基于不同保护目标的河道内生态需水量分析——以琉璃河湿地为例

为探索不同阶段保护目标下的河道内生态需水量,以北京市房山区琉璃河为研究区域,基于琉璃河湿地工程的特殊性,在同一工程项目中不同阶段创新应用环境需水量和生态需水量两种方法,分别计算在截污工程完成前满足水质要求的河道内环境需水量和截污工程完成后满足以生态修复及维系为目标的河道内生态需水量。结果表明:(1)在考虑景观娱乐水量的情况下,二者一次生态需水量均为196.78万m~3;(2)以消纳污水为目标的河道内,在考虑河道稀释及自净能力的情况下,利用水环境容量法计算净化需水量为30.39万m~3/d,景观娱乐需水量为180.43万m~3,河道内的土壤储水量为16.136万m~3,水体年蒸发量为78.03万m~3,日均0.21万m~3,水体渗透量21.69万m~3,日均渗漏量0.03万m~3;(3)以生态修复及维系为目标的河道中,河道内的水生生物栖息地需水量为71.73万m~3。(4)在截污工作未完成之前,琉璃河内需每日注入30.39万m~3/d的湿地出水以保持水质。在不同保护目标下,如何依据河流实际情况,满足不同的需求,完善生态需水的计算方法,维持生态系统的稳定健康,将是未来关注的重点。     

基于生态水权分配的太子河河道内生态需水量计算

生态水权是流域初始水权的重要组成部分,河流生态需水量计算是流域生态水权分配和生态环境保护的依据。在对太子河实地调查研究的基础上,采用月保证率法和鱼类生境法对太子河河道内生态需水量进行了估算,并选用Tennant法对计算结果进行验证。结果表明:2种方法计算结果是合理的;根据水资源与用水现状权衡,确定出各河段最小、适宜和理想等级的生态需水量;通过河段各等级生态需水量计算结果与现状流量比较,发现各水文站现状流量基本可以满足河流最小生态需水量的要求,而适宜或理想等级的生态需水量还需要采取多种措施在河道内预留这部分水量来保证生态水权。     

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。     

草型富营养化湖泊生态恢复工程技术的研究--内蒙古乌梁素海生态恢复工程试验研究

在典型草型富营养化湖泊-内蒙古乌梁素海设立试验研究基地,进行较大规模生态恢复工程试验,研究表明,实施沉水植物收割工程与芦苇园田化生态管理工程是草型富营养化湖泊生态恢复的两项重要技术措施。以机械化方式收割沉水植物能够削减湖泊内源性营养物负荷的积累和释放,减少二次污染,抑制生物填平作用,改善水体环境;采用机械化技术控制芦苇蔓延、打开芦苇区通风道和通水道,可以重建湖泊绿色自然景观,提高全湖水流循环速度。有计划、合理地运用生态恢复工程不仅可以减轻草型湖泊所面临的巨大生态压力,延缓沼泽化演化进程。而且可以在实施生态工程的同时开发利用水生植物资源,使湖泊环境与湿地综合利用得到持续发展。     

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。     

林地生态需水量计算方法与应用

从树木生长强度与土壤水分含量、蒸散量的相互关系出发 ,提出了林地生态需水量的等级标准和 计算方法 ,并以黄淮海地区为例 ,采用ＧＩＳ技术对该地区林地生态需水量进行了估算 ,分析了该地区林地在现状用水状况下的生态缺水量 .结果表明 ,该地区林地年生态需水量约 2 . 56× 1 0 1 0 ～ 4. 58× 1 0 1 0 ｍ3,在满足最小生态需水量要求下林地缺水量约为 2 .8× 1 0 9ｍ3,在满足适宜性生态需水要求下林地缺水量约为8.4× 1 0 9ｍ3.     

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。     

嫩江流域湿地生态需水量分析与预估

探讨了嫩江流域湿地生态需水量的计算方法,并对流域内不同降水频率下湿地生态需水量进行了计算。在此基础上,选择CMIP全球气候模式下RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5等3种排放情景,预测2030年、2050年和2100年嫩江流域湿地生态需水量的变化趋势。研究结果表明:不同降水频率下的流域湿地生态需水量分别为丰水年70.284亿m3,平水年118.696亿m3,枯水年169.343亿m3,反映了其与气候条件的相关性。3种排放情景下湿地生态需水量变化受到最高、最低气温和降水量变化的共同影响,其中RCP2.6情景下需水量呈先增加后减少的趋势;RCP4.5和RCP8.5情景下需水量整体呈增加趋势,到2100年分别达到147.337亿m3和132.659亿m3。气候变化条件下,如何协调水资源需求间的矛盾,维持湿地生态系统健康稳定,将是未来研究关注的重点。     

