生态调度控制汉江中游入侵沉水植物过度生长效果研究

针对汉江中游江段入侵沉水植物伊乐藻(Elodea nuttallii)过度生长的问题,以2019年调查监测为基础,采用生物量、分布面积、流速、流量等指标,于2020-2021年在汉江丹江口水库联合王甫洲水利枢纽开展了控制伊乐藻过度生长的生态调度试验并评估其生态效果。结果表明:(1)丹江口−王甫洲区间适宜入侵沉水植物伊乐藻生长的水域面积达16.8 km^(2),主要分布在坝前两岸浅水区、泄水闸上游洲滩、水岸新城、中洲岛、木排港、羊皮滩等区域;(2)生态调度的控制效果显著,伊乐藻生物量和分布面积呈逐年减少趋势,其年度峰值生物量变化与春季萌发期1-3月流量极值比(r=-0.997)和生长旺盛期4−8月平均流量(r=-0.963)的相关系数均大于0.9,与全年平均流量(r=-0.748)和4−8月平均水温(r=0.732)的相关系数大于0.7,流量(流速)和水温是影响伊乐藻生物量的关键因子;(3)根据王甫洲坝前漂浮伊乐藻日打捞量与入库流量统计,可以对伊乐藻成熟团聚体产生明显冲刷影响的王甫洲入库流量(即丹江口水库下泄流量)条件为不小于1500m^(3)/s;丹江口水库峰值流量为3500m^(3)/s的单次汛期调度过程,可减少研究区间内约40%的伊乐藻生物量。

水质保护与用水效率的主从博弈稳健优化模型及其应用

水资源系统的复杂不确定性为可靠的水资源优化配置带来挑战。为实现水质保护与用水效率均衡,基于量化水资源系统不确定性的稳健参数建立了主从博弈稳健优化模型,并采用稳健对等转换法和模糊满意度算法进行联合求解。以汉江中下游流域为研究区域,结果表明:主从博弈稳健模型的均衡解劣于确定性多目标模型的优化解,模型以牺牲目标最优值为代价提高了可靠性;不确定性影响均衡解的决策范围,高不确定度下均衡解范围更宽,能够为不确定性下提升决策策略的适应性提供依据。相比于单目标的水质保护稳健模型与经济发展稳健模型,主从博弈稳健模型能提供更均衡的水资源配置方案。模型的敏感性分析揭示了目标层对稳健参数变化的响应规律。本研究可为不确定情景下水资源冲突管理提供适应性稳健决策方法。

2022年夏季汉江中下游水华生消驱动因子及其贡献率量化研究

为探究2022年夏季长江流域“汛期反枯”极端水文条件下汉江中下游首次出现的蓝藻水华成因,选取叶绿素浓度为水华表征指标,考虑各环境因子间的多重共线性关系,采用偏最小二乘回归(PLSR)量化了不同环境因子对汉江中下游仙桃、宗关断面蓝藻水华生消的贡献率。结果表明:(1)仙桃断面叶绿素a浓度与水温、pH、溶解氧和总磷均呈显著正相关关系,与氮磷比呈显著负相关关系;宗关断面叶绿素a浓度与水温、pH、溶解氧均呈显著正相关关系,与日均水位、水位日变幅、流量、总磷和氨氮均呈显著负相关关系;(2)溶解氧、pH和水温对水华生消的贡献程度较高,对仙桃断面的贡献率分别为15.18%、13.68%和14.50%,对宗关断面的贡献率分别为18.06%、15.93%和15.65%;(3)基于偏最小二乘路径模型(PLS-PM)的环境因子解析显示,气象因子是2022年夏季汉江中下游蓝藻水华暴发的诱导因子,水华“萌发”时段可能与汉江中下游涝旱急转时段重叠。建议后续研究结合准确的中长期气象预报信息,在涝旱急转时段优化汉江中下游水华防控调度的下泄流量与下泄时机,提高水华防控效果。

汉江下游流域生态流量区域特征指标的优选

在评价河流水文情势变化特征时,传统水文改变指标法(indicators of hydrologic alteration,IHA)存在的指标间相关性高和数据冗余问题会造成整体评价偏差。对汉江下游流域的河流水文情势评价时,考虑到汉江流域干支流日均流量及取水调水工程等的影响,分别选择汉江干流上的3个水文站及支流流域的3个水文站点,采用主成分分析法对6个水文站IHA指标进行优选,再利用相关性分析结果进一步筛选,优选出适用于评价汉江下游流域水文情势的13个代表性指标,分别为2月流量、4月流量、7月流量、10月流量、12月流量、基流指数、最低流量出现日期、最高流量出现日期、低流量脉冲次数、高流量持续时间、日均流量增加率、日平均流量减少率和日均流量反转数。结果表明:6个水文站的代表性指标间相关性均大幅降低,13个代表性指标间的相关系数不超过0.3的占比约70%;经变化范围评价法(range of variability approach,RVA)验证,IHA指标与优选出的代表性指标对汉江下游流域整体水文改变度评价结果的差值均小于7.5个百分点,表明其能够对汉江下游流域提供较为全面合理的水文情势变化评价。

