密云水库上游潮白河流域丰平枯特征及其与入库水量的定量关系

[目的]揭示密云水库上游潮白河流域水量变化的年际时序规律及丰平枯季节性差异,为京津冀地区水资源高效利用及生态用水保障提供决策参考。[方法]在收集流域水量数据,进行潮白河流域逐月丰平枯水期分析的基础上,采用距平百分率解析潮白河流域水量变化特征,并推导流域丰平枯时段与径流水量的定量化关系。[结果]2010—2021年,潮白河流域的枯水期历时远大于丰水期和平水期时间,但丰水水量及其距平百分比每隔1~2 a均会呈现指数级增长趋势,表明潮白河流域近年来更多的表现出了极端的气候特征。潮白河流域的丰水时段均主要出现在7—12月,流域平水时段基本伴生于丰水时段,但是2010—2021年,潮河与白河流域仅出现了6~7个月的平水期;枯水时段占据了12 a来的大部分时期,阶段性密集分布在除丰水期和平水期以外的所有时段。在所有时段,白河流域的水量均高于潮河流域,这可能归因于春季融雪对径流的补给。[结论]2010—2021年,潮白河流域极端降水时间增多,但枯水时段的比例远高于平水期和丰水期。3者的比例关系是影响流域水量最重要的因素。

密云水库流域植被覆盖度变化对输沙量的影响

封闭流域中,泥沙的产生是多种因素相互作用,相互制约的结果,而在这些众多的环境影响因素中,植被是土壤侵蚀中最重要的环境控制因子,目前,植被覆盖度变化对输沙量的影响一直是区域生态环境研究中比较热门的话题。文章使用遥感(Remote Sensing(RS))、地理信息系统(Geographic Information System(GIS))与统计分析相结合的方法评价了密云水库流域内2个子流域出口处2002年至2005年植被覆盖度变化对输沙量的影响。密云水库流域多为山地,其降雨具有明显的季节性。本文的主要目的在于分析2002年至2005年植被覆盖度变化对流域输沙量的影响,并分析了植被覆盖度变化对气候改变及人类活动的综合影响,结果表明:在密云水库流域内,输沙量是降雨情况和人为因素引起的地表植被覆盖度变化情况的综合反映,人口增长、经济发展和城市化是密云水库流域内引起土地利用变化和地表植被覆盖度变化的主要驱动力。并且,输沙量可以被看作是一个很好的指标来定量分离出生物生理和人为的影响,并从中能够找出在流域生态系统中获得显著结果关键的临界点。研究结果对制定流域的合理开发和管理计划将有所帮助。

密云水库流域2000-2005年植被覆盖度变化监测

植被是生态系统最重要的组成部分,而植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个最重要的指标,是生态系统健康评价的前提和必要的基础。文章利用2000和2005年2个时相的Landsat 7 ETM+遥感影像为数据源,以BP神经网络法为植被覆盖度估算模型,计算了密云水库流域内不同时期的植被覆盖度,生成了该流域2个时相内的植被覆盖度图,以此分析密云水库流域植被覆盖度的时空变化。结果表明,从2000-2005年,密云水库流域内除无植被覆盖类型外(即水域部分),其余土地利用类型的植被覆盖度都呈增加趋势,其中以沙质地和耕地最为明显,分别增长了29.5%和27.3%,并且密云水库流域的平均植被覆盖度不高,尤其西部地区植被覆盖度较差,水土流失和土地沙化情况比较严重。

土壤与养分流失综合监测方法在密云水库流域的应用

土壤与养分流失综合监测方法是根据通用流失方程的基本原理,在对我国中东部南北不同环境条件下大量周年实测数据的统计、分析基础上建立的适合我国南北地区的水土流失与面源污染一体化定量监测方法。本研究采用该方法对密云水库流域2001年度的土壤和氮素养分流失的空间分布,不同土地利用方式对土壤和氮素养分流失的影响,以及泥沙、养分的入库量进行了系统的监测,且利用水文站的实测数据对监测结果进行检验。结果显示,该监测方法对土壤和氮素流失监测的相对误差分别为2.75%-19.63%和-18.78%,监测效果较好。该监测方法具有技术先进、方便、实用、可更新性强和效果好的诸多特点,在我国现有相关资料积累条件下,适用范围较广。随着相关研究的进一步深入,该监测方法可通过改进满足更高时空监测需求,具有较好的应用前景。

潮白河密云水库流域水资源问题分析

密云水库作为北京市的地表水源地,其地位越来越重要。随着人口增加,经济发展,水资源利用冲突日益突现。文章对当前潮白河密云水库流域水资源利用存在的问题进行了系统的分析,并对存在的问题提出针对性的对策,为中尺度跨地区流域水资源合理利用和管理提供借鉴。

