生态水文

生态水文（精选10篇）

生态水文 篇1

生态水文学 (Ecohydrology) 是20世纪90年代兴起的一门边缘学科, 在全球水资源短缺的背景下, 1992年在都柏林国际水与环境大会上作为一门独立的学科被提出来。随着水文循环的生物圈部分和国际教科文组织主持的国际水文计划等国际项目的实施, 生态水文过程研究得到迅速的发展和广泛的重视, 成为当前研究的热点[1,2]。

生态水文学是一门以生态过程和生态格局的水文机制为核心, 以植物与水分关系为理论基础, 研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等生态系统的新学科。它提出在保持生物多样性、保证水资源的数量和质量的前提下, 寻求对环境有利、经济可行和社会可接受的水资源持续管理的有效方式, 为水资源可持续利用提供理论基础。对生态水文学的深入研究, 可以使退化的生态系统得到恢复, 甚至更新, 实现水资源的可持续利用[3,4]。

1 生态水文学的研究内容

1.1 生态水文学的基础

植被是水循环中最活跃的调节者, 它通过根系吸收水分、叶片蒸腾水分而参与水循环。植物的蒸腾和吸水既受本身的生物学特性控制, 又受其所处的环境条件的影响。水分在植物体内的运动是纯粹的被动过程, 大多数植物体内的水分运动是受水势差驱动的。根据液流上升的表面张力和内聚力理论, 水流是叶蒸发面表面张力作用的结果, 表面张力降低蒸发面的水势, 从而引起植物根系中水分的流动。水分在植物体内运输及其调控机理都属植物水分关系的范畴, 因此植物水分关系是生态水文学的基础。

1.2 生态水文学研究的生态类型

生态水文学以陆地和水生生态系统中植物与水的关系研究为基础, 探讨一系列环境条件下的生态水文过程。根据陆地主要环境或生态系统类型分为干旱地区、湿地、森林、河流和湖泊等5种类型。

1.2.1 湿地生态水文学。

生态水文学源于湿地生态系统管理和恢复研究, 已被湿地生态学家应用了20多年。1996年Wassen等学者专门撰文将生态水文学定义为:旨在帮助更好地理解湿地生态系统自然发育以及帮助评价湿地生态系统价值、保护和恢复湿地生态系统的一门应用学科。由此可见, 早期的生态水文学研究对象仅限于湿地生态系统。湿地以其水陆交替的地貌特征, 具有特殊的生态水文特征, 最丰富的生物多样性和较高的生物生产力, 而且因其对气候变化与人类活动影响的异常敏感性, 成为地球上生态系统演变最为剧烈的场所之一。国内外从湿地的生态过程、水系统与水过程等方面对湿地生态水文过程开展了大量研究。

1.2.2 干旱区生态水文学。

由于干旱区水文过程控制植被的生长发育, 天然植被和人工植被又是水土流失和土地荒漠化的主要调控者, 所以水文循环过程的改变往往是干旱区所有生态环境问题如水土流失和土地荒漠化的直接驱动力。因此, 生态水文过程的机理是干旱区生态环境保护和恢复重建中必须面对的基础科学问题, 对其深入研究不仅可以为天然生态系统的可持续维持, 而且可以为退化生态系统的恢复重建提供科学依据, 从而为我国广大干旱区经济、社会和生态环境协调可持续发展提供重要的生态水文学依据。因此, 在我国深入开展干旱区生态水文过程若干基础理论问题研究具有重要的理论和现实意义。

1.2.3 森林生态水文过程。

近年来, 许多国家开始关注森林对暴雨径流过程和土壤侵蚀的影响, 有力地促进了森林生态水文学的发展。由于水循环是森林生态系统物质传输的主要过程, 因此水文学的应用在一个生态系统中至关重要。生态学家普遍重视生态系统中水的储存与运移过程, 从微观的个体植物生理水分与生长的关系研究, 乃至区域水文循环过程对植被群落演替与生态过程的关系研究。森林与水的关系不仅受森林生态系统本身的影响, 而且还受地形、地质、土壤类型、植被等的空间变异性以及气象通量如降雨、入渗和蒸发等时空变化性的影响, 因此增加了定量描述森林流域径流形成机制和水文响应模式的难度。

1.2.4 河流、湖泊生态水文学。

近年来, 将理论生态学应用于河流管理, 以保护沿河生物群栖息场所的研究, 营养物在河道、洪泛平原和河岸区内迁移规律研究, 河流廊道对区域生物种群结构和空间生态结构的影响研究等都是十分重要的河流生态水文课题。

干旱区内陆河流的开发利用引起的生态环境效应始终是人们关注的焦点。在这方面的研究中, 已将河流水文过程、区域生态与环境过程和流域社会与经济发展过程紧密相联, 从流域系统角度建立目标决策模型, 使生态、水文和经济相互耦合为统一的整体行为。在干旱内陆河流域, 植被、土壤等的生态特征以及自然水环境随流域水分分布呈现显著的空间三向分异规律, 这种规律可能对流域生态与环境的保护起着重要作用。植物对湖泊水位的控制作用很大, 这方面湖岸植被发挥着重要的作用。尽管浮游生物在开阔水域中能改变温度条件, 影响蒸发、水分分层和水分混合的过程, 但它们在湖泊、盆地的水分重要性相对很小。事实上, 湖边植被蒸发要数倍于空旷水域的蒸发, 它超过湖泊其他形式的水分损失, 湖边水位消落也影响地下水进出湖泊的格局。湖泊水文状况 (水位、水温、含盐量等) 控制着湖岸植被类型、群落结构、空间分布以及演化过程, 对沿湖分布的动物种群类型及其生活习性也起着决定性作用。

1.2.5 山地生态水文学。

在全球变化日益引起全社会广泛关注的情况下, 由于山地及其相联的流域集水盆地所具有的特殊生态与水文过程及其对全球变化的高度敏感性, 近年来山地生态系统日益成为关注的焦点。BAHC和GCTE于1996年开始着手山区生态系统的梯度分异及其相关的流域水文研究, 其目的在于明确认识全球变化对区域生态和水文过程的影响。

2 生态水文学研究的主要问题

2.1 尺度问题

景观生态学、水文学、气象学及其他相关的地球学科的研究表明, 在不同的时间和空间尺度上占主导地位的格局和过程是不同的。因此, 在单一尺度上的观测结果只能反映该观测尺度上的格局和过程。由于在不同尺度上结构和功能的异质性或非线性, 使得尺度转换变得十分复杂和困难。大自然在不同尺度上受到不同物理定律或至少同一物理定律的不同形式的影响。目前, 尺度问题已成为环境科学研究的焦点, 也被大多数水文学家确定为首要研究的问题。

