基于河流健康的辽河干流生态调度分期研究

河流健康受水文条件、人类活动干扰等因素影响存在季节性特点。作为以维护河流健康为目标的生态调度,在四季变化明显的北方地区也应具有分时期的特性。以辽河干流为研究区域,以月为单位对其河流健康进行评价,探讨河流健康的年内变化规律。研究表明辽河干流河流健康状况存在明显的分期特性,不同时期健康状况差异较大。基于上述特点,提出以分期生态调度的方式来改善河流健康,并划分出封冻期、汛前枯水期、汛期、汛后枯水期4个时期。同时确定出封冻期的最小生态需水、枯水期的河流自净需水、汛期的输沙需水的需水要求。最后耦合出辽河干流生态流量过程并与Tennant法比较,表明该流量过程符合天然的径流节律,能更好地维护河流健康     

基于MODIS叶面积指数的大渡河流域作物生态需水研究

利用大渡河流域30年的气象资料,采用FAO最新修订的Penman Monteith方程计算流域参考作物腾发量。同时获取大渡河流域2007年内45期MODIS LAI数据,根据叶面积指数与作物系数的经验关系得到作物系数2007年年内的变化情况,利用GIS中的Zonalmean函数对大渡河流域平均作物生态需水量年内变化进行估算。在根据年干燥度进行干湿区划的基础上,对作物生态需水来源进行分析。结果表明：大渡河流域2007年内生态需水总量为6188 mm,月平均值为516 mm。其中作物生态需水量年内变化过程为夏季最高,占全年总需水量的357%,春季、秋季、冬季生态需水量逐渐减少分别占全年总量的304%、201%和138%。在雨季,降水完全可以满足流域生态需水量,降水是这一时期生态需水的主要来源。在旱季,半干旱区的生态需水来源受区域干燥度的影响较大,越干燥的地区降水占作物生态需水百分比就越高;半湿润区作物生态需水来源仍以降水为主,但降水占作物生态需水百分比除了受区域干燥度影响之外,可能还受到其它因素如：陡坡耕地占耕地总面积的比例的影响。     

基于水量分配方案的抚河流域最小控制需水量研究

鄱阳湖流域水资源丰富,在非汛期尤其是用水高峰期,存在供需水矛盾和河道外用水挤占河道内用水现象。基于水量分配方案,以控制断面为节点,考虑河道外需水,兼顾河道内生态环境需水,系统提出计算流域控制断面最小控制需水量方法。在此基础上,以抚河流域为例,把流域划分为12个控制断面,分别为沙子岭、黎川、南城、洪门、廖坊、石门、廖家湾、娄家村、马圩、焦石、柴埠口和李家渡,各断面的最小控制需水量分别为740、380、2873、1200、4981、261、5085、7168、050、10894、1556 和1030 m3/s。通过水文监测控制流域断面流量,为落实水量分配方案、保护流域水环境和维持河流生态系统健康提供保障。同时,以最小需水量并与实测流量比较,确定各用水区余缺水量,为实施流域非汛期水量调度提供依据     

巢湖流域河流鱼类群落的时空分布

基于2013年4月和10月对巢湖流域66个河道样点的调查数据,初步研究了巢湖流域河流鱼类群落的时空变化特征。主要研究结果显示,鱼类多样性无显著性的水系间、生态分区间的变化,但随季节和河流级别显著变化:10月份的个体数显著高于4月份,2级河流的物种数和个体数均显著大于1级、3级和4级河流。鱼类群落结构的季节动态显著,随生态分区显著变化,但不受水系、河流级别的显著影响。在二级生态分区水平上,仅西南森林生态亚区的鱼类群落结构与其他5个生态亚区的显著差异;宽鳍鱲、吻虾虎鱼等在西南森林生态亚区具有更高多度,而鲫、鰐、鲤等物种在其他生态亚区多度更高。     

