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.     

水文变异条件下鄱阳湖流域的生态流量

受气候变化和人类活动综合影响,鄱阳湖流域水文状况发生变异。河流生态系统适应了变异前的水文状况,变异后势必会影响当地生态系统。基于此,采用8种变异检测方法对水文变异进行综合诊断,阐明水文变异原因。在此基础上,采用15种概率分布函数分别拟合5站各月变异前日流量序列,最终确定5站点各月最优分布函数及所对应的概率密度最大处的流量,即得河道内生态流量。研究表明:(1)抚河于1962年发生弱变异,赣江、修河于1968年发生中变异,信江、饶河于1991年发生弱变异;(2)变异后,赣江、信江、饶河、修河生态需水满足率平均上升11%,抚河生态需水满足率下降32%;(3)水文变异增加提高生态需水满足率,水利工程建设降低年均生态需水满足率、提高干季生态需水满足率。高森林覆盖率提高干季生态需水满足率,对年均生态需水满足率影响不明显。研究结果为鄱阳湖流域水资源管理及区域水资源规划与配置提供重要科学依据。     

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。     

变异条件下淮河流域生态径流变化特征及驱动因子

基于淮河流域7个水文站点1956—2016年逐日径流量和72个雨量站点1960—2016的逐日降水量数据,利用Pettitt变异点检测、生态赤字和生态剩余等生态径流指标,定量分析淮河流域水文变异特征,根据生物多样性指标和水文变异指数间的关系,分析该流域水文变异的生态效应,利用位置、尺度、形状的广义可加模型(Generalized Additive Models for Location, Scale and Shape,GAMLSS)理论框架量化气候因子对生态径流变化的贡献。研究表明:(1)水文变异后生态剩余减少,生态赤字增多,干流流量历时曲线比支流下移更明显;年生态剩余/赤字与面降水距平变化一致,水利工程调蓄作用是夏季生态径流与降水距平相关性差的主要原因;(2)除冬季外,淮河流域年、季尺度生态赤字(生态剩余)逐年增加(减小),春季增加最为明显。尽管冬季生态剩余比其他季节高,但生态剩余整体减小,21世纪干流生态剩余达最低,香农指数表明淮河流域生物多样性逐年下降。生态径流指标与水文改变指标(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)指标相关达0.45,能体现IHA大部分参数信息;(3)淮河流域生态径流对北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)、太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)和Nino3.4气候因子影响最为敏感。干流生态径流对气候因子响应最敏感,而支流生态径流对气候因子响应不敏感,通过GAMLSS模型构建的生态径流对极端值和局部趋势拟合的效果更优。     

生态相关水文指标的优选及其演变归因分析

河流生态系统健康是流域可持续发展的基础，水文情势自然变化是维持河流生态健康的关键因素，因此需进行变化环境下水文情势演变归因研究。以老哈河流域为例，基于1964-2016年水文气象资料，利用趋势及突变检验方法，确定径流序列突变点，划分研究期，并结合可变下渗容量模型重建天然径流；通过主成分分析法确定生态最相关水文指标(ERHIs)，并利用变化范围法评估水文指标的改变程度；基于"观测-模拟"对比分析法，定量评估气候变化和人类活动对河道径流和ERHIs的影响。结果表明：流域年径流序列呈现显著减少趋势，突变点为1979年和1999年，将研究期划分为基准期、变化期Ⅰ和变化期Ⅱ；筛选出7个ERHIs，分别为2月流量、6月流量、最大7日流量、年最小流量出现时间、低流量年内发生次数、高流量年内平均历时、上升率； 7个ERHIs中，大部分表现为下降趋势，综合改变度在变化期Ⅰ和变化期Ⅱ分别为0.45和0.74；定量归因结果表明，人类活动是影响ERHIs变化的主要因素，其在变化期Ⅱ对水文情势的影响较变化期Ⅰ更为剧烈。研究提供了生态相关水文指标优选及其演变归因的综合方法，揭示了不同时期流域ERHIs变化的主要驱动因子，为河流适应性管理提供科学依据。     