2.1.1 时间尺度。

Amilcare把时间尺度划分为日尺度、季节尺度和年份尺度。在日尺度上, 研究土壤水分波动对植物的胁迫作用情况;在季节尺度, 研究降水和生长季节是否在同一时期及其植被类型、格局的变化等;在年份尺度, 分析年份间降水波动对生态系统结构和功能的影响。在不同的时间尺度上, 径流受不同因素的影响。比如在事件尺度上 (数小时或数日) 洪水水文过程线的形状取决于降水事件和接受雨水流域的特征;在季节尺度上, 径流状况主要受物理气候对降水量、融雪和蒸发量的制约所影响;时间尺度的设定与研究者的目标相关, 但在现实情况下, 不同时间尺度上的主导因素是确定的。

2.1.2 空间尺度。

空间尺度一般包括局部尺度、流域尺度和大陆尺度。在局部尺度上, 土壤的有效深度不同, 对降雨将产生不同的响应, 进一步对植物产生水分胁迫的程度不同。地形对于土壤水的空间分布可能是很重要的。另外, 坡度和地貌也控制着当地的净辐射输入, 因此也影响土壤水的变化。在流域尺度上, 侧重于降雨、土壤水、流域几何学特征和植被之间的相互关系研究;在大陆尺度上, 则应包括对气候、土壤、植被整个系统的研究。

2.2 生态水文模型的建立

广义地讲, 生态水文模型就是任何可以用于生态水文研究的模型, 在模型构建中, 考虑生态-水文过程的一类模型就是生态水文模型。然而, 在绝大多数生态水文模型中, 都存在水文次级模型或原本就基于水文模型, 因此对广义和狭义生态水文模型的定义纯粹是一种人为区分。在数学模拟研究和模型开发研制中, 由于生态水文过程的复杂性, 数值法占据主导地位, 由此产生的模拟与预报精度始终是需要解决的关键问题。另外, 由于绝大多数水文和生态过程的数学方程或物理定律都具有高度的尺度依赖性, 在小尺度试验研究中建立起来的模型能否推广应用到大尺度问题上, 是生态水文模型应用过程中需要解决的又一重大问题。

3 生态水文学研究展望

3.1 生态水文学机理研究

野外试验研究不仅要考虑生态类型、植被盖度对水文过程的影响, 同时还应考虑生态格局变化下水文过程的响应机制;另外, 要加强水文事件及其过程对生态格局、植被类型等的影响研究, 寻求不同时空尺度上影响生态水文过程的主导因素, 以便建立更符合实际的生态水文机理模型。

3.2 不同时空尺度信息的转换研究

尺度转换, 特别是尺度放大问题是水文学和生态学研究的热点问题, 也是难点问题。由于下垫面因素、水文参数等空间的变异性, 不同尺度的生态水文规律存在差异, 而且这种规律不是简单的线性外延或叠加, 如何把小尺度的研究成果应用到大尺度上、其理论依据及不同界面间的耦合研究也将是工作的重点。

3.3 生态水文模型的建立

生态水文模型的建立是实现生态水文学纵深发展的关键所在。当前有代表性的生态水文模型系统主要是MIKE SHE模型、SWAT模型、DELFT模型、SPLASH模型等。传统的水文学和生态学具有强大的“模型库”, 为生态水文模型的建立奠定较为坚实的基础, 使得其在当前的生态水文学研究中异军突起。

虽然近些年来生态水文模型发展很快, 但从建模的层次来看, 大多数模型还处在对水文学模型和生态学模型的借鉴和综合运用上, 尚未从生态水文过程的角度建立一些机理模型。在集总模型, 如土壤-植被-大气连续体模型主要是发展了地块尺度上的一维SVAT模型, 对二维、三维模型还没有开始, 并且一维的研究问题还没有完全解决。已开发的众多生态水文模型也大多具有尺度性, 只能在某一尺度上使用, 而应用到其他尺度存在再参数化和精度问题。

3.4 基于生态水文过程的生态需水研究

生态需水的核算是进行流域、区域水资源有效调配的关键, 而流域生态水文过程制约着生态需水的时空分异及其满足程度。生态需水的最终目的就是要在流域内进行合理的水资源配置, 在进行流域生态过程综合评价的基础上, 确立合理的时空研究尺度, 分析流域生态需水的时间和空间分异特征, 并将其与流域水资源的时空动态相对照, 确立生态需水的管理对策与战略, 这将是生态水文学在水资源和水环境管理中应用的关键所在。

参考文献

[1]李翀, 廖文根.河流生态水文学研究现状[J].中国水利水电科学研究院学报, 2009 (2) :141-146.

[2]章光新.关于流域生态水文学研究的思考[J].科技导报, 2006, 24 (12) :42-44.

[3]严登华, 何岩.生态水文研究进展[J].地理科学, 2001, 21 (5) :467-473.

[4]王凌河, 严登华, 龙爱华, 等.流域生态水文过程模拟研究进展[J].地球科学进展, 2009 (8) :891-898.

生态水文 篇2

森林生态系统的水文调节功能及生态学机制研究进展

森林水文调节功能是森林所实现的重要服务功能之一,可是由于森林资源被无节制的开采利用,导致人们不断遭受森林破环所带来的`洪旱灾害.因此关于森林生态水文功能研究已成为生态学和水文学的研究重点之一.近年来,国内外对森林水文调节过程及其生态学机制进行了广泛深入的研究,所以文章从森林的水文过程出发,对林冠截留、树干流、凋落物层截留、林地水分涵养和蒸发蒸腾及其影响因子的国内外研究现状进行了归纳分析,研究认为林地各冠层均能够截留降雨,降低雨水动能,从而减少地表径流的产生和对地表的冲击;凋落物层能蓄留水分、抑制蒸散、减缓地表径流;而树干流改变降雨水平空间格局,影响水分入渗以及土壤水源涵养.森林结构复杂,明显改变了降雨分配过程,而森林水文过程及调节功能又受到森林结构的制约,因此定量定性探讨森林生态系统的结构、过程与水文调节功能之间关系,是未来森林生态水文功能研究的重点.

