土地利用变化下宁夏生态系统服务权衡协同关系研究

研究土地利用变化及其对生态系统服务的影响可为改善区域生态环境提供科学依据,然而以往的研究多关注历史时期的生态系统服务变化,缺少对未来情景下生态系统服务的预测及其权衡协同关系的分析。因此,本研究以宁夏地区为例,采用PLUS模型模拟了未来自然情景、耕地保护情景以及生态保护情景下的土地利用状况,并基于InVEST模型量化了不同土地利用类型下的碳储存、土壤保持、产水以及粮食生产四种生态系统服务,并在不同空间尺度上对生态系统服务间的权衡与协同关系进行了研究。结果表明:未来三种情景下的产水量较现状年份减少,土壤保持量和固碳量在生态保护情景下最大,分别为7.98×107 t和4.72×108 t,粮食产量在耕地保护情景下最大,达到了1.52×107 t;从全省尺度上来看,仅固碳和土壤保持服务之间表现出较高的协同关系,但在区域尺度和县区尺度下,产水和固碳服务之间的协同关系也较为显著。

渭河西安段磺胺类抗生素的分布特征及生态风险评价

采用HPLC-MS/MS对渭河西安段(咸阳至西安)表层水体中的磺胺类抗生素污染物进行检测分析,丰水期共检出包括磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲唑、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺吡啶、磺胺喹喔啉、磺胺氯哒嗪和磺胺增效剂甲氧苄啶8种药物残留,检出率50%—100%,检出浓度nd—178.44 ng·L^(-1);平水期检测到除磺胺氯哒嗪外7种,检出率25%—100%,检出浓度nd—114.46 ng·L^(-1).与国内其他河流相比,渭河西安段检出的磺胺类抗生素种类较多,浓度处于中等水平.磺胺类抗生素的浓度分布呈现:平水期,上游>中游>下游;丰水期,中游>下游>上游的特点;平水期和丰水期共同检出的磺胺类抗生素比较,平水期检出总浓度高于丰水期.源分析初步表明,生活污水、工业和医疗废水、禽畜和水产养殖是渭河西安段磺胺类抗生素浓度水平较高的主要原因.此外,渭河西安段表层水体中磺胺类抗生素浓度与COD、NH_3-N、TN、TP等其他同步水污染指标无明显相关关系.风险商值RQs分析表明除磺胺甲唑(RQs≥1)对相应物种存在高风险,其他抗生素的风险较低(RQs<0.1).

跨流域调水工程水源区生态补偿理论框架

[目的]通过建立水源区生态补偿机制,改善水源区生态环境,促进水源区和受水区的可持续发展。[方法]在分析跨流域调水工程水源区生态补偿定义、必要性和原则的基础上,从跨流域调水工程水源区生态补偿行为主体确定、生态补偿量计算、生态补偿模式与途径选择等方面对水源区生态补偿理论框架进行研究。[结果]跨流域调水工程水源区生态补偿的核心在于回答"为什么要补偿?""谁给谁补偿?""补偿的内容是什么?""如何补偿?"等问题。水源区生态补偿的途径主要包括实物和资金补偿,项目和产业扶持,政策和技术支撑,智力服务等。[结论]跨流域调水工程生态补偿机制有助于协调水源区及受水区关系,推动生态保护共建机制,实现可持续发展,促进生态文明建设。

关于水工结构工程专业国家自然科学基金研究热点的认识

在国家自然科学基金委的资助下,中国的水利科学与海洋工程学科得到了长足发展。为进一步明确学科发展方向,正确指引水利学者的研究导向,基于国家自然科学基金委员会主办的"2014水工结构与水力装备战略研究暨青年学者学术交流会"及水利学科有关申请书的申请材料和专家评议意见,分析了水科学研究中水工结构工程学科近期的研究进展情况,初步明确了"库坝工程全寿命周期性能演变机理"为"十三五"期间水工结构学科重大研究项目,在"生态水工学"和"水利工程的信息化、数字化、智能化"为优先支持的跨学科交叉研究领域,提出了学科亟待攻关的前沿热点科学问题。该研究有利于科研工作者进一步凝炼关键科学问题,促进水利科学基础研究的发展。

