果]①2020年嘉峪关、兰州和甘肃省整体生态用水安全指数值大于0.5,处于基本安全水平,其他12座城市均处于较不安全水平。②2011—2020年核心区的生态用水安全水平较低,主要受生态效益子系统影响。③绿化覆盖面积、生态环境用水比例、人均公园绿地面积和城市化水平是影响生态用水安全水平的主要障碍因子,其贡献度在45%以上。[结论]甘肃省各市区生态用水安全不容乐观,需提高生态效益来改善甘肃省各市区生态用水安全。

西北“水三线”生态经济体系与调控模式研究

在黄河流域生态保护和高质量发展以及新时代推进西部大开发形成新格局的战略背景下,地跨黄河流域和内流河流域的西北“水三线”,如何顺应生态本底、资源禀赋和经济社会发展水平,落实2个重大战略,因地制宜构建区域特色的生态经济体系框架及协调发展模式,是当前亟待解决的重大问题。基于已有的生态经济理论成果,遵循“绿水青山就是金山银山”发展理念和“人与自然和谐共生”的系统理念,构建西北“水三线”生态经济体系概念框架,识别体系子系统之间的相互作用关系与作用路径,基于核心理论和基础评价,提出适应西北“水三线”生态经济系的四大发展模式和四大生态经济枢纽区建设,进行生态农业建设布局与农业发展模式总结,明确生态经济枢纽区的城乡统筹发展基本路径。研究认为西北“水三线”生态经济体系概念框架可为建设西北内陆型生态经济枢纽区及其核心模式、实现区域生态-经济协调发展提供关键理论支撑。

基于RF-GWO的水利工程地质渗透系数智能反演分析

地质渗透系数是准确分析水利工程渗流的关键参数。针对传统反演方法计算效率低、精度差的问题,采用有限元正演模型和正交试验设计构建渗透系数反演样本集,建立了基于随机森林(RF)算法的渗流计算代理模型;在此基础上,引入灰狼优化(GWO)算法,提出了基于RF-GWO的渗透系数智能反演方法,并以Z抽水蓄能电站为研究案例进行了验证。结果表明:RF模型对各钻孔水位预测结果均接近实测值,性能优于CART和BP模型;GWO可搜寻到地质最佳渗透系数,钻孔水位反演结果合理,相对误差最大为0.42%,精度满足工程要求,计算的天然渗流场分布形态也符合一般山体渗流场分布规律。建立的反演模型能够快速准确地推断工程区地层渗透系数,具有实际工程应用价值。

基于多种水文学方法的秦岭北麓典型河流生态流量分析

为科学确定秦岭北麓典型河流沣河的生态流量,保障生态环境安全,合理开发秦岭北麓水资源,基于沣河秦渡镇水文站1953~2013年连续实测月径流资料,使用Tennant法、90%保证法、最枯月平均流量法、Tessman法、年内展布法、Texas法、典型水文频率年法及NGPRP法8种水文学方法计算沣河生态流量值。通过分析对比结果表明,Texas法在满足程度、水文节律方面表现较好,最终推荐Texas法作为沣河的生态流量计算方法,并给出生态流量推荐值。研究结果可为秦岭地区水资源的开发利用提供科学依据,对区域河流生态系统健康也具有重要意义。

“23·7”京津冀地区暴雨洪水与土壤侵蚀调查——以河北省邢台市临城县为例

[目的]开展“23·7”(20230729—0801)京津冀地区暴雨洪水过程及水土保持调查工作,分析小流域的暴雨洪水过程以及暴雨所造成的土壤侵蚀状况,为水土保持决策提供科学支撑。[方法]采用野外调查的方法对河北省临城县皇迷东沟和梁家庄西沟开展洪痕测量调查并计算洪峰流量模数,分析暴雨洪水对小流域造成的侵蚀危害。[结果]①该次降雨持续时间长、雨强大。梁家庄西沟和皇迷东沟流域累计雨量分别达到1008.5和613.6 mm。②按洪痕法调查推算了洪峰流量,皇迷东沟、梁家庄西沟小流域洪峰流量模数为10.80和36.07 m^(3)/(s·km^(2))。坡度和水土保持措施是影响洪峰流量的主要因素。较大的坡度会使洪峰流量变大,而完善的水土保持措施可以起到有效的削峰作用。③调查小流域位于泜河流域上游,是该次暴雨中心和洪水的主要产流区,小流域洪峰流量模数大于下游水文站洪峰流量模数。④梁家庄西沟的侵蚀情况比皇迷东沟严重,主要原因是皇迷东沟的果园、梯田和谷坊的面积比例大于梁家庄西沟,皇迷东沟的平均坡度小于梁家庄西沟且梁家庄雨量站的降雨量峰值持续时间更长。[结论]良好的水土保持措施可以有效减少洪峰流量以及侵蚀现象的发生。实施水土保持措施是必要且有效的。应该进一步完善梯田、台地谷坊的建设。

