基于水-沙-生态多因子的黄河流域水资源动态配置机制探讨

黄河"八七"分水方案已实施30余年,亟需动态调整分水方案以适应变化的水沙条件和用水格局。为在变化水沙条件下科学配置水资源,以黄河流域为研究对象,提出"保存量、分增量"的动态配置思路,在优先满足河流和近海生态需水的基础上,根据变化来水来沙塑造高效输沙洪水减少河道内分水指标,兼顾公平和效率将河道内节省的水量作为增量配置给沿黄省（区）。配置结果显示:黄河下游来沙4.00亿~5.00亿t时,采用高效输沙方法黄河河道内分水指标减少5.07亿~24.24亿m3,上游省（区）分水指标增加;动态配置方案体现了生态优先原则,保障沿黄省（区）分水指标不低于现行指标,并增加部分省（区）分水指标。研究成果为多沙河流动态配置水资源提供了科学方法,为"八七"分水方案调整提供了参考。     

黄河“八七”分水方案的适应性评价与提升策略

黄河"八七"分水方案是流域水资源管理的重要依据。颁布30余年来,黄河流域自然环境、经济社会等发生了显著变化,亟需科学认识分水方案对环境变化扰动的适应性。运用动力系统原理构建分水方案适应性的动力微分方程和综合评价模型,从敏感性、稳定性、抗力和恢复力4个方面建立包含20个指标的适应性评价指标体系,定量评价1999年以来分水方案的适应性,并采用HP（Hodrick-Prescott）滤波识别适应性变化趋势。结果表明:分水方案对环境变化的适应性良好,19年中63.2%的年份适应性值大于1;适应性先升后降,2005年达到峰值,之后逐渐降低,2014年起适应性值小于1,表现为不适应。分析影响分水方案适应性的主要因素,提出分水方案调整策略,为支撑流域水资源管理提供方向参考。     

应对干旱的黄河干流梯级水库群协同调度

科学控制梯级水库蓄泄过程是减少旱灾损失的重要手段。以减少干旱年份流域缺水量和优化缺水时空分布为目标,构建应对干旱的梯级水库群多时空尺度协同优化调度模型。采用交互式与改进粒子群优化方法,外层寻求多年调节水库旱限水位最优控制,内层优化梯级水库群年内蓄泄过程,实现流域水资源年际调控、年内优化、库群协同、空间协调。以2014年的黄河流域重旱为例,通过模型优化提出2012—2014年龙羊峡水库旱限水位及梯级水库群年内蓄泄过程,结果表明:通过龙羊峡水库旱限水位控制实现跨年度补水,控制各年度缺水率在4.9%~5.7%之间,通过水库群出库过程优化控制不同区域各时段缺水均匀分布,将农业缺水率控制在7.0%~11.0%之间,显著减轻了旱灾损失。     

应对干旱的黄河干流梯级水库群协同调度

科学控制梯级水库蓄泄过程是减少旱灾损失的重要手段。以减少干旱年份流域缺水量和优化缺水时空分布为目标,构建应对干旱的梯级水库群多时空尺度协同优化调度模型。采用交互式与改进粒子群优化方法,外层寻求多年调节水库旱限水位最优控制,内层优化梯级水库群年内蓄泄过程,实现流域水资源年际调控、年内优化、库群协同、空间协调。以2014年的黄河流域重旱为例,通过模型优化提出2012—2014年龙羊峡水库旱限水位及梯级水库群年内蓄泄过程,结果表明:通过龙羊峡水库旱限水位控制实现跨年度补水,控制各年度缺水率在4.9%~5.7%之间,通过水库群出库过程优化控制不同区域各时段缺水均匀分布,将农业缺水率控制在7.0%~11.0%之间,显著减轻了旱灾损失。     

岩溶含水层饱和-非饱和流动与污染物运移数值模拟

岩溶含水层中的地下水是重要的可饮用水来源, 由于其复杂的水文地质特征, 采用数值模型分析和评价含水层中地下水环境极具挑战性。采用变饱和度流动方程描述含水层基质中的饱和-非饱和流动, 采用管道流方程描述岩溶管道中的层流及紊流流动, 基于流动解采用对流弥散方程分别描述基质与管道中的溶质迁移过程。根据相关实验数据以及MODFLOW-CFP程序的模拟结果对流动模拟的准确性进行验证, 并基于此开展了岩溶管道以及非饱和参数对地下水流动及污染物迁移影响的模拟。结果显示, 数值模型能很好地重现含水层中饱和区与非饱和区以及岩溶管道的地下水动态, 岩溶管道对含水层的渗流场产生了较大的影响。管道中快速流动的特性使得周围的水向其中汇集, 影响了局部流动场, 进而使得泄露的污染物质随水流进入管道, 快速向管道出口处(泉点)迁移, 突破曲线显示管道出口处的污染物浓度响应速度远快于基质中对应的位置, 非饱和参数对管道中污染物浓度的响应速率有着不同程度的影响。建立的模型完善了岩溶含水层中非饱和区地下水流动、污染物运移以及基质-管道流动与溶质运移耦合模拟等方面的工作, 加深了对岩溶含水层地下水动力学以及污染物迁移过程的认识, 对岩溶水文地质及地下水环境等方面具有重要意义。      

