基于地下水恢复的塔里木河下游生态需水量估算

为探明生态输水后地下水响应带范围及地下水恢复下生态需水量,以塔里木河下游大西海子水库至台特玛湖段为研究区,基于2000—2010年生态输水和地下水埋深分布特征,分析了塔里木河下游生态输水后两岸地下水位恢复状况,并借助遥感和地理信息系统技术对研究区生态需水量进行了研究。结果表明:塔河下游地下水位的抬升幅度与输水量的大小呈一定的正相关关系,并存在一定的时效性。2004—2010年地下水处于长期的负均衡状态,多年下降幅度明显。塔河下游英苏、喀尔达依、阿拉干和依干不及麻断面地下水响应幅度分别为1195、1050、2281 m和1000 m。历经11a输水后,塔里木河下游地下水总恢复需水量为7.06×108m3,其中,齐文阔尔河段为4.98×108m3,老塔里木河段为2.09×108m3,地下水恢复至生态水位4.5m需要5—8a的时间。保护塔里木河下游大西海子以下所有天然植被面积(96114.09 hm2)的生态需水量为0.587×108m3,保护下游地下水响应带天然植被面积(41439.85 hm2)的生态需水量为0.21×108m3。     

海河流域生态需水核算

从生态系统角度分析了生态需水内涵和生态需水与生态用水概念的差别。探讨了海河流域自然陆地、河流、湿地、城市 4种生态系统类型生态需水核算方法 ,并对其生态需水量进行了核算。大气降水首先被天然植被利用后形成地表径流 ,才能被人类管理利用来满足经济水量和生态水量需求。从水资源管理来说 ,河流、湿地、城市等生态需水来源于径流性水资源可称为狭义生态需水 ,而包括利用降水性水资源的天然植被生态需水在内的全部生态系统生态需水可认为是广义的生态需水。狭义生态需水是水资源管理及生态需水研究和关注的重心。研究结果表明 :海河流域河流生态需水 31.6 4× 10 8m3,占多年平均天然径流量的 12 % ;湿地生态需水为 34.31× 10 8m3,占 13% ;城市生态需水量 10 .83× 10 8m3,占 4 .1% ,3项合计占径流总量的 2 9.1%。生态需水量是一个动态的值 ,随生态保护目标的提高和经济的发展核算结果必然发生变化 ,维护生态环境质量的状况不同 ,也存在最大、最小生态需水量的阈值问题 ,此类问题需今后进一步研究     

乌梁素海保护的生态需水量评估

结合乌梁素海湿地生态系统特征 ,基于保证水量、保证水质和改善水质 (对于污染湖泊 ) 3个层次的湖泊湿地保护目标 ,给出了不同环境保护目标下湖泊湿地的生态需水量估算方法 ,并在系统分析乌梁素海水文水循环特征的基础上 ,选择适合的计算方法 ,对乌梁素海不同保护目标下的生态需水量进行了估算。结果表明 ,从保证水量平衡角度看 ,乌梁素海排干系统排入湖泊水量为 6 .18× 10 8m3/ a,可以保证乌梁素海的水量平衡 ;从保证水质角度看 ,由于作为生态用水的黄河水总 N浓度超过国家地表水水质标准中湖泊水质 V类水标准限值的 1.6倍 ,比乌梁素海湖水总 N含量还要高 ,因此 ,完全达标的生态需水量是不存在的 ,但如果只考虑盐分和总 P,在现有排干水量为 6 .18× 10 8m3/ a条件下 ,则维持乌梁素海的盐分和 P浓度不变的生态需水量分别为 1.82× 10 8m3/ a和 12 .3× 10 8m3/ a;从保证湖水水质达标角度看 ,现有污染物排放情况下 ,1a盐分和总 P达标的生态需水量分别为 4 .91× 10 8m3/ a和 16 .3× 10 8m3/ a,10 a盐分和总 P达标的生态需水量应分别为 4 .2 8× 10 8m3/ a和 14 .3× 10 8m3/ a     

