基于BHM-EcoFlow模型的汉江中下游河段水文-生态响应关系研究

河流水文-生态响应关系是确定生态流量阈值的科学基础。针对当前河流水文-生态响应关系研究中生态数据不足且生态建模难度大的问题,建立了基于贝叶斯层次分析法的BHM-EcoFlow(Bayesian hierarchical modelling-ecological flow)模型,该模型将河流不同河段及同一河段不同站点间的先验知识与实测数据相结合,可有效利用短系列数据,实现河流水文-生态响应关系的模拟。采用汉江中下游干流2011年的水文、生态数据,模拟了浮游植物细胞密度与流量、混合层温度间的关系,计算了不同流量条件下各河段的浮游植物密度。结果表明:BHM-EcoFlow模型提高了短系列数据的可用性,对汉江中下游干流的水文-生态响应关系具有良好的识别能力,为确定生态流量提供了科学依据。

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。

汉江中下游水质时空特征及环境流量确定

近年来,汉江中下游水质问题频发,且河道内环境流量尚未明确,严重威胁沿岸用水安全。为探明汉江中下游水质时空分布特征和河道环境流量,收集调研了2015—2019年汉江中下游黄家港、襄阳、皇庄、沙洋、潜江、仙桃和汉川等7个控制断面的pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷5项水质指标,基于水质单因子评价方法分析了水质时空变化特征。通过建立一维水动力-水质模型,构建了基于保障各控制断面水质的环境流量计算方法;根据不同水源的输入,计算了汉江中下游河道环境流量,并提出了保障方案。结果表明,汉江中下游丰水期氨氮和枯水期总磷在皇庄以下断面均未达到Ⅱ类水标准,氨氮沿程变化不明显,总磷从上游至下游逐渐升高。环境流量保障需结合引江济汉补水工程和丹江口下泄流量,丰水期和枯水期当引调长江水分别为500 m^(3)/s和350 m^(3)/s时,还需丹江口水库分别下泄214 m^(3)/s和315 m^(3)/s才能满足河道内的环境流量。研究为汉江中下游水质安全保障和合理分配丹江口水资源提供了参考。

水运枢纽梯级开发对汉江中下游水质时空变化影响分析

为全面了解水运枢纽梯级开发对汉江中下游水质时空变化的累积影响情况,收集了汉江中下游7个断面近5 a高锰酸盐指数(CODMN)、总氮(TN)、总磷(TP)和氨氮(NH_(3)-N)监测数据和四个断面近10 a的高锰酸盐指数、总磷、氨氮监测数据。在分析水质时空变化的基础上,利用Pearson相关系数和Mann-Kendall突变检验以及一维水动力模型,综合分析了梯级建设对汉江中下游水质时空变化和水动力环境的影响。结果表明:坝址的建设可能会使下游高锰酸盐指数短暂升高,但对其上游和下游断面的总磷浓度没有显著影响。随着坝址的建设,兴隆下游总磷浓度呈上升趋势。集家咀氨氮突变发生在2012年,其余断面氨氮突变皆发生在2015年之后,4个断面高锰酸盐指数和总磷突变时间基本发生在2010年—2015年。兴隆坝址上游丹江口坝下和襄阳断面的高锰酸盐指数、氨氮和总磷的相关性系数较显著,仙桃和集家咀断面没有表现出明显的相关性。雅口航运枢纽建成运行后,雅口坝上水位增大、流速减小;汉江中下游水利枢纽全部建成后,各河段流速略有减小。

