白洋淀流域气温、降水和径流变化特征及其相互响应关系

运用Mann-Kendall趋势检验、突变检验和小波分析法,对白洋淀流域1957—2012年7个气象站点气温、降水和3个典型水文站点径流量的变化趋势、突变点及周期性变化进行了分析,并探讨了径流与降水和气温的响应关系,以期为该地区生态环境保护和水资源合理利用提供基础数据支持。结果表明,研究区年均气温呈上升的趋势,并在1988年后上升趋势增大,其中,冬季和春季的气温增幅对气温升高贡献较大;降水量变化相对复杂,整体呈波动下降的趋势,其中,夏季降水量减少幅度最大,达1.72 mm·a^(-1)。受气温升高和降水量的直接影响,典型站点径流量呈明显下降趋势,并在年际尺度上与气温呈负相关,与降水变化呈显著正相关;在年内尺度上,则与气温和降水变化呈显著正相关。夏季径流量减少幅度最大,阜平、倒马关和紫荆关站分别下降0.85 m^3·s^(-1)·a^(-1)、0.72 m^3·s^(-1)·a^(-1)和0.66 m^3·s^(-1)·a^(-1)。3个指标的周期性变化都比较明显,其中径流和降水的波动变化基本一致,表明径流对降水的响应比较突出。径流变化不仅受气温和降水的影响,还受到水利工程建设、各类农业措施等多种因素的影响。

近60年来白洋淀流域河川径流演变及湿地生态响应

白洋淀是雄安新区的核心生态功能区,近几十年来面临水源不足、湿地萎缩等生态环境问题.选取白洋淀流域上游王快、西大洋及拒马河3个子流域开展河川径流演变研究,结合1969年以来18期白洋淀湿地遥感影像,揭示白洋淀流域河川径流驱动湿地演变的过程机制.结果表明:近60年来白洋淀流域山区径流量呈持续衰减趋势,从P1阶段(1961—1979年)至P3阶段(1997—2019年),典型子流域年径流系数均值由0.29降至0.12,山区年径流总量由30.84×10^(8)m^(3)/a降至11.37×10^(8)m^(3)/a,降幅达63.1%,梯田修建、地下水开采等人类活动是导致径流衰减的主要原因;不同子流域产流和基流减少对径流衰减的贡献率存在差异,以变质岩为主的王快子流域径流衰减的主要原因是地表产流减少,碳酸盐岩分布较广的拒马河子流域径流衰减的主要原因是基流减少;白洋淀湿地面积变化受控于地表水位波动,近60年来白洋淀湿地退化的直接原因是入淀流量减少,根本原因是人类活动影响导致的山区径流衰减.

白洋淀流域气象要素和人类取用水变化过程分析

白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊,但是近年来频繁出现干淀问题,正确分析其主要原因为制定白洋淀入淀水量保障措施具有至关重要的意义。采用Mann-kendall方法对白洋淀历史降水、气温及农业、工业生活用水量的变化过程进行分析。结果显示,流域内山区与平原区降雨量均呈现减小趋势,且山区的降水衰减程度大于平原区降水;流域内1980年以后气温呈现增加趋势;用水方面,除农业用地表水在20世纪90年代后呈减少趋势,其他用水均为持续显著增加趋势,其中农业用地下水占据所有用水比例较大。上述结果表明,降水不断减少、气温持续升高以及人类活动强度的逐步加大是造成白洋淀入淀水量减少的主要原因。

跨流域调水对恢复白洋淀生态环境重要性分析

近几十年来,由于气候变化和和人类活动的影响,白洋淀入淀水量逐年减少,造成多次干淀现象。水利部和河北省先后组织多次本流域调水和外流域调水,以缓解白洋淀供水不足的问题。通过对白洋淀供水水源与耗水量分析,为保护和恢复白洋淀生态环境,跨流域调水是一项重要措施。南水北调中线工程总干渠通水后,将能实现引江水补淀,从根本上解决白洋淀生态环境危机。

大清河流域水工程联合防洪调度研究

白洋淀是大清河流域重要枢纽工程,基于雄安新区建设对大清河流域防洪提出更高的要求,大清河流域水工程联合防洪调度研究显得尤为重要。本文以白洋淀最高水位最小作为联合防洪调度目标,建立联合防洪调度模型并进行求解。在保证水库工程安全的前提下,进行了不同洪水条件下的联合防洪调度研究,通过优化调度,可保证在遭遇百年一遇洪水不开启文安洼蓄滞洪区;在一定程度上降低了白洋淀最高水位,可有效减轻了堤防和白洋淀防洪压力,为保障雄安新区防洪安全提供支撑。