密云水库上游土地利用与景观格局变化特征

基于遥感监测的多期土地利用/土地覆盖数据,详细分析了密云水库上游地区近10年土地利用类型的时空转变,并借助Fragstats软件分析了研究区景观格局的变化。研究结果表明:灌木林、有林地、中高覆盖草地始终是研究区的优势类型,维持着景观的基本功能,但土地利用与景观格局在近10年仍发生了较大的变化,2000年前有较多的林草地转变为耕地,之后,大量的耕地实现退耕,林草植被增加迅速。研究区整体景观格局破碎化有增加的趋势,但对水土保持与水源涵养有利的景观类型也在同步增加。

利用“北京一号”小卫星数据估算植被覆盖度的可行性研究

利用"北京一号"小卫星数据,以密云水库流域为研究区域,采用归一化植被指数(NDVI)像元二分法,进行地面植被覆盖度估算研究,并对估算结果进行实地检验和分析,其估算值与实际值之间的相关性较高(86%)。结果表明,利用"北京一号"小卫星数据进行植被覆盖度估算及监测应用是可行的。

基于“自然-社会”二元驱动的水生态功能分区——以密云水库流域为例

水生态功能分区是根据流域水生态系统区域差异开展的分区研究,是实现流域“分类、分区、分级、分期”的水质精细化管理的必然要求。通过梳理国内外水生态分区研究的进展及现状,对比了不同区域分区指标的选取依据及体系特点,分析了我国当前水生态功能分区存在的分区体系不完善、分区水生态要素考虑较少等问题,采用“水陆结合、以水定陆”的思路,提出了基于“自然-社会”二元驱动的水生态功能分区方法。以密云水库流域为研究对象,通过分析水库流域自然要素及水生态特征,探究水生态系统的驱动-响应机制,结合管理需求,提出密云水库流域水生态功能分区指标体系,并开展水库流域一级、二级和三级水生态功能分区研究。结果表明,密云水库流域水生态功能区可划分为一级区3个、二级区14个、三级区22个。依据各分区的水生态状况及功能,结合当下的生态环境问题开展溯源,并提出相应治理方案。

密云水库流域土壤侵蚀模数时空动态监测

基于遥感和GIS技术,利用修正的通用土壤流失方程模型,计算得到密云水库流域2001—2020年的土壤侵蚀模数,并分析了其时空动态变化特征;在此基础上,研究了不同环境因素对土壤侵蚀的影响。结果表明,密云水库流域2001—2020年土壤侵蚀模数变化具有先下降后回升又大幅下降的特点;平均侵蚀等级主要由轻度侵蚀向微度侵蚀转变;土壤侵蚀模数随海拔的上升呈U型变化;研究区土壤侵蚀模数变化与土地利用类型关联密切,且与植被覆盖度成反比、与降雨侵蚀量成正比,但植被覆盖度的影响力更大。

密云水库面源污染控制BMPs技术体系研究

密云水库是北京市重要的地表饮用水源地,面源污染是水库入库污染的主要来源。文章从源头控制、过程阻断、末端控制三方面展开密云水库面源污染防治技术研究,提出水库面源污染控制最佳管理措施(BMPs)技术体系。源头控制:推广梯田建设或鱼鳞坑整地的保护性耕作措施,加强畜禽养殖污染防控和化肥、农药的合理施用;过程阻断:布施植物篱,在水库上游划定河岸缓冲带/植被过滤带等;末端控制:修建前置库、人工湿地,耦合曝气氧化沟、稳定塘等技术,提高污染物去除效能。该技术体系的构建可为密云水库面源污染防治提供理论及技术支撑。

官厅水库、密云水库上游流域土壤砷含量特征与环境质量评价

按照差异性布点原则,采集官厅水库、密云水库上游流域土壤样品23851件,使用AFS-2202E原子荧光分光光度计测定土壤As含量.利用Geo IPAS V3.2化探专业版软件绘制砷地球化学等值线图,按照生态环境部/国家市场监督管理总局发布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)和地质累积指数法分别对土壤砷进行环境质量评价.结果表明,调查区土壤砷含量相对高值区集中分布在张家口盆地和河谷平地区,相对低值区主要分布在河道两侧.土壤砷含量最小值出现在草地中,最大值出现在耕地中.含量均值由大至小依次是耕地、园地、草地和林地,分别为9.61、9.44、9.08、8.84 mg·kg-1.土壤砷环境质量整体良好,潮白河流域优于永定河流域.Ⅰ类面积比例为99.96%,介于风险筛选值和风险管制值之间的样点共计11个,高于风险管制值的样点2个.调查区77.11%的面积保持砷背景值的含量水平,处于无明显累积状态,22.83%的面积处于轻度-中度累积,无重度污染区域,土壤砷的污染累积问题需引起关注,应避免量变的积累造成质变,最终引起土壤砷含量超标问题.

