佳芦河流域山水林田湖草沙生态保护修复实践研究

流域生态系统是以地表水和地下水为主要纽带,具有明确边界的国土空间地理单元,是国土空间生态修复的最佳实施单元。基于流域生态恢复理论,以黄土高原地区佳芦河流域为研究对象,在全面客观了解流域生态环境现状与生态问题的基础上,按照“保持水土资源,恢复自然生态”的理念,突出水资源涵养和科学利用措施,以保水为主线的基于自然的解决方案,将流域划分为8个修复单元,实施13类工程措施,部署4个子项目,形成小流域山水林田湖草沙一体化保护和修复体系,对流域山水林田湖草沙生命共同体进行系统保护和修复。研究结果表明,开展流域山水林田湖草沙生态保护修复,有助于控制佳芦河流域及沿岸生态系统脆弱、水土流失严重、工矿与城镇水污染凸显、历史遗留矿山、农用地质量较低、生态保护和修复能力较弱等问题,有效缓解水土流失状况和减少入黄泥沙,持续提升流域生态环境质量,增强山水林田湖草沙生命共同体的稳定性,提高生态系统服务功能,筑牢中国北方生态安全屏障,对黄土高原地区流域生态保护修复具有启示意义。

数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用

数字孪生流域是智慧水利建设的核心内容,水利专业模型是数字孪生流域“四预”应用的支撑和驱动。面向数字孪生贾鲁河流域建设,依据流域界、工程位置、下垫面差异和社会经济条件分区选取适宜的产汇流模型,耦合二维水动力学模型构建了贾鲁河流域洪水预报模型,并以在建的灾后贾鲁河综合治理工程2022年防洪度汛工作为例,开展了郑州“7·20”暴雨重现和典型降雨在数字化场景中的模拟和预演。结果表明:所构建的面向数字孪生洪水预报模型能综合反映降雨、产流、坡面汇流以及防洪保护区分洪、河道内水闸调度、河道洪水演进和淹没变化的全过程,与实测数据对比,河道特征断面洪峰流量的误差在10%以内,最高水位的误差在0.2 m以内;基于模拟的洪水要素与各类风险因子关键指标进行量化分析,可为复杂环境条件下在建工程的防洪度汛提供精准风险防范建议方案,为中小流域数字孪生“四预”应用提供有益借鉴。

佳芦河流域特大暴雨洪水对下垫面治理的响应

根据实测水文资料,从下垫面治理入手,对佳芦河流域"2012-7-27"暴雨洪水进行了实地调查和成因分析。采用回归分析方法分析了流域洪水泥沙关系和汛期降雨产流关系及其变化,采用"指标法"计算了流域水土保持措施减洪减沙量,并分析了水土保持措施减沙能力和植被措施对流域洪水泥沙的削减作用。结果表明:(1)"2012-7-27"暴雨的雨量、雨强和笼罩面积都很大,但洪峰流量、最大含沙量、洪水量和洪水输沙量却明显减小;流域汛期降雨产流关系具有明显的分区特征,以场次洪水对应的面平均雨量为参数,可以分为暴雨区、大雨区和一般降雨区等3个区。(2)流域水土保持措施削洪减沙作用十分明显。"2012-7-27"暴雨中水土保持措施减洪减沙效益分别达到26.8%和38.3%,其中坝地减洪减沙所占比例最大,分别为71.0%和51.9%,林草等植被措施(包括封禁治理)减洪减沙所占比例其次,梯田减洪减沙所占比例位居第三。(3)植被措施对流域洪水泥沙削减作用显著,但梯田、林地减沙能力均未达到其最大减沙能力,抵御暴雨洪水的空间仍然很大,草地减沙能力约为其最大减沙能力的1.8倍,需要继续加大植被措施建设力度。同时,在流域治理中要继续加大治沟骨干工程建设力度,大力实施"坡改梯"工程。

贾鲁河流域旱作农业区非点源氮污染负荷分布规律及其影响因素研究

基于水文、气象、土地利用及农业耕作等基础资料,构建了贾鲁河流域SWAT模型,率定和验证结果表明,径流及氨氮模拟较好,月均评价系数(Ens)均大于0.78.利用上述模型,对贾鲁河流域旱作农业区非点源污染负荷产生规律及其影响因素进行分析,结果表明,在平水年小麦-玉米轮作条件下,贾鲁河流域硝酸盐氮总产生量为15546.3t·a-1,有机氮总产生量为1216.58t·a-1,耕地单位面积氮负荷产生总量90.51kg·ha-1,大于以水田为主的耕地污染负荷;氨氮入河负荷为1128.64t·a-1,7—8月份有机氮及氨氮入河负荷分别占全年负荷的94.79%和78.42%,其月产生量与月均降雨量相关系数分别为0.804和0.8531;虽然玉米期和小麦期氮肥的施用量相当,但是玉米期氮流失量要远远大于小麦期.

