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。     

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。     

西南纵向岭谷区河道生态需水计算方法

西南纵向岭谷区流域独特的地理地貌、气候气象、生态水文以及人文社会环境决定了河道生态需水计算的特殊性。时空尺度上的跨越性及梯度效应决定需要从时空以及频度尺度上进行河道生态需水量的界定,在进行区域生态特征分析的基础上提出了生态径流．需水系数综合计算河道生态需水量模型;基于河道生态特征、功能、结构以及社会环境与河道生态需水量间的相互关系,构建了河道生态需水评估指标体系,包含生态需水特征分析指标、需水影响要素分析指标以及需水趋势分析指标3部分,为进行河道生态需水计算提供定量计算与定性分析依据;根据河流水文情势的周期性变化,提出变异系数与生态特征指数综合设定河道生态需水等级系数的方法;考虑到水文情势的自然摆动,提出了生态径流量的频度计算方法;本文并以澜沧江为例就有关的过程进行说明。     

雅砻江干流河道内生态需水量生境模拟法研究

生态需水的研究已成为国内外地球科学领域普遍关注的一个热点问题。在现场调查的基础上,根据雅砻江干流独特的生态环境特点与保护目标,选择了包括水文和生物两方面信息的方法―生境模拟法,以达到满足保护水生生物的生境目标,维持调水河流良好的生态功能的目的。结果表明,生境模拟法计算的各站各年的河道内生态需水量基本上处于或接近Tennant法所设定的最小和适宜生态需水量之间,而Tennant法设定的计算标准主要考虑当地的水生生物生活习性及气候特点,符合当地的河流生态与环境条件。可见应用生境模拟法来计算河道内生态需水量是可行的。     

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.     

水文变异下长江荆南三口河道内生态需水量变化及贡献因素

基于1951—2015年长江荆南三口5站实测原型年径流量序列,采用Mann-Kendall等方法检测其径流序列的突变年份.在此基础上,运用GEV概率密度最大流量法计算荆南三口河道内生态需水量,并从多时空尺度视角分析河道内生态需水量的时空差异及其贡献因素.结果表明: 研究期间,新江口、沙道观、康家岗、管家铺和弥陀寺水文站的第一次径流突变年份分别为1990、1959、1959、1972和1972年,并将第一次突变以前的月均流量序列作为水文变异前的水文序列.在水文变异条件下,长江荆南三口1—12月的各月生态需水量分别为69.63、26.15、55.65、452.65、2166.44、4660.83、10875.66、9966.49、7868.38、4773.60、1655.01和338.49 m³·s^-1.新江口、沙道观、康家岗、管家铺和弥陀寺5个水文站的年均生态需水量分别为901.57、507.00、221.30、1438.03和581.62 m³·s^-1.水文变异后,荆南三口满足河道内生态需水的频率大幅下降,由变异前的55%以上下降至变异后的20%以下,生态需水缺乏现象严重.影响荆南三口河道内生态需水时空变化的因素主要为不同时期水利工程、各行业用水量等人类活动.     