基于“三条红线”的喀什地区生态工程水资源配置研究

为改善生态环境,喀什地区提出了＂四长廊＂、＂四屏障＂生态工程。为保证生态工程的供水安全、可持续运行,在满足最严格的水资源管理制度＂三条红线＂的基础上,亟需对喀什地区的水资源配置进行深入研究。鉴于此,基于喀什地区＂三条红线＂的控制标准,利用水量平衡模型和多方案调控对水资源进行多方案配置。根据不同的节水措施组成各水平年可用于生态林灌溉的27种方案,对方案的合理性进行分析。结果表明：2015现状水平年供水量最多为5.49亿m^3、2020和2030规划水平年下供水量最多为9.95亿m^3和11.06亿m^3,各水平年27种方案均可用于生态工程,并结合喀什地区实际状况和生态工程进展计划为各水平年推荐了几种较优方案,说明喀什地区＂三条红线＂指标合理、水资源配置计算结果准确、可靠。根据＂以水定林＂的基本原则,获得了各水平年推荐方案下不同林种组合下的生态林数量和面积。研究成果为＂四长廊＂、＂四屏障＂生态工程的水资源论证提供了科学依据,具有重要的实际指导意义和应用价值。

黄土丘陵区小流域生态恢复对土壤有机碳和全氮的影响

生态恢复工程是防治黄土高原土壤侵蚀和恢复土壤肥力的重要措施,研究退耕还林还草和梯田等生态恢复措施对有机碳(SOC)、全氮(TN)的影响,对准确评估土壤固碳固氮能力和土壤碳氮循环具有重要意义。选取黄土丘陵区典型小流域5种不同生态恢复0—100cm土层为研究对象,探讨了生态恢复措施条件下,坡耕地转变为林地、草地、灌木地及梯田过程中,不同土层深度土壤SOC与TN的含量及其储量变化规律。结果表明:生态恢复措施、土壤深度对流域土壤SOC与TN有极显著的影响(P<0.01)。林地与灌木地SOC与TN在土壤0—20cm土层出现富集,草地SOC与TN则在0—40cm土层出现富集,梯田的0—20cm土层SOC富集比较明显,而TN未出现富集现象。坡耕地SOC与TN未出现富集现象。坡耕地在经过不同的生态恢复措施后,土壤SOC与TN含量及储量均会有所增加。从SOC与TN之间的相关性看,林地、草地表现为极强,灌木表现为强,而坡耕地与梯田为中等。研究为提高黄土丘陵区土壤碳氮含量的评估提供科学依据,促进区域生态恢复合理规划。

淮河流域(河南段)河流生态系统健康评价及分类修复模式

在国内外河流生态系统健康评价和生态修复研究的基础上,以淮河流域(河南段)河流生态系统作为研究对象,使用频度分析法和理论分析法,从水文特征、水质状况、地貌特征和生物状况4个方面,筛选得到17项指标作为健康评价指标体系,并创新性地采用T-S模糊神经网路法评判淮河流域(河南段)河流生态系统的健康状况。结果显示:研究区域内共有亚健康、脆弱、病态和恶劣4种健康等级,占比分别为8.43%、74.70%、13.25%和3.61%,脆弱的断面近于75%。然后在此健康评价的基础上,将生态系统健康等级为"亚健康/脆弱/病态"的河流生态系统作为待修复的对象,根据各个准则层的健康状况,将流域内96%待修复断面分为水质-生物修复模式、水质-地貌-生物修复模式、水量-水质-生物修复模式、水量-水质-地貌-生物修复模式和以绿代水型修复模式5种修复模式,占比分别为3.75%、22.5%、2.5%、67.5%和3.75%,仅2种复合水量修复类型占比接近90%。

基于DRAINMOD模型估算灌区浅层地下水利用量及盐分累积

在灌溉季节,尤其是下游灌区,农田地下水位较高,作物可就地利用部分浅层地下水,从而减少灌溉需水量,达到节水减排的双重目的。大田作物对浅层地下水利用量的估算是合理制定灌溉淋洗制度及控制土壤盐碱化的前提,但其估算存在一定困难。该文假设当农田灌溉、排水等水文气象条件一致时,某一作物对浅层地下水的利用量等于该田块有、无作物(即裸地)2种情况下造成地下水位差异的水量。据此,首先建立了浅层地下水利用量的计算模型,并以某一半干旱灌区为例,利用田间水文模型-DRAINMOD模拟出有、无作物2种条件下农田地下水位变化过程,然后,计算了棉花、小麦轮作期内对浅层地下水的利用量;在此基础上,进一步分析了浅层地下水利用条件下土壤剖面的盐分平衡。结果显示,该文提出的计算模型能够较好的反映大田实际情况;研究时段内,田间地下水埋深平均值为2.1 m,单位面积上作物利用浅层地下水量为305.8 mm,主要发生在作物生长阶段,其中棉花生长季内地下水利用量约为160 mm。盐分平衡计算结果显示,浅层地下水的利用使得水位以上土壤剖面盐分含量增加,但1 m以内根区土壤盐分在降雨和灌溉作用下得到一定的淋洗,未超出作物耐盐极限,不会对产量造成显著影响。研究成果可为相关灌区制定合理的灌溉制度及提高水资源利用效率提供科学依据。

