干旱区受损植被生态恢复需水量——以新疆哈巴河县平原区为例

[目的]分析干旱区受损植被恢复过程中生态需水量,为生态恢复不同阶段所需水资源量及水资源优化配置提供科学依据。[方法]基于1990,2000,2010,2015,2020年Landsat系列影像,采用遥感技术,结合改进的彭曼公式法,对新疆哈巴河县平原区植被耗水量时空演变特征及生态恢复需水量进行了定量研究。[结果]①1990—2020年天然植被平均耗水量为7.55×10^(8)m^(3),以3.60×10^(7)m^(3)/5 a的速率减小,与之对应的是天然植被面积以17.36 km 2/a的速率减小,植被覆盖度从高植被覆盖度向中植被覆盖度转化,生态受损严重。②区域内植被耗水量时空分布均存在较大差异:空间上高值主要分布于哈巴河流域,别列则克河流域植被耗水量整体偏低;时间上年际变化以2000年植被耗水量为最高,年内植被耗水量则主要集中在生长中期。③绿洲区生态恢复需水量如下:维持现状(2020年)生态需水量为4.62×10^(8)m^(3),恢复到1990—2020年生态平均水平生态需水量为6.65×10^(8)m^(3),达到1990—2020年生态最佳水平(2000年)生态需水量为9.55×10^(8)m^(3)。[结论]在人为与自然二元作用下,灌区1990—2020年生态环境整体呈现退化趋势,生态耗水空间分配失衡,受损植被生态恢复需水量时空配置应根据耗水时空分布进行优化完善。

干旱半干旱区“三生融合”视角下水平衡策略研究——以新疆哈巴河县为例

以新疆阿勒泰地区典型区域哈巴河县为研究对象,对区域的水问题现状进行分析,开展“生产—生活—生态”三生空间功能融合(即“三生融合”)的区域协调发展研究,重点探讨哈巴河县实现生态环境和经济社会良性协调发展的水平衡调控策略,将水资源与绿色产业发展、生态小城镇景城一体建设、居民生活品质综合提升等有机融合,以促进水与城镇、农业、生态、文明和谐发展,形成人与自然和谐共生的生态文明格局。研究对新疆干旱半干旱区域水平衡发展具有重要的借鉴意义。

注重干旱区河谷林草生态保护与修复的漓漫灌溉研究

为提高干旱地区灌溉效率,保障河谷林草的正常生长,本文以额尔齐斯河流域为研究对象,深入阐述了漓漫灌溉理论,提出了漓漫灌溉主要技术。据此分析计算了流域内河谷林草的生态需水量,制定了河谷林草的漓漫灌溉制度,相比传统的农业灌溉,更注重于考虑生态的修复和保护。计算结果表明:(1)河谷林草的生态需水集中在4—9月,且缺水量最大在6月下旬—7月上旬,为漓漫灌溉生态调度起始时间的界定奠定了技术支撑;(2)生态工程布置和漓漫灌溉分区确定的生态工程与灌区一一对应的靶区漓漫灌溉模式有助于改善河道外植被的供水条件,保证河谷林草最大程度地吸纳水分;(3)制定的漓漫灌溉制度可为灌溉工程规划设计以及灌区用水管理提供依据。在实施漓漫灌溉后,通过生态工程和非工程措施实现了河谷林草的生态保护目标,流域内河谷林草的生态得到有效恢复和改善。研究成果对促进流域河谷林草、湿地等生态目标的改善和实施具有重要的理论意义和实用价值,为确保流域社会经济用水与生态用水之间的相对均衡、保护与修复流域内河谷林草的生境提供了技术支撑。

西北“水三线”生态经济体系与调控模式研究

在黄河流域生态保护和高质量发展以及新时代推进西部大开发形成新格局的战略背景下,地跨黄河流域和内流河流域的西北“水三线”,如何顺应生态本底、资源禀赋和经济社会发展水平,落实2个重大战略,因地制宜构建区域特色的生态经济体系框架及协调发展模式,是当前亟待解决的重大问题。基于已有的生态经济理论成果,遵循“绿水青山就是金山银山”发展理念和“人与自然和谐共生”的系统理念,构建西北“水三线”生态经济体系概念框架,识别体系子系统之间的相互作用关系与作用路径,基于核心理论和基础评价,提出适应西北“水三线”生态经济系的四大发展模式和四大生态经济枢纽区建设,进行生态农业建设布局与农业发展模式总结,明确生态经济枢纽区的城乡统筹发展基本路径。研究认为西北“水三线”生态经济体系概念框架可为建设西北内陆型生态经济枢纽区及其核心模式、实现区域生态-经济协调发展提供关键理论支撑。