白洋淀流域分布式水文模型开发与验证

针对白洋淀流域水资源保护工作开发了分布式水文模型WEP-L模型。WEP-L模型是对流域水循环过程与能量循环过程的综合模拟,具有较高的模拟精度。对白洋淀流域1956～2000年的径流模拟计算表明:主要水文站的相对误差在5%以内,Nash-Sutcliffe效率系数在0.8以上,可以用于白洋淀流域的水文循环分析。

雄安新区白洋淀流域平原区1:50000水文地质数据集

本数据集依托2016年中国地质调查局'白洋淀流域平原区1:50 000水文地质调查'项目,在充分收集以往地质资料的基础上,开展了隶属雄安新区规划建设核心区域的安新县幅、雄县幅1:50 000水文地质及专项生态环境地质调查工作,编制了标准的1:50 000水文地质图及说明书,依照行业规范将此次调查获取的数据建立了1:50 000水文地质调查成果数据集。本数据集包含8种数据类型,包含895个基础调查数据,22个野外地质综合调查点数据,82个地层岩性界限调查点数据,540个水文地质调查点数据,22个环境地质调查点数据,12个钻孔基本情况数据,71个抽水试验综合成果数据,2 200个野外照片数据,共计3 844个数据。本数据集对认识白洋淀及周边区域水文地质条件,评价地下水资源,以及研究湿地生态功能退化等生态地质环境问题具有一定的参考意义。

府河-白洋淀硝酸盐来源判定及迁移转化规律

近年来白洋淀流域内经济高速发展、人口增加,生活污水排放量增大,严重威胁府河和白洋淀水质,其中硝酸盐浓度过高引发的水体富营养化是河流系统面临的重要难题。以白洋淀和唯一一条常年有水的入淀河流——府河为研究对象,结合水化学、水中氢氧同位素(δ~2H、δ^(18)O)和硝酸盐氮同位素(δ^(15)N)的方法 ,分析2008—2016年水化学特征和水化学类型变化,明确府河-白洋淀淀区硝酸盐污染来源以及沿程迁移转化规律,为其水质富营养化管理提供参考。研究结果表明:府河2008年硝酸盐δ^(15)N值>10‰,2014年硝酸盐δ^(15)N值的变化范围是2.07‰~18.49‰,府河硝酸盐主要来自于保定市和沿府河村落的生活污水;但2009年硝酸盐δ^(15)N值的变化范围是-3.7‰~4‰,府河硝酸盐主要来源于工业废水。白洋淀淀区2008年和2014年硝酸盐δ^(15)N值的变化范围分别是5.8‰~11.7‰和3.31‰~12.53‰,2009年δ^(15)N值的变化范围是-3.8‰~0.7‰,说明府河的生活污水和工业废水是白洋淀淀区硝酸盐的主要来源。2008—2014年Cl^-和SO_4^(2-)浓度比例逐渐减小,工业废水和生活污水的排入受到控制;2009年因工业废水的排放NO3-浓度超过50 mg·L^(-1),2014年和2016年NO_3^-浓度未超标;控制硝酸盐浓度变化的主要因素是降水稀释、外源输入及反硝化脱氮作用,当溶解氧(DO)小于2 mg·L^(-1)时,硝酸盐的减少主要受反硝化作用影响。

白洋淀上游河流水环境风险评价

水环境风险评价是水环境污染防治和风险管理的基础。基于白洋淀上游主要入淀河流现状,综合考虑风险源、河流特性、自然地理及社会发展条件、水污染治理能力等因素,构建了考虑上游河段环境风险影响的白洋淀上游河流水环境风险评价体系,采用改进层次分析法和综合指数加权求和法,评价了白洋淀上游河流水环境风险。结果表明:2017年,白洋淀上游入淀河流总体处于中风险等级,孝义河个别河段处于高风险等级;环保投资占GDP比重、单位耕地面积化肥施用量和河流水质现状等评价指标是影响入淀河流水环境风险水平的主要因素。白洋淀上游河流水环境改善的主要措施包括加大环境保护投资占GDP比重、妥善处理经济增长与农业面源污染的关系、降低化肥施用强度、加大河流治理力度,研究可为白洋淀上游入淀河流生态环境的治理与修复提供参考。

引水补源对维系白洋淀生态影响对策研究

近年来,受入淀水量锐减和水域污染严重等因素影响,白洋淀湿地生态系统健康生命受到巨大威胁。分析认为白洋淀对维持流域防洪保安和区域生态系统质量具有不可替代的作用,应进一步建立和完善本流域、跨流域调水的白洋淀水量供给保障系统和白洋淀水污染防治体系,使白洋淀湿地生态系统始终保持健康生命。

