基于供需管理的太湖流域水资源反退化能力研究

近年来,我国流域水资源系统退化问题日趋严重。水质恶化、水生态环境退化以及突发性水危机事件常态化等,使得流域水资源反退化能力建设备受重视。环太湖区域作为率先进入现代化建设的示范区,太湖水资源反退化能力建设是区域现代化建设的重要组成部分。为提升太湖流域水资源反退化能力,从水资源供需管理视角出发,构建了供需两侧流域水资源反退化能力评价指标体系,应用全排列综合图示法分析了2001-2012年太湖流域供需两侧水资源反退化能力综合发展指数、发展演变速度及其变化原因,以二维空间矩阵形式对流域水资源反退化能力进行了综合评价。结果表明:近10年来,太湖流域供需两侧水资源反退化能力综合发展指数总体呈上升趋势,自2006年起,需求侧一直高于供给侧,供需两侧正向协调作用没有很好地显现;流域反退化能力发展演变速度总体波动较大,由于社会经济发展、用水效率以及污染治理等因素变化,个别年份需求侧水资源反退化能力出现下降现象;在供水管理方面,自然生态环境的退化是导致供给侧水资源反退化能力下降的主要原因。基于上述结论,分别从供水管理和需水管理角度提出了增强太湖流水资源反退化能力的对策和建议。     

太湖流域水资源阈值探析

针对经济社会高速发展背景下水资源可持续利用问题,从水资源自然属性和社会属性出发,探讨了水资源阈值概念与内涵,提出水资源阈值可以表述为基于自然属性的水资源规模阈值和基于社会属性的水资源配比阈值,区域水资源阈值应为二者的有机耦合。以太湖流域为例,分析计算了太湖流域的水资源阈值：太湖流域的水资源规模阈值为1788亿m3;根据流域经济发展现状及未来规划目标,在流域生态和环境系统用水控制目标以及水体纳污能力约束下,社会经济系统用水阈值为156.4亿m3,占流域水资源规模阈值的531%;生态用水配比占流域水资源规模阈值的469%,充分体现了以生态为主、人水和谐的可持续发展理念。与2030年社会经济发展目标相对应的社会经济系统内部配比阈值分别为：生活用水98%;一产用水266%;二产用水582%;三产用水54%,为流域水资源持续利用提供了可资借鉴的依据     

土地利用变化对流域水文过程时空分异的影响 ——以赣江流域为例

土地利用变化引起的水文分量时空变化对认识流域产汇流过程,优化流域土地利用结构和水资源规划具有重要意义。基于SWAT模型,本研究以赣江流域为例,结合1980、2000、2015年3期土地利用数据从水文响应单元的角度,系统分析了单纯土地利用变化对流域产流、蒸发、入渗以及径流等主要水文过程时空分布的影响。结果表明：1980~2015年间,流域内的土地利用变化主要表现为耕地和林地的减少,城乡建设用地的增加;林地的减少和城乡建设用地的增加是产流增加,蒸发和入渗减少的主要原因;总体上,土地利用变化对局部地区水文过程影响较大,但因土地利用类型之间的相互转化和其影响的叠加,流域尺度上的综合水文效应明显降低;土地利用变化导致整个赣江流域平均径流量增加了2.33×108m3,相比较近年来赣江径流的减小幅度其影响十分有限。近年来,赣江入湖径流量的下降主要是由气候变化和其他人类活动作用特别是流域工农业用水的大幅增长所致。流域水文过程模拟应充分考虑土地利用变化水文效应的时空分异,注重天然和社会水循环的耦合,才能更为真实的反映流域水文过程,更好的为流域土地利用结构优化和水资源的高效管理提供科学依据。     

近15a江苏省水源涵养功能时空变化与影响因素探析

定量评估生态系统服务功能是合理利用自然资源、促进人地关系与可持续发展的基础。以江苏省为研究区,基于InVEST模型产水模块,定量分析了江苏省2000~2015年产水功能和水源涵养功能的时空变化特征,并采用回归分析和主成分分析法评估了水源涵养功能与社会经济要素之间的关系。结果表明：（1）江苏省多年平均产水量为571×108 m³/a,水源涵养总量78.39×108 m³/a;（2）2000~2010年江苏省水源涵养功能呈下降趋势,2010~2015年有所回升,考虑到降水因素,江苏省实际水源涵养功能持续降低;（3）土地利用变化使15a来水源涵养功能下降15.2×108 m³,降低幅度为16.9%;（4）流域尺度上水源涵养功能与江苏社会经济因素相关关系不显著。研究结果可以为土地利用优化、流域水资源管理提供科学参考和支持。     