西北地区多视角联动的生态经济发展新模式探析

在百年未有之大变局下,我国西北地区正处于全球生态安全与经济协同发展的关键战略地位,其在全国、全球地理空间格局下均位居不可替代的枢纽位置。水资源是西北地区生态经济可持续发展的生命线,依托合理的水资源跨区域配置调控,可以为西北地区注入新的动力与活力。在此基础上,充分结合国内外已有的生态经济发展实践经验,在调水改土与城乡统筹、占补平衡与飞地经济、碳中和与生态补偿、水利经济与现代经济等不同视角下,探明多模式协同联动的内在机制与运转链条,构建适用于我国西北地区生态经济协同发展的新模式,有助于推动西北地区高质量、可持续发展。

基于River 2D模型的黄河花园口河段生态流量研究

针对目前生态流量研究方法难以充分考虑鱼类栖息地等生境因素的问题,以黄河花园口鲤鱼核心保护区为研究区域,选取黄河鲤鱼为研究物种,基于耦合水动力学模型和栖息地模型的River 2D模型确定黄河鲤鱼的生态流量,将水深和流速作为鱼类生存保护的限定性因子,采用栖息地模型模拟不同流量下对应的黄河鲤鱼的适宜栖息地面积。计算结果表明:花园口河段鲤鱼产卵期的最小生态流量为230 m^(3)/s,生长期的最小生态流量为430 m^(3)/s,越冬期的最小生态流量为150 m^(3)/s。计算结果可以为花园口核心鱼类保护区的鱼类保护以及黄河小浪底水库的生态调度提供参考。

生态建设对黄土高原丘陵沟壑区流域坡沟系统植被覆盖和侵蚀的影响

生态建设显著改变了黄土高原的下垫面状况和水动力格局,深刻影响了坡沟系统的侵蚀和泥沙来源。以黄土高原丘陵沟壑区高西沟流域为研究对象,基于Landsat TM和Landsat OLI影像,利用遥感解译和地理信息系统方法,分析了高西沟流域沟间地、沟谷地的NDVI和土地利用时空变化特征,并在此基础上研究了流域沟间地和沟谷地土壤侵蚀量的变化。结果表明:2000—2018年沟间地和沟谷地NDVI均有所增加,低等级NDVI(<0.2)面积减少,较低等级NDVI(0.2~0.4)和中等级NDVI(0.4~0.6)面积增加;沟间地和沟谷地林草地面积均有所增加,流域土地利用结构变化主要为耕地向林草地转化;沟间地平均植被覆盖度由57%增加至71%,沟谷地平均植被覆盖度由60%增加至71%;流域土壤侵蚀面积由3.81 km^(2)下降到1.77 km^(2),减少了38%,年土壤侵蚀量由3.64×10^(4)t下降至1.39×10^(4)t,降低了62%;沟间地年土壤侵蚀量减少了68%,沟谷地年土壤侵蚀量减少了47%。