成都平原毗河下游生态环境需水量研究

20世纪90年代以来,河流生态环境需水成为生态水文学研究的重要内容。阐述了基于国际上新兴发展的生态水文学理论的生态环境需水量的概念和内涵。并以毗河为例,用能反映时间尺度的河流流量来表达生态环境需水量,而不是传统意义上的水量。为了与水资源配置的时间单元协调起来,对3个代表年〖WTBX〗P〖WTBZ〗=50%（1968年）,〖WTBX〗P〖WTBZ〗=75%（1986年）,〖WTBX〗P〖WTBZ〗=90%（1987年）分别进行生态环境需水量的计算。根据毗河的自然条件,利用Montana法计算了河道维护水生生境最小需水量和最适宜需水量;蒸发需水量由水面宽度、河道两断面间平均长度、河道蒸发深度三者确定;结合河道功能区划和水质目标,计算了污染物稀释需水量。最终确定毗河下游河道的最小生态环境需水量为20.64 m3/s,最适宜生态环境需水量为25.84 m3/s。     

小型季节性河流生态补水需水量及调度方案研究

针对目前城市河流经常断流的突出问题, 以重庆主城典型重污染河流伏牛溪为例, 开展城市小型季节性河流生态补水自动调度方案的研究。通过分析伏牛溪年内径流特征, 确定了其补水时段为每年的11月~次年4月;通过计算伏牛溪生态环境需水量, 认为对于小型季节性河流的补水不应一味地追求常年丰沛、稳定的水量, 而应以重塑季节性河流天然健康的自然流态为目标, 从而提出了一种基于天然健康需水量的生态补水调度方案, 并制定了河源水库电动阀门及补水泵的运行控制策略等具体技术措施。结果表明, 采用该调度方案, 不仅能实现伏牛溪生态补水系统的自动化运行, 而且与现有补水系统运行方式相比, 可节能67.4%, 为补水系统的可持续运行创造了条件。     

泥曲河道内最小生态需水研究

生态需水研究是水资源开发和可持续利用中不可缺少的部分,目前计算河流生态需水的方法极多。从保护生物多样性的角度出发,结合河道断面和河道内生物信息,建立生物栖息地指标与流量之间的关系。生物栖息地指标包括：平均流速、水面宽、平均水深、湿周、过水断面面积、水力半径以及加权可利用栖息地面积(WUA)等,综合这些栖息地指标与流量的关系确定南水北调西线工程调水区泥曲河道内最小生态需水,为南水北调西线一期工程可调水量提供参考。结果表明,利用流速、水深、过水断面面积和水力半径确定河道最小生态需水
小于多年平均流量的10%,利用水面宽、湿周、WUA等计算的结果分别是多年平均流量的56%、48%和32%。最终确定泥曲泥柯站河道内最小生态需水为193 m3/s,朱巴站最小生态需水为298 m3/s,位于Tennant法计算结果的“较好范围”生态需水等级,可以对河流栖息地提供比较好的保护。     

我国生态需水研究现状、面临挑战与未来展望

通过回顾生态需水研究发展历程及主要研究成果,从生态需水研究的典型区（流）域、研究对象、概念内涵、研究内容、计算方法及应用等方面系统归纳并总结了我国生态需水的研究现状与面临挑战,并提出若干关键科学问题。指出现阶段我国生态需水研究仍处于起步阶段,生态需水基础理论研究不足是导致目前生态需水计算方法不统一,可信度低,计算结果风险大,在水资源规划、配置与管理实践中难以达到预期结果的主要原因。今后生态需水研究的重点方向是基于流域生态系统完整性的流域生态系统需水研究,关键科学问题包括变化环境下气候变化和人类活动对生态需水影响机理及尺度转换中生态需水规律剖析等,在此基础上,需进一步加强生态需水基础理论研究,强调理论研究与管理实践的有机结合,以构建适合我国国情的生态需水研究理论方法和技术体系     

流域生态用水分配的协调性评价研究

流域生态用水分配的合理性来源于生态需水的自身满意度和流域子系统生态用水的协调性，因而评价流域生态用水分配的协调性非常必要。本文应用整体分析法，基于最大概率乘积定理和“木桶法则”，构造了流域生态用水分配系统的协调性评价模型，分析了各子系统生态用水分配的合理度，完善了流域生态用水分配合理性的评价内容和方法。以黄淮海流域为例，得到黄淮海流域生态用水分配协调度分别为O．9307．0．9603．0．8099．均小于协调度为0．996的一般标准，故其协调度都比较低，而流域之间的差异源于子系统生态需水自身满意度的差异程度不同。考虑这种用水协调性。流域生态用水系统的合理性程度在生态需水自身满意度的基础上各有不同程度的降低。利用该模型还可以对未来生态用水分配合理性进行评价．获得最佳分配方案，以获得最大的生态经济效益。     