基于水文变异诊断系统的黑河流域上中游径流序列变异

目前黑河流域的水文气象要素的时空变异分析已经有了较多研究,但各种水文序列检验方法的特点与优势不同,得出的结论也不尽相同。本文采用水文变异诊断系统将数理统计分析与物理成因相结合,对黑河流域莺落峡、正义峡水文站1960—2008年的年径流序列的趋势和跳跃变异进行综合诊断,并分析黑河流域上中游7个气象站点对应的年降水、气温序列的变化趋势,以寻求年径流序列变化的物理成因。结果表明:在趋势和跳跃变异分析方面,黑河上游莺落峡水文站和中游正义峡水文站的年径流序列分别在1980和1990年发生跳跃变异,各气象站点降水序列和年均气温均呈现一定的上升趋势;在径流序列变化的物理成因方面,气候条件的改变是上游径流量变化的主要原因,1990年后中游地区年径流量减小,则很大程度上与中游耗水量大幅增加有关。     

基于COⅢ和HNF-1α序列研究龟鳖类的系统进化特征

用PCR扩增和测序的方法,获得小鳄龟(Chelydra serpentina)的COⅢ和HNF-1α序列,并分别结合NCBI中其他龟鳖的同源性序列进行比对分析。比对后得到757 bp的COⅢ一致序列和769 bp的HNF-1α一致序列。其中,COⅢ一致序列含有可变位点324个,序列总变异率为42.8%,简约信息位点230个;T、C、A、G的平均含量分别为27.5%、26.6%、30.8%、15.1%,A+T含量(58.3%)高于G+C含量(41.7%),转换/颠换比率(R)为2.62。HNF-1α一致序列有变异位点112个,变异率为14.6%,简约信息位点67个;T、C、A、G的平均含量为26.1%、23.1%、28.3%、22.6%,A+T含量为54.4%,G+C含量为45.7%,转换/颠换比率(R)为1.42。基于Kimura双参数模型计算龟鳖类种间、属间、科间遗传距离,并采用邻接法、最大简约法和最大似然法构建分子系统进化树。结果显示:基于COⅢ序列的淡水龟科4个属间的遗传距离为0.090～0.153,平均遗传距离为0.129;曲颈龟亚目5个科之间的遗传距离为0.150～0.207,平均遗传距离为0.177;基于HNF-1α序列的龟科9属间的遗传距离为0.003～0.051,平均为0.016;鳄龟科、龟科、淡水龟科3科间的遗传距离为0.044～0.067,平均为0.053。由遗传距离和构建的系统进化树可知,淡水龟科与陆龟科具有较近的亲缘关系,而与龟科的亲缘关系较远;支持龟科重新划分为两个分支;鳄龟科和海龟科亲缘关系较近,大鳄龟(Macroclemys temminckii)和小鳄龟可能同为一属。     

基于SWAT模型的汾河流域生态补水研究

随着人类对于河流的开发利用日益增强,显著改变了河流的天然径流过程,生态供水不足成为流域生态系统健康的重要制约因素。以山西省汾河流域为研究区,基于天然和实测径流数据,利用SWAT模型分别模拟了流域近30年天然径流和近10年跨流域调水情况下现状径流过程,并在此基础上对流域各河道生态流量及现状径流量进行时空量化,探讨了不同生态流量标准下生态缺水量在时间和空间上的变化情况。研究结果表明：(1)汾河流域各河道生态流量时空差异明显,汛期(0.50—18.80m~3/s)河道生态流量需求显著高于非汛期(0.05—1.81m~3/s),总体分布特征为中下游干流远高于上游支流;(2)在Tennant法的不同生态流量标准下,汾河流域非汛期生态流量保障情况整体优于汛期,高频缺水区主要分布在支流,呈上下游分散分布;(3)在中等级生态流量标准下,流域约84%的区域能保障基本生态流量需求,关键缺水区为岚河、潇河、浮山县及浍河地区;(4)建议流域生态补水在时间上侧重汛期补水,空间上侧重高频缺水地区,基于流域生态缺水量时空分布特征分配跨流域调水资源,提高水资源利用效率。研究从时空上量化了跨流域调水工程实施后流域生态流...     

窟野河流域河川基流量变化趋势及其驱动因素

河川基流量的变化是区域气候变化与人类活动的综合反映,其对维持生态系统健康具有重要的意义.以黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域窟野河流域为研究对象,利用1959-2005年实测水文、气象资料,基于Chapman-Maxwell数字滤波法的基流量计算,分析窟野河流域河川基流量的变化趋势与演变特征,从气候变化和人类活动两方面探讨了河川基流量变化的驱动因素.结果表明:(1)近50年来,流域内7个时段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期、非汛期)的基流量均表现为极显著减少趋势,全年基流量的减少量为0.628 mm/a,并在1980和1996年发生两次明显的突变;(2)与基准期(1959-1979年)相比,水土保持效应期(1980-1995年)的全年日基流量在5％,50％和95％的频率上相对减少率分别为30％,38％和54％,煤炭开发期(1996-2005年)的全年日基流量在5％,50％和95％的频率上相对减少率分别为57％,68％和100％;(3)流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同作用的结果,降水量的变化一定程度影响基流量,但主要驱动因素是流域内大面积连片开采煤炭资源和过量开发利用地下水.     