黄河三角洲湿地蒸散量与典型植被的生态需水量

蒸散量（ET）是黄河三角洲湿地水资源的主要消耗项,包括植被蒸腾、水面蒸发以及裸土蒸发等。植被生态需水是为了保证植被生态系统能够健康维持并确保其生态服务功能得到正常发挥而必须消耗的一部分水量。准确地估算湿地蒸散量、研究植被生态需水量对于保护湿地生态环境是十分必要的。应用MODIS的地表反射率、地表温度数据与常规气象数据以及土地利用/覆盖图,利用蒸散量的遥感估算模型SEBS模型估算了晴天条件下的黄河三角洲湿地日蒸散量,采用HANTS算法插补了非晴天条件下的日蒸散量,从而得到2001～2005年的该湿地年蒸散量的时间序列,并对蒸散量进行验证和分析。结合该地区典型植被生态需水量与植被蒸散耗水量,估算了2001～2005年的生态补水量。结果表明：与实测值相比,遥感估算月蒸散量的均方差RMSD为16.4mm,平均绝对百分比误差MAPD是11.9%,两者基本一致。黄河三角洲湿地的蒸散量在空间分布上以水体及周围地区、滨海滩涂、黄河故道以及黄河两岸沼泽湿地等的蒸散量较高,居民地蒸散量较低。蒸散量的年际变化不大,季节变化呈单峰型,以5、6、7月份蒸散量最大,月蒸散量在110～120mm之间。2001～2005年期间,每年至少有40%面积的芦苇沼泽和60%面积的芦苇草甸水分供应不足,植被的正常生长受到影响,尤其2002年较为严重,2004年以后情况有所改善。2002年芦苇的生态补水量最大,在9.9×10^7～3.19×108m^3之间,而2004年的生态补水量最小,在3.0×10^7～2.39×108m^3之间。     

基于管理目标的黄河三角洲湿地生态需水量

独特的地理位置和气候特征 ,使黄河三角洲湿地自然保护区孕育了丰富的自然资源和生物多样性。然而近些年来由于黄河上、中游开发不断 ,砍伐、引水工程等引发了下游特别是河口三角洲一系列的生态问题。表现在水资源紧缺、水体污染以及生物多样性减少等。根据黄河三角洲湿地自然保护区的现实问题以及 Ram sar公约要求 ,确定了黄河三角洲湿地自然保护区管理目标即保护新生湿地和鸟类资源 ,栖息地恢复与保护 ,生态系统功能与过程的维持等 3个层次的目标。通过分析湿地生物和水量的相关性 ,计算了不同层次管理目标的黄河三角洲湿地生态需水量 ,即在不考虑输沙用水的情况下 ,黄河三角洲湿地最小生态需水量、适宜需水量和理想需水量分别为 4 0 .95× 10 8m3、5 2 .4 5× 10 8m3和 6 7.93× 10 8m3;在考虑输沙用水的情况下 ,湿地最小生态需水量、适宜需水量和理想需水量分别为 190 .95× 10 8m3、2 0 2 .4 5× 10 8m3和 2 17.93× 10 8m3。     

黑河中游地区植被生态需水量估算

以水量平衡关系为理论基础,引用195 6～2 0 0 0年黑河中游地区各县的气象资料和2 0 0 2年4月～2 0 0 3年10月不同类型植被区的土壤水分动态监测数据,并采用GIS技术进行生态分区的基础上估算该地区的植被生态需水量,分析生态需水量的时空变化以及缺水量。结果表明:黑河中游地区每年最适生态需水量在9.4 8×10 8～11.5 8×10 8m3之间,除去相应植被区域上的有效降水量4 .74×10 8m3,还需要从径流中补给4 .74×10 8～6 .84×10 8m3。除山丹和民乐县外,其它各县的降水量均不能满足临界生态需水量。若以最适生态需水量为标准,山丹县的缺水量最大,占整个中游地区缺水量的4 0 .9%。另外,在水资源配置方案中,不仅要考虑空间上的差异,而且更要注意生态需水量在时间上的变化。分析表明,黑河中游地区的生态需水量的亏缺主要发生在4～6月份     