流域城市化对湿地生态系统的影响研究进展

城市化是人类社会发展的必然趋势和现代化的必经阶段,同时城市化也对区域湿地生态系统产生重要影响。从城市化的水文效应、城市化对水环境的影响和城市化产生的气候变化对湿地生态系统影响3方面综述了城市化对湿地生态系统结构和功能影响的研究进展。城市化引起流域内人口增加,通常伴随商业和工业活动的增加,这些活动需要更多的城市土地,从而导致流域内不透性增加,这给流域内湿地生态系统造成了重要的影响,表现为:①城市化所及地区的产汇流过程发生显著变化,导致湿地径流的调节作用和维持生态系统生产力的作用发生退化;②城市地表径流中含有大量的污染物质,致使对湿地水环境、水生生物、野生动物栖息地都产生了重要的影响,并污染城市饮用水水源,危及人类健康;③城市化导致流域气候变化,影响湿地水文、生物地球化学过程、植物群落及湿地生态功能等。最后,指出了国内外城市化对湿地生态系统影响研究的不足之处,对国内外的研究趋势进行展望,并对国内的研究提出了几点建议。     

衡水湖流域生态系统健康评价

生态系统健康评价是当前环境科学和生态学研究的热点问题之一,流域尺度的生态系统健康评价是生态系统健康评价研究的一个重要发展方向。对流域进行生态系统健康评价,将为流域的规划、管理和保护以及流域综合治理提供决策依据。回顾了国内外流域生态健康评价的历史和现状,阐述了流域生态系统健康评价的主要理论与方法。以衡水湖国家级湿地自然保护区为例,建立了评价指标体系,并据此对该流域进行了生态健康评价,结果表明:衡水湖流域生态系统健康处于中等或者亚病态,最后提出衡水湖生态健康可持续发展的建议。     

流域生态健康评价理论与方法研究进展

对流域进行生态健康评价,将为流域的规划、管理和保护以及流域综合治理提供决策依据。本文回顾了国内外流域生态健康评价的历史和现状,着重阐述了流域生态系统健康评价的尺度与方法。流域生态系统健康评价主要有两种方法：一是生物监测法,二是指标体系法。对流域进行生态健康评价,重点在于建立评价指标体系。流域生态健康评价的指标体系应该包括生物、水质、水文、栖息地、社会经济和人类健康等六方面指标。最后,明确指标选取的基本原则,并指出了目前流域生态健康评价存在的问题及今后的研究趋势。     

城市湿地保护与修复研究进展

城市湿地作为城市中一个特殊的生态系统,具有重要的生态环境和社会服务功能.城市湿地为实现城市可持续发展提供重要的水资源和生态环境保障,合理开发和利用湿地资源是城市可持续发展的重要前提.但是,随着城市化进程加快,城市湿地保护问题日益突出,一些不合理的湿地开发行为导致城市湿地面积减少、污染严重和湿地功能退化,削弱了湿地的生态效益和社会效益,城市湿地的保护与合理利用日益受到国际社会的重视.从城市湿地的功能出发,分析了城市湿地保护与修复中面临的主要问题,综述了国内外城市湿地修复的物理、化学和生物等相关技术研究进展,研究了国内外对于城市湿地保护的一些成功经验,并展望了城市湿地保护与修复研究趋势和方向.最后,结合我国城市湿地保护与修复现状,提出了我国城市湿地保护的对策与建议,为促进城市湿地生态系统的良性循环,推动整体湿地保护更好发展提供借鉴和参考.     

黄河流域水量分配方案优化及综合调度的关键科学问题

变化环境下缺水流域水资源演变与科学调控是国际上关注和研究的热点问题,也是中国水资源安全保障面临的重大难题。针对剧烈环境变化下黄河流域水资源显著减少、供需矛盾日益尖锐的问题,以提升流域水资源安全的调控能力为目标,识别了流域水资源供需演变认知—适应性评价—高效输沙—分水方案优化—协同调度的5大关键科学问题,从水资源供需演变机制分析、流域水量分配方案适应性综合评价、河库联动高效输沙水动力条件塑造技术、流域水资源动态均衡配置理论、复杂梯级水库群水-沙-电-生态多维协同调度等方面,提出了"黄河流域水量分配方案优化及综合调度"研究的总体架构和理论方法,构建了黄河流域水资源优化配置与协同调度技术体系,为提升缺水流域水资源管理能力与调度水平提供方法借鉴。