黄土区生态建设对流域不同水体转化影响

生态建设治理能够显著改变流域下垫面条件,研究黄土区生态建设治理对流域不同水体转化特征对深刻了解该区域生态建设恢复具有重要意义。该研究运用稳定同位素技术,通过野外采集生态建设治理对比流域不同水体水样样品,分析不同水体氢氧同位素特征,揭示不同季节生态建设治理对流域不同水体转化影响。结果显示:生态建设治理流域韭园沟降水同位素较生态建设未治理流域裴家峁降水同位素贫化。降水同位素变幅大于河水和井水同位素变幅,河水蒸发分馏作用强烈而井水较为稳定。河水、井水和水库水的补给来源主要是降水。生态建设流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高,分别与降水量和温度呈正比和反比关系。沿着主沟道流程,韭园沟流域和裴家峁流域河水同位素值呈逐渐富集趋势。旱季,韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和井水补给河水,补给比例分别为24.66%、75.34%和83.81%、16.19%。雨季,韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和河水补给井水,补给比例分别为14.75%、85.25%和48.06%、51.94%。表明生态建设显著改变了流域生态水文过程,旱季和雨季不同水体间的相互转化过程以及转化比例发生改变。该研究可为黄土高原生态建设对流域生态水文过程影响研究和生态环境建设保护提供科学依据。

基于PSR和AHP方法的西安市城市内涝脆弱性评价体系构建与脆弱度评估

本文基于灾害系统理论和“压力-状态-响应”模型(PSR),构建了城市内涝脆弱性指标体系。利用2010、2012、2016、2017年共4期西安市统计年鉴数据提取了西安市城市内涝脆弱性指标,使用AHP(层次分析法)计算指标权重,提出城市内涝脆弱度指数,并综合分析评价了西安市城市内涝的脆弱程度。研究结果表明:自然和社会状态对城市内涝的脆弱性起决定性作用,外在压力和后期响应作用次之。其中,水面面积、排水管网密度、坡度、暴雨强度是对城市内涝脆弱度影响最大的因子,均大于10%;建成区面积、暴雨次数、人口、从业人数、投入资金、绿化率、GDP、防洪堤长度对城市内涝脆弱度的影响一般,影响力在2%-9%之间;年降雨量、年降雨天数、道路长度对城市内涝脆弱度影响较小,均小于2%。西安市4期的城市内涝脆弱度指数均为较低水平,说明西安市的城市内涝脆弱度指标平稳,灾害风险小,比较适宜人居。西安市城市内涝脆弱性评价,对区域城市管理、灾害预警、推进海绵城市建设等具有重要意义。

基于多种水文学方法的汉江子午河生态流量研究

汉江支流的子午河是陕西省"引汉济渭"工程的两大水源之一,为了维持下游河道的生态环境健康,子午河上的三河口水库下泄流量必须满足生态环境用水和生态流量过程的要求。采用两河口水文站的流量观测资料,运用变化范围法(RVA)、Q90法、多年日流量资料排频法,分析计算子午河年内生态流量过程,研究该河道维持多种生态环境目标所需要的生态需水量。研究结果表明:RVA法和Q90法计算得到的年生态需水量分别为46 344.3、11 574.0万m^3;多年日流量资料排频法获得的保证率(60%、70%、80%、90%)对应的年生态需水量分别为47 262.6、38 170.5、30 316.0、22 799.5万m^3。多年日流量资料排频法中,60%保证率对应的年生态需水量最大,可以达到较高的生态环境保护目标;Q90法获得的年生态需水量最小,对应最低的生态环境保护目标。计算得到的生态流量过程线可为水库调度和生态环境保护提供科学指导。