基于树木年轮技术的塔里木河下游河岸胡杨林生态需水量研究

生态需水量计算是干旱脆弱生态区恢复重建的一个关键问题。分析了塔里木河下游荒漠河岸林关键种-胡杨树木年轮近90年来的变化特征及对气候水文过程的响应,并基于树木年轮技术提出了维系荒漠河岸林不同恢复状态的生态需水量。研究结果表明,塔里木河下游胡杨树木年轮主要承载的是区域水文历史变化信息,可以作为定量评估生态输水工程的生态恢复效应和定量计算植被生态需水量的新指标;胡杨标准年轮宽度指数与生长年生态输水量呈显著正相关(P0.05),近15年生态输水对胡杨年轮宽度指数增加的平均贡献率为42.96%;若要维持塔里木河下游英苏段垂直河道300 m范围内的胡杨达到近90年来的平均生长水平,则需在生长年下泄生态需水量0.84×10~8m~3,若要达到断流前(1933—1974年)的平均径向生长,则每个生长年内生态需水量应达到0.91×10~8m~3。     

内陆河干旱区生态需水分析

根据水分驱动生态演变模型 ,以水分运动和补给条件 ,研究了内陆河平原生态系统的需水结构。生态需水分为过渡带生态需水 ,绿洲生态需水 ;绿洲生态需水又进一步分为天然绿洲生态需水和人工绿洲生态需水。通过流域水分平衡和地面观测资料确定了生态圈层结构的水分需求 ,以及降水与径流对水分需求的补给比例。生态需水的分析计算 ,类似于供需平衡分析。从植物生理角度分析生态需水 ,得到天然植被的总腾发量 Et,作为植被生态需水总量。各典型天然植被的 Et通过实验资料获得。将植被和水面的总生态需水量扣除有效降水补充的部分 ,即为径流性生态需水量 GE。另一方面 ,以流域为单元进行降水和径流统一考虑的水分综合平衡 ,进行生态可利用水量分析。得到生态系统可能实际利用的径流性水资源量 GR。　　将生态需水量 GE与生态系统可能实际利用的水资源量 GR进行平衡分析 ,计算实际生态耗水 ,并分析盐碱地无效耗水。根据 2 0 2 0年生态状态情景分析 ,作出了 2 0 2 0年生态需水与生态系统结构演变的预测     

马拉河流域植被生态需水特征及估算

生态需水是生态用水控制和区域生态环境恢复建设的基本依据。马拉河流域拥有世界著名的生态系统，植被生态需水占流域总需水量的很大一部分。基于1980—2020年ERA5气象数据、叶面积指数(LAI)与世界土壤数据库数据，采用Penman-Monteith法计算了马拉河流域四个季节(短旱季、长雨季、长旱季、短雨季)植被生态需水量的时空变化特征。在此基础上，使用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法与7个环境因子(气温、降水、10 m风速、LAI、太阳辐射、相对湿度、地形)建立了回归模型，分别估算了2011—2020年逐年不同季节的植被生态需水量，并与Penman-Monteith法计算结果进行时间序列拟合度和空间相似性的比较。结果表明：马拉河流域植被生态需水量在过去40年所有季节都呈现为波动变化，植被生态需水量长雨季>长旱季>短雨季>短旱季，长雨季的植被生态需水量约为短旱季的1.5倍。不同季节均呈现出上下游高、中游低的植被生态需水量空间分布格局。LAI为最大的正影响因子，风速为最大的负影响因子。就不同方法估算的植被生态需水量准确性而言，...     

民勤盆地生态环境需水优先次序和需水量

北方干旱地区由于水资源短缺,全面满足所有生态类型需水要求几乎是不可能的.因此提出应基于各生态类型的生态服务价值进行不同类型生态环境需水优先次序的划分,结合区域水资源及生态环境特点,优先满足生态服务价值高的生态类型需水要求,这将具有重要的现实意义.按照上述理论,将民勤盆地生态功能区和生态环境需水类型需水优先次序进行了划分,并根据盆地实际情况,制定了各生态环境需水类型需水量的需水原则.通过分析,认为目前民勤盆地首要满足的是绿洲边缘的防风固沙林带和盆地地下水位恢复两项生态环境需水类型所需水量.根据计算结果这两项合计为1.4682×108m3,其中防风固沙林带生态环境需水量为1.077×108m3,用于地下水位恢复的人工补给回灌量为0.3912×108m3.并通过与相关研究结果比较,认为本次计算结果趋于合理.     