跨境河流水量分配方法探讨:破产理论下的评估与改进北大核心CSCDCSSCI

跨境河流水量分配不均极易引发流域国间的冲突,如何在沿岸国之间实现公平合理的水量分配是流域国达成共识机制的关键。在总供给水量无法满足各沿岸国用水需求的前提下,使用破产理论分析具有明显优势,其合作博弈的性质和对个体关注的特点使其具有较好的应用前景。本文在比较评估10种已有破产规则的有效性和局限性基础上,对破产理论下的跨境河流水量分配方法进行优化改进。首先,依照破产理论的“清偿顺序”,确定有限水量进行破产分配的顺序,优先保证最基本人类生活用水和生态需水。其次,结合国际水法提出的“公平合理”和“不造成重大损害”原则,综合考虑其他因素,增设水资源贡献量、人口自然增长量、水资源开发落后地区倾斜系数和最低供水保障率四个参数,分别对PRO、CEL、AP三种传统破产规则进行改进,构建加权破产模型,探讨更加公平合理的跨境河流水量分配方法。最后,以澜沧江—湄公河流域旱季为例,测算不同破产规则下各沿岸国的分水量及满意度,在采用Borda计数法对各国偏好排序的基础上,综合考虑话语权的CPBSI(compromise programming based stability index)指数,定量判断各分配方法的稳定性。结果表明:①改进后的R_PRO、R_CEL、R_AP三种破产模型平均CPBSI指数值较低,整体稳定性较高,特别是相较于原分配方法均有较大幅度的降低,稳定性显著增强,可见本文提出的改进水量分配方法具有较好的适用性;②在改进后的模型中,R_PRO方法下的CPBSI指数最低,其次是R_AP,两者相对来说是比较稳定的水量分配方案,最有可能为流域成员国所接受,这对未来流域一体化相关协议的签订和谈判具有重要意义。     

气候变化下汉江上游林地植被生态需水量的时空演变

研究气候变化下林地植被生态需水量的时空变化,对于保护涵养水源的林地植被系统,合理规划管理流域水资源有着重要作用。以汉江上游流域11个气象站点1971~2010年的气象资料为依据,采用结合[1]土壤含水量与植物类型修正蒸散发量得到植被生态需水量的方式,从时空角度定量研究了在生长季4~10月份流域林地植被生态需水量及其趋势性变化,并且分析了生态需水量对各气象因子变化的敏感性程度。结果表明:汉江上游流域林地植被多年平均生长季生态需水量为6.915 8×109 m3,整体上呈现非显著性增加趋势,在空间分布上具有明显的地带性特征。生态需水量对不同气象因子有不同程度的敏感性:最高温度水汽压太阳辐射风速最低温度,生态需水量对各气象因子敏感程度的地带性分布特征还与各区域的纬度、海拔、植被类型和下垫面情况有关。     

水库生态调度模型及算法研究

随着我国大规模流域开发，大量水库建设对河流生态系统造成了较大影响，如何通过水库合理调度来减轻水库对河流生态环境的负面影响，是当前水库运行调度研究中的一个热点问题。针对现行水库调度过分强调经济利益而忽视生态环境需水状况，致使部分大坝下游和库区发生生态环境退化的现象，从自然资源可持续发展的角度，探讨了水库生态调度的概念和任务，建立了水库生态调度多目标数学模型。该模型以经济效益、社会效益和生态环境效益组成的综合利用效益最大为目标函数，以综合利用要求为约束条件，包括灌溉、发电、航运、旅游、河口压咸和应急用水等。该模型为具有复杂约束条件的多目标规划模型。创建了可行搜索离散微分动态规划算法(FS DDDP算法)对该模型进行了求解。〖     

永定河河道修复生态功能区划研究

河道生态功能区划是依据区域生态系统现状、生态环境敏感性、生态服务功能重要性等特征的空间分异性而进行的空间分区,是进行河流生态修复的科学依据.本文利用GIS和RS技术,在区域生态环境调查的基础上,分析了永定河北京段生态问题、生态功能重要性等,揭示了区域生态系统的分异规律.综合自然因素与人类活动对区域生态系统叠加影响,最终形成了永定河北京段生态功能区划方案,划分为自然段、近自然段、城市景观段、人工绿化段、自然绿化段等5个区域,并结合永定河多元化用途、相关发展规划和社会经济发展状况等因素,提出各区域的生态修复调控指标,为永定河北京段生态修复提供了科学指导.     