生态输水工程对水系连通的多维影响:以塔里木河为例

生态输水工程一方面缓解了水资源时空分布不均的难题,另一方面改变了水系自然连通状态。本文结合图论与景观格局指数法,从形态、结构、功能三个维度构建水系连通评价指标体系,分析塔里木河干流生态输水工程实施前后,上、中、下游水系连通格局的时空演变。综合水系连通指数计算结果表明,生态输水以来上、中游水系连通指数先上升后渐趋稳定。生态输水之前由于断流,下游各维水系连通指数均呈下降趋势,生态输水以来下游水系连通指数开始上升,其中形态与结构连通指数响应较快,功能连通指数响应较慢。从趋势来看,水系连通指数不会随着生态输水工程的实施持续上升,而是存在一定的阈值。形态连通方面,生态输水后,上、中游水域由大面积连续斑块向小面积破碎斑块转化,下游大面积水域斑块增多。结构连通方面,水系连通时长增加,其中下游最为显著;生态输水前期上、中游水域面积减少,下游水域面积增加;输水后期流域整体水域面积增加,但上、中游持续和周期连通水域面积增幅减小,而下游增幅显著。功能连通方面,上、中游以供给和支持功能占主导,下游随着生态输水的进行,各类功能占比渐趋均衡。生态输水水量与各维水系连通指数均表现为正相关,水系形态、结构连通指数响应较快,功能连通指响应较慢,由此可见生态输水对塔里木河干流水系连通的提升具有积极效益。研究结果可为生态输水实践提供技术支撑。

近60年新疆水资源变化及可持续利用思考

新疆近60年来气温和降水呈逐渐升高和丰沛的趋势,其境内因冰川融水补给而产生的地表径流量也呈现增加趋势,目前总体处于“暖湿型”气候特征。特别是2000年以后,当地的可利用淡水资源量在时空上的分布变得更加不均衡,用水总量增速过快、农业用水占比过高、用水效率过低等问题,使得当地水土资源间的关系逐渐趋于失稳、失衡的状态。虽然当前的用水效率和经济效益相比过去有了较大提高,但仍有进一步提升和高质量发展的空间。因此,在气候变化条件下,应高度重视和积极应对水资源给当地社会经济发展所带来的不确定性,优化“三生”用水结构,科学管理水资源,注重水资源的合理配置和高效利用。

注重荒漠区胡杨林生态保护与修复的汊渗轮灌研究

针对传统生态调度"只放不灌""大水漫灌"造成的生态水利用效率低、灌溉面积有限等实际问题,本文基于荒漠区耐旱性植被胡杨特殊的生物节律,提出汊渗轮灌的灌溉理念,明确了汊渗轮灌的定义、内涵,构建了汊渗轮灌系统和灌溉模式,搭建了汊渗轮灌的基本框架。以我国最大的内陆河塔里木河下游为例,基于汊渗轮灌的灌溉模式优化塔河下游原有的工程布局,构建双通道+沟道、汊河的面状生态输水新方式,制定了大西海子水库实时生态调度方案,与胡杨林的汊渗轮灌系统相结合,实现了2020年塔河下游生态调度与汊渗轮灌的应用实践。研究表明:(1)相比于以前生态水在河道和台特玛湖无效蒸发,此次生态水量的蒸发量仅占总水量的0.4%,生态水的利用效率超过83%,大大提高了生态水的利用效率;(2)试验区地下水位提升0.28~0.84 m,地下水存储水量约128万m^(3),初步实现了储水于地下的"地下生态水银行",保障了生态调度与汊渗轮灌的可持续性;(3)汊渗轮灌新增生态输水长度7 km,新增胡杨林生态修复面积60万m^(2),为胡杨林的漂种、发芽、生长等健康生境提供了良好保障。研究成果可为荒漠区保护性植被的生态保护与修复提供新的思路和方法。