基于耦合协调模型的复合干旱研究——以汉江中下游流域为例

近年来,流域干旱逐年加剧,城市规模扩大和人口增加,使得水资源供需矛盾突出。因此,研究气象干旱与水文干旱之间的关系对水资源的影响以及评估不同城市对干旱的脆弱性至关重要。本文提出了复合干旱概念及判别标准;基于汉江中下游1973一2020年逐月降水、径流数据,利用标准化降水指数和借助粒子群优化算法改进的标准化径流指数分析了汉江中下游气象干旱与水文干旱的时空变化;结合耦合协调度模型探究了复合干旱之间的关系及时空分布特征。结果表明:(1)时间上,汉江中下游春季干旱由水文干旱主导;夏季整体无旱;秋季干旱由气象干旱主导;冬季由气象干旱和复合干旱主导。(2)时间上,1973一2020年汉江中下游气象干旱与水文干旱整体耦合程度以较强(0.75<C≤1)为主,协调程度以中协调(0.5<D≤0.7)为主。空间上,2013年前汉江中下游各地区耦合度大小为:仙孝都市圈>荆门市>襄阳市>武汉市>天潜都市圈;2013年后各地区耦合度大小为:武汉市>天潜都市圈>襄阳市>荆门市>仙孝都市圈。(3)汉江中下游气象干旱与水文干旱耦合协调关系以高耦合中协调为主,且在研究期内耦合协调关系呈减弱状态,整体下降了7.8%。2013年以后汉江中下游流域天潜都市圈、武汉市干旱防治最为紧迫。本文提出的基于耦合协调模型研究复合干旱的思路和方法可为流域的干旱防治与发展提供理论依据,从而实现城市可持续发展。

汉江中下游重要支流目标生态流量分期控制研究

为有效推进河湖生态流量保障体系建设,采用Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、频率曲线法等方法计算分析确定了汉江中下游重要支流控制断面基本生态流量,采用适配法确定各断面生态流量分月泄放目标。研究表明:(1)汉江中下游重要支流控制断面的基本生态流量为1.16~7.50 m^(3)/s,占年均流量的5%~15%。除南河谷城断面受金盆沟电站发电引水导致满足度偏低外,其他断面满足度均高于90%,可作为生态流量管控依据。(2)各断面生存流量分月控制目标为1.16~55.00 m^(3)/s,年泄放量占年均径流量的20%,月均满足度可达80%以上。研究成果可为健全法规体系、强化工程生态调度、汉江流域水资源保护及监督管理提供参考依据。

南水北调中线供水区水域面积变化遥感分析

为更好地研究调水对供水区域水域面积的影响,利用遥感技术研究了南水北调中线工程调水前后供水区及其下游四季的水域面积变化情况及其动因。研究表明:在调水工程实施之后,汉江中下游区域出现了水域面积大幅度下降的情况,汉江流域水域面积从2011年到2015年整体减少,尤其是春夏季水域面积减少最多,春季减少52.6km^(2),夏季减少65.8km^(2),减少比例达到17.3%,秋季和冬季水域面积减少幅度较小,秋季水域面积减少23.4km^(2),冬季水域面积减少最少,为4.2km^(2)。