土地利用/覆被变化扎龙湿地蒸散发量及生态需水量的遥感估算

地表蒸散发量是影响湿地水热平衡的主要因素,也是水分损失的主要途径,对湿地生态需水量的合理确定和水资源的有效管理具有重要意义。借助遥感和GIS技术,利用2002、2010、2016年34景Landsat影像,基于时序NDVI数据对湿地下垫面物候特征的定量表征,准确获取了扎龙湿地保护区3个时期土地利用/覆被的动态变化信息。选用物理基础较好且应用广泛的SEBAL模型,估算了湿地的瞬时蒸散发量,并结合站点气象数据,实现了湿地蒸散发量在时间尺度上的扩展,分别得到日、月、年尺度的湿地蒸散发量,深入探究了扎龙湿地蒸散发的时空分布特征;最后从湿地湖泡需水量、植物需水量及生物栖息地需水量3个方面,定量估算出扎龙湿地3个时期的现状生态需水量。研究发现：扎龙湿地的土地覆被类型主要以芦苇沼泽、草地和耕地为主,其中芦苇沼泽分布占绝对优势,且2002-2016年持续增加了205.82 km²;草地、耕地呈持续减少态势,分别减少了119.35 km²和95.96km²,表明2002-2016年扎龙湿地生态系统呈恢复态势;湿地保护区蒸散发量年内均大致呈单峰型分布,符合夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季的规律,在年际上呈现明显的递增趋势,年蒸散发量由2002年的518.87mm增加到2016年的625.98mm,增加了20.64%。为满足湿地内的生态消耗,总体上2002-2016年湿地的生态需水量也相应的增加,保护区适宜生态需水量的变动范围为5.40亿-7.08亿m³,可以维持湿地湖泊、植被、动植物栖息地的健康态势。维持核心区健康状态的最小生态需水量变化范围为2.71亿-3.32亿m³。随着遥感数据时空分辨率的提高,基于蒸散发量反演的湿地生态需水量估算将更加实用和准确,为湿地保护区制定科学合理的补水方案提供有效的技术支撑。     

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     

干旱内陆流域河道外生态需水量评价——以黑河流域为例

河道外生态系统需水量的合理评价是干旱区水资源合理配置与管理、生态环境保护与建设中最为关键的科学问题。基于不同植被蒸散发潜力估算模型,依据不同生态系统及同一生态系统在不同气候与地理区域具有不同生态需水规律的特点,提出了可模拟和评价不同时期生态系统需水量的方法,不仅能体现生态系统需水量的年际变化,也能反映年内不同时间段(月、季节甚至每日)的需水量变化,并提出干旱区生态适宜需水量在不同时期是一个区间。以黑河流域中下游地区为研究区域分析其生态需水量,结果表明:黑河中游地区年平均生态需水量(11.16±2.67)×108m3,其中绿洲生态系统需水(9.13±2.29)×108m3;下游地区生态需水量(16.16±4.04)×108m3,现状绿洲生态体系需水(11.06±2.77)×108m3,现阶段实施的下游分水9.7亿m3/年的方案,可以促使现有绿洲生态系统有一个良好的结构与功能,并给出了不同典型年不同月份的生态需水量及其变化。     

澜沧江(云南段)河道生态需水量计算

综合分析澜沧江地理地貌、水文气象以及人类活动等现状特征,将澜沧江河道分为三区五段九大支流,并根据需水特征选取了上游旧州、中下游戛旧、下游允景洪3区作为研究区。在多年逐月实测径流量数据的基础上,通过运用生态现状的时空分析比较、数据资料的集中趋势以及离散程度分析等方法设定了河道生态需水等级系数;在通过对澜沧江径流量集中与离散程度分析的基础上,选择了频度法进行生态径流量的计算;综合河道生态需水等级系数与生态径流量进行澜沧江河道生态需水的计算,并对澜沧江汛期与非汛期河道生态需水量进行了分析计算。通过综合分析比较,结果显示澜沧江河道最小、适宜以及理想河道生态需水量分别为161·77×108m3、278·22×108m3、358·82×104m3,占澜沧江多年实测平均径流量(567·76×108m3)的28·49%、49·00%、63·20%,占澜沧江多年径流量(765×108m3)的21·15%、36·37%、46·90%。     

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。     

A management-oriented valuation method to determine ecological water requirement for wetlands in the Yellow River Delta of China

