宝鸡峡引水对渭河水文规律及生态系统的影响

【目的】研究水文变化与河流生态系统的响应关系,通过对生态系统进行诊断,为河流生态系统的研究提供新途径。【方法】对渭河44年(1960-2005年)的水文资料和宝鸡峡灌区32年(1972-2005年)的引水资料进行统计与分析,探讨引水对渭河水文规律的影响,并采用变化范围法(RVA)对32个水文改变指标(IHA)进行统计,研究引水对渭河水文情势及生态系统的影响。【结果】引水导致渭河年平均流量较天然径流明显减少,且枯水年份尤为突出,32年中有8年年平均流量低于生态基流量;输沙量较引水前减少了80%强;且对河流的枯季月流量、年最小流量平均值、年最小1日流量发生时间、年低流量发生次数及平均延时、流量平均增加率等影响较大。【结论】宝鸡峡灌区引水对渭河的水文规律及生态系统的影响较大,尤其是低流量出现的频率和时间过多,严重影响河流的功能实现,迫切需要开展维持渭河河流健康生命的相关研究,在保证河流生态系统安全的同时,支持和改善灌区建设,以确保粮食稳定和区域社会的安全发展。     

灞河流域水环境数值模拟研究

【目的】对灞河流域水环境状况进行数值模拟分析,为湖泊型城市河道水质时空分布特征及水质类型主导性指标的分析提供参考。【方法】利用DHI MIKE21FM中的HD模块耦合Ecolab模块,选取溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、叶绿素a（Chl-a）、氨氮（NH₃-N）和总磷（TP）共5项指标作为水环境模型的状态变量,参考WQ模板中各指标的生化反应方程并对其修改后,以灞河流域下游城区段内灞河和浐河为研究对象,构建了适用于研究区的水环境模型,利用该水环境模型分析了基准年、丰水年、平水年与枯水年条件下灞河口水质特征,采用BP神经网络算法计算了灞河流域的时均综合水质类型,并对其空间分布进行了分析;采用主成分分析法（PCA）评估了灞河流域时均综合水质类型的主导性指标。【结果】灞河口水质超标因子主要为NH₃-N和COD,丰水年与平水年超标时间较基准年有所增加。浐河和灞河交汇前,灞河时均综合水质类型为Ⅱ类,浐河时均综合水质类型为Ⅳ类。浐河和灞河交汇后,灞河时均综合水质类型下降至Ⅳ类。研究区水质类型主导性指标为COD和NH₃-N。【结论】灞河流域时均综合水质类型在不同水文条件下基本都处于Ⅳ类。所构建的水环境模型在湖泊型城市河道水质时空分布特征及水质类型主导性指标分析中具有较好的精度和普适性。     

改进RVA法在河流水文情势评价中的应用

【目的】研究改进变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)中各水文指标对生态环境的响应程度,以有效避免RVA在评价河流整体水文情势时容易忽略低度、中度改变指标的不足,为河流生态系统的管理决策提供参考。【方法】基于改进的RVA算法充分考虑了5类33个水文指标与生态系统之间的响应程度,并将层次分析法(主观赋权法)与熵权法(客观赋权法)相结合赋予各指标生态权重,集结并累加各指标综合生态权重与单个水文指标改变度,综合评价河流水文情势的整体改变度。以渭河关中段为例,依据林家村、咸阳、华县水文站1960-2010年的日径流资料,借助Mann-Kendall非参数检验方法诊断径流序列突变点,采用RVA法计算单个水文指标的改变度,利用改进的RVA法对渭河关中段水文情势的整体改变度进行评价。【结果】利用未改进的RVA方法计算得到渭河关中段林家村、咸阳、华县控制断面的整体改变度分别为75%,69%,67%,均属于高度改变;而用改进RVA算法计算得到的林家村、咸阳控制断面的整体改变度分别为51%,40%,属于中度改变,华县控制断面的整体改变度为29%,属于低度改变。对比两种不同评价结果并进行合理性分析可知,基于改进RVA方法的评价结果更加贴近河道所提供的整体信息和指标改变度的分布特征,符合客观实际。【结论】通过赋予各水文指标生态权重,综合考虑各水文指标与生态系统之间的响应程度,能有效融合33个水文指标在评价河流整体改变度时的内涵,研究成果更加客观且符合实际。     