月度防控视角下韩江下游城镇地质灾害危险性评价

华南山区地质环境条件复杂,地质灾害频发,亟需开展区域地质灾害危险性评价,解决“地质灾害最可能发生月度及相应易发区在哪里”的问题,以针对性地分级、分阶段部署相应防控措施,有效降低地质灾害可能造成的损失。以韩江下游广东省梅州市留隍镇为例,选取坡度、坡形、高程、工程地质岩组、土层厚度、距断裂距离、植被NDVI值与用地类型共8个评价指标,通过灾害频率比(FR)模型对指标分级赋值;采用灰色关联度法计算指标权重,结合信息量模型完成研究区地质灾害易发性评价,并通过ROC曲线对结果进行验证;在易发性评价的基础上,将月度作为最小时间评价尺度,以历史发灾记录最大月均降雨量作为激发极值优化降雨假设模型,计算1~12月地质灾害发生概率,并完成各月度地质灾害危险性评价及分区。结果表明:①总体上,留隍镇地质灾害共划分为低易发区、中易发区、高易发区、极高易发区4类易发区,各区面积占比分别为58.60%,22.99%,13.39%,5.02%,经ROC曲线检验评价精度达到0.81,表明评价结果客观有效。②月度地质灾害危险性评价结果显示,5~8月留隍镇地质灾害发生概率最大,建议将其作为全年重点防御时段;且集中分布于留隍镇北部、中部及南部,建议将上述区域作为重点防御区。研究成果可为研究区域年内不同月度地灾防控工作安排及防控措施动态调整提供参考。

汉江中下游皇庄站年最低水位变化及成因分析

近年来汉江中下游多次出现特枯低水位,为探究其原因,分析了1950~2022年汉江中下游干流皇庄站年最低水位变化趋势,并分析了断面、流量、含沙量等引起年最低水位变化的影响因素。结果表明:1950~2022年,皇庄站年最低水位呈明显波动下降趋势。皇庄站历年年最低水位的最高值出现在1954年的1月,为43.59 m;最低值出现在2022年的10月,为38.47 m;多年平均值为41.29 m。最高值与最低值之间变幅为5.12 m。河段的持续冲刷下切是影响皇庄站年最低水位变化的最显著因素;受上游水库群的调蓄及河段内丁坝等航道整治工程影响,皇庄站过水断面持续冲刷下切,导致皇庄站年最低水位变化。

Reconstructing the extraordinary palaeoflood events during 3200-2800 a BP in the upper reaches of Hanjiang River Valley, China

Palaeoflood hydrology study is a leading subject in global change study. Through field investigation in the upper reaches of Hanjiang River, palaeoflood slackwater deposits （SWD） were found in the bedrock gorges of the Yunxi reach. The results of field observation, laboratory analysis including particle-size distribution and magnetic susceptibility, and com- parison with modern flood deposits, the SWD were identified as the most typical Holocene palaeoflood deposits of the Hanjiang River. By using stratig;aphic correlation and OSL dating method, the palaeoflood event was dated to be 3200-2800 a BP at the turn from the middle to late Holocene. According to the palaeoflood peak stage and hydraulic parameters, the peak discharges of the palaeoflood were reconstructed as 48,830-51,710 m3/s by using the slope-area method. At same time, the flood peak discharges of 1983, 2005 and 2010 severe floods were reconstructed with the same method and hydraulic parameters in the same cross section. The error between the reconstructed and gauged discharges was 1.99%-4.21%. This showed that the reconstructed palaeoflood peak discharges were reliable. The flood peak discharge-frequency relationship at 10,000-year time scale was established by a com- bination of the gauged flood, historical flood and palaeoflood hydrological data. These results are very important for hydraulic engineering and flood mitigation on the Hanjiang River.

汉江上游气象-水文干旱特征变量响应概率研究

为揭示汉江上游气象水文干旱特征变量响应关系,分别选用标准化降水指数、标准化径流指数表征气象干旱和水文干旱,采用线性、非线性函数模型构建气象水文干旱特征变量响应模型,进而构建了基于Copula函数耦合贝叶斯网络概率模型的气象水文干旱特征变量响应概率曲线。结果表明:气象水文干旱历时和烈度的最优响应模型分别为线性函数模型和基于Gumbel Copula函数的非线性模型;干旱历时和烈度的最优联合分布函数分别为Frank Copula函数和Gumbel Copula函数;水文干旱历时、烈度的响应概率随对应的气象干旱特征变量的增加而增加,水文干旱历时响应概率变化速率逐渐减小,最后趋于平缓,水文干旱烈度响应概率变化速率较小。

汉江上游水体沉积物污染状况分析与评价

为研究汉江上游水体沉积物污染状况及其来源,以汉江上游水体17个样点沉积物为对象,测定了沉积物中有机氯化合物(α-666;β-666;γ-666;δ-666;4,4’-DDE;4,4’-DDD;2,4’-DDT;4,4’-DDT)和重金属元素(V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb)的含量,采用地累积指数法和潜在生态风险指数评价了重金属污染状况,并结合冗余分析和多元统计分析探讨沉积物理化性质与重金属的关系以及重金属的来源。结果表明,所有样点沉积物中有机氯化合物的含量水平均较低,未对生态环境产生影响,但仍需注意预防此类污染;所有样点重金属除Cd为偏强度污染程度外,其余元素均显示为无污染—轻度污染程度。潜在生态风险分析显示,重金属元素总体处于极重潜在风险,对环境造成污染的样点中贡献最大的是Cd,是研究区域环境生态风险的主要影响因子;冗余分析表明该研究区域沉积物的理化性质和重金属含量没有显著性关系;多元统计分析表明,Cd、Pb可能与农业生产资料(化肥、农药等)的施用和工业“三废”的排放有关,属于人为源;V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As的含量主要与岩石的自然风化有关,部分样点与工业废水和农业活动有关,污染源主要是自然源。综合研究表明,由Cd污染为主的汉江上游沉积物重金属潜在生态危害应引起重视。