降雨对草地土壤呼吸季节变异性的影响

利用土壤碳通量自动观测系统(LI-8150)对呼伦贝尔草原在自然降雨条件下的土壤呼吸作用进行了野外定位连续观测,研究结果表明:降雨对土壤呼吸作用存在激发效应和抑制效应,降雨发生后1-2 h内土壤呼吸速率可增加约1倍,当单次或者连续降雨累积量大于7-8 mm,或土壤含水量大于29%-30%时,降雨对土壤呼吸会产生明显的抑制作用。土壤呼吸的激发效应往往体现在次日,表现为次日平均土壤呼吸速率的显著升高;而抑制效应则在当日即可体现出来,表现为观测当日平均土壤呼吸速率的明显下降。土壤呼吸季节变异性与降雨频率和降雨强度密切相关,在降雨量一定的情况下,较低的降雨频率和较高的降雨强度会增加土壤呼吸的变异性。呼伦贝尔草甸草原而言,在生长季土壤平均含水量为16.5%时,土壤呼吸的温度敏感性值(Q₁₀)为2.12;而平均土壤含水量为26%时,Q₁₀值为2.82,明显高于前者,土壤含水量与Q₁₀之间存在正相关关系。降雨导致土壤呼吸的激发效应和抑制效应交替发生,使草地土壤呼吸的季节变异性增加,降雨格局变化必然会对草地碳循环和碳通量特征产生深刻影响。     

基于多水文改变指标评价东江流域河流流态变化及其对生物多样性的影响

新丰江、枫树坝和白盆珠3座大型水库的建立对东江流域河道流量和河流流态过程有了较大改变,威胁河道下游生态系统的健康。基于广义指标生态剩余和生态赤字评价了东江流域受水库影响后流域生态需水需求目标总的盈余和缺失变化过程,基于IHA32指标计算的Do和DHRAM评价了水库对下游河段河流水文过程总的改变程度以及威胁河道生态系统健康的风险性大小,并进一步分析了对河道生物多样性的影响。研究结果如下:(1)水库对流量历时曲线(FDC)有显著影响,曲线上部下降,尾部上升,尤其体现在秋季和冬季。降水对年与夏季生态剩余影响较大,水库对各季节生态剩余和生态赤字均有较大影响:秋季和冬季生态赤字几乎为0,生态剩余显著增加。生态剩余和生态赤字与大部分IHA中32个指标具有很强的相关性,可作为衡量东江流域年和季节径流变化的生态指标。(2)龙川、河源、岭下和博罗4站点总体改变程度分别为58.48%、54.04%、54.32%和52.47%。河流流态变化导致总季节生态剩余增加并维持在较高水平,进一步引起河流生物多样性下降,并维持在较低水平。龙川和河源两站河流流态的变化对河流生态系统造成了高风险性影响,岭下和博罗两站则为中等风险。     

辽河流域丰枯遭遇下水库调度

利用Copula函数分析辽河流域水库入库流量边缘分布及其生态径流量,得出水库可调水范围,在满足生态流量基础上,保障辽河流域城市供水。研究表明:(1)英那河与张家堡水库入库流量以对数正态分布为最佳边缘分布,其余水库入库流量最佳边缘分布均为广义极值分布,同时,Gumbel Copula与Frank Copula函数对水库入库流量拟合效果最优;(2)7组水库组合中有3组水库组合入库流量(白石与锦凌、白石与青山、张家堡与碧流河)丰枯异步概率高于丰枯同步概率,且枯枯遭遇概率较低,分别为13%,12%以及13%。其余4组水库组合枯枯遭遇概率皆高于27%,水库间入库水文过程发生同枯概率可能性较大;(3)使用90%保证率逐月频率计算法所求流量是辽河流域9个水库的最佳生态径流量。(4)枯水月水库间易发生枯枯遭遇,当水库间入库径流皆低于最小生态径流标准,水库无法对各自调水城市进行供水调度,其中,大伙房与桓仁、白石与锦凌、白石与青山主要在1、2月无法对沈阳、凌海和绥中县进行输水,桓仁与清河水库仅在2002年5月无法对开原进行供水,此时需考虑水库提前蓄水以满足城市用水需求。碧流河、英那河和张家堡水库虽两两存在无法输水情况,但可三者联动对大连进行联合调度,缓解无法输水问题。     