生态水利学初探

为了适应国家生态文明建设战略需要,必须与时俱进地将传统水利转变为生态水利,以满足和支撑生态保护与高质量发展目标要求。分析了1949年以来我国水利发展经历的工程水利、环境水利、资源水利和生态水利4个阶段,生态水利发展经历的生态工程、生态水利工程、生态水利3个阶段,论述了生态水利与生态水利学的关系,阐明了构建生态水利学的目的和意义,结合国内外相关研究成果和生态水利的概念,初步探讨了生态水利学的定义、内涵、特征、研究对象、基本原理与方法、研究任务与内容等,并构建了生态水利学体系框架。研究表明:生态水利学是一门多学科交叉的新型课程,其横跨自然科学、工程技术科学以及人文与社会科学三大领域;生态水利学的研究对象是,水循环-社会经济-生态环境-水利工程组成的复合系统,可从流域整体性、生态环境保护、水利工程全生命周期、人与自然和谐和可持续发展等原理出发,采用现场观测和遥感观测、原型试验、物理试验、统计分析、数值模拟、系统分析等方法开展生态水利学研究。

大尺度生态调度研究与实践

通过分析总结国内外生态调度与生态恢复研究进展、发展趋势及其特点,提出水库调度已从将“生态目标”嵌入兴利调度的简单调控过程,转变为“后坝工时代”大尺度生态调度的综合调控过程,即:全流域-大空间尺度、长系列-大时间尺度、水循环-大系统尺度。指出生态调度是生态恢复和保护最有效的措施之一,提出了干旱区内陆河流域生态保护面临的挑战和需要研究解决的关键技术。以塔里木河下游生态输水和额尔齐斯河生态调度为研究对象,通过连续20年的动态监测、资料收集、野外数据采集及实验室数据处理,对生态输水方式、生态恢复响应、生态调度策略和生态保护模式等,进行了深入研究。结果表明:①生态恢复是一个长期的过程,需对地表水、地下水、植被响应、生境条件、生物多样性等开展长期监测,以掌握其动态情况,采取更为科学有效的调控措施;②为了提高塔里木河下游生态恢复成效,研究提出在实施双通道、汊河和面状输水的同时,采用“沟汊渗灌”延伸扩大受水区范围,快速有效补给地下水,建立了基于地下水位调控的“地下水银行”及生态修复平台。③创建了额尔齐斯河“七库一干”、“三次脉冲”、漓漫灌溉等多尺度耦合的生态调度技术体系和科学化、系统化、制度化的管理体系,初步形成水河湖联通、水网通达、水势漫溢的河谷林草漓漫灌溉系统。改变以往生态调度“只放不灌”和“大水漫灌”的粗放式管理模式,丰富了生态调度的研究内涵与实践。

大石门水利枢纽设计若干关键技术问题研究

大石门水利枢纽工程是车尔臣河上的重点控制性枢纽工程,承担防洪、发电和灌溉任务,由于独特的地质、地形及气候条件,工程建设面临着高地震、高边坡、大温差、多泥沙以及古河槽深厚覆盖层等诸多技术难题,使得大石门水利枢纽工程的建坝条件极其复杂。针对建坝难点,通过多项专题研究,提出了坝型选择、狭窄河谷枢纽布置、高坝抗震、高边坡处理、古河槽防渗、水库运行调度与排沙措施、施工导流与度汛等一系列关键技术,其中古河槽深厚覆盖层200m深帷幕灌浆处理技术为国内首创,对国内外类似工程建设具有一定的借鉴意义。

新疆尾闾湖泊生态环境保护与修复措施的实践和探讨

在气候变化和人类活动双重作用下,新疆天然尾闾湖泊急剧萎缩,湖泊生态系统服务功能大幅度降低乃至丧失。本文梳理了新疆尾闾湖泊存在的问题,主要表现为:湖泊数量和面积显著减少,蓄水能力下降;湖泊水质普遍下降,矿化度总体上升;湖泊生态系统退化,生物多样性下降。在分析问题的基础上,本研究提出了尾闾湖泊修复的指导思想:统筹流域山水林田湖草沙冰,综合治理,因湖制宜,重点引领,分步实施;提出了恢复有“度”、修复有“量”,生活水宽,工业水紧,生态水保,农业水节等策略;针对典型湖泊生态修复工作总结出了调整产业结构、降低农业用水比例,流域内外生态补水,水资源优化配置,土地沙化防护,湖泊生态环境保护带建设,水质污染防治,河道治理,生物多样性保护等多项生态修复措施。本文可为开展干旱区尾闾湖泊的生态修复,加强流域环境管理,制定水资源保护及水质管理规划,制定生态保护策略及保护目标提供决策依据和实践指导。