贾鲁河流域农业干旱时空演变特征研究

土壤相对湿度可以反映土壤水分状况和地表水文过程的大部分信息,是表征农业干旱的一项重要指标。利用贾鲁河流域内郑州、许昌、西华3个站点1991—2013年的土壤相对湿度逐旬监测数据,采用小波分析法和Mann-Kendall突变检验法,系统分析了贾鲁河流域农业干旱的时空演变特征。研究结果表明:1991—2013年,贾鲁河流域的土壤相对湿度总体呈现缓慢增加的趋势,1993年、1995年、2013年分别出现突变点;时间尺度上,存在8～12 a、12～16 a的变化周期,14 a为第一主周期,且年内农作物不同生长季农业干旱的发生频率从高到低依次为春末夏初旱、初春旱、伏期旱、秋季旱;空间尺度上,贾鲁河流域农业干旱的发生频率呈现出自西北向东南递减的变化趋势,特殊干旱年份的干旱地区主要分布在流域上、中游,下游基本无旱情发生。此研究结果可为贾鲁河流域农业干旱防治提供参考。

基于SWAT模型的区域农业干旱模拟研究

近年来,干旱在我国呈现出广发和频发态势,已经成为我国主要的自然灾害之一,尤其是农业干旱,其成灾机理最复杂、涉及范围最广、灾害影响最严重。以贾鲁河流域为典型研究区域,利用水文气象、社会经济、土地利用、DEM等数据,构建了基于SWAT的区域农业干旱模拟模型,选取土壤相对湿度作为农业干旱指标进行模型的适用性评价,并系统分析贾鲁河流域的农业干旱特征。结果显示:(1)所建模型对贾鲁河流域农业干旱的模拟效果良好,农业干旱模拟结果与历史记录基本吻合,且空间分布基本一致;(2)贾鲁河流域轻度干旱主要发生于初春、春末及夏初;中度干旱主要发生于初春及春末;重度干旱主要发生于春夏之交及夏秋之交;特大干旱主要发生于春季及春夏之交;(3)贾鲁河流域农业干旱整体呈现9 a的周期性特征,季节性特征明显;(4)春旱、春末夏初旱是贾鲁河流域农业干旱的主要类型,流域上游地区及下游地区发生春末夏初旱的频率最高,中游地区发生初春旱的频率最高。

佳芦河流域生态治理影响下的水沙关系变化

河流水沙关系是反映流域水文循环及土壤侵蚀过程的主要指标。以黄土丘陵沟壑区佳芦河流域为研究区,基于水文方法在年尺度和小时间(次洪水)尺度上分析流域综合治理前后径流和输沙关系变化特征以及对流域治理的响应。结果表明:1)1972年为佳芦河流域径流输沙发生明显突变的转折年。2)与基准期(1957—1972年)相比,治理期(1973—2014年)的径流与输沙之间关系在年尺度和次洪水尺度上均发生了显著变化,且径流输沙均显著减少。3)次洪水尺度上,流域临界径流深为6 mm,低于该值,水沙关系离散,反之水沙关系相对稳定;当降雨量<50 mm、降雨强度<4 mm/h或历时>3 h时,治理期的水沙关系与基准期相比发生显著变化。该流域在年尺度和次洪水尺度上水沙关系变化显著的主要原因是水土流失综合治理造成的,并且对中低降雨量、中低降雨强度和中长历时降雨的次洪水过程产流产沙有显著减少的效果。

基于Budyko弹性系数法的佳芦河流域径流变化归因识别

气候变化和人类活动对径流的影响是一个综合过程,因此径流动态变化及其归因识别和定量表征对区域水资源开发管理至关重要。以佳芦河流域为研究区,选用Mann-Kendall趋势检验法、有序聚类法等分析了研究区水文要素的主要变化特征;采用基于Budyko水热耦合平衡理论的弹性系数法,定量分析了径流深变化对各驱动因素的响应程度。结果表明:研究时段内,降水量和潜在蒸散发量均无明显变化,但径流深呈显著减少趋势且在1978年发生突变,相比基准期,径流深相对变化率为-58.5%;人类活动和气候变化共同作用于该流域导致径流深锐减,其中人类活动、降水量和潜在蒸散发量对径流深变化的贡献率分别是77.54%、21.31%和1.15%。

贾鲁河流域郑州段水域生态系统健康评估

为了确定贾鲁河流域郑州段水域生态健康的主要制约因子,以为水域生态系统修复提供参考,采用综合指标体系法,在环境保护部《流域生态系统健康评价技术指南(2013试行)》基础上,制定贾鲁河流域郑州段水域生态健康评估的指标体系,结合遥感解译、采样监测及实际调查数据,对区域内4个评价单元进行了水域生态系统健康评估。结果表明,贾鲁河流域郑州段水域生态健康整体处于"较差"水平,上游索须河和源头段水域生态健康状况优于中下游的市区段和中牟段,主要限制因子为河道连通性,其中市区段水质状况指数影响更显著;水域生态系统健康压力主要来源于水资源开发利用强度和生态需水保证率。贾鲁河流域郑州段水域生态修复应重点从补充生态需水、保障河道连通性和控制入河污染物3方面展开。

佳芦河流域水土保持监测及土壤侵蚀评价

以佳芦河流域分辨率为0.38 m的航摄影像和5 m的DEM等为信息源,基于ArcGIS平台,获取了流域水土保持措施、土地利用、植被覆盖度、坡度、沟壑烈度等土壤侵蚀影响因子,依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007),对各因子进行叠加分析,对水蚀、风蚀区等不同侵蚀类型的土壤侵蚀强度进行了分析评价。结果表明,截至2012年9月,佳芦河流域有水土流失面积1068.89 km 2,占流域面积的94.26%,其中轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别为118.69、206.35、126.29、75.08、542.48 km 2;强烈及以上侵蚀面积占到水土流失面积的69.59%,其中强烈和极强烈侵蚀多发生在风蚀区,而剧烈侵蚀主要发生在水蚀区的沟道中。