渭河生态水文联系变异分区研究

【目的】对生态水文联系分区以表征不同空间范围内的变异情势,进而为流域生态水文联系的良性维持提供理论支撑。【方法】统计渭河流域21个站点水文序列的水文改变指标(IHA),应用变化范围(Range of Variability Approach,RVA)法对其不同时间段的生态水文联系改变程度进行评估,并分析其空间分布规律。基于IHA构建分区指标体系,依据不同站点的生态水文联系变异程度,运用层次聚类法进行分区,并与主成分分析结果进行对比以验证其合理性。【结果】依据渭河流域内各站点的生态水文联系变异情况,将渭河流域划分为强烈变异区、中度变异区与轻度变异区3个变异区,不同分区可反映其生态水文联系综合变异的变异情势。根据各分区内的主导变异成分,可将3个分区再细化成5个变异小区,在强烈变异区中,将高、低脉冲流量和丰水期流量为主导变异成分的站点划为强烈变异区Ⅰ,极端流量和流量变化率为主导变异成分的站点划为强烈变异区Ⅱ;在中度变异区中,将高、低脉冲流量和流量变化率为主导变异成分的站点划为中度变异区Ⅰ,将最小极端流量、高脉冲流量和丰水期流量为主导变异成分的站点划为中度变异区Ⅱ;由于轻度变异区各主导变异成分均较轻,故未进一步细分。基于层次聚类法的生态水文联系的变异分区结果较为合理,与主成分分析结果基本吻合。【结论】各变异分区可表征不同分区的综合变化强度和主导变异成分,通过该分区可基本了解渭河流域不同区域河流生态水文联系的变化情况。     

基于Copula函数的西安供水河流年径流丰枯遭遇分析

【目的】分析不同Copula函数参数估计法对函数类型选择及对河流年径流丰枯遭遇的影响,为西安水资源开发、供水调度管理提供理论依据。【方法】利用黑河黑峪口站、沣河秦渡镇站、灞河马渡王站3个水文站55年的年径流数据,基于Kendall系数估计法和极大似然估计法分别估计Copula函数的参数,选择拟合程度好的GH Copula函数,对比分析两种估计法推求的黑河、沣河、灞河的年径流丰枯遭遇频率。【结果】两种参数估计法均表明GH Copula函数是拟合程度最好的函数。极大似然估计法的拟合结果略优于Kendall系数估计法,但两者之间相关系数的绝对差≤0.02%。两种方法估计的河流间两两丰枯同步和丰枯异步的概率≤3%,沣河、黑河、灞河3条河流两两丰枯同步的概率远远大于丰枯异步的概率;丰枯同步的概率中,两条河流同平的概率几乎是同丰和同枯的概率和,同枯的概率略小于同丰的概率;在丰枯异步的概率中,2条河流一丰一枯的概率最小,其中灞河和沣河一丰一枯的概率只有0.048%~0.138%。【结论】在西安供水河流年径流丰枯遭遇分析时,极大似然估计法的拟合结果略优于Kendall系数估计法,但两种参数估计法都是可行的。     

河流生态流量的生态积分探讨

【目的】探讨更好地度量河流流量生态效益的单位、核算参照值和计算方法。【方法】针对河流径流量生态效益参照值选取困难,将河流流量生态效益理解为生态效用,借鉴Tennant描述的河流生态流量与栖息地质量关系的思想,给出河流径流生态积分概念、内涵和计算公式,用来衡量河流流量生态效用大小,用生态积分表示河流径流流量的生态效益。最后,以黄河龙羊峡和刘家峡水库2003年调度为例进行了方法检验。【结果】2003年黄河龙羊峡和刘家峡梯级水库对花园口站非汛期的生态基流补偿效益为289.4亿生态积分,其中龙羊峡对花园口站生态基流补偿效益为197.5亿生态积分,刘家峡对花园口站生态基流补偿效益为91.9亿生态积分。【结论】河流径流生态积分度量对径流生态效益进行定量衡量,用生态分弥补了衡量河流生态基流效益的参照值缺失,可以对水库生态调度等进行合理评价。     