基于多源信息融合决策的灌区生态环境评价指标优选

针对目前灌区生态环境评价研究中指标选取主观化、未成体系化的困境,该研究提出了一种基于指标多源特征信息融合的优选思路与方法。以关中地区泾惠渠灌区为研究对象,通过构建灌区生态环境概念模型,以"灌区资源"定义因素层,逐级确定了31个指标,初步构建了灌区生态环境评价指标库。采集指标灵敏度、均衡度、独立性这3种特征信息,视为3项证据,进而采用DS(Dempster Shafer)证据理论对该3项证据基本信任分配函数值进行融合,计算该3项证据共同支持作用下的指标可信度,依据可信度高低排序结果,即可从繁复、庞大的指标库中进行指标优选。该研究设置了两种融合思路:1指标全体融合、2先分别剔除3项证据下基本信任分配函数值较低的指标,然后对剩余指标进行融合;并进行对比分析研究,结果表明:第2种思路下的计算会提前剔除某些可信度较高的指标,如盐碱化程度、空气相对湿度指标;按照第1种思路,对指标全体进行信息融合,进而根据可信度排序结果,选取可信度较高的指标作为灌区生态环境评价研究的主评指标,为灌区生态环境健康评价提供了支撑。为其他领域评价研究中指标的优选提供了新的思路和决策方法。

基于主题分类和组件技术的灌区生态环境动态评价

针对传统灌区生态环境评价存在的指标固定和适应性较弱等不足,将信息化技术应用到评价中,提出基于主题服务的灌区生态环境动态评价模式。针对灌区生态环境问题确定评价主题,建立基于主题服务的灌区生态环境动态评价流程,构建评价指标库,对评价方法进行组件化。根据评价主题从灌区生态环境评价指标库中筛选合适的评价指标,通过对指标的优选建立针对特定评价主题的评价指标体系。基于综合集成平台绘制评价主题知识图,搭建灌区生态环境动态评价系统。根据灌区生态环境评价主题的特征和建立的评价指标体系,确定评价方法。从评价方法组件库中调用相应组件对不同主题下评价指标进行计算,实现对灌区生态环境的动态主题评价。以陕西省泾惠渠灌区为例开展实证研究,首先,根据灌区调研情况和管理部门的关注点,结合专家意见,确定4类评价主题,包括:生态环境影响要素主题、资源利用水平主题、工程保障能力主题和可持续性主题。基于综合集成平台开展动态评价,结果发现:2009年和2014年灌区生态环境介于等级"良"和"一般"之间,且2014年相对于2009年灌区生态环境状况有所下降;1997年至2014年灌区资源利用水平逐年提高,各评价指标逐年向良性发展;2014年灌区工程保障能力为"一般",且偏向"良好";2014年灌区可持续性评价结果等级为"良"。结果表明:基于主题服务模式能快速、多角度实现对灌区生态环境的动态评价,结果更为可信,相比传统评价方法更有优势。引入信息化手段,在综合集成平台上实现基于主题服务的灌区生态环境动态评价,研究结果对促进灌区生态环境健康发展和灌区生态文明建设具有重要意义。

生态滤沟对城市路面径流的净化效果试验及模拟

通过试验和模拟,研究生态滤沟对城市路面径流的净化效果及适宜工况。设计了半渗透型和防渗型两套生态滤沟试验系统,每套系统由5种典型填料滤沟组成。不同影响因素的多水平正交试验和单因素试验结果表明:填料组合方式是对整体处理效果影响最重要的因素,且以粉煤灰+沙(FS)为人工填料层的生态滤沟净化效果最好,防渗与半渗透型沟槽综合去除率分别为83.12%和73.18%,最佳淹没区高度为150 mm。建立了污染物(TN、TP)去除率、出水率与各影响因素的多元回归模型,经Nash-Suttcliffe系数和决定系数检验,拟合效果良好。采用Hydrus-1D模型对3种入流浓度下TP在生态滤沟系统中的迁移进行了模拟,TP出水浓度模拟值与实测值平均相对误差分别为14.11%、17.33%和26.57%,模拟结果可靠。