长江流域土地利用/覆被变化的大尺度水文效应

土地利用/覆被变化(LUCC)对流域水文过程具有重要的长期影响作用。针对土地利用覆被变化对大型流域水文过程的影响程度,利用构建的长江流域分布式水文模型分析了土地利用变化情景下的水文效应特征。结果显示:分布式水文模型综合考虑了下垫面土壤、坡度、植被等特征,可以较好的反映降水发生后水分在不同土壤、植被和地形条组合件下,蒸散、地表和地下径流等组分的运移过程。根据不同土地覆被类型的径流成分差异,以及长江流域实际可供调节的土地利用方式,流域现有土地利用格局中农林地依然具有较大的转换空间。根据典型流域中预设的农林地转换情景下的径流效应看,各种情景虽然对流域径流总量变化影响较小,但对蒸散、地表径流和基流可以产生显著影响。其中,林地增加使基流最高提升超过15%,同时可使地表径流下降近5%,两者对蒸散的改变在1%左右,对径流总量变化幅度则只有0.7%左右。不同情景下的水文响应模式反映了未来土地利用调整的水文效应,因此可以基于不同的径流效应,开展有利于综合发挥流域持水能力的空间规划,提升林地所占比重。     

太湖流域土地利用变化研究

利用太湖流域2000年和2010年的土地利用数据,分析10年间流域的土地利用变化情况,结合土地利用现状存在问题,提出土地利用管理措施的建议。     

基于BP神经网络的淮河流域水生态足迹分析与预测

运用水生态足迹理论和计算方法,测算出淮河流域水资源生态足迹和生态承载力,并在此基础上引入5个相关指标对淮河流域及其所属5省份的水资源时空变化进行系统分析,同时,采用具有自学习能力的BP神经网络预测出淮河流域2017～ 2025年的水资源生态足迹、承载力.研究表明:(1)淮河流域水资源生态足迹及承载力呈现总体上升的趋势,水资源生态赤字和生态压力均过大,水资源安全受到巨大威胁.(2)5个省份水资源均处于赤字状态,生态压力指数均大于1,水资源开发利用处于不可持续状态,其中,江苏省负载指数大,水资源开发潜力小,其他4省相对而言易于开发.(3)预测结果表明水资源生态压力较大,水资源大部分时间处于过度开发利用状态,水资源供给量小于流域内部经济发展的需求量,个别年份需要外部水量补充,万元GDP水资源利用率较低,水资源安全处于临界状态.     

太湖西苕溪流域径流变化归因分析

气候变化与剧烈的人类活动正深刻地影响着全球水循环系统,河川径流作为水循环系统中的重要组成部分,也因此发生了显著的变化。为此,以太湖上游西苕溪流域为典型,应用累积距平、线性趋势分析及流量历时曲线等方法,分析1972~2015年流域内的水文气象变化趋势;基于累积量斜率变化分析方法与气候弹性模型,定量揭示降水与人类活动对流域径流变化的贡献率。研究结果显示:(1)1972~2015年间流域年径流量呈减小趋势,并且在1999年发生突变,以此将时间序列划分为基准期与变异期两个阶段。变异期流域年均径流量减少约11.76%,减少幅度较大。(2)流域降水量年际变化趋势并不显著,与基准期相比,变异期年均降水减少约1.43%,减少幅度较小,但流域径流对降水变化敏感。汛期降水量占年降水量比重减少,降水的年内分配逐渐坦化,一定程度上使得产流减少。(3)根据累积量斜率变化率分析方法,降水与人类活动对西苕溪流域径流减少的贡献率分别为26.45%和73.55%,由气候弹性模型计算得出二者的贡献率分别为23.52%与76.48%。两种计算方法结果较为接近,均表明人类活动是导致西苕溪流域径流减少的主要因素。     