西北干旱区荒漠植被生态需水量估算

基于AVHRR-GIMMS和SPOT-VEGETATION两种NDVI数据计算西北干旱区生长季植被覆盖度指数(fc),根据该指数划分阈值范围确定荒漠植被面积,并在塔里木盆地进行适用性验证。通过荒漠植被面积和参考作物蒸散量(ET0),采用潜水蒸发模型,计算西北干旱区1982—2010年荒漠植被生态需水量,以期为今后西北干旱区水资源利用和管理提供科学依据。结果表明:根据fc确定荒漠植被面积,在西北干旱区阈值范围设为0.1~0.35较为合理;1982—2010年西北干旱区荒漠植被面积总体上变化不大,呈现增-减-增的波动趋势。高、低覆盖度荒漠植被面积多年平均值分别为234.3和448.2万hm2;西北干旱区ET0空间分布总体为南疆大于北疆、东部大于西部,其中南疆、北疆及河西地区ET0多年平均值分别为1066.9、975.6和1171.6 mm。根据ET0数据拟合分析计算西北干旱区荒漠植被潜水蒸发量,其中南疆、北疆和河西地区低覆盖度荒漠植被潜水蒸发量多年平均值分别为75、64和82 mm,高覆盖度荒漠植被分别为275、233和299 mm;1982—2010年西北干旱区荒漠植被生态需水量呈减少趋势,以0.1063亿m3·a-1的速率减少,多年平均生态需水量为134.13亿m3。其中高覆盖度荒漠植被需水量多年平均为91.64亿m3,以0.3034亿m3·a-1的速率减少;低覆盖度荒漠植被需水量多年平均为42.49亿m3,以0.1972亿m3·a-1的速率增加。     

基于水质管理目标的博斯腾湖生态水位研究

人类开发活动导致湖泊生态功能严重退化,研究湖泊生态水位对于维持湖泊生态系统健康意义重大。针对博斯腾湖化学需氧量(COD)浓度较高的水环境现状,分析博斯腾湖水位和COD浓度关系,研究提出基于水质管理目标的生态水位,以期为博斯腾湖水资源、水环境管理提供参考。结果表明,博斯腾湖水位与水体COD浓度显著负相关,但由于COD浓度空间差异较大以及影响因素不唯一,水位与COD浓度两者之间曲线估计结果不理想。为实现博斯腾湖COD浓度小于20 mg/L的水质管理目标,引入累计水位概念进行统计分析得到两个特征水位:所有COD浓度大于等于20 mg/L的数据对应水位的平均值为1046.02 m,该水位在历史丰水期水位的频率为60.83%,可作为最小生态水位;所有COD`浓度小于等于20 mg/L的数据对应水位的平均值为1046.4 m,该水位在历史丰水期水位的频率为44.70%,可作为适宜生态水位。适宜生态水位1046.4 m与已有研究成果基本相符,博斯腾湖在1046.4 m时既有利于水质管理,也可保障湖泊整体生态系统健康。     

基于水量与水质的太湖流域水生态服务供需关系及多情景评估

耦合水量供给与水质净化的水生态服务供需关系的多尺度空间量化评估,有助于刻画和识别丰水区水质性缺水问题,并丰富水生态服务研究。在构建水量供给和水质净化服务供需评估方法的基础上,利用空间分析方法在现状情景基础上分别设置提升用水效率、改善土地管理方式和优化土地利用空间配置三种优化情景,并在栅格、子流域和县域三个尺度上开展基于水量供给和水质净化的水生态服务供需关系的定量评估,分别探讨了不同情景不同尺度下的水生态服务供需变化、空间响应及其机制特征。研究结果表明：(1)太湖流域的水量供需状况显著优于水质供需状况,节水能够有效改善流域内的水量赤字,而减量施肥和优化土地利用配置能够显著改善流域内的水质赤字。(2)多尺度的水量供给与水质净化服务供需解析,有助于精准识别不同尺度下亟需治理的关键区域。(3)水量赤字区主要集中在建设用地分布区域,耕地仍是引致水质赤字的主要原因,但随着尺度的逐渐增大,水质赤字区的建设用地面积也在不断增加。(4)优化土地利用结构方案是解决水质性缺水的最有效方法,但需要突破现有政策尤其是耕地保护政策的刚性约束,故耦合提升用水效率等方法是当前治理太湖流域“水质性缺水”问题首选措施。     