西安市城市内涝模拟与损失灰色关联度研究

综合GIS技术与城市内涝基本原理,基于DEM、水文学原理、不透水面并考虑下渗、排水情况,模拟水流沿格网单元从高到低流动,按照坡度比例分配流量,形成不同降雨强度的城市内涝情景模拟,提取西安市几个典型的积水点淹没风险范围和分布特征等信息,并进行空间分析与数据验证,结果与实际相符。再叠加地表覆盖分类成果和统计年鉴数据,获取不同淹没风险范围内的人口、经济、交通、建筑物等数据,引入灰色关联理论对降雨量和损失因子的关联程度进行定量化,探讨综合影响因素中城市内涝损失的大小问题。结果表明:降雨量与经济损失因子的关联度最大,达到了0.823,与人口损失因子的关联度最小,为0.725,从大到小的顺序为:经济>建筑物>淹没面积>道路>人口。因此,提出充分考虑人为可控的城市内涝影响因子,合理控制城市用地扩展速度,提高土地利用效率的建议,旨在对城市内涝的管理、预测、决策等提供参考。

基于能值法的河道生态基流价值及其年内时间变化研究

河道生态基流的价值是客观存在的,而生态基流价值的定量化研究却相对缺乏。基于此,将能值理论应用于生态基流的价值估算,通过分析河道生态基流的内涵及功能,确定生态基流的价值构成,进而得出生态基流的价值,并初步探讨生态基流价值的年内时间变化。以渭河西安段为对象进行了实例研究,结果表明:水体各服务功能的能值价值之和为93.40×1020 sej,能值货币价值为191.79亿元,单方水能值货币价值为8.75元,于是生态基流的能值货币价值为41.39亿元/年;2008年生态基流价值的年内变化总体呈现"U"字型,在9月、10月生态基流价值最小,处于波谷,11月开始上升,12月至次年1月、2月达到波峰,3月至8月呈波动下降趋势;总体上,生态基流的价值在汛期较小,在非汛期较大。

河道生态基流价值研究进展

分别从水资源价值、水生态环境价值与生态基流价值以及保障补偿等方面,评述了国内外河道生态基流的研究进展与存在问题。认为应将河道生态基流价值的定量计算和保障补偿作为后续研究的重点,以便为缺水地区生态基流长效保障机制的建立与枯水期有限水资源的科学管理等提供理论支撑与科学依据。

西安市农业灌溉水效益分摊系数及效益的时间变化研究

基于2000-2014年西安市统计年鉴、陕西省水资源公报以及陕西省水利统计年鉴等相关资料,采用能值分析基本理论分析计算了西安市2000-2014年的灌溉效益分摊系数以及灌溉用水产生的效益值,以此为基础分析了灌溉水效益分摊系数以及效益值的时间变化过程,同时,采用回归分析法分析了效益分摊系数的影响因素。结果表明:近15 a来西安市的农业灌溉效益分摊系数多年平均值为0.34,并且在时间上总体呈下降趋势;单方灌溉水效益随着时间变化持续增大,总效益的变化趋势与单方灌溉水效益基本一致;灌溉用水、降水、人力投入、农药化肥施用、机械动力投入等是影响西安市灌溉用水效益分摊系数的主要因素,人力投入及灌溉用水与灌溉效益分摊系数存在着正相关关系,其他因子却与农业灌溉分摊系数有负相关关系。

河道生态基流价值的估算与比较

为解决目前对河道生态基流价值的认识不足、计算方法缺乏的问题,以渭河宝鸡段生态基流价值为研究对象,借鉴资源环境经济学理论,应用机会成本法、分析综合法、影子工程法分别估算河道生态基流的机会价值、功能价值以及生态基流得不到保障时所造成的最小经济损失。结果表明:渭河宝鸡段生态基流的机会价值约为7.06亿元/a,功能价值约为11.72亿元/a,河道生态基流得不到保障时所造成的最小经济损失约为10.27亿元/a。因此在水资源开发利用时,应对生态基流予以重视。

西安市多水源联合调度模型及应用

在分析西安市城市供水系统现状的基础上,构建了基于调度规则控制的西安市多水源联合调度模拟模型。通过对水资源系统用水户和供水户等主要环节所涉及的要素和相互链接关系进行分析,抽象概括出系统中的主要对象,建立了满足西安市联合调水目标要求的多水源联合调水系统网络结构图。模型以1956-2010年的长系列水文资料和规划水平年需水预测为依据,进行了供需平衡分析,得到了不同情况下的多水源联合调度结果,并针对水资源供需矛盾,提出具体的应对措施。