以小流域为单元综合治理水土流失

密云水库是北京城市供水的主要水源地 ,库区内有数千条小流域 ,由于水土流失严重 ,每到汛期 ,洪水挟带大量泥沙下泄 ,造成水库淤积。为改变现状 ,自 2 0 0 3年起 ,在水库上游开展以小流域为单元综合治理水土流失的工程建设 ,是防洪的基本措施 ,也是涵养水源恢复生态的基本措施。

基于“三生空间”的土地利用功能转型与生态环境效应研究——以密云水库上游流域为例

基于“三生空间”国土开发模式,从土地利用功能转型驱动区域生态结构、服务功能改变的角度出发,借助“3S”技术,运用土地利用转移矩阵、生态环境质量指数及土地利用转型生态贡献率等方法,定量分析了2000-2019年间密云水库上游流域河北省西北部张家口、承德地区土地利用变化、转移特征及生态环境效应。结果表明:(1)2000-2019年,研究区土地利用整体呈现农业生产用地面积减少,林草生态用地、城镇/农村生活用地不断增加的特点;(2)生态环境指数整体呈现稳中略增的趋势,从2000年的0.7227增长到2019年的0.7261,生态环境指数相对较高,这得益于研究区得天独厚的林地和草地资源;(3)土地利用转型过程中,同时存在生态环境质量指数改善和恶化两种现象,最终两者相互抵消成增长趋势。研究期间影响生态环境改变的主导因素是草地生态用地、农业生态用地与林地生态用地三者之间的相互转换,2000-2010年间生态环境指数的增长主要贡献来源于草地生态用地和农业生态用地转为林地生态用地,二者贡献率为91.65%;2010-2019年间生态环境质量指数涨幅是前十年的近4倍多,除主导因素外,还得益于期间大量农业生产用地转为草地生态用地,贡献率为31.97%。

基于人工神经网络的植被覆盖遥感反演方法研究

使用新型遥感数据——"北京一号"小卫星数据,采用BP神经网络法对密云水库流域内的植被覆盖进行反演,并将结果与传统回归分析法和NDVI像元二分法进行比较。结果表明:在山区植被信息遥感反演算法中,神经网络方法以其对非线性过程的精确模拟而具有比传统算法更高的精度,尤其对于遥感反演算法难度较大的山区植被覆盖信息提取效果较好。

流域水质改善的公共偏好问题研究

环境服务的支付意愿(Willingness to pay,WTP)受被调查者收入、教育水平、对环境保护认知等多种因素的影响,居民对流域水质改善政策的实施和支付意愿也具有不同的公共偏好。分位数回归(Quantile Regression,QR)方法可以明确WTP高支付和低支付群体的主要影响因素,揭示不同支付层次、支付能力和收入水平的群体对环境政策的需求和偏好,从而为流域保护政策制定提供更为精准的定量参考。本研究以密云水库为例,利用断点回归、Tobit模型和分位数回归(QR)模型3种方法,分析居民流域水质改善的支付意愿及其公共偏好问题。结果发现:3个模型的模拟结果都显示WTP与家庭收入具有显著的正相关说明高收入群体对水质改善有更大的偏好。Tobit模型和分位数回归模型对WTP具有较好的拟合效果,分位数回归分析的结果显示,在Tobit和断点回归分析中许多不显著的指标,在WTP分布的某些分位上也变得显著了,在不同分位数上,WTP影响因素存在显著性差异,仅有家庭收入在所有分位上具有显著性,在低分位上显著性指标较少,在中位数以后,显著性指标增加,尤其在99%高分位数上,所选择的9个指标都具有很强的显著性,表明高收入人群、受更高教育者以及对水质要求更高的群体是密云水库水质改善政策制定的主要目标人群。

基于Poisson分布的降水模型及其在潮白河密云水库上游流域的应用

为了描述降水的时空分布特征,在降水发生次数为Poisson分布的前提下提出了3种降水模型。该3种Pois-son矩形脉冲模型分别假设了降水历时为瞬时分布、指数式分布和Pareto分布。利用潮白河密云水库上游流域16个雨量站1980—2008年的降水资料,率定了3个模型的参数;在此基础上,得到潮白河密云水库上游流域降水特征(降水强度、降水频率)的时间变化趋势与空间分布规律。以降水历时瞬时分布的白噪音Poisson矩形脉冲模型为例,流域日均降水场次约0.18场/d、次雨深约为8mm。结果表明:该流域时间上在过去近30a降水量无显著变化,降水频率呈下降趋势,降水强度呈增加趋势;空间上降水量和降水强度自东南向西北逐渐减弱,降水频率则无显著空间规律。这3种模型中,白噪音型和Pareto型更适用于潮白河上游流域的降水分析。

