Ecological water demand of natural vegetation in the lower Tarim River

We have appraised the relationships between soil moisture, groundwater depth, and plant species diversity in the lower reaches of the Tarim River in western China, by analyzing field data from 25 monitoring wells across eight study sites and 25 permanent vegetation survey plots. It is noted that groundwater depth, soil moisture and plant species diversity are closely related. It has been proven that the critical phreatic water depth is five meters in the lower reaches of the Tarim River. We acquired the mean phreatic evaporation of different groundwater levels every month by averaging the two results of phreatic evaporation using the Qunk and Averyanov formulas. Based on different vegetation types and acreage with different groundwater depth, the total ecological water demand （EWD） of natural vegetation in 2005 was 2.4×10^8 m^3 in the lower reaches of the Tarim River. Analyzing the monthly EWD, we found that the EWD in the growth season （from April to September） is 81% of the year＇s total EWD. The EWD in May, June and July was 47% of the year＇s total EWD, which indicates the best time for dispensing artificial water. This research aims at realizing the sustainable development of water resources and provides a scientific basis for water resource management and sound collocation of the Tarim River Basin.

Ecological water demand:the case of the slope systems in the East Liaohe River Basin

The ecological water demand (EWD) is the least water amount required to maintain the structure and the function of the special eco-system and the temporal scale of a study on the EWD must be a season's time. Based on GIS and RS with the source information of hydrological data of 46 hydrological gauges covering 52 years and the digital images of Landsat TM in 1986, 1996 and 2000, the landscape patterns, precipitation and runoff in the East Liaohe River Basin were analyzed. With the result of the above analysis, the spatial and temporal changes of the ecological water demand in the slope systems (EWDSS) of the East Liaohe River Basin (ELRB) were derived. Landscapes in the ELRB are dispersed and strongly disturbed by human actions. The hydrological regime in ELRB has distinct spatial variations. The average annual EWDSS in the ELRB is 504.72 mm (324.08-618.89 mm), and the average EWDSS in the growth season (from May to September) is 88.29% of the year's total EWDSS .The ultimate guaranteeing ratio of the EWDSS in ELRB is 90%. The scarce EWDSS area in the whole year and in the growth season are 60.47% and 74.01% of the entire basin respectively. The trend of scarce EWDSS area is most serious according to the quantity and area of scarce EWDSS regions.

面向生态环境复苏的生态流量优化计算研究

当前多数中小河流的水环境状况不容乐观,亟需开展河道的生态环境复苏工作,在河流生态流量确定过程中也存在计算方法不易推广和生态因子难以量化的问题。面向河道生境最大程度改善的河流生态复苏通常以水量保障和水环境改善为基础,并且也是对基于自然解决方案(NbS)中自然化修复理念的有效落实。为满足北方缺水河流的生态水量要求,该研究选取指示物种,借助二维水动力栖息地模拟模型和Penman-Monteith公式,开展恢复河流功能自然化、实现河流径流自然过程的研究。首先以恢复河流自然状态为目标,并以龙河作为典型河流在时空尺度开展指示物种-生态流量计算,得出相应生态流量及年最小生态需水量。然后以生态幅范围广且易于捕获的麦穗鱼为指示物种,开展产卵期(4-6月)、幼鱼期(7-11月)和成长期(12-3月)最适生态流量确定,3个时段对应的流量分别为3.22、4.30和10.81 m^(3)/s,典型河段芦苇的最小年生态需水量为1.51万m^(3)。计算结果均能满足陆域和水体指示物种的生理需水要求。以NbS为基础的生态流量计算方法适用范围广、结果代表性强,可用于流量小、流速低的北方中小河流的生态流量计算,利于实现河湖生态环境复苏。