浐河和灞河西安段水样对蚕豆根尖细胞的影响

【目的】研究浐河和灞河西安段水样对蚕豆根尖细胞微核率和染色体畸形的影响。【方法】选取浐河和灞河流经西安段8个水样处理蚕豆根尖细胞,蒸馏水为阴性对照和NaN_3为阳性对照,观察蚕豆根尖细胞微核率的变化和染色体畸形。【结果】浐河和灞河西安段8个水样对蚕豆根尖细胞微核率具有一定的影响,与阴性对照组相比,浐河田家湾桥下和长乐路桥下的2个水样具有显著性差异(P0.05),浐河桃花潭、浐河口2个水样和灞河4个水样不具有显著性差异(P0.05);从微核指数看,浐河的田家湾桥下和长乐路桥下2个水样中度污染,灞河纺织城工业园轻度污染,浐河桃花潭和浐河口2个水样没有污染,灞河其他3个水样无污染。污染的水样能产生多种染色体的畸形。[结论]灞河西安段水质状况好于浐河水质状况。     

基于流域不同特征的浐灞河生态系统健康评价

【目的】根据流域不同特征,构建浐灞河流域生态系统健康评价指标体系,并对其生态系统健康状况进行评价,为河流综合治理提供科学依据。【方法】基于浐灞河流域的水资源开发利用程度、水功能定位和生态环境保护的不同特点,构建了由生态结构与功能、水文特征、水环境状况、社会经济和生态服务功能5个方面要素,11个单项指标组成的流域生态系统健康评价指标体系,并采用模糊综合评价法与层次分析法相结合的方法对浐灞河流域生态系统健康状况进行评价。【结果】影响浐灞河流域上中游区域生态系统健康的主要问题有水土流失、植被破坏以及人口增加对环境的压力,影响浐灞河下游城市段生态系统健康的主要问题有水资源过度开发和河流水质污染。浐灞河上中游区域和下游城市段生态系统健康综合评价度分别为0.803 7和0.760 9,可知浐灞河流域上中游区域生态系统处于亚健康状态,下游城市段为临界状态。【结论】浐灞河流域上中游区域生态结构与功能欠缺,下游区域受水文特征和水环境状况的影响较大,是浐灞河进行流域治理和水生态保护与修复应重点关注的问题。     

基于相关分析的流域汛期划分初探

【目的】确定恰当的流域汛期,为水库的防洪安全奠定基础,同时为水资源的优化调度提供决策依据。【方法】基于相关分析方法,采用千河流域31年的日均流量资料,对流域不同时段的径流自相关性进行研究,根据其显著性差异确定千河流域的汛期和主汛期。最后从水文气象学原理出发,结合西北地区的气候特征分析,对汛期和主汛期的划分结果进行验证。【结果】确定千河流域的汛期为5月下旬至10月上旬,与千河流域主要降雨期一致;主汛期为07-01-08-31,与千河流域的暴雨峰值期一致;说明汛期、主汛期的划分结果是合理的。【结论】基于相关分析法的汛期划分研究,方法简单直观,物理概念清晰,可为千河流域冯家山水库的安全运行及水资源调度决策提供参考。     

