流域水生态系统健康与生态文明建设

健康的流域水生态系统是保障流域经济社会可持续发展的基础,解决我国严峻的流域水生态系统健康问题迫切需要开展以流域为基本单元的生态文明建设. 针对我国流域水生态系统健康现状,确立了流域生态文明的概念和内涵,提出了流域生态文明建设的基本框架和主要任务. 以保障流域自然生态系统的完整性、流域经济社会系统发展的可持续性、人居环境的生态性为内涵,构建流域水生态-经济社会复合生态系统的动态平衡是流域生态文明建设的基本框架. 流域生态文明建设的主要任务:①构建以水生态系统健康为目标的流域分区管理模式,优化国土空间开发;②健全流域的水环境质量基准和标准体系,科学确定生态系统保护阈值;③建立以流域生态承载力为约束的污染物总量控制技术,优化产业结构与布局;④以保障流域环境流量为前提,实现水资源生态利用;⑤加强人居环境生态建设,实现流域城市生态化发展;⑥加强生态制度建设,构建流域生态文明建设长效机制.该研究成果可以为实现流域人与自然和谐发展提供理论指导.      

滇池流域水环境承载力及其动态变化特征研究

为了定量分析人口增长、经济发展、资源短缺和环境污染等因素对流域水环境的综合影响,建立了湖泊水环境承载力多目标优化模型.同时,选取人口、灌溉面积、国民生产总值(GDP)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)作为水资源和水质量承载力指标,运用层次分析法(AHP)确定各指标对湖区水环境承载力的权重,并运用指标体系评价法分别计算了2003—2010年滇池流域水环境承载力.结果表明,流域内人口承载度超标,经济承载压力显著增长,富营养化指标——TP、TN呈高负荷波动状态.滇池流域水环境承载力为负承载,水质量承载力影响程度更大.研究结果可为滇池流域的社会经济发展规划、生态环境保护和水资源可持续利用提供科学依据.     

基于水量-水质耦合过程的流域水生态承载力优化方法与例证

水质与水量是影响水生态系统健康的重要因子,开展以生态需水和功能区水质达标为核心的水生态承载力研究对改善流域生态用水不足和水污染具有重要意义.当前流域水生态承载力优化方法将水量和水质作为独立系统处理,忽视了其耦合关系.基于河流水质模型和水资源模型,建立了流域水环境容量与环境流量的函数关系,并作为水生态承载力优化模型的约束条件,构建了以人口与产业规模最大化为目标的水生态承载力的优化模型.最后,对水污染严重且水资源短缺的盘龙江流域进行了实证研究.结果表明:建立的水生态承载力模型能够反映水量与水质的耦合作用,从而提高了流域水生态承载力决策的科学性;盘龙江流域的水生态承载力为20.56万人和119.24亿元GDP,2014年的流域现状值超载了234%;流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系,呈现倒V型非线性变化过程;当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时,受水区的水生态承载力可得到一定程度的提高.     

鄱阳湖流域人为氮磷输入演变及湖泊水环境响应

人类活动导致的氮磷营养盐富集是我国湖泊富营养化问题形成的重要驱动力.鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,随着流域经济社会的迅速发展,湖体营养盐水平上升,降低了鄱阳湖及长江中下游地区的水环境质量.然而,人类对鄱阳湖流域氮磷输入的影响程度尚不明确,湖体氮磷浓度与流域人为氮磷输入的关系也缺乏定量研究.因此,本研究基于人为净氮输入模型(NANI)、人为净磷输入模型(NAPI)和多元统计回归模型,评估了鄱阳湖流域1949—2013年人类活动导致的氮磷输入量,构建了人为氮磷输入与湖泊氮磷浓度的响应模型.结果表明,研究期内鄱阳湖流域的人为净氮输入和人为净磷输入分别增长6倍和15倍,化肥施用是20世纪80年代以来的主要增长因子;鄱阳湖氮磷浓度与流域人为氮磷输入显著相关,根据多元回归模型的可决系数,NANI可解释88%的湖体TN浓度变化,NAPI和湖泊平均水位可解释64%的TP浓度变化.提高氮磷的循环利用率同时维持湖泊生态水位对于降低鄱阳湖富营养化水平具有重要意义.     