基于生态需水的黄河中游水平衡分析--以沁河流域为例

为推动黄河流域生态保护及高质量发展,解决地表水资源供需矛盾,亟需开展水平衡分析,建立水平衡模型,为水资源合理分配提供参考依据。作为黄河的重要支流,沁河流域位于黄河中游末端,由于近年来上游调水政策的施行以及流域内生活、生产用水的增加,用水矛盾突出,出现了河道断流、入黄水量偏枯等问题。为保障河流生态环境健康,优化引沁入汾跨流域提水工程实施后的流域水资源供需平衡,以2021年为现状年,在“自然-人工”二元水循环研究理论的指导下,运用水平衡分析理论与方法,以河道内生态需水为保障基础,对沁河流域水资源需求、供水能力与供需平衡进行了分析与讨论。结果表明:(1)沁河流域水资源供给和需求在空间分布上具有分异性,上游山西省境内各河段河道内均能够保障适宜的生态需水量,下游河南省境内,仅可满足最小生态需水量;(2)沁河流域可供给水资源总量为10.04×10^(8)m^(3),河道外生产、生活及生态用水总量为8.89×10^(8)m^(3),剩余河道内水量仅为1.15×10^(8)m^(3),仅可满足河流最小生态需水;(3)推算至2030年,流域内工业生产及生活取用地表水量将达到6.98×10^(8)m^(3),河道外用水总量将达到9.81×10^(8)m^(3),剩余水量无法满足最小生态需水。建议采用降低工业用水量、提高农田灌溉用水利用率、推广使用高效节水技术,进一步增强水资源的有效利用,改善流域生态环境。研究结果可为合理规划沁河流域水资源调度提供参考,也可为黄河中游水平衡分析提供范例。

南方平原河网河流生态需水研究进展

生态需水是保障流域水生态环境科学调控和可持续发展的重要指标,是维系平原河网生态系统的基本要素。城市的加速发展及水利工程的兴建改变了河网河流的水文特征和河床地貌演变规律,可能导致河流生态功能减弱、生物多样性减少等问题,因此,生态需水逐渐成为研究热点。归纳总结了我国南方平原河网河流生态需水研究的最新进展,根据生态需水研究现状及重难点,系统地对水文学法、水力学法等计算方法在南方平原河网典型河流中的应用进行了分析总结,探究其优缺点及适用条件。针对南方平原河网河流条件复杂多样的情况,建议根据实际情况选择适宜的生态需水计算方法,持续完善河流生态需水分区分类研究,为促进水资源高效利用和生态环境保护提供科技支撑。

基于生态系统恢复力的干旱区植被生态需水阈值计算方法与应用

本文以石羊河流域中下游为研究区,采用考虑生态系统恢复力(latitude of ecosystem resilience,LER)的月尺度生态需水评估方法计算19822020年植被月适宜生态需水量、最小生态需水量以及相应的生态缺水量,并与土壤水分特征值法(characteristic value of soil water,CVSW)进行比较,分析不同类型植被生长期的水分盈亏关系。结果表明:LER法和CVSW法计算结果相近,但LER法具有更大的生态需水阈值区间;天然降水基本可以满足植被的基本生存,但无法满足正常生长需求;LER法的适宜需水条件下,各植被生长期总体处于缺水状态,缺水严重程度排序为灌木林>其他林地>疏林地>高覆盖度草地>中覆盖度草地>有林地,全部植被生长期总适宜生态需水量为3.7×10^(8)m^(3),亏缺水量为1.2×10^(8)m^(3),同一植被亏缺水量基本符合春秋多、夏季少的规律;最小需水条件下,只有其他林地存在生长期缺水情况,全部植被生长期总最小生态需水量为0.8×10^(8)m^(3);在缺乏土壤水分数据的干旱地区,LER法具有良好的适用性。研究结果可为石羊河流域水资源高效利用和干旱区生态系统的恢复与重建提供理论参考。

青海湖流域主要河流的生态需水

为确保流域生态系统健康发展,实现水资源合理配置,基于青海省水文水资源测报中心实测布哈河口站和刚察站1961-2020年长时间序列数据,通过三性审查验证数据符合计算条件,径流量通过滑动T检验法和MannKendall(M-K)检验法进行趋势变化分析和径流突变检验。采用Tennant、近10年最枯月平均流量法、90%保证率月平均流量法和年内展布法计算布哈河与沙柳河河道内生态需水量。以改进的Tennant评价标准和满足度对4种方法进行对比分析,结果表明:年内展布法计算布哈河生态需水量较为合理,90%保证率月平均流量法计算沙柳河生态需水量较为合理,最终得出布哈河年平均生态需水量为38.4亿m^(3),沙柳河年平均生态需水量为14.12亿m^(3)。

