漳卫南运河流域水生态安全指标体系构建及评价

基于PSR物理概念模型建立水生态安全指标体系,利用粗糙集和逼近于理想解法建立水生态安全评价模型.针对漳卫南运河流域中潞城市、新乡县和德州市进行水生态安全评价.结果表明:漳卫南运河上游潞河城市最好,中游新乡县其次,下游德州市最差,3个县市均属于水生态安全评价标准的极差级别.这一评价结果为漳卫南流域的水生态安全建设提供了相关的科学依据.

流域景观生态健康演变及其驱动因子贡献分析

从景观格局的角度对漳卫南运河流域3个年代(20世纪80年代、20世纪90年代、21世纪00年代)的流域景观状态进行健康评价;在分析其生态健康演变趋势的基础上,识别气候变化以及人类活动的影响作用,基于土地类型分析区分不同人类活动的贡献大小。结果表明:20世纪80年代以来,漳卫南运河流域的景观生态健康呈现持续下降趋势;气候变化以及人类活动对流域景观生态健康演变的贡献大小分别为13.95%和86.05%;不同人类活动中水资源开发利用、水土保持和城镇化对流域景观生态健康演变的贡献大小分为-34.89%、25.72%以及-37.19%。

漳卫南运河流域水文气象要素长期变化趋势分析

漳卫南运河流域是一个对气候变化十分敏感、人类活动又非常活跃的地区。本研究采用非参数Mann-Kendall检验方法和R/S方法对漳卫南运河流域50年来的水文气象要素进行分析,并从气候变化和人类活动两方面分析其变化的原因。结果表明:受气候变化影响,50年来本流域气温上升了1.08℃,降水减少了83.2mm,而且这种趋势在未来仍可能持续一段时间;相对湿度的变化,在西部山区主要受气候变化影响呈下降趋势,在东部平原区受农业灌溉所产生的局部小气候影响呈上升趋势,但未来可能向相反趋势发展;径流量受人工调节,一致呈下降趋势,并且未来仍将持续一段时间。在气候变化和人类活动共同影响下,漳卫南运河流域有可能进一步朝暖干化方向发展。从更大范围的水循环来看,从本流域蒸发的水量可能随着季风在其它区域形成降水。进一步的研究可以分析包括土壤湿度、蒸散发、水汽传输和季风在内的区域水循环,以及气候变化和人类活动影响下的产汇流机理,从而找出区域干旱化的根本原因。

强烈人类活动影响流域的水量水质模拟

SWAT模型取用水模块针对美国实际情况设定,不能实现不同年份各月动态输入,在我国受强烈人类活动影响的流域其应用受到限制.本文在深入了解SWAT模型结构和模型运行的内部机制,明晰各类输入、输出文件格式和空间运行单元组织方法的基础上,对模型源代码进行修改,完成模型输入、输出文件(TxtInOut)中.wus内取用水设置的追加和修改,反映模型模拟子流域在不同年份、不同月份用水量的差异.同时,针对SWAT模型中设定的水库基本特征参数值范围较小,不符合我国的实际情况,本研究对参数值输入范围进行扩展,使其符合我国的实际情况.将修改后的模型在漳卫南运河流域进行应用,取得了较好的模拟效果.本文在SWAT模型改进和完善上做了有益的探索和尝试,并在人类剧烈影响流域水量水质的模拟中得到了应用,为漳卫南运河流域水资源水环境管理提供了有力的支撑工具.

改进生态位理论用于水生态安全优先调控

引进模糊数学隶属度的概念,改进了传统的生态位理论,以漳卫南运河流域上、中、下游的3个典型城市(县)(潞城市、新乡县与德州市)为例,计算其在12个资源轴不同梯度上的隶属度、生态位宽度与生态位重叠,并基于此分析了水生态安全的优先调控区与优先调控指标.结果表明:1潞城市、新乡县、德州市的平均生态位宽度分别为1.332、1.441、1.289,说明新乡县在12个资源轴上均具有较强的适应能力,而德州市的适应能力最弱;潞城市、新乡县、德州市的平均生态位重叠分别为2.097、2.285、2.318,说明德州市与其他2个典型城市(县)在资源利用上具有相似性,尤其是德州市与新乡县在资源利用上具有较高的相似性,可能存在潜在竞争.23个典型城市(县)均对森林覆盖率、万元GDP用水量、水资源开发利用率的改变具有较强的适应性;3个典型城市(县)在人均水资源量资源轴上的生态位重叠最大,并集中于一个较窄的梯度区间内,可能会引发潜在竞争.3德州市是漳卫南运河流域未来水生态安全保障的优先区和水生态安全改善的优先调控区,而人均水资源量、人均GDP、产水模数、城市环境用水所占比例等4个指标均可作为未来水生态安全改善的调控指标,其中人均水资源量是优先调控指标.