作 者：曹云 欧阳志云 郑华 黄志刚 邢芳芳 CAO Yun OUYANG Zhiyun ZHENG Hua HUANG Zhigang XING Fangfang 作者单位：中国科学院生态环境研究中心//城市与区域生态国家重点实验室,北京,100085刊 名：生态环境 ISTIC PKU英文刊名：ECOLOGY AND ENVIRONMENT年，卷(期)：15(6)分类号：S715 S718.5关键词：森林水文调节功能 森林结构 水文过程 降雨分配

生态水文 篇3

关键词：城市；水生态；水环境；水景观；水文化

引言

水是生命之源、生产之要、生态之基，是经济社会发展所必须的资源要素、基础设施、生態条件和安全保障。水生态文明不仅是生态文明的重要组成，也是现代生态文明基本保障，加强水生态文明建设是党和国家的明确要求。为贯彻落实党的十八大提出的大力推进生态文明建设的要求，加强生态文明建设，应当充分发挥各行业各部门的职能作用，更好地为水生态文明建设服务。水生态文明建设规划工作是保护和修复水生态环境不可或缺的基础，是水生态文明建设的重要前提和技术保障，积极探讨当前规划的内容和要点，是一项迫切的任务。

1完善环境政策，抓好城市水生态文明建设

（1）做好流域引水工程生态补偿与原水成本测算。将水资源费、污染治理费直接纳入成本测算。补偿费用可以从引水（用水）企业上交的水资源费中列支一定的比例，建立上游生态补偿专项资金，实行财政监管，上游专用。

（2）政府通过行政手段，测算下游政府对上游政府的生态补偿资金额度，从受益的下游地方政府财政划拨的生态补偿专项资金交由上级政府财政直接转移支付。

（3）省、市政府每年安排一定生态保护资金，直接列入当年财政预算，对上游地方政府实行项目支持，推进上游地方政府流域生态保护进程。

（4）积极推进水权交易试点。可探索研究制定水权分配制度，加快流域水资源配置规划，可选择若干流域开展水权交易试点。

（5）尽快出台蓝线规划等水生态文明建设规划。为了保证水生态文明建设的系统开展，首要任务就是制定立足于地区水生态实际、满足地区水生态发展需要的蓝线规划。为了保证蓝线规划的有效性和合理性，有关部门要针对河道基本情况开展全面的调查和分析，还应注重水系的整体性、协调性、安全性和功能性，在确保防洪安全的前提下，保证规划的可操作性；综合考虑河道新建、整治、绿化、生态景观建设等工作。此外，加强与规划、交通、城建等部门的沟通协调，保证“蓝线规划”成为城市总体规划的一部分。

2加强日常管理，优化城市水生态管理机制

（1）全面构建水生态文明补偿机制。探索建立水生态补偿机制，综合考虑水生态系统服务价值、保护成本以及机会成本 结合行政和市场调节手段，构建多样化的水生态补偿机制。对于生态脆弱区的河湖源头区、水源涵养区、湿地保护区等建设和养护，政府水利部门作为主体，在财政支付部分生态补偿费用的前提下，发挥生态补偿基金的支付功能。对于重点河流大型水利工程的水生态保护等，按照“谁受益、谁补偿”的基本原则，落实水生态保护责任。

（2）全面落实最严格水资源管理制度。全面落实最严格水资源管理制度，严格用水总量控制管理、用水效率控制管理和水功能区限制纳污控制管理，提升水资源监管能力。严格河库管理，实行河库“蓝线”管理制度，全面实行“河长制”，建立水资源补偿机制，严格取水许可制度、水资源论证制度，强化地下水管理，健全水资源监控体系，完善水法规配套体系建设。

3.防治污染，做好城市水环境保护

（1）优化产业结构，促进清洁生产。大力推行企业清洁生产，以此为契机促进产业结构调整升级，推动绿色经济增长。提高环保准入门槛，提升企业的清洁生产水平，加大涉水重点污染源的监管力度，规范工业企业排污行为。积极鼓励各工业区开展循环经济和清洁生产工作，创建生态工业园区。推进重点企业清洁生产审核，强化对重点企业清洁生产的评估和验收，促进企业减少污水排放。

（2）推广节水技术，减少污水排放量。通过节水型社会建设，全面建立节水型农业、节水型工业和节水型城市。鼓励企业采用先进工艺，降低单位产品的水耗，提高水循环利用效率。建立和完善城市再生水利用系统，减少废污水排放。

（3）推进截污导流工程和污水收集管网建设，提高截污收集能力。加快推进城市污水收集管网建设和配套，加强现有污水排水管网的维修和养护。实施河道整治，清除河流污染底泥，通过生物措施、控源截污等手段，净化河流水质。

（4）加快城乡污水处理厂建设及现有污水处理厂提标改造工程建设，提高污水处理能力。按照“城乡统筹、就近接管、相邻联建、集中与分散相结合”的原则，合理布局乡镇生活污水处理设施，全面提升城乡污水处理率和水平。

（5）建立饮用水安全保障体系。为提高饮用水安全，以饮用水水源地保护为核心，以河道生态治理与修复为重点，建设有地方特色的健康水生态体系。通过入河排污口整治、截污导流、河道疏浚等手段减少污染负荷；通过河滨带修复、提高河湖流通性、湿地净化功能等措施，提高水体净化能力，构筑河流生态屏障；以湿地公园建设为主体，通过湿地保护与恢复措施，充分发挥湿地生物多样性保护、景观娱乐、水环境调节等功能。建设内容主要包括河道生态治理、河（湖）滨带植被恢复工程、饮用水水源保护区基础设施及能力建设工程等。

4从实际出发，科学推进水景观建设

依据水生态建设规划，水利主管部门应当依托现有水利工程建设成果，积极发展融合防洪供水、旅游休闲、娱乐观光为一体的水利风景区建设。以建设规划为先行，以科学预案为依据，以水文化为灵魂，构建一体化的水景观建设。同时，进一步在已建成或即将建成的湿地基础上，积极申报国家级或省级水利风景区。此外，还要积极提高水景观的建管水平，构建湖河相连、城水相依的“水乡”。

水利、市政、文化、研究等部门应联合开展调研活动，深入挖掘地区水文化，提炼出标志性元素并融入水景观等建设中。将地区传统水文化等地区特色文化都全面融入水景观建设中，使得水生态文明和淮南市之间的联系全面而深入，保证水生态文明不只是在客观上形成水城一体化，而且在当地的人文层面上也体现水生态文明的主要特点，使人水和谐发展。