新疆严寒地区沥青面板坝应用技术支撑与展望

文章介绍了沥青混凝土面板在国内外的应用情况和国内技术发展历程,分析了沥青面板在适应坝体变形,抗冻、抗冰、抗低温,施工速度,耐久性,检查和维修等方面相比传统的钢筋混凝土面板、沥青心墙等防渗形式所具有的技术优势,认为沥青面板作为土石坝的防渗体更加适合新疆严寒区气候条件严酷、坝基覆盖层深厚、可施工期短的地域特点。基于新疆地区优质的沥青原材料和自20世纪世纪80年代以来建设沥青混凝土心墙积累的丰富经验,未来沥青混凝土面板在新疆地区新建土石坝防渗和老旧坝体改造领域具有广阔的应用前景。

新疆城乡供水一体化工程若干问题的思考

城乡供水与脱贫攻坚前相比,已有了较大改善;从发展考虑,乡村振兴中农村供水仍然是较为突出的短板问题。面对农村社会经济环境的变化和发展,解决当前农村供水前期工程建设和后期服务中存在的资金筹措、建设标准、良性循环等现实问题,通过城乡供水一体化的进一步发展和实施是重要的手段之一。针对新疆城乡供水一体化建设中存在的若干问题,在掌握现阶段进展的基础上,探讨相应的对策及建议,旨在供新疆城乡供水一体化供水工程规划设计、总体布局、管理模式等提供参考。

某工程混凝土沥青心墙坝坝基应力性态及补救方案分析

基于有限元法对运行期坝基防渗墙轴线向下游偏移时的应力性态及产生的不利影响进行数值分析,并提出补救措施及参考临界值。结果表明,当轴线不发生偏移时,坝基防渗墙仅受到弯矩作用而产生局部拉应力,但影响不大;当轴线向下游偏移且偏移量小于30 cm时,坝基防渗墙受到压力与弯矩的共同作用,出现应力集中现象并产生不利影响。在不做其他处理情况下,轴线不发生偏移及偏移量小于15 cm时可暂不处理;轴线向下游偏移量超过15 cm且不大于27 cm(实测最大偏移量)时,在后续施工中需将混凝土基座向下游拓宽至少20 cm,以减少坝基防渗墙拉应力极值使应力集中现象减弱,达到改善坝基防渗墙应力性态的作用。有限元模拟为坝基防渗墙偏心时的安全性评价和处理措施提供了借鉴。

水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整

以西北旱区为例,采用水足迹模型,分析主要农作物的耗水特点,并以水资源消耗量最小、生态安全和经济效益最大化为目标,构建以耕地资源、水资源和食物安全为约束条件的多目标规划模型对种植结构进行优化。结果表明:2000—2020年西北旱区主要作物产量增长2.41倍,种植面积增长1.24倍,粮食作物和经济作物的种植比例由2:1向1:1转变,种植结构由专一化向多样化发展;作物生产水足迹总量从838.70亿m^(3)增至1109.05亿m^(3),其中蓝水足迹占比高达79.09%,农业生产面临着巨大的水资源压力;调整作物种植结构,适当将蔬菜、薯类和豆类的种植面积提高140.593万hm2、1.863万hm^(2)和0.340万hm^(2),水资源消耗量可减少107.25亿m^(3),生态效益可提高27.47亿元,经济效益可提高470.74亿元。研究结果对促进西北旱区农业结构优化调整和水资源可持续利用具有重要的参考价值。

艾比湖演化特征与生态修复对策思考

艾比湖位于阿拉山口东侧、古尔班通古特沙漠西部,作为新疆最大的咸水湖,发挥着抵御风沙、保护亚欧大陆桥铁路正常运行、维系该地区乃至整个北疆生态安全的巨大功能。20世纪大规模的开荒种地,严重挤占河流生态水量,导致艾比湖湖面面积不断萎缩,裸露湖底成为沙尘暴、盐尘暴频发的策源地并危及周边区域,愈演愈烈的生态恶化趋势严重制约了天山北坡经济社会和生态环境两大系统的协调发展。为扭转这一趋势,文章以地貌演变理论为基础,分析了艾比湖的历史演变过程并诊断出存在的突出问题。以问题为导向,以“统筹流域山水林田湖草沙系统治理”为指导思想,结合该区水资源利用现状以及生态水利发展新阶段的特点,依据“度与量”的生态修复原则制定了生态修复对策。