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。

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)。

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。

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。

丹江口—王甫洲区间河道伊乐藻灾害原因与治理措施初探

沉水植物的大规模生长会给河道、湖泊和水库发挥水利功能带来严重危害,伊乐藻便是其中一种在全球广泛传播,并给世界多国带来经济和生态等多种不利影响的沉水植物。2017年和2019年丹江口—王甫洲区间河道爆发伊乐藻“草灾”,严重影响了王甫洲水电站的发电、航运、供水等功能发挥,并对泄洪以及区域水质和水生态安全造成威胁。调查分析了伊乐藻生长时空特征、灾害原因及其影响,基于国内外沉水植物治理措施,结合丹江口—王甫洲区间河道伊乐藻生长特性以及水生态环境保护等方面的要求,提出了生态调度和局部地形改造的物理治理方法,塑造不适宜伊乐藻生长的地形和水动力环境,从而在根本上抑制伊乐藻的生长繁殖,破解伊乐藻“草灾”难题。

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。

汉江中下游硅藻水华研究进展与展望

汉江中下游1992年首次暴发水华,至2018年已累计发生10余次。汉江水华的优势藻种为硅藻,暴发时间主要集中在春季1-3月,水华发生河段主要分布在皇庄水文站以下的汉江下游,丹江口至皇庄区间的汉江中游河段水华发生频次较少。从汉江水华优势藻种及其生物学特性、水华暴发特征与成因、水华的预测与调控等方面对目前的研究成果进行系统总结。汉江中下游水华防控面临新的挑战,未来仍需在环境因子对硅藻水华生消的影响机理、水华预测模型与方法、水华预警和抑制水华生态调度技术等方面继续深入研究。

南水北调中线工程与汉江中下游地区相互影响分析

随着社会、经济和人口的发展,需水量不断增加,中国北方地区水资源紧缺严重地限制社会和经济的发展。南水北调中线工程从丹江口水库调走部分水量,在解决我国北方地区缺水问题的同时,也在一定程度上改变了汉江中下游地区水资源供需关系。从水资源可持续利用的角度,系统地分析了南水北调中线工程和汉江中下游地区水资源利用相互关系。在此基础上,提出了南水北调中线和汉江中下游干流供水区水资源可持续利用的对策建议。

汉江中下游春季浮游甲壳动物群落结构的空间差异

2002年4月,在汉江中下游从丹江口坝上至其河口沿途设17个采样点,共采集到浮游甲壳动物10科26属33种,其中桡足类4科10属11种,枝角类6科16属22种。根据各采样点的种类组成和数量分布,采用Shannon Wiener指数、Simpson指数和Pielou均匀度指数分析了不同江段浮游甲壳动物的群落多样性特征,并运用SOM人工神经网络方法对其群落结构的空间差异进行了比较。结果表明,汉江中下游江段浮游甲壳动物的密度分布呈现出中游高于下游的特征,而物种丰度和群落多样性指数则是下游高于中游;中游上段的属于密度高但多样性低的群落、中游下段和汉江口属于密度较低但多样性高的群落,下游除汉江口外属于密度和多样性均较低的群落。

2015-2016年汉江中下游硅藻水华发生成因分析

为了探究汉江中下游多年春季易发生硅藻水华的成因,2015年和2016年早春水华发生期在汉江干流布设8个点位(黄家港、襄阳、皇庄、沙洋、兴隆闸、泽口、仙桃、蔡甸),进行密集的浮游植物定性定量监测,同时监测总氮、总磷、硅酸盐、水温、p H和溶解氧等水质理化指标,并搜集水华期汉江中下游干流各水文站的流量数据,分析理化指标与水华细胞密度之间的相关性以及流量与水华细胞密度之间的关系。结果表明,自皇庄以下,水华发生期浮游植物密度高于107个/L,优势种为冠盘藻属(Stephanodiscus),达总生物量的95%以上;各样点浮游植物细胞密度与硅酸盐浓度、硅氮比均呈显著正相关(P<0.01);在考虑上下游点位距离和时间推移的交互作用下,通过逐步向前回归方法拟合多元线性回归模型,发现采样时间和采样点位间距与细胞密度呈极其强烈的显著正相关(P<0.001),流量与细胞密度呈极其强烈的显著负相关(P<0.001)。适宜的早春气候条件、较高的硅氮比、低流量是汉江中下游硅藻水华发生的原因。建议在控源截污的基础上,应注意早春时节对重要站点的流量监控,适时增加下泄流量以防控硅藻水华的发生。