5以区域水文化为基础，建设和完善水文化体系

（1）加强物质水文化建设。对现有水利工程和河库的历史底蕴、人文底蕴、时代风貌进行调查和甄选，通过水生态文明城市建设，打造一批具有地方特色、水景观特色和文化特色的重点涉水风景区。

（2）加强行为水文化建设。充分利用电视和互联网的广泛传播功能，积极开展丰富多彩的水生态文明活动。如采取水文化展览、水文艺演出、水工程参观等，普及水文化知识，弘扬水文化精神。充分利用“世界环境日”“世界水日”“中国水周”等水法宣传活动，开展集中系统的水生态文明宣传，提高全社会的水生态文明意识。

结语

我国水资源环境的现状使我们必须重新审视经济社会发展与水资源承载能力的矛盾，水资源所面临的危机使我们再次认识到必须重视水生态文明建设。节水型社会建设作为水生态文明建设的重要组成部分，对于改善水资源环境，缓解水资源危机起着至关重要的作用。当然，节水型社会建设并非一朝一夕就能完成，它需要方方面面的配合和努力，相信通过法规制度的不断完善，政府部门的大力引导，执法监管的有效实施，社会公众的积极参与，节水型社会定能早日建成。

参考文献：

[1]杨炳武.浅析水生态文明建设的内涵和举措[J].城市建设理论研究，2014（4）.

[2]李天淳.对江苏省黄河故道水文化和水生态保护的思考[J].治淮，2013（12）.

生态水文 篇4

水资源监测作为水利信息化的重要组成部分,其获得的数据是我国重要的水利基础信息资源和战略资源。野外水生生态监测点众多,分散,环境较为恶劣,通常采用人工方式对水流速度、水面高度、水质、流量、潮位,降水量等相关水文水生态参数进行监测,这种传统的数据采集和传输方式自动化程度不高,不利于水文水资源信息化建设。

GPRS是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术,它基于移动分组数据业务,具有永远在线、自由切换、传输速率较高、计费灵活便宜的优点。在3G牌照迟迟未发的情况下,利用GPRS模块进行数据传输是信息传输比较理想选择。本文提出了采用分组无线业务 GPRS 技术实现水文水生态数据信息的采集传输方案,所设计的系统解决了水文水生态监测中分散数据监测、传输问题,实现了水文水生态信息实时采集传输和处理的无线化、网络化、智能化。

1 GPRS技术

GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称,是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与GSM 相同的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及TDMA 帧结构,允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,不需要利用电路交换模式的网络资源,特别适合用于水资源网监控这种间断的、突发的和频繁的数据传输。同时,基于GPRS 网络组建的无线水文水生态监测系统,具有以下特点:

永远在线 GPRS DTU ( GPRS 数据传输单元) 开机就能自动附着到GPRS 网络上,并与数据中心建立通信链路,随时收发用户数据设备的数据,具有很强的实时。

接入时间短 分组交换接入时间缩短为小于1 s,可大幅度提高远程水文监控效率。

按流量计费 按照数据包的数量来收取费用,没有数据流量则不收取费用。

较高的传输速率 GPRS 网络的理论传输速度最快将达到171.12 kb/ s,根据中国移动的网络情况,目前可提供40～60 kb/ s的稳定数据传输,完全满足水文水生态数据的传输要求。

覆盖范围广 GPRS 以GSM 网为基础,通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,因此现有的基站子系统(BSS)可提供全面的GPRS 覆盖。

组网简单、迅速、灵活 同有线网相比,无需架设有线线路;同常规无线网相比,无需架设天线,而且免去无线电频率资源审批手续,为广大用户提供接入便利[1,2]。

在移动通信公司的GPRS平台上构建远程监控系统,实现水文水生态监控点的数据实时传递到地、市、省级的集中监控中心,从而达到对现场监测设备的统一监控和分布式管理。通过GPRS 的无线数据传输,具有可充分利用现有网络,缩短建设周期,降低建设成本的优点,而且设备安装方便、维护简单。

2 系统设计

基于GPRS 技术设计的水文水生态数据信息的采集传输系统组成如图1所示。系统主要由远程监控中心、GPRS无线通信网络和多种数据(如流速、水位、水质、雨量等)信号检测器等组成。系统将采集的数据经通信处理程序后,发送到GPRS调制解调器,GPRS接收到数据后对数据进行解包,取出必要的信息后重新对数据进行封装,再发送到GPRS网中。由于GPRS网和互联网都是基于IP协议的,并且相互连接,因此,水文监控中心只要通过任意方式上网,即可将水文数据信息传到监控中心;监控中心的查询命令和控制命令通过互联网和GPRS网传到GPRS模块,最终将命令下达给检测器微处理器。

2.1 检测器设计

接入系统的检测器是由流速流量检测器,雨量检测器,水质检测器,水位检测器等组成,系统硬件主要由数据采集、信号调理电路,P89V51RD2微控制器,GPRS模块等组成。软件主要有信号采集处理模块,通信模块、参数设定及数据显示模块等组成。

涉及的检测器种类较多,但其结构原理类似,下面以软硬件较为复杂的流速流量检测器为例分析检测器工作原理,图2所示为流速流量检测器组成结构图,其他各检测器可由图示硬件电路裁剪得到。信号调理电路采集旋桨式流速仪的脉冲信号,并经过硬件滤波、抗干扰处理后送到微控制器,微处理器经数字滤波后,进行计算(开方运算、小信号切除、仿真功能、累积速率设置)后得到流速流量数据。

对流速分布不均匀、河道截面不规则、水质相对较差(盐碱度高)的河流进行精确测量,除了采用科学计算方法外,必须设计合理的数据采集电路,保证系统可靠工作,由于检测器置入水中,水电阻对电信号产生影响,直接影响信号转换电路电压、电流的大小。信号调理板中,信号转换电路将传感仪器触点的接通/断开转换为电信号,这部分电路元、器件参数的取值尤为重要。取值的基本原则是:考虑水电阻在内,传感仪器两端的电压在满足与后级光电隔离器件匹配的情况下要尽可能地低,电流信号在小于仪器允许的最大电流限制条件下尽可能地大,这样可以最大限度地抑制由于水电阻变化而引起的电信号的变化,有效地降低干扰信号带来的影响,同时也把电离对仪器造成的损害减至最低水平;由此保证了检测器可在盐碱度较高的水质中测量要求。