不同驱动因子对漳卫南运河流域径流变化的影响

基于漳卫南运河流域3期(1985年、1995年和2005年)的土地利用图、土壤分布图和主要水文气象站1960—2010年温度、降水、径流等基本资料构建SWAT分布式水文模型,建立了基于SWAT模型的气候变化和人类活动对流域径流影响的分项量化方法。在量化分析气候变化和人类活动对漳卫南运河流域径流影响的基础上,通过对不同情景的模拟计算,定量分析了不同年代水土保持、城镇化、水利工程和社会经济用水等不同人类活动驱动因子对流域径流变化的贡献率。结果表明:相对于基准期(1960—1978年),不同年代气候变化和人类活动对径流的影响程度不同,变化期(1979—2010年)气候变化和人类活动对径流变化的贡献率为29.39%和70.61%;在不同人类活动驱动因子中,除城镇化使径流增加外,水土保持、水利工程和社会经济用水均使径流减少,且社会经济用水对径流变化的影响最大,超过人类活动引起的径流减少总量的50%。

变化情景下的漳卫南运河流域水量水质模拟

漳卫南运河流域是我国一个水资源短缺、水质恶化的典型流域.本文应用SWAT模型,结合设置的9种变化情景(包括降雨量、灌溉量、点源排放量、面源污染量),模拟了流域内主要站点(辛集、元村、合河、庆云、四女寺、临清、观台和淇门站)的径流量、总氮、总磷质量以及流域蒸散发在不同情景下的响应.结果表明:降雨量增加25%,将增加径流量147%、总氮50.2%、总磷83.3%、蒸散发8%;灌溉量减少10%,将增加径流量约4%,降低蒸散发3%;点源污染按达标排放将减少总氮24%、总磷8%;按环境容量排放将减少总氮15%、总磷9%;按排放量消减15%,将减少总氮7%、总磷15%;面源污染量减少10%,将减少总氮4%、总磷2%.为了增加入海流量、减少入海污染量,最佳情景组合(即降雨量维持现状、灌溉用水量减少20%、点源按达标排放、面源污染量减少20%),将增加径流量43.6%,总氮和总磷含量减少29.9%和14.2%.这些结论可为漳卫南运河流域的水量配置和水质污染控制措施提供一定的科学依据.

漳卫南灌区农业水资源优化配置研究

考虑到不确定条件下漳卫南灌区农业水资源管理的复杂性,为了解决当灌区水资源用户供水目标不能满足需求时的水资源优化配置问题,结合LFP模型与TSP模型的优点,开发了一种分式两阶段随机规划模型(FTSP)。选择漳卫南灌区最大控制性工程岳城水库的两个大型供水灌区作为验证实例,模型应用结果表明,不同决策情景所对应的经济效益和缺水风险不同,最优决策实现了经济效益和缺水风险之间的平衡;不同径流水平下,各用户的正常灌溉面积会发生相应变化,高径流水平时所有用户均能得到正常灌溉。

漳卫南运河流域水污染趋势与控制

通过调查,研究漳卫南运河20年来的污染历史和发展趋势,结合流域污染源监测,全面评价流域水污染现状和形势,提出了漳卫运河水污染控制对策:明确治理目标控制排污总量;严格执法;调整产业结构,治理污染源;加强城市污水处理厂的建设与运行管理;加强流域管理;加强监测;优化水资源配置及跨流域调水。

基于指标评价法的漳卫南运河流域典型区水资源承载能力评价

分别从水资源、社会、经济和生态环境等方面选取14个评价指标,使用层次分析法及指标评价法对漳卫南运河流域3个典型区(长治市、安阳市、邯郸市)的水资源承载能力进行评价。评价结果显示,长治市水资源承载能力较差,无开发利用潜力;安阳市及邯郸市水资源承载能力非常差,水资源供需矛盾突出。本次评价结果较符合典型区实际情况,表明笔者构建的指标体系及所选研究方法较适合漳卫南运河流域,可以推广使用。