一种动态生态环境需水计算方法及其应用

随着经济的发展,我国的水资源形势日趋严峻,河流生态环境问题日渐突出.生态环境需水是影响河流生态系统健康的重要因素,生态环境需水量的界定、计算和分析是水资源管理中实现人与自然和谐发展的重要途径.针对传统生态环境需水计算方法实用性和可操作性差的缺点,开发出动态生态环境需水计算方法,利用月保证率法计算出初始生态环境需水状态空间,再根据实际的水资源开发利用形势,将自然因素和社会因素综合考虑,形成生态环境需水量的状态空间,然后用改进的水文指数法评价各生态环境需水状态,使生态环境需水的计算由静态变为动态.将该方法应用于水量年内分配不均,时有断流现象发生的年楚河,计算出了9个具有可操作性的生态需水状态,根据当地的实际情况,建议水资源管理部门以状态3和状态4为近期水资源管理的目标.     

黄土高原流域水沙变化研究进展

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题。黄土高原是我国水土流失最严重的地区。20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖。下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变。围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制。未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议。     

河流生态径流计算的逐月频率计算法

界定了生态径流、最小生态径流、最大生态径流、适宜生态径流的概念,提出了一种新的河流生态径流计算方法——逐月频率计算法,指出了方法的优缺点以及适用范围。以计算洛阳市境内伊河的栾川站和龙门镇站生态径流为例,说明了计算过程,同时用Tennant法作对比。结果表明:运用新的逐月频率计算法比用以往的逐月频率计算法得到的适宜生态径流过程径流量要大,河流的生态状况更好,更有利于河流自身的生态健康和河流周围生物栖息地的保护。     

气候变化对淮河流域中上游汛期极端流量影响的SWAT模拟

致洪暴雨主要是3天以上连续强降水,是淮河流域洪涝的直接原因。构建淮河流域中上游SWAT模型,用RegCM3在SRES A2排放情景下的模拟结果(2071-2100年)驱动SWAT模型,研究气候变化对淮河流域中上游汛期极端流量的影响。结果表明:(1)在SRES A2排放情景下,淮河流域中上游未来(2071-2100年)气温升高,降水量增加,降水的空间差异增大;颖河流域中游年降水量有较大幅度的减少,呈现暖干化的趋势;汛期极端过程降水增加,汛期最大9 d降水量平均增幅都在10%以上。(2)在SRES A2排放情景下的气候变化将导致淮河流域中上游汛期极端流量大幅度增加,干流5个水文站汛期最大9 d平均流量的增幅都在20%以上。(3)淮河流域中上游极端流量的概率分布更加集中,更大的极端流量出现的频率更高,研究流域下游更容易出现较大的极端流量。(4)研究流域下游极端流量概率对极端流量变化更敏感,下游也面临着更大的洪涝风险。     

晋西黄土高原丘陵沟壑区清水河流域径流对土地利用与气候变化的响应

水资源短缺是黄土高原面临的最为关键的一个生态环境问题。研究黄土高原地区河川径流演变对土地利用与气候变化的响应是开展适应性流域管理的基础。该文以黄河流域中游山西省吉县境内的清水河流域(面积436 km²)为研究对象, 采用非参数统计秩检验法(Mann-Kendall)、滑动t检验和跃变参数分析法, 对该流域1959-2005年的年径流量、降水量和潜在蒸发散量进行了趋势分析和突变点验证; 用遥感数据判读和解译的结果分析了该流域不同时期土地利用变化; 在此基础上根据水量平衡原理, 分析了土地利用变化和气候变化对流域径流变化的贡献, 并采用FDC曲线法分析了二者对高、中、低流量变化的影响。研究结果表明: 该流域年径流量在1959-2005年的47年间呈显著下降趋势, 突变点出现在1980年, 但该流域降水量没有出现明显的趋势性变化, 而以Hamon公式计算的流域年潜在蒸发散则呈显著上升趋势, 其突变点出现在1997年。该流域气候变化和土地利用变化对年径流减少的贡献率分别为46.79%和53.21%。综合以上结果可以看出, 潜在蒸发散增加和乔木林地面积增加是导致该流域径流减少的重要原因。