塔里木河流域天然林草保护与修复研究

开展塔里木河流域天然林草保护与修复研究,对于复苏河湖生态环境、保护生态安全屏障、实现流域社会经济发展、实施乡村振兴等国家重大战略有重要意义。基于塔里木河流域“九源一干”自然生态系统变化趋势与现状,从稳定流域自然生态系统规模和提升生态系统功能的角度出发,通过大量的天然林草面积和覆盖度变化数据对比分析,综合设定分区保护下的流域天然林草生态保护目标和保护修复面积,并确定其相应的生态保护需水量。结果表明:天然林草保护和修复面积为1.57万km^(2),其中,保护区面积1.40万km^(2),修复区面积0.17万km^(2);流域天然林草生态保护需水总量为60.36亿m^(3),其中,基本生态需水为51.32亿m^(3),生态修复水量为9.04亿m^(3),并提出了相应生态保护与修复措施、机制。研究成果可为塔里木河流域生态保护与修复提供参考。

永定河门头沟段河道生态需水特征研究

为提高永定河门头沟段的整体生态健康状况,保障河道生态需水量,应对气候变化和人类活动对河流生态系统的影响,研究分析了该区的水文气象要素演变特征及河道生态需水的时间序列动态。根据永定河门头沟段的生态保护目标,采用环境功能设定法整合计算了包括生态基流、水生生物需水、输沙需水、自净需水和水面蒸发需水5项河道生态需水量。并通过定量分析气候变化和人类活动对径流的影响来确定河道生态需水的影响因素。结果显示,1980—2020年研究区域年平均气温呈显著上升趋势,年降水量有所增加但并不显著;1980—2020年区域河道生态需水量呈显著减少趋势,其中水生生物需水量最大。人类活动是影响区域生态需水量的最主要因素,其通过影响径流量进而影响河道生态需水量。研究结果可为未来永定河门头沟段的水量调配、水资源管理、河道生态需水量预测提供理论参考。

水量-水质-生态需水综合视角下黄河流域水稀缺评估

基于水足迹方法从水量水质生态需水综合视角下对黄河流域的水稀缺进行评估。结果表明:2021年黄河流域的蓝水足迹和灰水足迹分别为526.5亿m^(3)和3056.2亿m^(3);仅考虑水量和生态需水时,黄河流域的缺水压力较小,其中85.4%的地级市为低缺水压力,仅10.1%的地级市处于极端缺水压力;纳入水质因素后,仅15.7%的地级市为低缺水压力,而64.0%的地级市处于极端缺水压力,水质因素显著加剧了流域的缺水压力。建议协同推进水资源管理和保护,推广节水技术和水资源循环利用,重点提高农业水资源利用效率和强化农业污染治理,以缓解黄河流域经济发展与水资源限制之间的矛盾。

基于改进年内展布法的河道基本生态需水过程分析研究

为科学分析计算河流生态水文过程对径流的年内动态需求,以河南省淮河干流大坡岭站、息县站、淮滨站等3个水文断面为研究对象,基于各站1956~2016年天然月均流量数据,运用改进的年内展布法计算生态流量过程,并与原年内展布法、Q p法、近10年最枯月平均流量法、Tennant法及最小月均径流量年内过程进行综合对比分析。结果表明,淮河干流河南段从大坡岭站到息县站、淮滨站基本生态流量依次增大,各水文断面一般用水期基本生态需水量在多年年均径流量占比达10.5%~11.8%,鱼类产卵育幼期占比达24.9%~30.0%。改进的年内展布法分析结果不仅继承了原方法较好反映天然径流的年内丰枯变化规律,又可以削弱极端水文事件的影响,提高了河道基本生态需水要求的生态功能目标的满足程度,适用于分析计算季节性明显河道基本生态需水量。该计算成果客观合理,对于科学确定河道内生态需水过程具有借鉴意义。

新疆车尔臣河下游生态需水量分析

河流生态需水作为维持河流生态系统健康的关键因素,对于维护区域生态安全起着积极作用。该文以新疆车尔臣河下游为研究区,基于1990-2017年遥感数据,分析了研究区生态需水,结果表明:车尔臣河下游林地面积在1990-2017年呈现递减趋势,林地面积减少14.4%。草地面积共减少3.5%。水域面积呈现为增加趋势,水域面积增加419.6%;车尔臣河改道后,老河道内植被面积逐渐下降,至2010年后呈显著退化趋势;植被覆盖度的变化主要发生在离台特玛湖较近的下游段,特别是近10年下游段植被覆盖度呈增加的态势,下游河道两岸和湖区周边植被得以恢复;利用潜水蒸发法计算得到生态需水量为2.25亿m^(3),面积定额法计算得到1.92亿m^(3),综合得生态需水量为2.08亿m^(3)。若将苇场及以上60 km、苇场以下265 km分开计算,得到两者生态需水量分别为1.09亿m^(3)、0.85亿m^(3)。计算成果对于维护车尔臣河下游绿色走廊生态安全、实现流域水资源优化配置与高效利用具有重要参考价值。