汉江兴隆枢纽坝下枯水位下降成因浅析

汉江兴隆水利枢纽运行后,500~800 m^(3)/s流量下,2021年较运行前坝下水位累计下降2.47~2.55 m,对工程安全及效益发挥带来不利影响。深入研究枯水位下降成因,发现南水北调中线调水及补偿工程实施后,汉江中下游水沙条件变异,“清水下泄”导致河床冲刷;枢纽建设致使坝下局部河势调整,深泓摆动频繁、主流线坐弯延长、过水面积及河槽容积增大;局部航道整治工程的实施促使原滩体萎缩、新主槽刷深;引江济汉补水工程增强了中枯期水流冲刷动力等,上述因素综合导致兴隆坝下枯水位显著降低。

汉江中下游水华发展新形势及治理对策分析

随着汉江沿岸经济社会的快速发展以及梯级水利枢纽的相继建成运行,汉江水环境和水动力条件也发生了较大变化,汉江中下游“水华”暴发频率不断增加,给区域水安全保障带来严峻挑战。2022年夏季,在长江流域“汛期反枯”的极端水文条件下,汉江中下游首次发现了蓝藻水华。依托长江流域水质监测中心现有监测站网及时开展了水华应急监测,对监测资料进行了综合分析,结合以往研究成果,初步分析2022年夏季水华成因,提出相应对策及建议。结果表明:①流域水体高营养盐水平仍是本次夏季水华发生的前提条件,高温、强辐射、高pH值是诱发因子,河道水量偏少是外部驱动条件。②汉江水华的时空分布和影响范围有扩大趋势,水体富营养化程度有加重趋势;加强水工程联合运用,改善水动力条件,调节环境容量,是缓减汉江中下游水华问题的最直接途径。③提出了优化综合站网布局、强化全要素动态监测、加强水华基础研究、建立水华防控协同机制等对策建议。

南水北调中线工程与汉江中下游地区可持续发展

汉江是长江最大的支流,汉江中下游地区是湖北省经济基础最强的地区。同时汉江流域也存在着洪涝灾害威胁大、水资源开发利用水平不高、环境建设和生态保护力度不够、传统的工农业生产方式和产业结构加重环境的恶化、管理体制不顺等问题。南水北调中线工程以及配套工程的实施,对汉江流域的经济发展将起推动作用,同时从汉江的丹江口水库调水,将改变汉江中下游的水资源分配,社会经济发展与生态环境的协调将会出现新的矛盾。要解决好流域经济发展问题,必须把握好建设南水北调中线工程的机遇,更新观念,加强前期研究和规划,注重生态环境的保护和示范工程的建设,建立相应的政策法规和流域管理体制,全面保证汉江中下游地区的可持续发展。

汉江中下游江段藻类现状调查及“水华”成因分析

汉江是长江的最大支流,全长1532km,年径流总量为591亿m3,流域面积15.1万km2。汉江既是湖北省主要航道之一,又是沿岸居民生活用水和工业用水的重要水源。早在70年代,汉江的水质一直符合地面水II级标准,但自90年代以来,汉江的水质逐年下降,并分别于1992年和1998年的初春先后两次发生硅藻大量繁殖,水色发褐并伴有异味。本文在调查汉江中、下游江段藻类现状的基础上,对硅藻猛增并出现水华征兆的成因进行了分析,结果显示,在汉江中、下游的纳污江段及河湾处,水质污染问题十分严峻,其中汉江下游江段的水质比中游江段的差,武汉江段的水质最差。水体中丰富的氮磷养分是硅藻大量繁殖的主要因素。控制高浓度污水排入汉江是防治藻类过量繁殖和保护汉江水质免遭进一步破坏的关键。