1951—2017年滇池流域极端降水变化及湖体水质响应

极端降水是流域水文水质变化的重要驱动事件.本研究使用RclimDex、随机森林回归和Mann-Kendall等方法分析了滇池流域多年极端降水指标变化特征及其对滇池湖体水质的影响,评估了不同极端降水指标、经济社会指标、人为氮磷输入量、调水量等驱动因子对滇池TP、TN浓度的重要性.结果表明：近67年间,滇池流域的总降水量没有显著变化,极端降水的频次及强度显著降低,但由于极端降水对流域总降水量的贡献较大,流域面临的极端降水风险较大.近20年来,滇池湖体TP、TN浓度呈显著降低趋势,水质显著好转,但极端降水将持续影响滇池水质,并且,在人为氮磷输入与极端降水变化的双重作用下,滇池水质持续好转的压力较大.     

基于产业结构的区域水环境承载力优化方法与例证

以人口数量和地区生产总值最大化为优化目标,以水资源可利用量、水环境容量和经济社会发展为约束,构建了包括产业结构、种植业结构和养殖业结构等要素的区域水环境承载力优化模型,为以种植业与养殖业为主要污染源地区的水环境承载力调控提供方法,丰富水环境承载力调控的方法体系.以承德市为例进行实证研究,结果表明,(1)在经济发展调控与污染控制不同情景方案下,研究区可承载的人口与产业规模可分别提升2.6%～29.5%和18.5%～31.8%,表明产业优化和污染控制水平对区域水环境承载力具有重要影响,研究区尚有人口和经济增长空间;(2)控制经济社会发展速度,特别是优化农业种植结构、减少畜禽养殖规模是提高研究区水环境承载力的关键,农业种植结构和养殖结构是区域水环境承载力的敏感指标;(3)在水环境承载力约束下,污染控制指标如城镇生活污水处理率等存在下限阈值,表明研究区污染控制水平对水环境承载力具有短板效应.     

水质监测频率与极端气候对高原湖泊入湖河流氮磷通量估算的影响

河流是流域氮磷营养盐的主要输出途径之一,准确掌握其通量变化和驱动因素对流域营养盐管理具有重要意义.本研究以滇池主要入湖河流宝象河为例,基于周水质观测数据和逐日水量数据,构建了河流氮磷通量LOADSET模型.估算了宝象河不同时间尺度（日、季、年）TN和TP的通量,评估了4种低频水质采样和极端气候指数对河流氮磷通量计算的影响.结果表明：①2018年宝象河的TN和TP年通量分别为270.49 t和11.19 t,存在显著的年内差异,夏季是通量最高的季节,分别占TN和TP年通量的40.78%和41.96%.②基于LOADEST模型的低频水质采样的氮磷估算结果与高频采样差异较小,宝象河TN、TP通量估算受采样频率影响较小.③宝象河的TN和TP通量变化受连续5日最大降水量、平均最低气温、平均最高气温、最低气温、最低气温极大值、最高气温极小值和平均温差7种极端气候指数的显著影响.     

2008年滇池流域水环境承载力评估

自20世纪70年代以来,随着经济迅猛发展以及人口的快速增长,滇池流域的水环境问题日益突出. 为深入了解造成当前水环境问题的根本原因,以水资源承载力和水环境承载力作为广义水环境承载力的基础进行综合分析,并且利用水资源供需平衡和水资源承载压力度反映水资源承载力,利用水环境承载率反映水环境承载力. 结果表明:滇池流域TN和TP的水环境承载率分别为0677和0355,处于超载状态,是导致滇池流域严重富营养化的主要原因;水资源承载压力度为145,远大于供需平衡,同样也处于超载状态,实际水资源盈亏为-59 037×104 m3,缺失严重. 因此,滇池流域水质型和资源型缺水问题共同存在.      

滇池浮游植物群落特征及与环境因子的典范对应分析

2013年3、5、7和11月对滇池浮游植物群落进行监测,共检出浮游植物6门31属,主要由绿藻门、蓝藻门、硅藻门组成.浮游植物平均丰度值7482×10⁴ cells/L,3月绿藻门占优势,优势种为栅藻;5、7、11月均以蓝藻门占优势,优势种均为微囊藻.对31属浮游植物与10个环境因子的关系进行典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA),结果表明:电导率、DO、TN、TP、COD_Mn是影响滇池浮游植物分布的主要环境因子.蓝藻能适应较高氮磷营养盐,还受到电导率、COD_Mn、DO、pH值影响;绿藻能适应高的水温、pH值和COD_Mn,同时受到氮磷营养盐、DO、电导率的影响;硅藻能适应高的pH值、COD_Mn,还受到氮磷营养盐、水温、DO、电导率的影响.     