基于水文学法和SWAT模型的北川河流域生态需水量分析

为确定北川河流域生态需水量,采用线性趋势法、Mann-Kendall检验法、Spearman检验法分析了北川河流域1959—2013年径流变化趋势,并采用Pettitt检验、滑动t检验、滑动F检验和累积距平法综合诊断径流突变点,根据Tennant法和改进的年内同频率展布法确定的生态流量过程外包线计算河道内生态需水量,并基于SWAT模型计算了河道外生态需水量。结果表明:SWAT模型在研究区具有适用性,模型性能符合“好”的标准,SWAT模型模拟的降水量和蒸发量总体呈现增加趋势,产水量呈现减少趋势;北川河流域桥头水文站径流量呈现减少趋势,年平均减少率为0.104 m^(3)/s,径流突变点为1990年;北川河流域河道内生态需水量为2.95亿m^(3),河道外生态需水量为9.95亿~10.85亿m^(3),生态总需水量为12.90亿~13.80亿m^(3)。

基于生态环境需水量反推的西江流域地表水资源可利用量计算

地表水资源可利用量是在统筹生活、生产、生态用水情况下得到的水资源综合利用阈值,其概念尚不统一、计算方法各异。应用一种较为简便的方法——间接算法计算地表水资源可利用量,尽可能减少基础资料收集及计算过程的难度。该方法综合考虑流域天然径流态势和分布特点,以及现状水资源开发利用和规划安排,从生态系统需求入手,通过计算河道内目标生态环境需水量从而间接计算地表水资源可利用量。以西江流域为例,计算的1956—2016年多年平均地表水资源可利用量为459.7亿m^(3),可利用率为20%。通过合理性分析,西江流域地表水资源可利用量既能满足本流域远期规划水平年2030年河道外需水增长的需求,也能保障河道内生态环境需水,可作为今后一段时间开展流域或区域规划修编、水量分配与调度、总量控制指标修订等工作的重要基础。

Study on integrated calculation of ecological water demand for basin system

The operation of reservoir(s) has a certain impact on the downstream hydrologic regime,and even endangers the ecological water safety of river corridor and ecosystems which interact with river system.Therefore,ecological operation needs to be carried out in order to ensure ecological water use of downstream zone.The key technological support is the estimation and integrated calculation of ecological water demand.The connotation of the integrated calculation on ecological water demand lies on that the ecological water demand of different ecosystems is integrated to meet the requirements of water allocation and operation on watershed scale in terms of hydrological cycle.Considering the practical requirement of ecological operation of reservoir(s),this study proposed an integrated calculation approach of ecological water demand according to the ecological water demand in various ecosystems as well as the hydraulic connection among them;it established an integrated calculation model of regional ecological water demand by means of the distributed hydrological model,and studied the integrated calculation in Yalong River basin which is the source area of the west route of South-North Water Transfer Project as an example.The results indicated that the integrated calculation model more effectively combined the ecological water demand and hydraulic connection of ecosystems in time and space,compared with the lumped water balance analysis,since the former conquered the defect of insufficient ecological water source and supplement on multiple spatial and temporal scales,and met the demand of ecological operation of reservoir(s).

南水北调西线工程水源区生态需水研究

可调水量一直是南水北调西线工程争论的焦点,水源区生态需水是合理确定西线工程可调水量的重要依据。分析了南水北调西线工程水源区的生态环境特征、主要生态环境保护对象,并针对西线工程水源区生态需水研究现状及存在问题提出了需要重点研究的关键科学问题:生态需水应统筹考虑川陕哲罗鲑等关键物种、河岸植被等优势群落、干旱河谷等典型生态系统,深入研究高寒脆弱区关键保护对象对水文过程的响应规律,以及协调节点-河段-河流廊道多尺度、物种-生境-生态系统多目标的生态流量需求核算。此外,提出了“识别特殊需求-建立响应关系-统筹核算水量”的生态需水研究思路,以及节约用水、科学研究、关键技术等方面的区域生态环境保护工作建议。