窟野河流域生态系统服务功能变化及其驱动因素分析

[目的]窟野河流域地处黄河流域重要补给段,是黄河中上游侵蚀最强烈的地区之一,其生态环境不仅影响自身的发展,还影响黄河下游的区域生态发展。[方法]为了对窟野河流域生态系统服务功能有更加全面的认识与理解,运行InVEST模型定量评估1990-2020年生态服务功能(碳储量、土壤保持、水源涵养、生境质量),并采用地理探测器分析其驱动因素。[结果](1)在土地管理政策的驱动下,建设用地的面积显著增加,未利用地的面积明显减少,主要土地类型以草地为主,植被覆盖度呈波动上升的趋势。(2)窟野河流域生态服务功能均表现出在2000年左右下降,2010年后波动升高,生境质量指数基本稳定在0.22~0.24,整体生境质量较差。(3)土壤保持和生境质量指数在流域内以低-低聚集的冷点分布为主,碳储量和水源涵养量冷点和热点的空间分布较为分散,高值和低值在空间上呈现交错分布。(4)近30年碳储量、生境质量主要受土地利用影响,土壤保持和水源涵养主要受地形、土壤类型和降水影响。[结论]研究结果可为窟野河流域生态服务综合效益的提升和水土保持措施的配置提供科学的依据。

线性生产建设项目生态效益动态评价及其指标权重分析——以西安—商洛高速为例

高速公路的网络化、规模化发展,导致严重的水土流失,同时高速公路的水土流失防治投入也十分巨大,科学评价高速公路等线性生产建设项目水土保持的生态效益可以为生产建设类项目水土保持评价提供科学依据。笔者以国家高速公路G40西安—商洛段为例,运用主成分分析法、层次分析法和极优模型计算相关指标的权重和隶属度值,以此为基础计算典型线型建设项目在施工前期、植被恢复期和建成使用期不同功能生态效益指数,分析线性生产建设项目水土保持的生态效益。结果显示:在施工前期径流模数综合得分最高;在植被恢复期土壤侵蚀模数综合得分最高;在建成使用期排水量与外排水含沙量综合得分最高。在施工前期,中低地区(秦岭以北)和阶地区(秦岭以南)的生态效益指数值分别为0.455和0.487,属于中等分类,说明该地区生态系统趋于稳定。在植被恢复期,比较各分区的值,发现秦岭以南都略小于秦岭以北,说明秦岭以北生态系统较为脆弱。在建成使用期,线性生产建设项目在不同区段的破坏程度不同,采取相应的水土保持措施后生态效益指数也是不同程度的增长,以秦岭以北主线工程区为例,生态效益指数由生产前期的0.455提高到建成使用期的0.578,这说明在采取水土保持措施之后,取得了一定的生态效益。在各个时期,主线工程区比其他区的生态效益指数值基本上都大,说明主线工程区的防治效果明显好于其他区。

西北旱区水文水资源科技进展与发展趋势

西北旱区水资源短缺,生态环境脆弱,严重制约了社会经济可持续发展和生态环境良性循环。尤其是在变化环境下,全球气候变暖加快了冰川融化速率,西北旱区的水文要素和水资源都发生了剧烈变化。因此,综述西北旱区水文水资源科技进展与发展趋势具有重要的意义。本文在大量查阅国内外水文和水资源科技研究文献的基础上,简述了西北旱区水文水资源特点和存在问题,对水文水资源科技进展进行了较系统总结;同时,指出了旱区水文水资源科技的发展趋势,可为进一步研究旱区水文水资源关键学科问题和关键技术提供有益参考。

基于高效高精度栖息地模型的生态流量研究

为实现水电开发和生态保护的和谐发展,科学、定量、高效地分析水电站运行对河流生态的影响,已成为当前水利科学研究的热点。本文将基于Godunov格式有限体积法求解的水动力模型与栖息地适宜模型相耦合,并引入GPU加速技术,建立高效高精度栖息地适宜模型。以野狐峡下游为研究河段,花斑裸鲤为目标鱼类,对不同流量下河段产卵生境进行模拟,以确定电站建成后适宜目标鱼类产卵的生态流量。结果表明:流量在87.5~139m^(3)/s和338~562.5 m^(3)/s时,适宜花斑裸鲤繁殖的有效栖息地面积占其最大值的90.0%以上。为保障产卵栖息地状态良好,建议生态流量在499.2 m^(3)/s附近。该成果对保护黄河上游土著鱼类栖息地具有重要的生态意义,也可为评价水利工程对水生生物的影响提供科学支持。