陕北生态脆弱区小尺度生态恢复的生态经济承载力研究

为了研究生态恢复过程中复合承载力变化,以陕北县南沟小流域的生态恢复试验为例,应用能值方法揭示了该流域的动态可持续性.同时,应用情景模拟方法研究了在不同能值生活标准下的承载力变化,探讨了生态恢复对承载力的影响.结果显示,2002~2005年流域环境负载率（ELR）总体上有所下降,持续性指数（ESI）有所增加.流域可更新资源承载力、中国1996年生活标准下以及全球1999年生活标准下的人口承载力分别为938人（下限）、10853人和3020人（上限）.根据基于面积的承载力计算方法,流域可更新资源承载力和中国1996年生活标准下承载力分别为17844hm2和6572hm2,分别为流域面积的3倍和1.1倍.上述结果表明,生态恢复提高了流域资源利用和转换效率,环境负载率下降,流域现有人口及其生产规模基本在其承载力范围内,但已经接近上限.鉴于当前较低的生活标准,流域的承载力有待进一步提高.     

大辽河流域上游非点源污染输出风险分析

为了解土地利用的组合方式对氮磷输出的影响,在广泛收集土地利用输出系数的基础上,基于遥感和GIS手段,分析了大伙房水库控制流域内营养物质氮磷的输出风险.结果表明,大伙房水库控制流域非点源污染输出的风险概率比较小,氮素和磷素的风险概率平均为19.31%和8.95%.但在空间分布上差异很大,风险概率高的地方一般在主要的河流附近,沿河流流向延伸.而其它区域的风险概率相对较低.此外,营养物质输出风险随着坡度不同差别比较大,而在行政区内差别不明显.     

Water environmental planning and management at the watershed scale: A case study of Lake Qilu, China

Water environmental planning and management has become essential for guiding the water pollution control activities. Past water pollution control activities have been site specific, with little thought on water quality standard reaching at the watershed scale. Based on the watershed approach, a seven-step methodological framework for water environmental planning and management was developed. The framework was applied to water environmental planning and management of the Lake Qilu watershed in Yunnan Province, China. Results show that the reduction amount of total nitrogen (TN) under the plan is 1,205 tons per year so that the target of environmental capacity can be reached in 2020. Compared with traditional methods, the framework has its prevalence and could be generalized to analogous watersheds.     

太滆南运河入湖污染物控制对策研究

太滆南运河是太湖15条入湖河流之一,水环境质量日益恶化,呈现出明显的氮磷污染特征,成为影响该区域可持续发展的主要问题之一,基于太滆南运河小流域和水质污染分段的特征,计算了研究区域的水环境容量和污染物削减量。以区域内分段入河河流环境容量为前置约束条件,以构建保障太湖入湖水环境安全的三道生态屏障为重点,以控源截污为主要手段,开展太滆南运河水环境生态系统修复,提高入湖河流的生态承载能力,确保入湖水质达标。     

Estimating the effectiveness of vegetated floodplains/ wetlands as nitrate-nitrite and orthophosphorus filters

The role of vegetated floodplains/wetlands on the stream water quality of agro-ecosystems in the Coastal Plain region of the southeastern United States is reported. Water-borne nitrate plus nitrite nitrogen budgets and orthophosphate phosphorus budgets from a cropped agricultural area were compared with those of a watershed with alluvial forests below the cropped areas. Analyses were made to determine if observed differences in nutrient concentrations and loads were the result of dilution of cropped area runoff by flows from non-cropped areas. Reductions in the observed levels of nitrate plus nitrite nitrogen and orthophosphate phosphorus between upland cropped areas and watershed outlets exceed reductions that would be caused by dilution effects. Significant portions of the observed nutrients leaving cropped areas were retained, utilized and/or transformed in the vegetated floodplains/wetlands characteristic of these Coastal Plain watersheds.     

Eutrophication status and control strategy of Taihu Lake

The water quality and eutrophication status of Taihu Lake in recent years are presented and the pollution trends are analyzed. It is shown that because of unreasonable industrial structures, pollution discharge per GDP is high within the Taihu basin, and the pollution discharge from point and non-point sources exceed the basin’s environmental carrying capacity. Especially, excessive pollutants containing nitrogen and phosphorus are being discharged. Moreover, eutrophication may also result from internal pollution sources such as the release of nutrient elements from sediment. All these factors have resulted in the water quality deterioration of Taihu Lake. To solve this environmental problem, possible control strategies are summarized, including the control of internal pollution sources and inflow-river pollution, ecological restoration and reconstruction of the degraded lakeside zone ecosystem, clean water diversion, dredging, and manual algae removal.     