民勤绿洲生态需水与生态恢复对策

生态需水是当前水问题的一个研究热点,对于生态环境急剧恶化的内陆干旱区,这一研究尤为紧迫。以民勤绿洲作为研究区,采用阿维里扬诺夫估算方法,对其生态需水量进行了计算。结果表明,民勤绿洲现有植被最低生态需水量为1.4927×108m3,而目前的生态用水量只有0.3525×108m3,远没有达到维持极限抗性面积下的生态需水量。民勤绿洲生态用水的严重不足,主要是受到农田灌溉用水的严重挤占,从而加快了生态环境的日益恶化。通过分析,提出了生态恢复的对策与建议。     

基于系统动力学的崇明岛生态需水量预测

对上海市崇明岛现状生态需水分析的基础上,采用系统动力学方法对崇明岛规划年(2005-2020年)的生态需水量进行了预测.结果表明:崇明岛生态需水量在2010、2015和2020年分别为12.05、14.56和16.99亿m3,分别占本地水资源总量的35.86%、43.33%和55.57%;在生态需水组成中,森林和河流生态需水占大部分,城市绿地生态需水量所占的份额最小;在2010、2015和2020年,森林生态需水分别占生态需水总量的53.44%、56.87%和59.56%,河流生态需水分别占生态需水总量的26.31%、22.32%和19.48%,城市绿地生态需水量所占的份额分别为1.33%、2.47%和2.94%.     

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.     

松辽流域湿地生态水文结构与需水分析

以我国重要湿地生态区--松辽流域为对象,对其主要湿地的生态水文结构及生态需水进行分析计算.通过分析湿地水面面积变化与水文连接度的关系确定湿地中心区;通过分析保持生物完整性的生物场最小范围确定适宜活动区.通过典型研究与对水文地区规律分析,建立无资料地区生态水文结构分析计算经验公式.以湿地生态水文结构(中心区、适宜活动区)为边界条件,进行地表地下水转化的水量平衡模型分析,获得湿地生态需水.经过大量分析研究论证,总体而言,松辽流域湿地中心区水深占湿地多年平均水深接近2/3,中心区面积占湿地多年平均水面面积40%左右,这对控制湿地萎缩及湿地安全管理是一个重要指标.通过松辽流域湿地近几年的补水实践分析,发现计算结果基本合理,研究成果可为湿地的规划管理和安全保障提供科学依据.     

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     

湖泊最低生态水位计算方法

研究湖泊最低生态水位的计算方法 ,对解决我国湖泊生态退化问题具有重要现实意义。针对我国湖泊生态资料缺乏的情况 ,提出 3种确定湖泊最低生态水位的方法。认为湖泊天然生态系统已经适应了天然多年最低水位 ,据此提出利用湖泊多年天然水位资料确定湖泊最低生态水位的方法——天然水位资料法 .认为要使湖泊生态系统不出现严重退化 ,必须使湖泊水文和地形子系统不严重退化 ,据此提出湖泊形态分析法 .从生物对生存空间的最小需求角度 ,以鱼类为指示生物 ,提出生物最小空间需求法。采用上述 3种方法计算了南四湖最低生态水位。计算结果表明 ,南四湖上级湖最低生态水位的范围为 32 .75～ 33.2 5 m,平均值为 33m;下级湖最低生态水位范围 31.2 5～ 31.75 m,平均值为 31.38m。上下两湖最小生态水位相应湖面面积之和为 5 93～86 0 km2 ,平均水位相应面积之和 70 8km2 ,占 195 3～ 1979年多年平均湖面面积 12 2 5 km2 的 5 8%。从保护南四湖自然保护区的角度看 ,确定的最低生态水位合理     

乌梁素海沉积物中有机质和全氮含量分布特征

针对乌梁素海富营养化日趋严重和湿地面积逐渐萎缩,系统地研究了其生态环境地球化学效应.结果表明,乌梁素海表层沉积物中的全氮含量存在明显的经向和纬向分异特征;沉积物中全氮养分含量与有机质含量显著相关(r＞0.93);沉积物中C/N的平均值介于12.07～19.95之间,表明有机质主要来源于湖中水生植物,水体富营养化具有显著的内源性.TN和有机质在不同粒级表层沉积物中的粒度效应明显,且TN和有机质在IV粒级的含量分别为I粒级的3.1～7.6倍和2.5～8.0倍.