A wide range of human impacts have resulted in changes to wetland water regimes throughout the natural reserve of the Yellow River Delta. Specific local impacts which affect wetland water regimes include hydrological alterations associated with urban and agricultural development. Increasingly, management decisions must be made regarding the amount and timing of water required to maintain the ecosystem's diversity and its ecological characteristics. In this paper, based on the practice in the natural reserve and the important request of Ramsar for the “wise use” of wetlands in which ecological characteristics need to be reserved, a set of management objectives for the wetland natural reserve is proposed. The objectives include protecting the ecosystem and the waterfowl resources in the new wetland, renewing biodiversity and maintaining the function of the ecosystem. By means of a correlation analysis between the wetland biota and water regime, the ecological water requirement for the wetlands is proposed and classified into three classes, i.e., minimum, moderate and perfect water requirement, corresponding to the basic, moderate and perfect management objective, respectively. The results show that the minimum, moderate and perfect water requirements, respectively, are 37.94×10⁸, 49.47×10⁸ and 64.57×10⁸ m³ per year if the water required for sediment flushing is not considered in the wetland natural reserve. If the water required for sediment flushing is included, the amount will be 187.94×10⁸, 199.47×10⁸ and 214.57×10⁸ m³ per year, respectively, which cover 47%, 50% and 54% of the available ecological water quantities observed in the lower Yellow River during the 1950s.     

基于生态保护目标的疏勒河中游绿洲生态环境需水研究

以疏勒河中游绿洲为研究对象,基于RS和GIS技术,选择1990年、2000年和2013年Landsat TM/ETM影像解译成果作为中游绿洲生态演变研究的基础资料,并确定了中游绿洲2020年和2030年生态保护目标。根据疏勒河中游绿洲生态环境需水特征,建立了基于天然植被、河流、湿地和防治耕地盐碱化的疏勒河中游绿洲生态环境需水定量化模型,并估算了现状和保护目标下流域中游绿洲生态需水量,从而为区域水资源合理配置和生态系统的协调发展提供参考依据。通过计算得出了疏勒河中游绿洲2013、2020和2030年天然植被、河流基本生态、河流输沙、河流渗漏补给、水面蒸发、湿地生态和防治耕地盐碱化生态环境需水量。同时得出疏勒河中游绿洲2013、2020和2030年疏勒河中游绿洲最大、最小和最适生态环境需水量分别为7.42×10~8、7.09×10~8、7.29×10~8,8.24×10~8、7.91×10~8、8.11×10~8m~3和9.12×10~8、8.79×10~8、8.99×10~8m~3。2013、2020和2030年疏勒河中游绿洲生态环境需水量年内变化主要集中于5—8月,累积生态环境需水量占全年的比例分别为58.01%、58.08%和58.13%;疏勒河中游绿洲生态环境需水量瓜州所占比例相对较大,玉门相对最小,敦煌介于二者之间。     

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%。     

新疆白杨河流域特征及生态植被需水分析

新疆白杨河流域地跨上游乌鲁木齐市达坂城及下游吐鲁番市托克逊县两个行政区,上游达坂城区位于天山博格达峰山前冲击、洪积山间盆地干旱区,源于天山多支源流汇集于盆地南端峡口,基于峡口形成下游并由有多支流沿程补给白杨河干流,穿越极端干旱戈壁荒漠区的托克逊县直至末端吐鲁番市境内尾闾-艾丁湖,是我国典型少有的跨越干旱与极端干旱叠加型流域灌区,水资源有效利用及水生态环境保护具有重要作用。遵循流域各河流水系形成的自然生态环境属性及河道取水工程节点,采用Penman-Monteith法生态需水定额和卫星遥感面积识别及水文年内展布方法,分析评估流域内上下游绿洲生态环境植被需水量和河流生态基流及其调控断面。结果表明,上游达坂城区黑沟河年生态需水量、生态基流、年均径流占比和控制断面,分别为921万m³、0.29m³/s、18%和黑沟渠首;阿克苏河为1048万m³、0.33m³/s、12%和阿克苏渠首;高崖子河为862万m³、0.27m³/s、12%和高崖子渠首;下游托克逊境内由白杨河干流调节,艾丁湖等生态需水量分别为4256万m³、1.35m³/s、32%和小草湖渠首。白杨河流域年生态需水7880万m³,生态基流2.50m³/s,生态水占年均径流量17%,分析结果为流域生态环境管理保护提供依据。     