新疆复杂侵蚀环境下长距离输水管道阴极保护技术实践与展望

近年来新疆长距离输水管道工程建设迅速,钢管(SP管)、预应力钢筒混凝土管(PCCP管)应用较为广泛。由于新疆地貌单元多、地质条件复杂,工程建设普遍面临高地震、严寒、侵蚀性土壤环境的考验,管道设计除了考虑大流量、高工压因素外,还需要重点研究水、土壤等侵蚀介质对管道造成的破坏。介绍了土壤腐蚀的机制及阴极保护方法,着重介绍了阴极保护工程领域相关进展情况,对阴极保护的必要性及技术应用进行了概述。结合若干工程输水管线实例对阴极保护技术发展进行了总结,提出阴极保护技术发展的关键技术和今后需要进一步关注的重点。

注重旱区湿地生态保护与修复的疏漫灌溉研究

针对干旱地区传统生态调度“只调不灌”造成的湿地生态补水效果欠佳、生境日益退化等实际问题,本文提出了疏漫灌溉的基本理念,明确了疏漫灌溉的定义、内涵及系统组成,搭建了疏漫灌溉系统,构建了疏漫灌溉技术体系。本文以哈巴河流域阿克齐湿地为研究区域,基于疏漫灌溉的系统组成优化了阿克齐湿地原有的工程体系;基于工程布局等要素划分了不同水平年下的三层级生态修复分区;采用Penman-Monteith公式计算了疏漫灌溉区不同地类的适宜生态需水量,采用改进的Tennant法确定了湿地的最低生态流量,最后制定了疏漫灌溉制度。研究结果表明:(1)湿地需水月份集中在4—10月份,其中6—8月份为主要生态需水期,平均生态基流为4.66 m^(3) s;(2)疏漫灌溉工程的布设和生态修复分区的确定改善了湿地供水条件,形成了生态分区与工程体系一一对应的靶向补水模式;(3)疏漫灌溉制度的制订可为生态工程的规划设计以及灌区引水的管理提供科学依据;(4)实施生态调度后,草地、自由水面以及沼泽面积均呈递增趋势,沙化面积减少了9.83%,湿地的水系连通性得到改善,斑块破碎化逐渐修复。研究成果可为提高旱区水资源利用效率、旱区生境的保护与修复提供技术支撑。

构建生态流域理论体系 支撑流域生态文明建设

我国生态文明建设取得了可喜成绩,但是在流域生态文明建设过程中,缺乏系统理论支撑,尤其是欠缺全局性、系统性和科学性生态流域体系,迫切需要站在生态文明建设国家战略的高度,科学系统地创建生态流域的理论体系,助推生态文明建设、黄河流域生态保护和高质量发展。通过总结我国流域生态建设与保护的发展历程,分析国内外相关生态流域研究进展、发展趋势及其特点,以黄河流域生态保护和高质量发展为目标,提出了生态流域的新概念,阐述了生态流域的定义和内涵,并从水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理、水经济8个维度进行顶层设计,初步构建了生态流域的理论体系,并论述了黄河生态流域构建亟待开展的研究工作。

新疆高沥青混凝土心墙坝建设关键技术与应用

新疆2010—2030规划建设的近百座大中型水库坝型主要是沥青混凝土心墙坝,建设中面临缺乏碱性骨料、坝体接触问题复杂和变形控制难度大、施工环境恶劣等关键技术难题。为此,依托工程建设实践,采用室内试验、现场试验和数值模拟相结合的方法,对独特筑坝环境下的上述难题开展了研究。结果表明:采用合适的填料可以实现天然砾石作骨料的沥青混凝土黏附性不小于4级、水稳定系数不小于0.9的要求,天然砾石可以用作心墙沥青混凝土骨料;采用指数函数的形式可以较好地描述破坏主应力差、初始泊松比与围压力的关系,改进了沥青混凝土心墙材料特性的本构模式;沥青混凝土心墙与坝基采用不设廊道的连接方式有利于大坝防渗体系安全,现场试验-物理模拟-数值模拟相结合的抗震安全评价方法可以有效评价大坝和地基系统的抗震性能。低温、高温和大风环境下沥青混凝土性能测试表明,将碾压层面施工控制温度由规范规定的70~90℃拓展到50~100℃仍可保证沥青混凝土心墙的碾压质量。坝体施工区风场监测表明,采用合适的坝体防风结构可有效降低风速,从而降低热量散失速率,能够满足大风环境下沥青混凝土心墙施工需要。