漳卫南运河流域水质时空变化特征及其污染源识别

采用聚类分析、季节性Kendall法分析了漳卫南运河流域的水质时空演变特征及水质变化趋势,采用因子分析/主成分分析法和多元回归分析法定性识别了流域水质污染的主要污染源并对其贡献率进行了计算.空间聚类和站点因子得分计算后发现,漳卫南运河流域水质空间上可以分为两大类,一类是位于流域西北部漳河中上游区域,该区域水质优良;第二类为卫河流域及漳卫南运河东部平原区,该区域水体受污染严重,水质较差,且沿途接纳点源排放口排入的污染物,水质空间变化较大.时间聚类和季节性Kendall趋势分析表明:流域水质在2002～2009年间可分为3个阶段2种变化趋势,2002～2003年为水质恶化阶段,卫河及漳卫南运河东部平原区干流水质严重污染,漳河上游及中游岳城水库水质也呈恶化趋势,但总体水质良好;2004～2006年为水质好转期,2007～2009年为第三阶段,水质进一步好转期.在2004～2009年间,流域整体水质虽然好转,但西南部的卫河流域及漳卫南运河东部平原干流区水环境状况依然堪忧.因子分析/主成分分析和多元线性回归分析结果表明,造成漳卫南运河流域水质污染的污染物主要来源于市政污水、重工业废水、化学工业废水、天然污染源和采矿活动,汛期农业生产引起的农业非点源排放以及暴雨径流引起的非点源排放也占相当比例.采用主成分多元线性回归方法评价了各种污染源的贡献率.结果可以为漳卫南运河流域水污染控制战略制定提供有益的参考.

漳卫南运河地表水中溶解态多环芳烃的污染特征、风险评价与来源辨析

研究了漳卫南运河流域地表水中USEPA16种优先控制的多环芳烃(PAHs)的分布特征和污染来源,2008年4月、10月水中PAHs总量分别在31.7～74.5ng.L-1、45.3～99.0ng.L-1之间,与国内外其他河流相比,整体处于较低污染水平.四女寺污染最严重;河口污染最轻.整体上看,10月份PAHs浓度比4月份略有增加.从16种多环芳烃单体的组成来看,漳卫南运河PAHs以2环、3环、4环为主.本研究提出了新的∑PAHs生态风险评价方法,结果表明,4、10两个月份最高风险商值(RQ∑PAHs(MPCs))均为0,最低风险商值(RQ∑PAHs(NCs))值分别在34.7～111.0、20.4～88.8之间,平均值分别为58.4、49.8.∑PAHs在7个采样点均呈现低生态风险,且4月份生态风险略高于10月份,风险最高值出现在4月份的四女寺,最低值出现在10月份的河口.源解析结果显示,漳卫南运河流域PAHs的含量和分布主要受煤炭及薪柴燃烧的影响,四女寺和河口地区受到一定的石油污染的影响.

漳卫南运河流域非点源污染负荷估算及最佳管理措施优选

制定实施流域TMDL(total maximum daily load)计划的一项关键技术就是借助水文模型量化流域非点源污染负荷,设置BMPs(best management practices),实施非点源负荷削减.采用构建的SWAT模型估算了漳卫南运河流域不同水平年(丰、平、枯)非点源负荷大小,分析了非点源负荷的空间分布特征.丰水年总氮非点源负荷占总负荷的0.07%,总磷非点源负荷占总负荷的27.24%.空间上,流域非点源输出负荷较大的区域主要为具有一定坡度的农业用地和城镇居民用地.对照基准情景非点源输出负荷,通过对47种不同BMPs控制措施的模拟,核算出不同BMPs对8个优先控制子流域的有机氮、有机磷、硝酸盐氮、溶解态磷和矿物磷共5种污染物的削减效率.通过对比分析不同BMPs的费用效益,优选出漳卫南运河流域最佳的总氮和总磷污染物削减措施为修建植被型沟渠,其TN、TP单位削减费用分别介于16.11～151.28元.kg-1和100～862.77元.kg-1之间,该项措施是47种BMPs中最经济有效的.相关研究结果可以为流域非点源污染负荷削减提供科学依据,为流域水环境改善和水生态修复提供技术支撑.

漳卫南流域种植业非点源污染径流流失评估及防治策略

利用污染物流失系数法分析评估漳卫南流域67个县种植业非点源污染径流流失量、流失强度及空间分布特征。结果表明:漳卫南流域种植业氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)径流流失量分别为128t、473t、7106t、1556t,径流流失强度分别为0.002-0.765kg·hm-2、0.003-0.746kg·hm-2、0.323-4.534kg·hm-2、0.072-1.301kg·hm-2。流域种植业污染防治重点为总氮、总磷,总氮近期重点防治县为庆云县、滑县、南乐县、乐陵市、大名县、德州市、临清市,总磷近期重点防治县为汤阴县、吴桥县、夏津县、临清市。