考虑面源污染的农业开发流域生态安全评价研究

随着农业开发的进程,流域生态安全会发生相应变化,在考虑面源污染的基础上,以挠力河为例开展该研究.该流域14年来的土地利用类型发生较大变迁,耕作方式改变,破坏了流域的生态安全,同时大量农药化肥的使用,使得大量氮、磷为主的营养污染物引发农业面源污染,面源污染将成为生态安全评价的一项重要指标.为了对农业面源污染进行量化,对生境质量进行直观评价,考虑面源污染做出流域生态安全的变化评估,选取SWAT模型和InVEST模型（生态系统服务和交易的综合评估模型）,同时考虑面源污染及生境质量,对比挠力河流域2000年、2006年、2014年三个年份的生态安全变化.根据输出结果,分析时空变化模式,得到氮磷负荷、生态环境质量对时空变化的响应,讨论提出有效的防控建议.     

基于AnnAGNPS模型四岭水库小流域氮磷流失特征的模拟研究

采用流域尺度的农业非点源污染模型——AnnAGNPS模拟预测苕溪流域四岭水库小流域氮磷流失情况,分析氮磷流失空间分布特征.结果表明,单位面积总氮、总磷流失量在空间分布上有一定的相似性,均呈现出南部大于北部,西部高于东部的特点.以竹林地为主的林地是氮磷输出的最主要来源,其对氮、磷流失总量的贡献率在90%以上.设定不施肥处理(CK)、适地养分管理(SSNM)、当地高产竹农普遍采用的施肥方法(FFP)这3种施肥方式对林地主要植被类型竹林进行情景分析,模拟结果表明,与FFP相比,SSNM在一定程度上减少了氮磷输出,其中溶解性氮和颗粒态氮流失量分别削减8.17%、4.33%,溶性磷和颗粒态磷流失量依次减少9.08%、1.02%.     

人类活动对流域生态健康影响风险评估方法研究:以呼伦湖流域为例

随着社会经济的快速发展,我国多数流域受到了不同程度的人类活动影响,并导致了水体污染、生物多样性退化等一系列问题,流域生态系统健康已成为制约我国经济社会可持续发展的突出因素之一.因此,开展人类活动对流域生态健康影响风险评估方法研究具有重要意义,也将对我国未来流域生态环境保护及建设的决策指导起到重要的作用.该研究以旱寒区呼伦湖流域为研究对象,基于人类活动、生态格局、生态功能和生态压力等多个角度,通过构建科学合理的流域人类活动-生态系统评价指标体系,并结合交互风险评估矩阵,开展人类活动对流域生态健康影响风险评估.结果表明:①呼伦湖流域GDP和人口主要分布在海拉尔区和满洲里市周边,其他区域GDP强度和人口强度较低;②呼伦湖流域GDP强度指标有2个子流域分别处于40~60和60~80之间,人口强度指标有1个子流域处于60~80之间,2个子流域处于40~60之间,生态系统指标有8个子流域处于60~80之间,其余子流域均大于80;③呼伦湖流域32个子流域中,有30个子流域处于低风险状态,面积占全区域的98.62%,另有2个子流域处于中等风险状态,面积占全流域的1.38%,研究区域内无高风险子流域.研究显示,该研究提出的评估方法可以有效评估人类活动对流域生态健康影响的风险,有助于明确流域生态健康主要影响因素及系统变化的内在驱动机制,从而为流域尺度生态环境保护及可持续发展提供理论依据与技术支持.      

基于种养平衡的杭州市畜禽养殖环境承载力研究

种养结合循环利用是生态化、资源化解决畜禽规模养殖粪污排放问题的根本途径。论文以土壤有效氮、磷含量预测土壤供肥能力,结合种植和养殖业年度统计数据,利用修正的养分平衡法估算杭州市畜禽养殖环境承载力,并分析杭州市各县市畜禽养殖污染风险。结果表明：2014年杭州市畜禽养殖环境承载力以氮、磷计分别为18.20和 18.29头猪当量/hm²,实际承载量分别为13.26和12.70头猪当量/hm²,污染风险指数分别为0.73和0.69,说明杭州市整体处于畜禽养殖低污染风险状态,但各县市的污染负荷差异显著,市区等4个县市属于过量承载,存在较高的污染风险,富阳等4个县市仍有一定的承载潜力。研究结果可为杭州市种养业平衡整体规模配置、布局调整和粪污消纳等决策提供科学依据。