基于河流分段与分季节的涑水河水环境容量计算及模型预测

【目的】建立适合于干旱和半干旱地区季节性河流的水环境容量计算模式及预测模型。【方法】以山西省涑水河为例,基于河流分段(上游(横水铁路桥断面以上)、中游(吕庄水库断面至横水铁路桥断面)、下游(吕庄水库断面以下))和分季节(丰水期、平水期、枯水期)的原则,在传统水环境容量计算模型的基础上,利用涑水河流域现有的水文资料、环境资料及生态、经济等资料,探索影响干旱和半干旱地区河流生态环境容量的主要因素,构建涑水河水环境容量计算模式与自适应调整粒子群-RBF神经网络预测模型,并用涑水河流域监测数据、历史资料进行验证。【结果】水体原污染物质量浓度、当前水环境的质量标准、河流距离、河流流量、排放污水量和排放时间是影响干旱和半干旱地区河流生态环境容量的主要因素。在丰水期、平水期、枯水期涑水河3个断面之间水环境容量计算值与预测值均非常接近,计算值相对误差为0.12%~1.47%,预测值相对误差为0.09%~2.02%,可见计算方法和预测方法的精度均较高。【结论】涑水河水环境容量预测值可用于指导涑水河水资源优化配置和水环境污染控制,对推动干旱和半干旱地区流域的可持续发展具有积极意义。     

广义极值分布序列经验概率的计算

【目的】研究并建立广义极值分布无偏经验概率计算公式,为广义极值分布经验概率的计算提供支持。【方法】应用次序统计量原理,推导广义极值分布无偏经验概率计算公式,采用统计试验方法将推导的公式与现有的经验频率公式进行对比,对其进行检验,最后以陕北地区12个水文测站的年最大洪峰流量系列为例进行模型应用。【结果】推导出了便于工程设计应用的广义极值分布经验概率计算公式GEVQG。统计试验和实例应用表明:推导的公式GEVQG和现有经验频率公式Cunnane公式的相对误差和偏差均较小,并且对研究区的拟合效果良好。【结论】推导的计算公式GEVQG和Cunnane公式均可以作为广义极值分布经验概率计算的优选公式,为工程水文经验概率计算提供了新的选择。     

考虑生态径流过程的运行模式对文峪河梯级水库综合效益的影响

生态流量控制与水库其他效益之间的矛盾是河流生态流量保障实践运行的最大障碍,协调生态保障与水库既得利益间的平衡关系是开展面向河流健康的水库调度的重要前提。本研究以河流生态需水过程为生态控制目标,结合文峪河梯级水库的运行需求,划定不同阶段的多目标寻优秩序,并据此建立梯级水库多目标调度模型。依据不同水平年来水状况及远景年的相应措施,设置不同调度情景进行梯级水库模拟调度,得到不同情景下的梯级水库调度方案。最后,对方案中梯级水库的供水保证率、发电量、生态保证率等指标进行统计对比,分析无、低限、适宜三个生态流量控制下的文峪河梯级水库综合效益统计指标的变化规律。研究结果显示：(1) 三个生态流量约束限制,对下游的城镇与工业用水影响不大,其保证率高达99.39%。(2) 对灌溉用水而言,由于将生态流量优先权设置在灌溉用水前,对农田灌溉用水的影响是客观存在的,农田灌溉用水的保证率随生态流量的增加,有所降低,适宜生态流量控制方案较不考虑生态约束方案,保证率下降了10%,且很多枯水年份,破坏的月份达到了8个月,即一年中大部分月份不能满足灌溉需求,可见其破坏程度以及其潜在的经济社会影响不容小视。(3) 三个方案下泄的生态水量都较多,且水量过程差别不大,但生态水量下泄多发生在灌溉用水满足的时段。(4) 由于城镇工业用水、农业用水以及生态用水都是从下游取水,其变化对发电量的影响较小。且实施最小生态控制情况下,梯级水库的强制下泄水量有所减少,为柏叶口和文峪河水库间的补偿调节,提供了更多的空间。通过联合运用,在保障下泄水量要求的情况下,柏叶口相对增发,使梯级总发电量增大,并略高于其他两种方案。     