基于景观尺度的流域土地覆被变化及其水文响应

水资源短缺已成为限制华北地区社会经济发展的主要因子之一,其中山区来水减少问题已成为该区域水资源研究亟待解决的关键问题。采用景观格局分析法及统计学方法对华北土石山区典型流域--红门川流域土地/覆被变化及其水文动态响应进行分析。结果表明：(1)1990～2005年流域景观呈破碎化趋势,其中,优势景观林地在研究时段内面积变化不大;耕地、建设用地面积增加趋势显著,增幅分别为431%和444%;水域减少趋势最为明显,减幅达208%。(2)土地利用/覆被变化对流域径流有显著调节作用：随着土地结构不断优化,森林、耕地面积的增加,1998～2005年流域平均年径流系数较1990～1998年下降77%;丰、平和枯水年径流系数则分别减少64%、31%和85%;当剔除降水因素后,土地利用景观结构优化使得月径流系数减少16%～100%。(3)土地利用/覆被变化对流域径流的调节作用呈现季节性,植物生长季径流调节尤为显著     

基于SWAT模型的昌江流域土地利用变化对水环境的影响研究

土地利用快速变化对水环境带来较大影响,定量分析土地利用与水环境污染的关系是土地利用结构调整的重要依据。利用3S技术,通过SWAT模型对1983年与2012年昌江流域的水量和水质模拟,分析了土地利用时空变化,结合氨氮、总磷模拟数据,定量分析了土地利用变化下该流域的水环境污染负荷。研究结果表明:该区域林地、草地、水域、城镇及建设用地呈增加趋势,耕地则呈减小趋势。林地占比最大,为70%左右,其次为水田。水田为水环境非点源负荷贡献的第一大来源,且其占流域略多于20%的面积,贡献了该区域总磷总量的53.48%~57.01%和氨氮总量的51.86%~56.57%;农业耕作以25%的地类面积,贡献了60%~65%的非点源污染负荷;旱地的单位面积贡献污染负荷高于林地及城镇及建设用地,表明农业非点源污染是该区域水环境非点源污染的主要来源。     

流域过境水对流域水循环的影响——以太湖流域地表水平衡为例

流域水循环是流域生态系统的核心,其中流域过境水是流域水循环的一个重要要素。通过对大量有关太湖流域水文资料的流域水平衡分析,初步探讨太湖流域过境水对流域水循环的影响。结果显示太湖流域是长江流域中受过境水强烈影响的一个子流域。在太湖流域,流域过境水的引入扩大了流域水循环总的通量,影响了流域水循环的路径,改变了流域水循环水的配置格局。同时水循环作为流域内物质运输的介质,流域过境水的引入对太湖流域内物质的运输有不可忽视的影响,其中最重要的就是影响了污染物的运输,增加了污染物在太湖当中的沉积与滞留     

汉江流域上游作物水分生态适应性研究

采用农田水量平衡模型,结合GIS技术,通过构建作物水分亏缺风险指数,对汉江流域上游区小麦、玉米等主要作物的水分生态适应性进行了系统研究。结果表明：就全生育期而言,自然降水不能满足作物生长发育的需求,水分亏缺是汉江流域上游区农田水分平衡的主要特征;就不同作物来讲,水稻多年平均水分亏缺风险指数达23.26%,是全流域生态适应性最差的作物,麻类、薯类生态适应性较强;作物生长发育不同时段,各作物水分生态适应性差异较大,春旱应引起足够重视。     

太湖流域水敏性与建设用地扩张的关联评价

水是流域空间管理最重要也是最敏感的要素,流域不同区段的水敏性差异会对建设用地扩张形成不同的限制性影响。从流域空间综合管理的视角出发,尝试从水资源、水生态、水环境、水灾害4个方面构建流域水敏性分区评价指标及方法,以太湖流域为例开展基于小流域单元的水敏性评价,并采用1985、1995、2007、2017年4个典型年份的土地利用数据,刻画了过去30余年太湖流域建设用地扩张与水敏性之间的关联关系。研究表明：（1）1985~1995年间,太湖流域建设用地扩张与水敏性基本上没有关联,高水敏区建设用地扩展强度最高;（2）1995~2007年间,空间扩张与水敏性的关联性增强,建设用地扩展强度随水敏性增强而下降,扩展强度较大区域以低水敏区域为主;（3）2007~2017年,建设用地扩展强度显著提升,拓展空间主要布局在低水敏区域,水敏性对空间扩张的约束性在增强;（4）虽然太湖流域水敏性对建设用地扩张的限制作用在提升,但二者关联度还不够高,水敏性还没有成为建设用地扩张的关键约束。研究结果可为协调流域经济社会发展与资源环境关系、制定适应水敏性的空间管理政策提供科学依据。     

