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。     

基于生态水位约束的下辽河平原地下水生态需水量估算

以我国北方典型的大型地下水盆地——下辽河平原为研究对象,在考虑地下水蒸发特点基础上,统筹考虑对地下水依赖程度较高的天然草地、天然湿地和河流生态系统对于地下水位的要求,综合水文和生态两方面因素确定地下水生态水位;利用Golden surfer软件的体积计算功能,计算出研究区内全年各月的地下水生态需水量;采用正态信息扩散模型,运用月保证率法得到不同保证率、不同恢复等级下的年地下水生态需水量.结果表明:下辽河平原不同月份的地下水缺水量41.83×108-60.07×108 m3、缺水区面积2.05× 104-2.34×104 km2、盈余水量2.73×108-6.68×108 m3、盈余区面积0.30×104-0.59×104 km2、地下水生态需水量35.15×108-57.33×108 m3;经月保证率法整合后的年地下水生态需水量变化规律为,随着保证率的降低,地下水生态需水量不断增加,而需水量等级越高,需水量增加幅度越大.     

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     

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     

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.     

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     

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。     

RS和GIS支持的洪河地区湿地生态健康评价

洪泛平原淡水自然湿地对于生态多样性保护具有重要意义。当前自然湿地普遍面临气候变化与人类活动干扰和影响,其生态健康的状况令人担忧,结合新的地学信息技术探索自然湿地生态健康评价分析方法具有重要意义。本研究选择位于三江平原东北部的洪河国家级自然保护区湿地及其周边农场湿地为研究区,依据遥感和地理信息系统技术支持,结合野外生态调查与水文气象监测数据,从水文地貌特征、景观特征和人类扰动3方面选取一系列评价指标因子,利用层次分析法和综合指数方法,对研究区湿地进行了定量生态健康分析评价。研究结果表明：（1）洪河自然保护区的湿地生态健康状况是最好的,其周边农场从鸭绿河农场、前锋农场到洪河农场的湿地生态健康状况依次递减。（2）洪河自然保护区功能分区生态健康状况由好到差的顺序为：核心区>缓冲区>实验区,与实际野外调查情况一致。（3）本研究建立的评价指标体系和相应分析方法能够科学的评价湿地生态健康。评价分析结果显示水文地貌要素是影响湿地生态健康的关键性因素。本研究利用RS和GIS技术与传统生态学评价分析方法结合,以栅格为单位基于区域生境特征进行湿地生态健康综合评价具有一定的方法先进性。     

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。     

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。     

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...     

九万山自然保护区森林植被涵养水源效益的初步研究

研究与分析了广西九万山自然保护区森林植被在涵养水源方面的生态效益。结果表明,该保护区森林通过林地土壤根际层、枯落物层和林冠层等三个水文层次,贮蓄的雨量为18 368.07×104m3／a,直接或间接带来的生态社会效益价值为2.44亿元;水源涵养效益显著,对维护地方生态安全极为重要。     

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。     

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。     

典型气候条件下东北地区生态系统水源涵养功能特征

东北地区是我国重要的生态功能区,其包含的典型生态系统具有独特的水源涵养功能,在防洪减灾,保障生态安全和人居安全中发挥着关键作用。以往有关水源涵养功能的研究主要是依托不同水文模型方法,从单一年份或多个年份的角度进行研究,较少考虑不同气候条件下水源涵养功能的空间分异特征。采用标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)划分研究区的典型气候年份(干旱、正常和湿润);基于水量平衡法,结合SCS-CN模型以及Penman-Monteith方程对东北地区典型气候条件下生长季内的水源涵养功能进行研究。结果表明:(1)研究区水源涵养功能在不同气候条件下差异明显,三个典型气候年份生长季内的水源涵养总量分别为:干旱年(SPEI=-1.26)为2214.64亿m~3、正常年(SPEI=-0.22)为3231.49亿m~3和湿润年(SPEI=1.05)为3969.33亿m~3。(2)水源涵养功能空间变异突出,但在三种典型气候条件下呈现出一致变化,均表现为长白山地区水源涵养量最大,大小兴安岭地区次之,水源涵养量最低的地方主要出现在呼伦贝尔以西的草原地区,在东北平原的部分地区也有低值的出现,如白城、通辽、鸡西等地区,水源涵养量较一般的地方出现在东北平原大部分以农田为主的地区。(3)水源涵养功能除受气候因素的影响外,还取决于土地利用类型的变化,对于整个东北地区来讲,水源涵养总量表现为林地农田草地湿地,单位面积水源涵养量在干旱年和正常年表现为林地农田湿地草地,在湿润年份表现为林地湿地农田草地。研究结果揭示了东北地区三种典型气候条件下重要生态系统的水源涵养功能大小、空间分布特征及其主要驱动因素,可为区域生态空间规划和生态系统管理提供科学指导。     

北京城市生态占水研究

在前人研究的基础上,提出了生态占水的概念及计算方法,构建了生态占水驱动因素分析模型,计算各因素对生态占水变动的贡献率,并采用灰色关联分析法对生态占水-水生态因子进行关联分析。以北京市为例计算1999-2009年的生态占水量,结果显示水量型占水和水质型占水均呈现波动式逐年下降趋势,分别由1999年的25.56亿m³和12.55亿m³减少到2009年的15.65亿m³和4.58亿m³;2003-2005年北京市生态占水率明显高于其它时期,达到80%以上,2006年以后逐步下降,但仍然高于50%;水量型占水是过去10 a中最主要的占水类型。生态占水驱动因素分析结果得出,1999-2009年的总体变动中人均消费水平的提高是促使北京市生态占水增加的关键驱动因素,其次是第二产业增加值。占水-水生态因子关联分析显示,地表取水和污水处理率两个因素与水生境因子的变化有着较强的关联性;退水和地下取水与水环境因子有较强的关联性,地下水埋深和人口两大因素与水安全有着较强的关联性。     

基于水环境承载力评价的产业选择——以扬州市北部沿湖地区为例

区域的产业发展与该区域的自然和社会经济因素密切相关,对于水网稠密地区,水环境承载力是影响产业结构和布局优化的重要自然因子之一。选择江苏省境内跨长江与淮河两大流域的典型水网密集区——扬州市北部沿湖(邵伯湖)地区为研究区,选取水网构成指数、水利设施调控指数和水质达标差距指数3个指标,评价研究区水环境承载能力,并探讨水环境承载力与不同产业结构的联系,为该地区产业结构布局和优化提供建议。结果表明研究区水环境承载力"高"、"较高"、"中等"、"较低"和"低"5个等级分别占研究区总面积的0.38%、21.74%、29.67%、13.65%和34.56%。根据研究区水环境承载力空间差异和水环境承载力与不同产业的联系,以选择生态涵养型产业为基本导向,以兼具开发适宜性和环境保护重要性为基本原则,提出应根据研究区水环境承载力水平不均衡的特点实施差别化的产业结构与布局方案,邵伯湖湖区及入湖河道下游等水环境承载力高和较高地区适宜发展特色水产与特色水禽的生态养殖业;沿湖、沿河及南部槐泗等水环境承载力中等地区适宜发展现代生态种植业及湖泊生态旅游业;河流中上游等水环境承载力低和较低地区适宜发展大宗农作物的种植。