2.2 数据的就地存储与无线传输

现场监测数据通过GPRS网络实时传输,同时将数据存储到固态存贮芯片中。水文水生态数据监测系统产生的数据量很大,一般要求定时采集保存,而微处理器内存储空间有限,不能实现数据的大容量长时间保存。系统配置容量相对较大的SPI Flash ROM芯片为主要数据载体,存贮容量4 MB,存贮时间1～2年,固态存储芯片通过SPI串行口进行数据存取,其存取控制命令由微控制器发出。主机发出的指令控制,一个有效指令包括一个字节,4位操作码、4位器件地址以及目的缓冲器或主贮器地址位置。Flash存贮的雨量、水位、水质数据采用时间映射地址技术,将存储时间作为原始数据的地址,有了该时间段就可以读取该时间段内对应的数据。根据时间与地址的唯一对应关系,计算存贮单元的位置,得到可靠的存贮数据结构。雨量、水位、水质数据的存储时间间隔根据《水文自动测报系统技术规范》的基本要求定为5min;流速流量数据由于检测时间的不固定,而单独在Flash内存单元中开辟一个空间来存储,时间间隔、存储时间现场就地设定,或远程指定。

就地存储的数据按照预定时间将数据通过GPRS网络传输到监控中心,形成数据库文件或文本文件。利用时间映射地址的技术,生成下载指令,在遥测站与分中心沟通GPRS链路时下发指令,完成单下载雨量,水位,流速,水质数据或批量数据上传任务,数据下载的时间段由现场本地设定或由远程监控中心指定。GPRS网络故障应急时,或GPRS网络不能覆盖站点时,本地下载数据,通过RTU RS-232接口获取本地存贮器中的数据。本地下载与GPRS传输软件流程图如图3所示。有事件产生时,例如5 min时间到,执行一次固态存贮的操作;或有外部命令到来时,由软件识别并进入本地下载或GPRS远程下载等操作流程。CPU严格按照时间顺序排列锁存数据,以月、日、时、分为索引进行固态存贮。下载时,也是根据上位机的全部时段,或部分时段,按照时间顺序输出数据。

2.3 GPRS无线数据传输网络

GPRS通信部分主要有两个模块:一是将GPRS通信模块接入Internet;二是GPRS通信模块如何与检测器CPU进行数据的传输与通信。

GPRS无线数据网络与Internet网络相连,即把监测点的CPU和监测中心的计算机连接起来,接入Internet业务时用户的IP 地址可以分配公有IP地址或私有IP地址,从节约公有IP 地址角度出发,系统采用私有IP 地址。它的实现方式为:通信模块接入经过服务器RADIUS 授权后,由GGSN分配私有地址,这个私有地址通过NAT转换后接入CMNet。GGSN接入Internet有透明和非透明两种方式。采用透明方式,接入因特网无须进行认证,可由移动用户鉴权替代,这样可加快用户接入速度,减少RADIUS 服务器的投资。

在GPRS通信模块与检测器CPU进行数据的传输与通信部分,在本设计中使用的GPRS DTU模块是Siemens公司的GPRS模块M56,具有很高的可靠性, 很适合在便携分布移动终端中作为无线通讯模块。并且内嵌了TCP/IP 协议栈, 省去了系统的TCP/IP处理时间,使用AT命令对模块实现控制。

2.4 监控中心

系统最高层为中央监控中心,主要包括服务器、监控计算机等设备。监控中心服务器申请配置固定IP 地址,采用移动通信公司提供的DDN专线,与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽,当信息采集点数量增加,中心不需要扩容即可满足需求。服务器接收到GPRS网络传来的数据后先进行认证,后传送到监控中心计算机主机,通过系统软件对数据进行还原显示,并进行数据处理[5,6]。

远程监控中心负责接受并保存现场监测数据,并通过它下达对各监测点进行控制的控制参数和控制命令。由于控制中心接入Internet,需要取得公网IP地址并作为UDP服务器运行在监听状态。接收到的数据保到数据库服务器中,由此可自动生成符合水文、环保、水生态研究部门要求的文件格式,通过配备具有人工智能的系统分析软件,结合记录的气象相关数据和其他水文情数据和专家知识库,对汛情,农业灌溉用水,水生生态环境水质进行分析和预测。例如,根据河流流量变化的历史记录,分析汛情情况,及时采取措施进行疏导和调度;根据农业灌溉用水的历史记录,合理调度灌溉用水等。

3 软件设计

系统程序设计采用模块化编程,结构清晰,易于调试和修改。主要包括检测器信号采集处理模块、GPRS无线模块,上位机软件模块等。

4 结 语

本方案设计的基于GPRS的无线水文水生态监测系统,成本低,体积小、稳定性高、抗干扰能力强,提高了测量精度和实时性。在有线传输实现方案不宜实施的情况下,采用GPRS通信加快项目的实施步伐,提高了数据传输实时性,改善了系统性能,实践中取得了良好的效果。本系统可以应用于环保,水文监测,水生生态境研究,水产养殖等领域,同时可为水信息科学研究提供支持。

参考文献

[1]韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社,2003.

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[5]吴秋兰,梁勇,张承明.GPRS技术在闸门远程监控系统中的应用[J].中国农村水利水电,2007,(1):99-100.

生态水文 篇5

大凌河流域的水文特性及其对生态环境的影响与对策

文中简要介绍了大凌河流域的地理概况,从降水、径流、输沙量、地下水和水质等方面重点分析了该流域的`水文特征及水文要素的变化趋势,探讨水文特性对生态环境的影响,并提出应采取的对策.