白洋淀流域1959年至2008年山区径流量变化规律及其动因分析

本文利用统计分析的方法,对白洋淀流域山区阜平、中唐梅和紫荆关等3个流量站1959年-2008年50年径流量资料的长期变化趋势进行分析,揭示了白洋淀流域水资源变化特征和趋势。结果表明,白洋淀山区径流年内分配不均匀,年际变化大,丰枯变化明显;50年来径流的年内分配不均匀性呈降低趋势,径流量总体上呈现明显下降趋势,20世纪90年代以来持续出现枯水期。利用保定气象站1959年-2008年的月气象数据和"海河流域治理工程生态环境效应遥感监测与评估"研究成果的5期土地利用数据,从气候和人类活动两个角度分析了径流变化的原因。认为气温升高、降水的减少是径流减少的主要原因。同时,工农矿用地面积的扩大而可能引起的用水量增大也是径流减少的原因之一。

白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法优选和方案评价研究

为有效解决白洋淀流域水环境承载力多属性复杂决策问题,提出了基于人口-经济-水生态-水资源-水污染五维复杂性质决策指标评估体系(包括28项指标),并将基于新的优势关系的理想点法(TOPSIS)、多准则妥协解排序法(VIKOR)和改进密切值法应用于白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法和方案优选中。结果表明:1)变异系数属性赋权方法实现了白洋淀流域水环境承载力多层面和复杂因素影响作用的定量化,并且表明影响该流域水环境承载力的主要因素为地下水资源量、造纸和纸制品业比例、纺织业比例、调水入淀量等;2)3种多属性决策方法中,改进密切值法计算更简便、理论更简单,为优选决策方法,它能在处理水环境承载力管理决策问题涉及的经济、社会、环境、技术标准等多层面复杂性质的同时,更好地实现水环境承载力多属性决策方案评价和优选;3)3种方法得到的多属性决策方案优选排序结果一致性达到83.3%,均表明理想型方案(F_(12))为最优,次优方案为可持续发展型(F_(11)),最劣方案为经济低速发展型(F_(2))。结合白洋淀流域实际,可采取2030年适当降低第一、二产业规模,大力发展高端高新产业和服务业等第三产业,适度发展生态旅游,限期提升改造或关闭纺织业、造纸和纸制品业等高耗水、重污染产业,增加外调水量,将污水处理厂出水提标至地表GB 3838—2002《地表水环境质量标准》准Ⅳ类标准等较严格的水环境保护措施,以达到改善环境的目的,并为管理者制定高效决策提供基础。

大清河-白洋淀流域生态功能评价及分区初探

基于生态系统服务功能对流域生态环境进行功能分区是流域生态环境保护与修复的重要基础.本研究使用InVEST模型,对大清河-白洋淀流域2010、2015及2018年的生境质量、碳储量及土壤侵蚀等生态系统服务功能进行评价.结果表明:2010—2015年流域生态环境相对稳定;2015—2018年生境质量提升,土壤侵蚀缓解,但碳储量有所下降;流域内72.91%的区域处于中度敏感状态,3.99%的区域处于高度敏感状态,生态功能现状不容乐观.在此基础上叠加分析各子功能评价地图,将研究区划分为3个一级功能区及7个二级功能区,旨在今后对各功能区采取针对性的利用和管理策略,以维持和改善生境质量,为区域可持续发展提供支撑.

应用多种生物类群评价白洋淀水环境质量变化

白洋淀是华北平原最大的浅水湖泊。近几十年来,白洋淀上游耗水增加,天然入淀水量急剧减少,使白洋淀水位明显降低;同时,随着淀泊周边农村生活污水的排入,白洋淀发生了严重的富营养化。2017年雄安新区设立,白洋淀环境治理工作的重要性空前提高。近几年通过上游水库和跨流域生态补水,白洋淀水位明显抬升,同时淀中和淀边农村实施了生活污水收集。为了解白洋淀当前水环境状况,对前期补水和治污的效果进行评估,2019年8月对白洋淀水体理化指标及水生生物进行调查,采用水质、浮游植物、浮游动物、底栖动物指标评价白洋淀水环境质量,并与2010年的调查数据进行对比,辅以沉水植物指标评价水体生态状况。结果表明:白洋淀2019年总磷达到优于Ⅲ类水平,总氮优于Ⅱ类水平,水环境状况比2010年有较大改善。其中,总磷浓度下降了88.6%,总氮浓度下降了83.9%,叶绿素a浓度下降了47.8%,透明度增大了43.4%;浮游动物、底栖动物等生物多样性明显提高,浮游植物密度显著降低,优势种从普遍的重富营养型转变为富营养型;沉水植物清洁型种类分布范围缩小。这说明沉水植物物种评价法不适于白洋淀水环境质量评价,浮游动物多样性评价方法也不适用于当前白洋淀水环境质量评价。早期,由于污染源集中在西部,白洋淀西部水质差于东部;现在,由于自西、北、南多方向补水,淀区的水动力条件发生显著改变,加之西部实施治污工程,淀区水质呈现空间均一化的特点。