条件概率模型在非一致性水文序列频率计算中的应用

【目的】对条件概率模型在非一致性水文序列频率计算中的应用进行研究,为变化环境下的水文频率分析提供依据。【方法】基于条件概率模型,以渭河流域林家村、张家山和状头3个具有跳跃变异的水文站年平均流量系列为研究对象,选择两参数对数正态分布、三参数对数正态分布、Gumbel分布和P-Ⅲ型分布4种分布模型,采用模拟退火粒子群算法进行参数估计,以效率系数R2等指标进行拟合优度评价并选取最佳模型,最后采用学生化残差分析所选模型的合理性。【结果】3个水文站序列的理论频率曲线与经验点据配合的效率系数均高于0.96,最佳模型的学生化残差均服从标准正态分布,表明基于条件概率模型的计算结果合理可靠。【结论】条件概率模型的物理意义明确、理论严密、拟合效果较优,是一种对具有跳跃变异的非一致性水文序列进行频率分析的有效途径。     

和田河沙漠段生态输水植被恢复遥感评价和植被变化驱动因素分析

【目的】结合和田河沙漠段生态输水以来植被变化情况,评价和田河沙漠段治理成效,研究植被变化的驱动因素,为和田河沙漠段生态修复提供指导。【方法】运用卫星遥感影像数据和野外调查资料,对和田河沙漠段生态输水以来植被响应特征指标NDVI值进行系统研究分析。【结果】2002年生态输水以来,和田河沙漠段NDVI值整体提高,平均增幅达37.24%。生态输水对河岸1~2.75 km范围内植被影响显著,年际间NDVI值呈先升高后降低又升高趋势。整个沙漠段植被呈现上、下游较好,中游较差的特点,两河汇合口下游15~115 km为植被脆弱区域。沙漠段NDVI值变化与气温和河段耗水均呈正相关关系。【结论】和田河生态输水促进河道两岸植被的生态恢复,植被变好趋势明显。沙漠段NDVI值变化与气温和河段耗水密切相关,温度升高和上、下游断面水量损耗（生态引水）增加,均有助于和田河沙漠段植被改善。     

河流生态环境需水量及关键技术研究

综述了河流生态环境需水量的国内外研究进展,从基础理论和计算方法两方面探讨了热点问题,围绕生态水文模型、驱动机制与演变规律、河流生态资产与生态环境需水量的概念关系模型、生态调度模型和生态流量预警等关键技术,提出了河流生态环境需水量的研究模式;对未来的相关研究做了展望。     

多泥沙河流供水水库水沙联合优化调度的研究与应用

【目的】分析多泥沙河流供水水库中供水与排沙减淤之间的矛盾,为此类水库合理调度运行方式的确定提供技术支撑。【方法】运用水沙数学模型与优化理论的基本思想,构建多泥沙河流供水水库水沙联合优化调度耦合模型,并将该模型应用于亭口水库这一典型多泥沙河流供水水库调度运行方式的优化比选研究中。【结果】成功构建了多泥沙河流供水水库水沙联合优化调度耦合模型,该模型由水库优化调度动态规划子模型及泥沙冲淤计算子模型2部分构成,子模型之间通过参数及数据的相互传递,实现对模型定解条件的影响,从而组成一个耦合模型。该模型在亭口水库调度运行方式优化比选研究的应用表明,亭口水库适宜采用"蓄水运用,汛期低水位相机排沙"的调度运行方式。【结论】所构建模型具有较强的合理性及较广的适用性,为多泥沙河流水库水沙联合调度运行方式的制定提供了一条行之有效的解决途径。     

基于高原河流生态系统健康的服务功能评估:以巴河为例

【目的】在保证河流生态系统健康的前提下,对位于青藏高原的河流生态服务功能进行评估,为河流的合理规划和开发利用奠定基础。【方法】在界定了高原河流生态系统健康和服务功能内涵的基础上,构建具有高原特色的河流健康评价指标体系和服务功能评价指标体系,并将河流健康评价等级划分为"优"、"良"、"中等"、"差"和"极差"5个标准。在分析河流健康与其服务功能关系的基础上,构建了基于河流生态系统健康的服务功能评价模型,并将模型在位于青藏高原的巴河上进行实例验证。【结果】对巴河的生态系统健康和服务功能价值进行评估,在考虑河流健康指标后巴河的总服务功能价值较不考虑河流健康时减少了2.844×108元/年。【结论】河流生态系统的健康与其服务功能密切相关。河流健康才能保障河流向人类提供所需的服务功能,水资源的开发利用应在确保河流健康的范围内进行。     