基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究

水是湿地生态系统最重要的影响因子,生态需水核算是对湿地进行生态保护,恢复重建的前提与基础.提出一种基于生态系统受扰动程度评价的适宜生态需水量计算方法.首先根据湿地水面面积变化率最大时对应的关键水位构建初始生态水位方案并将其离散得到一系列离散值;然后应用Mann-Kendall(M-K)法分析历史水位时间序列,找出水位发生突变前自然条件下的水位状态;最后对不同情景水位方案与自然水位状态的差异程度进行修正水文指数(APPFD)评价,确定生态系统受扰动程度在可接受范围之内的多个生态水位方案,进而确定相对应的生态需水量方案.将该方法应用于白洋淀湿地得出了7种可接受的生态水位方案,其中汛期的适宜生态水位在8.31-10.62 m之间,非汛期的适宜生态水位在7.51-9.60 m之间,全年的适宜生态需水量在3.10×108-6.47×l08m3之间.该方法能够为实际的水资源管理和分配提供多种备选方案,有较强的实用性和可操作性.     

基于生态水文学原理的湖泊最小生态需水量计算

近几十年来,由于人类活动的加剧以及全球气候的变化,湖泊普遍出现了萎缩、水位下降、水量锐减、湖水盐化、水质污染、富营养化、甚至干涸消亡等状况。确保湖泊生态系统必需的最小水量是解决可能出现的湖泊严重水资源和生态系统危机的区域问题之一。从生态水文学原理出发,对湖泊最小生态需水量的概念进行了探讨,并提出了计算最小生态需水量的3种方法:1曲线相关法;2功能法;3最低生态水位法。在最低生态水位法中,其方法有最低年平均水位法和年保证率设定法。一旦湖泊最小生态需水量得以确定,将为水资源管理部门的水资源合理配置和湖泊管理提供综合性、权威性及可操作性决策依据,为退化湖泊生态系统的恢复与重建提供科学基础。     

极端干旱区尾闾湖生态需水估算——以东居延海为例

以东居延海为研究对象,利用遥感技术目视解译ETM影像,提取东居延海2002—2012年各月湖面面积。通过水文保证率法确定不同保证率下的湖面面积,结合额济纳旗气象站观测的风速、相对湿度、气温、水汽压、降水量等气象数据估算湖泊蒸发耗水量和湖泊降水补给量,根据湖泊渗漏系数估算湖泊渗漏量,最后运用水平衡原理构建湖泊生态需水模型,估算了东居延海在湖面面积保证率为50%、75%、95%时各月月均和年均生态需水量,其中年均生态需水量分别为1.78×108、1.60×108、1.03×108m3,约占莺落峡年均径流量的9.66%、8.66%、5.59%,约占正义峡年均径流量的16.27%、14.60%、9.42%,约占狼心山年均径流量的30.81%、27.65%、17.84%。     

干旱区受水资源胁迫的下游绿洲动态变化趋势分析——以黑河流域额济纳绿洲为例

干旱内陆流域下游绿洲的形成与演变对流域地表径流变化响应强烈 .采用绿洲生态斑块动态模拟、植被与水盐状态相关分析、生态需水量估算等方法 ,分别对黑河流域下游额济纳绿洲在不同分水方案与水资源利用情景下的变化趋势进行了研究 .结果表明 ,维持现状绿洲面积不再萎缩 ,在考虑水资源利用合理化的前提下 ,其最低净需水量为 5 .7× 10 8m3 ,如果考虑下游地区人畜生活用水及工业用水 ,同时考虑水量在输送过程中的散失损耗 ,为在近期 (2 0 15年以前 )维持现状绿洲面积 ,狼心山断面入境流量需达到6 .0× 10 8m3 ;而要使绿洲面积恢复到 2 0世纪 80年代初的水平 ,狼心山断面过水量应不低于 8.9× 10 8m3 ,正义峡断面下泄水量要求达到 10 .9× 10 8～ 13.1× 10 8m3 .     