作 者：周永德 吴喜军 李洪利 ZHOU Yong-de WU Xi-jun LI hong-li  作者单位：周永德,李洪利,ZHOU Yong-de,LI hong-li(辽宁省水文水资源勘测局,辽宁,沈阳,110003)

吴喜军,WU Xi-jun(辽宁省水文水资源勘测局朝阳分局,辽宁,朝阳,122000)

刊 名：东北水利水电 英文刊名：WATER RESOURCES & HYDROPOWER OF NORTHEAST CHINA 年，卷(期)：2009 27(3) 分类号：P33 关键词：水文特性   生态环境   影响   对策   大凌河流域  

生态水文 篇6

济南市南部山区范围和边界的确定主要是以市人大批准的“地下水补给区”的划定范围为依据, 西起马山断裂、东至东梧断裂, 南部以长城岭地表分水岭为界, 北以石炭二叠系火成岩为边界。本文的研究范围三川流域, 是指南部山区的东南部岩溶发育较差的碳酸岩和风化裂隙较为发育的变质岩混合区, 也就是隶属于历城区之内的锦绣、锦阳、锦云三川的流域范围, 且根据研究需要, 特将卧虎山水库包括在研究区范围之中。地理坐标为经度116°56′41″～117°18′45″E, 纬度36°20′55″～36°42′15″N, 总面积415.44km2。

研究区地貌类型以低山丘陵为主, 地势南高北低, 海拔30～900m之间。气候属暖温带大陆性季风气候, 降水年际变化大, 年内分配不均匀。土壤有棕壤与褐土两种类型。植被类型有温带针叶林、温带落叶阔叶林、灌草丛、草地和果园等, 其中针叶林为主要的林地类型。

2 数据源与数据处理

2.1 数据来源

获取的数据包括遥感数据、专题数据、统计数据以及野外调查数据等。以遥感数据为主要信息源, 经过预处理后结合一些非遥感数据进行分析研究。

2.2 图像数据

本文的遥感数据包括1995年、2000年landsat TM数据及2004年ETM遥感数据, 分辨率为30m。遥感数据的获取时间分别为:1995年6月, 2000年6月和2004年5月。此外还使用了研究区1∶500 00地形图;1∶100 000行政区划图;1995年、2001年和2003年1∶100 000济南市土地利用现状图;1989年1∶500 00济南市土壤类型图。

2.3 观测统计资料

本文所使用的统计资料有1995年、2000年及2004年林业资源调查资料;历城区历年降水资料;济南市南部山区的研究数据以及规划资料;野外实地考察数据 (包括土壤田间持水量及自然含水量、样方调查所得到的各种树种的基本数据等) 。

3 景观尺度上的生态水文效应分析

3.1 三川流域景观结构的水文调节能力分析

一个区域的水源涵养能力主要与降水、蒸发、径流、植被、土壤、地质、坡度等因素有关。地质与坡度属自然因素, 岩石的透水性、水蚀性和坡度的大小都影响地面径流的大小以及补给地下水的水量。植被涵养水源主要通过树冠层截留降水和地面枯枝落叶层吸水来完成, 而植被这两部分涵养的水源仅占总涵养水源量的20%左右, 剩余大部分的水量是在植被的作用下, 通过土壤来完成。土壤水是4水 (大气水、地表水、土壤水、地下水) 转换的一个重要环节, 植被从土壤中吸收水分用于生长和蒸散, 土壤的重力水又可直接补充地下水。

研究区有林地主要是大面积的刺槐林、侧柏林、松林所构成。因此根据现有统计数据中3者所占比例, 对有林地的渗蓄系数做一定的调整。按照济南市历城区1995年、2000年及2004年林业资源调查数据统计资料, 研究区有林地中, 刺槐林、侧柏成熟林及松林所占的相对比例由表1可见。

3.1.1 植被拦蓄量及其空间分布

植被是影响水源涵养能力最关键的因素, 森林植被首要的生态功能是涵养水源, 它具有截留降水、抑制地面蒸发、增加土壤下渗、缓和地表径流等功能。森林通过这些功能的综合作用, 发挥其涵养水源和调节径流的效能, 对地表径流产生直接影响, 从时间上可以延长径流时间, 枯水期补充径流水量, 洪水时能减缓洪水流量, 起到调节地表径流的作用;在空间上, 林地把地表径流转化成土壤水和地下水, 或通过蒸散把水分返回大气, 进行水分的再分配和循环。

林地涵养水源主要通过林冠截留降水和林下枯枝落叶层吸水。不同植被的截留渗蓄能力相差较大, 截留量是植被对降水的最初分配, 取决于植被的截留能力、树种、林冠结构、年龄和密度等, 在环境因子中与蒸发这些水分所需要的有效能、风、降水强度和湿度等有关。林冠主要以截留、穿透雨和径流形式使降水再分配, 致使降水到达地面后很不均匀。灌木林由于其林冠枝叶表面粗糙, 叶面积大且嵌合紧密, 截留率较大。另外, 林分郁闭度大小与林冠截留量也有密切关系, 郁闭度越大, 树冠截留率越大。同时林冠截留率随降雨强度的增加而递减, 但绝对值随降水量的增加而增大, 达饱和后截留量不变。在本文研究过程中, 由于是比较三川流域3年间不同景观结构对水文过程的影响, 水文资料是以流域年平均降雨量为基础, 没有考虑不同降雨强度对林冠截留的影响。

根据山东大学鲁开宏、山东农业大学王知符、杨吉华等和中科院生态中心裴铁凡等所做的济南石灰岩山地多种植被类型, 以及其他学者所做的有关济南南部山区植被得截留渗蓄系数, 参照南部山区水文观测资料确定系数见表2。

根据研究时段三川流域历年的平均降水量 (1995年为596.8mm, 2000年为721.2mm, 2004年为1 080mm) , 在GIS支持下, 分别计算出三川流域的年平均植被截留量, 得出年平均植被截留量的空间分布图。

计算结果表明, 研究时段内三川流域年平均植被截留量分别为1995年299.03mm, 占其年降水量的50.11%;2000年325.02mm, 占其年降水量的45.07%;2004年509.42mm, 占其年降水量的47.17%。虽然研究时段3年的截留量逐年增大, 但是植被的截留量所占当年降雨量的比例却呈现先降低后增高的趋势, 这主要与研究区有林地面积的变化有关。

3.1.2 枯枝落叶拦蓄量

枯枝落叶层是森林调节水分分配、吸收、转化降水的第2个作用层, 它把过多的水分吸收、储存起来, 减少地表径流发生, 当吸水达到饱和时水分在自身重力的作用下缓缓下渗补给森林土壤。同时, 枯枝落叶层作为森林土壤的覆盖层, 阻断了土壤毛管孔隙的直接相连, 抑制土壤水分蒸发, 提高了土壤含水率, 起到蓄水、保水的作用。枯枝落叶层的水文功能主要表现为截持降水、阻止地表径流、抑制土壤蒸发等。枯枝落叶积累量的多少, 是影响森林涵养水源的重要因素。森林类型不同, 林地上枯枝落叶层蓄积量及对降水拦蓄能力的差异也很大。