枯季乌江河流“呼吸”作用及其性质探讨

发源于云贵高原上的乌江是长江流域的重要支流之一。乌江流域喀斯特地貌广泛发育，是中国南方典型的喀斯特河流。以枯水季节乌江流域水体中的实测温度、溶解氧、碱度和pH值等理化参数为依据，探讨了乌江流域河道水体的CO2分压(〖WTBX〗P〖WTBZ〗CO2)与河流“呼吸”通量的变化规律。乌江流域枯水季节河道水体〖WTBX〗P〖WTBZ〗CO2介于2913~1 530 μatm之间，平均值为9493 μatm，约为大气的3倍，各支流样点的平均值为9924 μatm，大于干流平均值9026 μatm，由此推断乌江流域干支流河道在枯季是大气CO2的“源”。受各游段流域特征以及人类活动的影响，干支流河道水体〖WTBX〗P〖WTBZ〗CO2表现出明显的空间差异。水体〖WTBX〗P〖WTBZ〗CO2与溶解氧的相关关系不显著，说明河道内有机质的异养呼吸不是喀斯特乌江流域枯季水体中溶解无机碳的主要来源，其河道水体中高〖WTBX〗P〖WTBZ〗CO2成因复杂。〖WTBX〗P〖WTBZ〗CO2的上述分布规律是流域支流汇入、地下水以及河道水体有机质氧化分解等共同作用的结果。     

乐安河流域面源营养物质输移研究

根据乐安河流域2009~2011年17个监测断面的定期观测数据,初步分析了流域内总氮、总磷的时空分布规律。运用WATLAC水文模型和MESAW营养盐模型,对乐安河流域营养物质产出与输移进行模拟,估算主要土地利用方式营养物输出系数、产出量及河道滞留率。研究表明：该流域氮年产出量为10 4380 t,对流域出口处的贡献量为5 8557 t,滞留率为439%;磷年产出量为1 0037 t,对流域出口贡献量为3449 t,滞留率为656%。由于氮的可溶性强和流动性更强,因此比磷的产生量和贡献量都更多,并且滞留率受降雨影响更为显著。延长污染物的迁移路径和时间,可增加营养物的滞留率,减少对河道的贡献量     

兼顾生态系统功能和生态需求强度的城市生态用地重要性评价——以长沙市为例

生态环境保护和城市经济发展的矛盾由来已久,科学评价生态用地的重要性,对维护区域生态安全和引导城市有序扩张具有重要意义。生态用地的重要性不仅由生态用地自身的生态系统功能决定,同时受到人类生态需求强度的影响。选取生物多样性维持功能、土壤保持功能、水源涵养功能、户外休闲需求和生态用地稀缺度等指标,以长沙市中心城区为研究区,构建了兼顾生态系统功能和区域生态需求强度的生态用地重要性评价模型,进行了生态用地重要性评价。其中,生态系统功能通过生物多样性维持功能、土壤保持功能、水源涵养功能量化,区域生态需求强度通过户外休闲需求和生态用地稀缺度量化。实验结果表明：长沙市中心城区生态用地空间分布差异显著,极重要生态用地主要由大面积集中连片的森林、重要饮水源地和高质量的耕地构成,既包括城市外围提供生态屏障的大块生态用地,同时包括人口稠密城市建成区内的湿地、河流等小面积生态用地。与传统评价模型相比,构建的模型能够体现人类需求的影响,结果更符合人们的实际生态需要。     

香溪河流域不同介质中碳、氮、磷的分布特征及相关性研究

为了解香溪河流域碳、氮、磷的分布情况及水、陆生态系统中这些生源要素间的相互关系,对流域内河岸带土壤、河流水体及沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)含量进行调查,分析它们在流域内的分布特点,探讨各要素在3种介质间的相关性及随河流级别的变化规律。研究发现,超过60%的样点土壤中TOC、TN含量处于"较丰富"或"丰富"等级,耕地附近样点的TOC、TN和磷矿区附近样点的TP普遍偏高。河流水体及沉积物中各要素的含量都与土壤中的含量紧密相关,但水、陆介质间TP的相关性较TOC、TN强。低级别河流样点土壤中TOC、TN、C/P、N/P值和沉积物中C/P及N/P值整体较高级别河流样点高。结果表明:以磷矿开发和农业施肥为代表的人类活动,对香溪河流域内生源要素的含量及分布产生了显著影响;水体中P元素含量与陆源关系最强,在水体污染控制中应予以重视。     