塔里木河流域生态廊道治理与修复对策

保护和修复塔里木河流域生态廊道,是推进生态文明建设和丝绸之路经济带建设的重要举措。以塔里木河流域“四源一干”生态廊道为例,分析了塔里木河流域生态系统变化过程,阐述了生态保护与修复存在的问题:流域资源性缺水严重且水资源时空分布不均,骨干控制性水利枢纽调控能力不足,生态水供需矛盾突出;并提出了治理建议,综合利用工程和非工程措施、优化配置水资源、实施跨流域调水工程等措施可加快流域生态廊道的保护与修复进程。

基于无人机遥测技术的湿周法计算河流生态需水研究

保障河流生态需水是合理利用水资源、进行水生态保护的基石。目前湿周法是广泛使用的一种计算河流生态需水的方法,但如何在缺资料地区方便快速建立湿周-流量关系仍是一个难点。为解决这个问题,依托无人机航空摄影测量技术,获取河道大断面形态,提取水力参数,结合曼宁公式,计算河流生态需水。研究计算邛崃市南河流域的黄塔及两河口断面的生态流量,与根据历史流量资料、使用Tennant法计算的河道生态流量对比后得出如下结论:湿周法计算的两断面生态流量分别为9.38、5.33 m3/s,Tennant法计算的生态流量为11.96和6.6 m3/s,两者计算结果接近且符合流量分布规律,证明了将无人机技术应用到湿周法,计算河流生态需水方法可行,为缺资料地区计算河流生态需水提供了新途径,为水资源开发利用和水生态保护提供了重要依据。

马拉河流域植被生态需水特征及估算

生态需水是生态用水控制和区域生态环境恢复建设的基本依据。马拉河流域拥有世界著名的生态系统,植被生态需水占流域总需水量的很大一部分。基于1980—2020年ERA5气象数据、叶面积指数(LAI)与世界土壤数据库数据,采用Penman-Monteith法计算了马拉河流域四个季节(短旱季、长雨季、长旱季、短雨季)植被生态需水量的时空变化特征。在此基础上,使用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法与7个环境因子(气温、降水、10 m风速、LAI、太阳辐射、相对湿度、地形)建立了回归模型,分别估算了2011—2020年逐年不同季节的植被生态需水量,并与Penman-Monteith法计算结果进行时间序列拟合度和空间相似性的比较。结果表明:马拉河流域植被生态需水量在过去40年所有季节都呈现为波动变化,植被生态需水量长雨季>长旱季>短雨季>短旱季,长雨季的植被生态需水量约为短旱季的1.5倍。不同季节均呈现出上下游高、中游低的植被生态需水量空间分布格局。LAI为最大的正影响因子,风速为最大的负影响因子。就不同方法估算的植被生态需水量准确性而言,RF表现最为优异,主要体现在最值估算误差最小,时间变化序列的拟合度最高,空间分布最为相似,相对误差最小,而SVM的预测结果相对最差。RF是相对最适用于马拉河流域植被生态需水量估算的算法。使用3种不同的机器学习方法估算马拉河流域不同季节植被生态需水量,并对结果进行比较,可为生态需水的估算提供技术参考。

黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨

研究河道生态需水阈值对于提升河流生态系统多样性、稳定性、持续性及河道生态需水管理具有重要意义。针对黄河流域甘肃段河流断流、水污染严重及泥沙含量高等水与生态环境问题,依据30个水文站1956—2016年的河流月径流资料,采用年内展布计算法确定生态基流量,并与自净需水量、输沙需水量按照“取大”原则整合为基本生态流量;采用逐月频率计算法确定目标生态流量。综合基本生态流量与目标生态流量分布特征,获得年内河道生态需水阈值,对其进行等级评价并分析满足程度。结果表明:年内水量较枯、较丰时段黄河干流河道生态需水阈值分别为74.78~393.29 m^(3)/s、595.35~1108.84 m^(3)/s;玛曲至上诠段支流分别为8.97~26.81 m^(3)/s、30.16~156.20 m^(3)/s;上诠至安宁渡段支流分别为0.64~11.93 m^(3)/s、3.50~124.61m^(3)/s;安宁渡以下段支流分别为5.67~7.76 m^(3)/s、14.77~30.53 m^(3)/s。河道生态需水阈值评价等级在年内水量较枯、较丰时段分别位于“一般—最佳”、“很好—最佳”;其满足程度在年内各个时段祖厉河、马莲河皆未超过67%,在水量较丰时段大通河、庄浪河未超过50%。研究成果对于研究区河道生态需水管理具有可操作性,可为黄河上游水源涵养及水资源优化配置提供一定的科学依据。