官厅水库、密云水库上游流域地表水氮磷含量现状

于平水期和丰水期同点位采集官厅水库、密云水库上游流域的地表水样品共计222件,分别测试了原水、悬浮物中TN、NH 3-N、NO-3-N和TP的含量,探讨氮、磷的分布规律及污染特征,并参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》进行评价。结果表明:1)研究区地表水处于富营养化状态,永定河水系氮、磷含量相对较高,高值点主要分布在洋河干流断面。2)主要河流的干流氮、磷高值点的出现均与上游的城市废水排放密切相关,应加大城市废水的治理力度,提高排污标准。3)TN 78.26%(丰水期)、91.59%(平水期)的样品劣于Ⅲ类,除洋河上流、桑干河上流和汤河水系外,其他水系大部分样点TN仅达劣Ⅴ类要求,但NO-3-N和NH 3-N大部分样品符合标准限制,建议制定标准时应加强对NO-3-N的管控。4)TN 33.04%(丰水期)、14.02%(平水期)的样品不符合Ⅲ类要求,主要分布在洋河中段、壶流河和潮河中段水域。

基于MIKE21的密云水库总氮预测研究

密云水库是北京市重要的饮用水水源地,近年来密云水库总氮呈现升高趋势,潮河和白河入库总氮总体呈现逐年上升趋势。研究利用MIKE21软件,基于水动力和水质模型耦合,采取不同策略的情景假设,对密云水库总氮进行研究,基于2018年量化不同策略对密云水库总氮的影响程度,提出最优方案。结果表明:1)通过潮白河流域生活源治理,库区总氮年均值降低0.024mg/L,8年后可达到Ⅲ类水质要求,29年后可达到Ⅱ类水质要求。2)通过潮白河流域生活源、农业源治理,库区总氮年均值降低0.059mg/L,3年后可达到Ⅲ类水质要求,12年后可达到Ⅱ类水质要求。3)通过潮白河流域生活源、农业源治理、河道生态建设,库区总氮年均值降低0.118mg/L,2年后可达到Ⅲ类水质要求,6年后可达到Ⅱ类水质要求,为最优方案。4)库滨带使库区总氮年均值升高0.012mg/L,捕鱼使库区总氮年均值降低0.0002mg/L,降雨可使库区总氮年均值升高0.074mg/L。

基于In VEST模型的土壤保持服务时空变化及其影响因素分析——以密云水库上游流域河北张承地区为例

密云水库上游流域张承地区作为密云水库的水源涵养区,担负着向北京市提供饮用水源的重要任务,研究其土壤保持服务功能对实现区域高质量发展和保障首都的水生态安全具有重要意义.本文通过遥感解译分析了密云水库上流域张承地区2000—2019年的土地利用变化情况,在此基础上,基于InVEST泥沙输移比模型,从空间上定量评估了2000—2019年研究区的土壤保持服务功能分布及变化情况,并借助地理探测器对研究区土壤保持服务的主要影响因素进行地理探测分析.结果表明:(1)2000—2019年间密云水库上游流域张承地区土地利用类型以林地和草地为主,占整个研究区域的80%以上,且土地利用整体呈现耕地面积减少,林地、草地、建设用地不断增加的特点;(2)2000—2019年间研究区土壤侵蚀量呈先减少后增加的趋势,2000、2010、2019年三期的土壤保持总量分别为793.87×10^(6)t、564.53×10^(6)t和602.73×10^(6)t;(3)研究区土壤保持服务功能的时空变化主要受土地利用类型和坡度两个因素的影响,研究区内土壤保持量随坡度的增加而增大,各地类土壤保持能力由强到弱依次为:林地、草地、裸地、耕地、建设用地、水域.

数字孪生密云水库流域建设方案构想

随着数据技术的快速发展和水务工作的加速改革,水务行业亟需进行数字化和智慧化的转型升级,密云水库作为北京重要的地表饮用水源地、水资源战略储备基地,在水务信息化工作中对其提出了新的要求。针对库区高水位运行和智慧化管理等问题带来的挑战,“数字孪生流域”理念为密云水库运行管理带来新的思路,本研究以增强流域智慧监管能力和满足高水位运行要求为主要目标,以密云水库流域实际业务工作为基础,以“数字孪生流域”建设为核心,在市级智慧水务1.0底座基础上构建密云水库数字孪生流域,对密云水库流域工程安全管理、防洪减灾、水资源管理及流域生态环境管理等提供了全新的思路。