利用研究区景观要素分布图, 在GIS支持下, 得出枯枝落叶拦蓄量的空间分布, 结果表明, 研究时段内三川流域枯枝落叶拦蓄量分别为1995年0.240 2mm, 占其年降水量的0.04%;2000年0.244 6mm, 占其年降水量的0.03%;2004年0.187 4mm, 占其年降水量的0.02%。

3.1.3 土壤的滞蓄作用及其空间分布

植被的根系与须根串联缠绕分割土体、形成富有团粒结构的土壤, 在强化降水入渗性能、增加土壤水容量、消除超渗径流等方面来保证降水顺利下渗并不断形成地下径流流入各级水网系统。土壤持水与渗水是涵养水源的主体, 一般可占涵养水源总量的80%左右, 所以, 对研究区各类土壤的含水状况进行测定, 并对重点保护的土壤斑块进行进一步的分析和识别, 是加强研究区水源涵养能力的重要措施之一。

土壤对降水的滞蓄量与土壤的物理性质关系密切, 土壤对降水的滞蓄量与非毛管孔隙度关系密切, 其蓄水能力可用土壤非毛管孔隙度对降水的短期滞蓄量表示, 即:

W=H×P.

式中, W为土壤滞蓄量 (mm) , H为土壤平均厚度 (mm) , P为非毛管孔隙度 (%) 。鉴于研究区的区域特点, 及植被根系的发育情况对土壤物理性质 (容重、空隙度等) , 在本研究中, 土壤厚度统一采用60cm的土壤厚度。研究区不同植被类型对土壤对降水的蓄水能力。

在研究中认为同一类型的土壤具有相同的理化性质, 总孔隙度不随海拔高度、坡度、坡向等地理条件而改变。因此, 土壤滞蓄量在研究中的分布与不同土地利用类型的分布是一一对应的。利用GIS的空间分析功能, 计算出两流域的土壤滞蓄量, 并在空间上直观地表达出来。经不同土壤类型的调节之后, 三川流域的平均植被水源涵养量分别为1995年50.46mm, 占其年降水量的8.46%;2000年46.48mm, 占其年降水量的6.44%;2004年49.48mm, 占其年降水量的4.58%。3年之间的差别主要是由于有林地, 尤其是刺槐林等阔叶林比其他景观要素有更高的土壤入渗能力和土壤空隙度, 致使其土壤蓄水能力较大。

因此, 对于有较好林地尤其是阔叶林发育的区域, 应减少植被破坏、开荒种田、取土烧砖、工程建设和和地面硬化等所引起的植被土壤水源涵养功能的毁灭性破坏, 保护植被土壤也是最重要、最有效和成本最低的“水利工程”, 是涵养功能区水资源的关键。

3.1.4 流域生态水文功能综合调节能力及其空间分布

不同地形特征对于降雨的分流有重要的影响, 是影响一个地区景观的水文调节能力的重要因子。作为判定不同景观结构的森林水文功能综合调节能力指标。显然, 森林水文功能综合调节能力是一个反映研究区森林水文功能一般状态的指标, 对流域不同景观结构的森林水文调节功能有着一定的指示作用。

在ArcView3.3支持下, 进行空间叠加运算, 得出两流域的水文功能综合调节能力及其在空间的分布。计算结果表明:1995年三川流域的水文调节能力平均为349.73mm, 即1995年三川流域每年平均可对1.45×108t的降水进行调节, 相当于其流域平均降水量的58.60%;2000年三川流域的水文调节能力平均为367.75mm, 即2000年三川流域每年平均可对1.53×108t的降水进行调节, 相当于其流域平均降水量的50.99%;2004年三川流域的水文调节能力平均为559.09mm, 即2004年三川流域每年平均可对2.32×108t的降水进行调节, 相当于其流域平均降水量的51.77%。因此, 1995年三川流域的水文功能综合调节能力比2000年以及2004年的水文功能综合调节能力强。对照该流域研究时段3年的景观类型图和其水文功能综合调节能力空间分布图, 可以发现, 其主要原因是三川流域1995年的有林地面积比例以及刺槐林所占比例大于其他两年的比例。可见, 阔叶林地在南部山区的森林水文生态效应中起着举足轻重的作用。

3.2 不同景观结构的水文特征分析

流域水量平衡方程通常用下式表示:

P=R+E+△S。

式中P为流域平均降水量 (mm) , R为径流量 (mm) , E为蒸发量 (mm) , ΔS为流域储水量变化 (mm) 。由于三川的水源补给主要是山岭裂隙水源出露而形成径流, 而山岭裂隙水源的量主要取决于降雨量, 因此可将山岭裂隙水对径流量的影响归结为降雨对径流的影响, 忽略不计。去除山岭裂隙水源量对径流的影响, 根据流域水量平衡方程并结合该流域的降水量、径流量和蒸发量, 计算出径流系数以及蒸散发量占降水量的比例。可以看出三川流域1995年平均蒸散发量为212.80mm, 占流域多年平均降水量的35.66%;2000年平均蒸散发量为317.42mm, 占流域多年平均降水量的44.01%;2004年平均蒸散发量为466.12mm, 占流域多年平均降水量的43.16%。该流域3年的径流系数和蒸散发相差较大。在同一流域中, 地形因素对流域产流的影响可以忽略, 因此造成两流域径流系数和蒸散发比例相差较大的主要原因是其不同的景观结构。

3.2.1 不同景观结构对流域蒸散发的影响

不同的景观结构使流域的汇流条件和蒸散发条件发生改变, 从而产生不同的水文效应。三川流域1995年平均降水量比2004年少44.7%, 其年径流深却比2004年低37.5%, 径流系数是2004年的1.13倍, 即2004年比1995年少产流13%左右, 蒸散发占降水量的比例却比1995年多17%。森林植被对河川径流的影响取决于植被蒸散发量与裸露地蒸发量相对大小的关系, 不同植被类型在水分吸收、蒸腾上差异较大, 一般而言, 乔木林的蒸散发量大于灌木林, 灌木林大于草地, 草地大于裸地。因此, 虽然2004年乔木林的面积低于1995年, 且蒸发量低的裸露地面积增加, 但是由于乔木林破碎化程度越高, 边缘长度越大, 其蒸发量也就越大。因此森林的破碎化程度也在一定程度上影响着流域蒸散发的大小。