西安市城市化对景观格局及生态系统服务价值的影响

我国处于城市化高度发展阶段,截止2018年全国城市化率达到59.58%。城市的快速扩张,显著改变了区域景观格局,深刻影响城市生态系统的供给、调节、文化、支持等服务功能。近30年来,西安市城市用地扩张554.23 km^(2),基于西安市景观格局变化分析,利用同心缓冲区探讨城乡梯度内景观指数与生态系统服务价值的特征及其相互关系,揭示城市发展对城市生态系统的影响。结果表明,1980—2015年西安市各景观类型面积发生明显变化,耕地、草地面积逐渐减少,建设用地面积波动增加,主要来源于优势景观耕地的转化。景观破碎度最高的区域主要分布在距市中心10 km左右的城乡结合部,斑块密度、边缘密度、景观分割度最高,且随城市扩张,拐点距离逐渐增加。林地和耕地是提供生态系统服务的主要土地类型,西安地区总生态服务价值减少了9.56亿元,耕地减少最多(6.83亿元),沿城乡梯度,总生态系统服务价值均值呈现从市中心到农村递增的趋势,土壤保持的生态服务价值增长最快;沿时间梯度上,生态服务价值均值呈现逐年减少现象;从景观格局对生态服务价值影响分析得知,多样性指数与各类型生态系统服务价值之间存在显著的相关关系,最大斑块指数与不同类型的服务价值呈高度负相关。城市建设使得区域的生态系统服务价值降低,在城市发展中需要科学规划用地、合理布设景观格局,提高生态环境质量,达到城市生态宜居的目的。

气候变化及生态建设措施对宁夏典型入黄流域径流变化影响

为分析气候变化及植被和淤地坝等生态建设措施对径流变化的影响,选取宁夏典型入黄流域清水河和苦水河为研究对象,采用Pettitt突变方法分析研究流域气象水文和生态建设措施等要素的变异点,基于Budyko理论,通过建立水热耦合控制参数与生态建设措施的多元线性回归方程,构建耦合生态建设措施下的降水—径流模型,并对模型进行适用性评估,采用弹性系数法,量化不同生态建设措施对径流变化的贡献率。结果表明:研究流域径流均呈减小趋势,且年径流突变均发生在2000年;水热耦合控制参数与NDVI和淤地坝指数呈显著的正相关关系,引入NDVI和淤地坝指数构建的降水—径流模型模拟值接近实测值;清水河流域生态建设措施实施对径流减少的贡献率高达78.25%,其中,植被和淤地坝对径流减少贡献率分别为23.11%,46.50%,生态建设措施对径流的影响远大于气候变化对径流产生的影响。苦水河流域降水对径流减少贡献率可达47.30%,生态建设措施对苦水河径流减少贡献率为59.57%,植被和淤地坝贡献率分别为18.57%,13.96%,其他生态建设措施对径流减少贡献率为27.04%。生态建设是引起宁夏入黄流域径流变化的主要驱动因素。研究结果可为宁夏生态建设优化布局提供理论支撑。

西北现代生态灌区建设理论与技术保障体系构建

灌区是我国粮食安全和现代农业发展的基础保障,同时也是区域经济发展和生态环境保护的重要基石。然而西北地区独特的气候、地貌及社会经济状况导致了灌区生产能力和生态服务功能难以满足现代生态农业发展的需求。通过系统分析西北灌溉农业发展中面临的水资源过度开发、土壤盐碱化严重、生态环境功能低下等方面的问题,阐述了西北现代生态灌区的内涵与特征,并基于农业生产“功能水分”来源,将西北灌区划分成了灌溉依赖型灌区、灌溉主导型灌区、灌溉补充型灌区和灌溉提质型灌区4类。以灌区农业生产系统、物能输配系统、生态环境系统为建设对象,提出了灌区生态服务功能优化配置、灌区农田物能调控和灌区生态系统安全评估三大核心理论,构建了灌区系统控污与景观价值提升技术、灌排系统管控技术、作物生境要素综合调控技术三大关键技术,从而形成了西北现代生态灌区理论与技术保障体系,为我国西北灌溉农业高质量可持续发展提供理论与技术指导。