白洋淀流域地表水化学特征及控制因素

为探究半干旱区地表水化学特征及物质来源,以白洋淀流域为研究对象,利用Piper三线图和Gibbs水岩模型,对地表水的主要离子组成特征及其来源进行分析。结果表明:白洋淀流域地表水pH为7.56~8.23时,呈弱碱性,且溶解性总固体(TDS,100~650 mg/L)在流域的不同空间区域表现为淀区>下游>上游。白洋淀流域地表水阳离子以Na^+和Ca^2+为主,离子总量占比76.60%;阴离子以HCO^-3为主,约占阴离子总量61.52%。地表水的水化学类型为HCO3-Ca型(上游水体)和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型(下游河流和淀区)。白洋淀水文地球化学过程受到人类活动和自然作用的双重控制;自然作用下,白洋淀流域地表水中的离子来源于岩石风化(碳酸盐岩及硅酸盐岩的风化溶解),同时受到蒸发-结晶作用影响。

过去300 a大清河上游南部流域耕地变化重建

过去300 a耕地变化重建是环境变化研究的基础。华北地区河湖演变对历史土地开垦的影响需要在历史耕地重建时予以考虑。论文基于清代地方志、民国统计资料和现代土地利用数据,通过量化坡度和历史时期潜在耕地垦殖率因子,建立宜垦性模型,重建过去300 a白洋淀与大清河上游南部流域5个时间断面上空间分辨率为1km×1 km的耕地变化,并结合大清河南支的河道变迁和白洋淀演变过程分析了县域尺度下河道变迁、湖群演变对土地开垦过程的影响。结果表明:①近300 a来研究区开垦范围向山区扩展,开垦强度不断加深,平均垦殖率由1646年的0.162增至1980年代的0.579;②白洋淀收缩为安新、容城、任丘、高阳和蠡县土地开垦提供良好的物质基础,清中后期5县垦殖率较同期周围县高约3%~40%不等,且增长速度明显快于周围县;③古河道为肃宁、河间、任丘和安国的土地开垦提供了物质基础,河流改道后肃宁、河间和任丘的垦殖率分别增长为原来的2.12、2.6和2.86倍;安国垦殖率增长了37%,为同期增长最为显著的县;④新河道虽会冲毁部分土地,但泛滥区却能为土地开垦提供物质基础,故途经地垦殖率有增有减,蠡县和高阳的垦殖率分别增加为原来的1.80倍和1.88倍,望都、清苑垦殖率分别增加3%、4%,定州垦殖率减少4%。

白洋淀流域岸边带土壤全程氨氧化菌的分布特征及其生态网络研究

氨氧化途径一直被认为是硝化过程的限速步骤.新型氨氧化微生物—全程氨氧化菌(Complete Ammonia O_(x)idizer,Comammox)的出现更新了人们的认识.虽然全程氨氧化过程已被发现于多种自然生态系统,但其在水位波动环境,尤其是工程引水的岸边带系统,尚缺乏报道.采用宏基因测序技术及氮循环基因特异性分析,研究南水北调典型受水区Comammox的时空特征和潜在生态网络关系.结果表明,在白洋淀流域尺度,入淀河流岸边带系统中,Comammox相对丰度具有明显的时空分布特征.时间尺度上,Comammox相对丰度在枯水期(1455 TPM)显著高于丰水期(1115 TPM);空间尺度上,Comammox在上游山区丰度最高(1403 TPM),显著高于中游(山区/平原生态过渡区;515 TPM)和下游平原区(653 TPM).Spearman相关性分析结果表明,MC对Comammox相对丰度具有显著影响(p<0.05).与其他好氧氨氧化微生物相比,Comammox相对丰度显著高于氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing Bacteria,AOB),却低于氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing Archaea,AOA).其中,AOB与Comammox时空分布规律相似,而AOA与Comammox仅在时间上分布规律一致.通过构建分子生态网络分析,发现在中游山区/平原过渡区,好氧氨氧化微生物具有最高模块化水平,其中,Comammox是关键物种,Nitrospira nitrificans是关键群落连接者.本研究结果将为我们认识生态补水背景下河流氨氧化过程时空演替和功能趋势提供理论依据.