气候变化对鄱阳湖流域干旱灾害影响及其对策

以我国历史气候变化的事实与过程重建的成果为基础,以历史文献为依据,分析了两宋以来鄱阳湖流域气候变化与洪水干旱灾害发生的关系,结果表明,不管气候处于温湿期还是冷干期,发生洪水灾害的频率没有显著区别;但是当气候处于冷干时期,发生干旱灾害的频率增大,特大干旱年和连续干旱年组频频出现。利用气象、水文资料统计分析表明,最近60 a来,气温呈现增高趋势,逐年的日降水强度明显增加,洪水干旱等极端事件发生更加频繁。为了更好地应对干旱灾害,必须加强水需求管理、坚持节约用水为先;加强病险水库的治理,使其充分发挥作用;对现有水利工程进行再评估,实施适应性管理,充分挖掘工程潜力;加大力度,新建与自然和谐相处的水利工程     

南盘江流域近30年季节性干旱时空分布特征

根据南盘江流域22个水文站、雨量站31 a（1979~2009年）的逐月降水资料,选用标准化降水指数（SPI）为研究指标,以11~3月为研究时段,统计近30 a来5个月时间尺度的干旱站次,分析南盘江流域季节性干旱特征;以11~3月5个月时间尺度的SPI多年平均值为指标,进行空间插值,分析南盘江流域干旱的空间分布特征。结果表明：（1）从年际上看,SPI总体上30 a来（1980~2009年）呈下降趋势,气象干旱加剧;从年代际上看,1995年以后气象干旱程度有加剧趋势;（2）南盘江流域各个地区都会发生不同程度的气象干旱,旱情总体上由南向北递增,东北部各站点11~3月的降水占全年的比例相对较小,流域内东北部干旱最严重;（3）南盘江流域冬春连旱较严重,应加强水利工程建设,为防旱、抗旱做好相应的准备措施     

西太湖区域水环境容量分配及水质可控目标研究

西太湖流域产业、人口集聚,水环境污染一直以来是该区域经济可持续发展的制约因素之一,利用2010年的监测数据对西太湖主要入湖河流及湖体的水环境状况进行了分析,通过对研究区域工业点源、城镇和农村生活源、农田面源和畜禽水产污染源排污的分布情况调查,并计算了入河污染物量;利用构建的西太湖区域水量水质数学模型,估算了区域水环境容量,依据水环境功能区的水质目标与水域面积分配到了各市/区,在充分调查现有与规划的各类型污染源总量控制工程措施的基础上,量化出具有空间分布的流域污染削减率,并提出水质可控目标。结果表明:太湖湖体受总氮污染影响总体水质劣于Ⅴ类,研究区域主要入湖河流基本处于Ⅳ类,氨氮超标最严重;进入水体的COD为25 410.2 t/a,氨氮2 795.4 t/a,总氮4 646.4 t/a,总磷313.8 t/a,其中城镇生活源污染物入河量所占的比例最大,各类污染物均在35%~50%,尤以宜兴市和常州武进区负荷较大;各控制单元进入水体的污染物量基本都超过了水环境容量,近期各市/区COD、氨氮、总氮和总磷的削减率分别为8.0%~56.0%,8.0%~62.1%,6.0%~41.8%,8.0%~59.9%,远期污染物削减率更高;最终通过模型推算,定出西太湖湖体各污染因子的可控目标,2015年,COD、氨氮、总氮和总磷分别为4.50、0.80、3.50和0.08 mg/L,2020年进一步达到4.50、0.60、3.00和0.07 mg/L,为西太湖总量控制提供科学依据。     