SCEM-UA优化算法在水文频率分析中的应用

【目的】将SCEM-UA优化算法应用于水文频率分布曲线优化适线法中,并与传统适线法进行对比,为水文频率分析提供方法支持。【方法】采用基于SCEM-UA优化算法的优化适线法,对长江流域宜昌水文站1974-2003年年最大流量数据进行水文频率分析,确定其理论频率曲线统计参数,计算离差绝对值和与离差平方和;利用同组数据,采用矩法、权函数法、概率权重矩法对其进行水文频率分析,并将结果与SCEM-UA优化算法所得结果进行对比。【结果】SCEM-UA算法离差绝对值和与离差平方和分别为23 481和33 734 707,均小于其余3种方法;利用SCEM-UA优化算法所得理论频率曲线与实测数据两端值的拟合效果更好。【结论】与传统适线法相比,基于SCEM-UA优化算法的优化适线法能够降低理论水文频率分析的误差,提高理论频率曲线与实测数据的拟合精度。     

永定河北京段河流形态模拟与弹性修复策略研究

  目的  自20世纪80年代断流以来,永定河下游河道被侵占、破坏严重,2019年和2020年永定河实施生态补水工作。本文选取永定河宛平湖至黄良铁路间河段,模拟不同生态流量和洪水脉冲流量设定下河流形态特征,目的是将补水流量变化与河流形态变化联系,为河流生态修复提供科学支撑。  方法  （1）运用Tennant法计算永定河下游生态流量,并选取3种不同等级的生态流量作为后续模拟输入;（2）使用CAESAR-Lisflood 模型模拟3种生态流量和4种洪水脉冲流量下的形态特征。  结果  （1）模拟得到3种生态流量下河道内年平均水面面积为439.29 ~ 462.74 hm2,水面高度在40 ~ 52 m之间,最大流速为1.49 ~ 2.24 m/s。河道内侵蚀区域面积为52.18 ~ 77.94 hm2,沉积区域为61.70 ~ 101.39 hm2。4种洪水脉冲流量下,河道内年平均水面面积为637.58 ~ 769.25 hm2,水面高度在42 ~ 55 m之间,最大流速在3.92 ~ 5.85 m/s之间。（2）根据不同河段的形态特征,河道内侵蚀/沉积区域范围和5年一遇洪水淹没范围,提出不同河段修复策略,并确定河道内弹性空间范围。  结论  在生态补水工作的促进下,研究河段以及整个永定河北京段断流河段的修复应以自然修复为主,人工修复为辅。在生态修复过程中需要预留充足的河流空间,允许河道形态变化,发挥河道自我修复能力。通过长期的、不间断的人工监测和策略调整,逐渐恢复断流区河流生态系统功能及自然河流景观。      

基于SDI的石羊河流域中游水文干旱特征研究

本文利用石羊河流域中游3条河流的3个水文代表站1961—2017年逐月实测的流量数据,采用标准化流量指数、游程理论来获得干旱事件的特征指标,研究了石羊河流域水文干旱历时、烈度、强度及水文干旱时序和频率演变特征。结果表明:近57年石羊河流域干旱历时、干旱烈度和干旱强度的变化不是很一致,石羊河流域中游干旱历时20世纪70年代最长,20世纪60年代最短;干旱烈度和强度都是20世纪90年代最强,最弱出现在20世纪80年代;从干旱时序分析,石羊河流域中游年SDI变化总体上表现为在波动中呈增加趋势,但增加幅度很小;从干旱频率分析,石羊河流域中游水文干旱发生的概率很高,年水文干旱发生的频率高于四季水文干旱发生的频率,四季水文干旱发生频率最高的是夏季。