气候变化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及预测

开展农作物需水规律研究对于干旱半干旱区域旱作物节水灌溉和水分管理实践具有重要意义。以松嫩平原玉米为研究对象,研究玉米生育期需水量规律及灌溉需水量。结果表明:(1)历史时期和未来气候变化情景下,松嫩平原玉米全生育期和L~(mid)时段灌溉需水量等值线沿西南—东北方向递减,其中全生育期和L~(mid)时段2000s灌溉需水量临界等势线(灌溉需水量为0的等势线)分别比1970s北移70.2km和53.4km,全生育期和L~(mid)时段2040s灌溉需水量临界等势线分别比2010s北移30.9km和55.2km。(2)历史时期和气候变化情景下玉米全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以29.1mm/(10a)速度增加,后者以17.5mm/(10a)速度增加。(3)未来温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为波动上升趋势,与1970s相比,2000s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为22.1%,增加6.8亿m~3灌溉水量;2040s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为38.3%,增加12.6亿m~3灌溉水量。     

基于SWAT模型的图们江流域蓝绿水资源供需平衡分析

随着经济快速发展和工农业各类用水量大幅增加,对河流的开发程度随之加强,流域水资源可持续利用受到不利影响。从蓝绿水视角出发,基于SWAT模型量化了图们江流域2015—2020年不同时间尺度下的蓝绿水资源并探讨了研究区水资源供需平衡情况。结果表明：研究时段内流域蓝绿水资源均具有明显的季节特征,年均蓝绿水资源量为117.16亿m³,其中蓝水资源量30.14亿m³,绿水资源量87.02亿m³,绿水占水资源量的74.27%。以年为尺度,蓝水资源供需评估指数>1,可利用蓝水资源量基本不能满足其需求量,降水少的年份蓝水资源供需矛盾突出,而绿水资源可以达到供需平衡,其供需评估指数集中在0.1—0.2之间。在月尺度分析中研究区蓝水供需评估指数出现极端值的频率较高,表明该地区蓝水供需不平衡,尤其是可利用蓝水资源一般在每年的7—8月才较为丰富,而蓝水需求用水集中分布于作物生长期,导致蓝水供应与蓝水需求在时间分配上不均衡,且在实际水资源分配中忽略了生态用水;月尺度绿水供需评估指数集中在0.1—0.4之间,有明显的季节变化特征,整体上绿水资...     

膜下滴灌技术生态-经济与可持续性分析——以新疆玛纳斯河流域棉花为例

利用2000、2004、2006和2009年玛纳斯河流域的调查数据,以棉花为例,从生态、经济和社会可持续发展三个角度对比分析了膜下滴灌技术的应用效果.生态效益主要表现为,采用膜下滴灌比沟灌平均节水41.92％,流域内农业节约水量约为多年河道来水的9.34％,基本满足河道最小生态需水;采用膜下滴灌比沟灌节约化肥用量18.38％,节约农药用量17.00％.经济效益主要表现为,采用膜下滴灌棉花(籽棉)单产提高23.15％,水分利用效率(WUE)提高70.70％.社会效益主要表现为,采用膜下滴灌农业管理效率提高3-4倍,节约了农业劳动力.采用Bossel理论综合评价膜下滴灌技术的社会可持续性性,结果为良好.总体分析结果表明,采用膜下滴灌技术有利于区域社会经济的发展和生态环境的保护.本文的研究结果可为今后膜下滴灌技术的推广应用提供参考.     

基于生态需水保障的农业生态补偿标准

面向流域农业需水和生态需水间的矛盾问题和协调发展的要求,提出了基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方法。其中考虑农业用水定额计算基于生态需水保障的农业用水短缺,引入水分生产函数模型建立保障生态需水量产生的农业用水短缺与产量损失间的关系,根据不同季节作物产量响应系数的变化,定量确定具有时间和等级差异性的农业生态补偿标准。以保障黄河口生态需水引起的山东引黄灌区农业损失补偿标准分析为实例,计算了冬小麦和夏玉米种植户不同等级的生态补偿标准。结论认为,农业生态补偿标准需根据不同的来水过程及生态需水等级确定,面积稳定和保障功能显著的粮食作物应作为补偿标准计算的依据。