基于系统动力学的西安市复合生态系统情景分析

为提高城市发展中水土资源的可持续利用,以西安市为例,基于系统动力学方法(SD)和复合生态系统理论,构建了"社会-经济-水资源-土地资源-生态环境"的城市复合生态系统模型,通过设置经济优先、环境保护和协调发展3种情景,分析对比了不同情景下2004-2025年西安市复合生态系统的变化趋势,并对协调发展方案下的水土资源利用、经济社会发展以及生态环境状况进行了仿真分析。结果表明:协调发展型方案是西安市水土资源利用的最优方案; 2017年以后,西安市还将长期面临缺水且供水缺口较大,需要区外调水、新建水源工程才能满足市区用水需求;西安市建设用地面积将逐年增加,2025年将增至914. 70 km2,耕地面积仍将逐年减少,2025年将减少至21. 85×104hm2;可通过推进节水型城市建设,推行土地集约化利用,发展第三产业、控制人口增长等措施,对西安市的水土资源开发利用进行调控。该研究可为城市水资源和土地资源的综合规划以及高效利用提供依据。

基于缓蓄快放系统的西安市护城河水质改善方法研究

研究缓蓄快放系统,探索水资源短缺地区的河流水动力提升方法及其对水质影响规律。以西安市护城河南西线为研究区,根据护城河现状水质与水动力数据,利用MIKE21构建了西安市护城河水动力-水质耦合模型。依护城河现有坝体设计蓄水闸门,模拟河道上游快速泄水对下游河道的冲淤能力,探究不同蓄水高度和不同水质条件快速泄水对护城河水动力和水质的影响规律。基于MIKE21的数值模拟结果表明,不同蓄水高度对水体的水动力特性影响显著,蓄水水质对污染物浓度具有显著影响。基于MIKE21的西安市护城河水动力-水质耦合模型模拟结果表明采用1 m蓄水高度与Ⅲ类水补给相结合的工况可以最大程度实现护城河水体的水质、水动力改善。西安市护城河采用符合地表水Ⅲ类的补水水源,通过提升护城河水动力的方式可以有效改善西安市护城河水质状态。

基于多点位移计的黄金峡水利枢纽施工期边坡实测变形特征分析

黄金峡水利枢纽左岸边坡在施工期发现了多组结构面,监测资料显示边坡出现了多次变形突变现象,且变形大多发生在20~30 m范围内,多点位移计深度区间位移最大值超过80 mm。为此,结合多点位移计监测成果,从时空变化规律、特征值统计、位移速率等方面综合分析了边坡岩体的变形特征。结果表明:爆破开挖和结构面是导致边坡产生较大变形的主要因素;边坡主变形区与结构面fz39、L920和fz15的位置吻合,坡体变形主要受上述结构面控制。与其他同类工程相比,目前边坡位移量级基本处于正常范围。随着加固措施的逐步实施,边坡已基本趋于稳定,应重点关注Ⅰ区和Ⅳ区边坡坡脚部位的变形情况,并加强支护和排水措施。

中国31省(市、自治区)水资源承载力评价及预测研究

为评价我国省级水资源承载状况,基于水资源-社会-经济-生态环境4个子系统构建指标体系,采用层次分析法和熵权法组合赋权的TOPSIS模型对中国31省(市、自治区)2010—2019年的水资源承载力进行综合评价,运用M-K检验法分析了其时空变化特征,并对评价结果进行障碍因子诊断,在此基础上采用BP神经网络预测出各省(市、自治区)2020—2025年的水资源承载力。结果表明:(1)中国31省(市、自治区)水资源承载力呈现波动提升趋势,整体处于临界承载状态;(2)我国水资源承载力具有显著的地区分异规律,西南、华南、东北地区承载力较好,华北和西北最弱;(3)研究期内,水资源承载力在西北和东北地区表现为恶化,华南、华北部分地区也出现恶化情形,而华东、华中和西南大部分地区均有所改善;(4)产水模数、农用化肥使用量、人均水资源量、供水模数、人均综合用水量、废水排放总量和水资源开发利用率是对我国水资源承载力影响作用最强的7个障碍因子,且影响强度依次递减;(5)水资源承载力未来将在全国多数地区逐渐改善,而山东、河南、辽宁可能形成重度恶化区。