汉江中下游梯级枢纽联合生态调度对产漂流性卵鱼类自然繁殖的效应研究

为促进汉江中下游鱼类繁殖,2018年6月汉江中下游首次实施梯级联合生态调度试验.该研究在汉江中下游钟祥、沙洋、泽口、仙桃江段设置监测断面,采集鱼类早期资源,并在兴隆枢纽泄洪闸上、下开展鱼类溯流集群情况监测,以分析生态调度对促进汉江中下游鱼类繁殖的效果.监测结果表明汉江中下游鱼卵种类共有26种(属),其中产漂流性卵鱼类22种.监测期间漂流性卵径流量为143411万粒,其中四大家鱼卵径流量为4887万粒,占3.41%,推测汉江中下游有6处成规模的产漂流性卵鱼类产卵场.生态调度期间,坝下鱼类溯流集群随兴隆枢纽调度过程发生变化,钟祥和仙桃江段均出现两次鱼类产卵高峰,鱼卵径流量占总径流量的61.66%,并监测到四大家鱼卵,表明梯级联合生态调度结合区间来水,对汉江下游鱼类,特别是四大家鱼的繁殖具有积极的作用.

汉江中下游地区粮食安全问题与对策

分析了我国重要粮仓之一汉江中下游地区的粮食安全状况,讨论了粮食生产所面临的机遇和挑战,针对粮食安全发展所面临的问题,从5个方面提出了汉江中下游地区未来粮食安全保障的对策:保护耕地资源与农业环境;加强水利现代化建设;推进科技兴农;调整粮食作物品种;调整农业的产业结构.

汉江中下游底栖动物群落结构特征研究

2011年7月(丰水期)、10月(平水期)和2012年4月(枯水期)对汉江中下游段底栖动物进行调查。共采集到底栖动物57种,隶属4门7纲15目31科,其中水生昆虫31种、寡毛类3种、软体动物13种、其他类群10种。常见种为钩虾(Gammaridae sp)、长臂虾种1(Palaemonidae sp1)、匙指虾(Atyidae sp)、苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi)、梨形环棱螺(Bellamya purificata)、方格短沟蜷(Semisulcospira cancellata)和椭圆萝卜螺(Radix swinhoei)。检出物种数排序为枯水期>丰水期>平水期,中游段检出的物种数(50种)明显多于下游段(22种),中下游出现频率均大于30%的物种有方格短沟蜷、椭圆萝卜螺和长臂虾种1。汉江中、下游的底栖动物群落结构差异不显著(P=0.1423),方格短沟蜷、长臂虾种1、梨形环棱螺、多足摇蚊、钩虾和匙指虾对中下游底栖动物群落结构差异的贡献率均超过5%,累计贡献率达57.55%。底栖动物群落结构组成上枯水期和丰水期(P=0.0961)、枯水期和平水期(P=0.1261)差异均不显著,丰水期和平水期差异达到显著水平(P=0.002)。钩虾和方格短沟蜷对枯水期和丰水期之间底栖动物群落结构差异的贡献率超过10%,长臂虾种1、方格短沟蜷和栉水虱对枯水期和平水期以及丰水期和平水期之间底栖动物群落结构差异的贡献率均超过11%。底栖动物平均密度枯水期199.71个/m2,丰水期168.45个/m2,平水期160.71个/m2;平均生物量平水期45.59 g/m2,丰水期40.7981 g/m2,枯水期37.0052 g/m2。底栖动物的密度和生物量在各时期的差异均不显著(P>0.05),但在空间分布上中游(丹江口-皇庄)高于下游(皇庄以下)(P=0.0813)。Shannon-Wiener指数枯水期1.6121,丰水期1.5197,平水期0.7868,从中游往下,生物多样性逐渐降低。