汉江中游鱼类资源现状

2003-2004年在汉江中游江段共监测654船次，统计渔获物6914．16 kg，生物学测定1682尾鱼，共采集鱼类78 种，隶属18科58属．目前汉江中游渔获物组成和结构与20世纪70年代相比发生了较大变化，翘嘴红鲌、瓦氏黄颡鱼、鲶、 鲢、黄尾鲴、大鳍蠖等在渔获物中比例已经很少；草鱼资源也明显下降；铜鱼、青鱼、蒙古红鲐、鳡、细鳞斜颌鲴、吻鮈 、长吻 鮠、拟尖头红鲌、鳙、鳜等在渔获物中已基本消失；而鲤、鲫、黄颡鱼、长春鳊、赤服鳟等中小型鱼类在渔获物中的比例却相 对上升；渔获物中个体大的鱼减少，低龄鱼及幼鱼个体比重增加．与70年代资料相比，汉江中游鱼类资源已呈衰退趋势．

汉江中游产漂流性卵鱼类产卵场的现状

于2004年5—8月对汉江中游江段产漂流性卵鱼类产卵场的现状进行了调查。结果表明：汉江中游现有产漂流性卵的鱼类16种，其中经济鱼类仅有草鱼Ctenopharyngodon idellus 、青鱼Mylopharyngodon plceus、鲢Hypophthalmichthys rnolitrix、鳙Aristichthys nobilis、长春鳊Parabramis pekinenzis、赤眼鳟Squaliobarbus curdculus螂等8种；产漂流性卵鱼类产卵和产卵的规模与江水的温度、流量、流速、涨水持续的时间紧密相关；汉江中游干流和支流唐白河共有11个经济鱼类产卵场，20个小型鱼类产卵场；干流鱼类产漂流性卵1632651万粒，“四大家鱼”、其它经济鱼类和小型鱼类分别占0．57％、2．23％和97．20％；支流唐白河鱼类产漂流性卵52985万粒，“四大家鱼”、其它经济鱼类、小型鱼类分别占0、14．15％和85．85％。与20世纪70年代相比，产漂流性卵鱼类种类减少9种，全部为经济鱼类；汉江中游干流产卵量增加2．59倍，支流唐白河的产卵量减少76．17％；“四大家鱼”和其它经济鱼类分别减少89．97％和80．17％；干流王甫洲和襄樊的2个重要经济鱼类产卵场与支流唐白河12种经济鱼类的产卵场消失，而小型鱼类产卵量增加9．48倍。汉江中游经济鱼类资源呈衰退趋势。

汉江中游江段四大家鱼产卵场现状的初步研究

为掌握汉江中游四大家鱼产卵场的现状，2004年5—8月分别设固定断面和流动采集鱼卵（仔鱼）。鱼卵漂流距离（S）用当时水温条件下胚胎发育经历时间（T）乘以江水平均流速（V）估算，即S=V·T，把产卵集中的江段确定为产卵场；产卵规模（M）根据采样点采获的相近发育期的鱼卵数（m）、采样点断面江水流量（Q）、采样网口流速（V＇）、采样断面卵（仔鱼）密度系数（C）和采样网口面积（0．39）估算，即M=m·Q·C／0．39·V＇。结果表明，汉江中游干流有四大家鱼产卵场5个，产卵场长度占该江段干流长度的36．22％，产卵总量为0．933×10^8粒，其中青鱼（Mylopharyngodon piceus）、草鱼（Ctenopharyngodon idellus）、鲢（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）分别为7．28×10^6粒、6．125×10^7粒、2．067×10^7粒和4．10×10^6粒，左岸支流唐白河无四大家鱼产卵；四大家鱼产卵和产卵的规模与江水的温度、涨水持续的时间、流速、流态紧密相关；2004年四大家鱼的产卵量仅相当于1976年监测结果的6．71％，汉江中游四大家鱼资源已严重衰退。

气候变化对汉江上游径流的影响

根据汉江上游安康以上流域1961—2005年历年逐月气温和降水量资料,统计分析了近45a流域气候变化的基本特点。同时,通过对各站气温、降水量与安康站径流量的相关计算,建立了天然径流量气候模型,并分析了径流量对气候变化响应的敏感性。结果表明:1)近45a来汉江上游安康以上流域的年平均气温呈上升趋势;降水量呈递减趋势,90年代以后减少更为显著。2)在过去45a中,汉江上游径流量总体呈下降趋势;1961年以来,汉江上游径流量大体经历了两个丰水段和两个枯水段;1985年发生跃变,以前呈微弱的上升趋势,以后呈下降趋势。3)径流量与区域年平均气温呈负相关,而与年降水量呈较显著的正相关,年径流量对降水变化的响应较其对气温变化的响应更为敏感。