基于GIS的高原湖泊流域生态安全格局构建及优化研究——以星云湖流域为例

以星云湖流域自然人文环境特征、主要生态环境问题为出发点,结合景观生态学原理方法、熵值法和GIS空间分析技术,实现星云湖流域生态安全的空间分异格局及优化。选取海拔高程、坡度、土壤侵蚀强度、地质灾害易发性、土地覆被(利用方式和植被覆盖度)、人口密度、距自然保护区距离、距离建设用地和距水源距离等因素为阻力因子叠加生成综合阻力要素,根据GIS空间成本距离分析原理,引用最小累积阻力模型识别构建流域生态廊道和生态节点,进一步规划优化流域生态功能网络的结构和功能。研究表明:(1)从各安全等级面积比例和平均生态安全指数角度,星云湖流域中度安全占流域总面积的45.81%,高度安全为25.24%,较低安全为21.05%,不安全占7.9%,平均生态安全指数为2.95,流域生态安全总体处于中度安全,生态系统健康一般,但部分地区生态安全性较低,主要分布在南部、东部和北部地区,应重视这些区域的生态保护和建设;同时,坡度、水土流失因子和水资源(自然环境要素)、土地利用格局和距离建设用地(人类活动干扰要素)等因素是流域生态安全格局形成的主要因子;(2)识别规划了中枢生态源、核心型生态源斑块、一般生态源、多种级别的生态廊道和生态节点或战略点等构成的具有结构性和层次性的流域生态安全网络格局,对不同层次和结构的生态源、生态廊道和生态节点或战略点进行针对性建设保护,将有效提升流域生态系统的功能价值性和系统的完整性,进而加强流域生态稳定安全。     

香溪河梯级小水电站对河流生态系统功能的影响

香溪河是长江三峡水库湖北省最大且靠近坝首的支流,干流全长94 km,流域面积为3099 km2,其水能资源丰富,自然落差达1540 m.以香溪河流域内的18座小水电站为研究对象,于2005年10月20日至11月1日分别对河流主要理化指标及生态系统功能(以附石藻叶绿素a浓度为代表)进行测量,分析其对梯级水电站建设的响应.结果 表明:5条河流(包括香溪河干流和4条主要支流)的空间异质性较大;从全流域来看,各主要理化因子如溶解氧、水深、浊度、流速等与附石藻叶绿素a含量相关性很高,但不同支流的主要影响因子各异,证明了流域空间异质性对研究小水电的影响具有重要作用;梯级小水电站建设对河流生态系统功能已产生显著影响,特别是在取水口下游的3号样点.由于取水造成的断流现象严重(采样时期,50％的电站出现断流,最长距离达3.2 km),因此在枯水期确定河流的最低生态需水量,是一个亟待解决的问题.从流域角度出发,通过多学科交叉手段研究小水电站建设如何与其他环境胁迫因子交互作用,如何共同影响河流生物多样性、生态系统结构、功能与服务.这将是流域水电站管理的重要抓手及解决途径,也是未来河流生态学的研究重点.     

基于水足迹的流域生态补偿标准模型研究

流域水资源是一种公共物品,其系统的整体性以及资源外部性等特征要求各相关区域应共同承担环境保护.如何衡量各区域水资源开发利用与环保投入的关系,建立合理的生态补偿标准模型,已成为流域管理研究领域普遍关注的问题.本文运用水足迹理论和方法,界定流域水足迹内涵,通过反映流域沿岸各区域水生态服务耗费情况判断分析水生态系统安全状态,提出流域生态补偿标准计量流程及不同情况下的流域生态补偿标准测算模型,从而客观、准确地量化流域生态补偿额度,为管理者正确分析和解决流域各区域间利益冲突提供科学的决策依据与支持.同时本文以碧流河为案例,收集并分析了2002-2006年间碧流河沿岸各行政区水足迹和环保投入情况,理清各区域生态系统状态及相互关系,计算补偿标准,进而验证模型的可行性.