流域土地利用变化的水质响应研究进展

探讨流域土地利用变化的水质响应,有利于从源头上控制水污染。不同学者在多种边界条件下研究了流域土地利用变化的水质响应,发现流域土地利用变化是造成河流水质发生变化的重要原因。根据是否可以将土地利用活动概化为点状,流域土地利用变化的水质响应研究可分为点状土地利用的水质响应和非点状土地利用的水质响应。准确边界土地利用的水质响应一般是研究流域土地利用空间特征和土地利用结构与水质变化的关系。对于用全流域尺度还是用缓冲区的尺度分析土地利用的水质响应更准确仍存在争论。水域边缘几何形状影响了土地利用与水质的关系。     

洞庭湖流域近54 a来冬季降水及其异常环流特征分析

基于洞庭湖流域96个气象站点1961~2015年逐月降水数据和美国NCEP/NCAR再分析数据,对洞庭湖流域近54 a来冬季降水的时空变化特征和典型冬涝、冬旱年的大气环流及水汽输送形势进行分析,并讨论逐年冬季降水与同期欧亚环流指数(EUCI)、可降水量和水汽通量散度的关系。结果表明:近54 a,流域冬季降水存在明显的年际和年代际变化特征,具体表现为20世纪60年代和70年代降水偏少,80年代降水开始增多,其后期至90年代中后期降水偏多明显,进入21世纪以来降水又呈波动减少的趋势。此外,流域冬季平均降水量和冬季降水标准差均呈现由南向北、由东向西递减的空间分布特征。从大气环流和水汽输送形势来看,典型冬涝年和冬旱年的空间分布大致相反,表明流域冬季异常降水是与大尺度环流形势的异常密切关联的。计算发现,逐年冬季可降水量、水汽通量散度和欧亚环流指数与流域冬季降水均具有较好的关系,相关系数分别达到0.43、-0.68、-0.53,通过0.01的信度检验。     

气候变化下SPEI指数在嘉陵江流域的干旱评估应用

基于嘉陵江流域1962~2010年实测月降水和月平均气温数据,利用不同时间尺度(3、6、9、12个月)的SPI和SPEI指数分析了近50a来流域干旱趋势的时空演变规律。对不同时间尺度的SPI及SPEI指数分析表明,1962~2010年嘉陵江流域整体呈干旱增加趋势,特别是流域西部和北部呈现出明显的干旱增加趋势,而流域东部的干旱增加趋势并不明显,个别站点附近还呈现出微弱的干旱减少趋势。SPI及SPEI指数的变化还表明,嘉陵江流域在大时间尺度上的干旱增加趋势更为明显,大时间尺度的干旱事件主要由降雨量决定,而气温变化对干旱趋势的影响则在小时间尺度上更为显著。此外,对于相同的时间尺度,SPEI指数相较于SPI指数检验出更为明显的干旱增加趋势,表明考虑气温影响的SPEI干旱指数更能够检测干旱事件的变化规律,因此SPEI干旱指数更适用于气候变化条件下流域干旱演变特征分析。     

太湖流域1954~2006年气候变化及其演变趋势

用Mann Kendall统计检验方法对太湖流域6个气象站点1954~2006年降水、气温、相对湿度、日照时数的变化趋势和时空特征进行了分析，结果表明：50余年来太湖流域降水量呈较弱的增加趋势，冬季和夏季降水增加显著；空间变化趋势表现为北部地区降水量呈下降趋势，东南部地区呈上升趋势。年平均相对湿度表现为微弱的下降趋势，M K倾斜度值为 -099%/10 a；春、秋季相对湿度都显著减小，而夏季减小幅度较弱，冬季减小现象不显著。年平均气温呈现明显上升趋势，并表现出最低气温比最高气温增高趋势显著的特点，冬、春季增温显著；空间分布变化趋势为以平湖和溧阳为中心的两个地区上升趋势最小，以上海为中心地区上升幅度较大。年日照时数的下降趋势幅度较大，以溧阳为中心的西部地区最为明显，四个季节日照时数都呈减少的趋势；空间分布变化趋势表现为全流域呈减少趋势，由西向东减少幅度依次减小。气候变暖，降水将进一步增加，必然导致径流也呈增加趋势，在一定程度上加大了太湖流域洪涝灾害发生的可能性。分析成果有助于进一步研究气候变化对太湖流域水资源和防洪安全的影响，也将为太湖流域未来气候变化情景的构建提供科学依据。