Temporal areal changes of wetlands in the lower reaches of the Tarim River and their responses to ecological water conveyance

及时了解和定量分析荒漠区河岸带湿地月度时序变化趋势及对生态输水过程的响应, 对认识湿地生态修复过程, 改进生态输水策略, 维护湿地生态系统稳定具有重要意义。该文基于Landsat ETM+/TM/OLI和Sentinel 2形成的月尺度的密集长时序遥感数据, 分析2000-2018年塔里木河下游英苏-阿拉干之间的湿地时序变化特征, 并评估湿地变化对生态输水过程的响应。结果表明: 近19年来湿地面积持续增加, 其中2011-2013年和2017-2018年是面积快速增加的时段。不同的单、双通道输水方式和输水量大小解释了喀尔达依湿地与博孜库勒湿地在不同时段增长的快慢。对湿地面积与生态输水量、地下水埋深关系的分析表明, 累计生态输水量的持续增加是近20年来塔里木河下游河岸带湿地扩张的重要因素, 每年大于3.5亿m ³的双通道生态输水, 地下水埋深维持在-5.0- -3.5 m是湿地持续稳定增长的关键。     

塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应

及时了解和定量分析荒漠区河岸带湿地月度时序变化趋势及对生态输水过程的响应, 对认识湿地生态修复过程, 改进生态输水策略, 维护湿地生态系统稳定具有重要意义。该文基于Landsat ETM+/TM/OLI和Sentinel 2形成的月尺度的密集长时序遥感数据, 分析2000-2018年塔里木河下游英苏-阿拉干之间的湿地时序变化特征, 并评估湿地变化对生态输水过程的响应。结果表明: 近19年来湿地面积持续增加, 其中2011-2013年和2017-2018年是面积快速增加的时段。不同的单、双通道输水方式和输水量大小解释了喀尔达依湿地与博孜库勒湿地在不同时段增长的快慢。对湿地面积与生态输水量、地下水埋深关系的分析表明, 累计生态输水量的持续增加是近20年来塔里木河下游河岸带湿地扩张的重要因素, 每年大于3.5亿m ³的双通道生态输水, 地下水埋深维持在-5.0- -3.5 m是湿地持续稳定增长的关键。     

湖泊水位变动对水生植被的影响机理及其调控方法

水位的高低及其变动范围、频率、发生的时间、持续的时长和规律性等是影响湖泊水生植被的核心因子.水位变动有短期、年内季节性和年际变动3种,对湖泊水生植被有不同的影响机理.水位短期变动通过对水体中的悬浮物、透明度、光衰减系数等的影响而对水生植被产生作用;周期性的年内季节性和年际水位变动可对水生植被的生态适宜性产生影响,并进而改变其时空分布;长期的高水位和低水位以及非周期性的水位季节变动会破坏水生植被长期以来对水位周期性变化所产生的适应性,从而影响了植被的正常生长、繁衍和演替.植被的极端深度和物种多样性是水位调控的核心表征指标,可通过经验数据分析法、生态模型法和参照法等方法来确定湖泊的适宜水位变动范围和时间.研究对象选择、研究方法、管理中的应用以及重要环境变化所产生的影响等是今后相关研究的核心问题.     

白洋淀最低生态水位研究

由于自然条件的变化、工农业的不合理开发、人口的剧增以及水库和涵闸水利设施的盲目建设等,引发了白洋淀一系列生态环境问题,主要表现为干淀、水污染、生态环境退化、泥沙淤积、湖泊萎缩以及航运中断等。恢复和重建已遭破坏的白洋淀湿地生态系统,并使其至少维持在最低生态水位上是至关重要的问题。在分析白洋淀生态系统功能的基础上,利用水量面积法、最低年平均水位法、年保证率设定法和功能法等4种方法对其最低生态水位进行分析和计算,计算结果分别为7.32 m、7.33m、7.2 8m和7.2 7m。通过合理性分析,认为取它们的平均值即7.30 m作为白洋淀最低生态水位是合理的,符合白洋淀实际情况。