3.2.2 不同景观结构对流域径流量的影响

三川流域1995年的径流系数为0.59, 旱季 (10月～次年3月) 径流量占总径流量的12.28%, 雨季 (4～9月) 径流量占总径流量的87.72%, 雨季径流量是旱季径流量的7.14倍;三川流域2004年的径流系数为0.51, 旱季径流量和雨季径流量分别占总径流量的6.35%和93.65%, 雨季径流量是旱季流量的14.74倍。三川流域1995年的植被覆盖率和森林面积比例均高于2004年, 尤其是枯枝落叶层的拦蓄作用和土壤蓄水作用都很强的刺槐林, 这大大增强了三川流域对水分的转换能力, 致使旱季径流量的比例相应提高, 径流年内分配趋于平稳。因此, 三川流域1995年对径流的调节作用比2004年的调节作用强。

综合以上分析可知, 景观要素由于林冠截留量、枯枝落叶层厚度、土壤蓄水能力及土壤入渗率等的不同, 导致不同景观要素对水分的再分配和运移能力相差较大, 致使该流域在不同年份产生了不同的水文调节能力, 也影响了流域的蒸散发和枯、雨季的径流比例。因此, 可以说该流域在不同年份的不同景观要素的空间结构, 改变了流域降水的分配形式和水分在各景观要素中的运移方式, 产生了不同的水文生态效应。如果根据降水量、蒸发量、土壤含水量及流域坡度等, 对流域景观结构进行科学的规划设计, 则可以优化其水文生态效应, 使水资源得到更好的开发和利用。在干旱、半干旱区的中小流域, 森林植被对径流成分的调节作用非常明显, 森林植被具有对降水的多层拦截, 阻止或延缓地表径流的产生, 增加壤中流和地下径流的补给作用。

4 结语

在GIS支持下, 对三川流域3年的不同景观结构的水文生态效应进行了初步分析, 主要结论如下:不同景观要素的林冠截留量、枯枝落叶层厚度、土壤蓄水能力及土壤入渗率等存在差异, 导致不同景观要素对水分的再分配和运移能力相差较大。三川流域3年不同的森林景观结构, 致使该流域产生了不同的水文调节能力, 1995年该流域的水文调节能力较强, 而2004年的水文调节能力相对较弱。研究结果表明:有林地的面积比例, 尤其是阔叶林的面积比例在该流域3年的水文效应差异中起着重要作用。而在森林总面积相同的情况下, 大斑块面积的森林更有利于水源涵养。所以, 在研究区进行小斑块面积的造林, 其水文调节功能并不理想, 而大范围的封育措施效果会更明显。

由于城市化的快速发展, 对周边环境造成显著的生态影响, 进行合理的生态建设和景观格局优化, 成为改善目前生态环境问题的有力措施。对于目前自然景观, 尤其是森林景观连通性差、破碎化、面积减少的自然景观格局, 通过以下措施进行优化:一方面要保护现有的林地面积不再减少, 另一方面是要根据不同的地形地貌特点通过人工措施重建生态林地。

摘要：在GIS支持下, 对三川流域3年的不同景观结构的水文生态效应进行了初步分析, 研究表明不同景观要素的林冠截留量、枯枝落叶层厚度、土壤蓄水能力及土壤入渗率等存在差异, 导致不同景观要素对水分的再分配和运移能力相差较大, 三川流域3年不同的森林景观结构, 致使该流域产生了不同的水文调节能力, 1995年该流域的水文调节能力较强, 而2004年的水文调节能力相对较弱, 有林地的面积比例, 尤其是阔叶林的面积比例在该流域3年的水文效应差异中起着重要作用。而在森林总面积相同的情况下, 大斑块面积的森林更有利于水源涵养, 在研究区进行小面积的造林, 其水文调节功能并不理想, 而大范围实施效果会更明显。

关键词：水文生态效应,景观结构,空间分布,三川流域

参考文献

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生态水文 篇7

关键词：水土保持林草措施,SWAT模型,根系,土壤可蚀性因子

林草措施作为水土保持措施中重要的生态保护措施, 其对流域尺度的产流产沙过程具有深刻的影响。合理的林草配置可以在降雨未接触地面的过程中对其进行有效拦截, 增加冠层蒸发并减小降雨打击地面的动能。植被的枯枝落叶层也可有效吸收水分, 起到一定缓冲降雨径流的过程。植被的根系在一定程度上起到了固结土壤的作用, 使土壤不易被径流分离冲走, 提高土壤抗蚀性。长期的植被生长也可提高土壤有机质的含量, 改善土壤团聚体, 增加土壤抗冲抗蚀性。林草措施的存在同时增加了地表糙度, 减缓径流流速, 促使水分的入渗以及泥沙的沉积, 进一步减少了径流和泥沙的产生。另一方面, 林草措施的存在增加了坡面以及流域蒸发耗水量, 对流域河道径流量存在一定的影响。

1 采用数学模型评价林草措施对非点源污染的影响

目前, 水土保持措施的理论评价方法主要分为两个方向, 即采用人工模拟降雨的室内或室外坡面及流域模拟方法和采用计算机技术的数学模型评价方法。

计算机技术的发展使在流域尺度使用水文模型模拟不同水土保持措施的水文过程成为可能。国内早期的水文过程模型多为集总模型, 即把影响过程的各种不同参数进行均一化处理, 进而对流域水文过程的空间特性实行平均化模拟, 其模型结果不包含流域水文过程空间特性的具体信息 (Michael B A and Refsaard J C1996, 李立铮2009, 王秀英等.2001) 。

WEPP模型是美国农业部开发的新一代水蚀预报模型, 它也是迄今为止考虑降雨径流侵蚀调控相关物理过程最详细的水蚀预报模型 (Wachal D J et al.2008, Wigmosta MS et al.2009, 幸定武和高建恩2008) 。对于不同的坡度、坡长、调控措施和土地利用状况, WEPP模型对次降雨和年平均降雨的径流和侵蚀模拟效果都较好, 可用于不同生态条件下的坡面降雨径流侵蚀的相关模拟与分析 (史婉丽等.2006, 王建勋和郑粉莉2007, 幸定武和高建恩2008) 。此外, 结合GIS技术, WEPP模型可以很好的用于定量评价土地利用方式改变对于流域土壤侵蚀和径流的影响。

另一个在国际上运用较广的综合性水文模型是SWAT模型。SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型是一个具有很强物理机制的长时段流域分布式水文模型中比较先进的一个 (Arnold J G and Fohrer N 2005, 王中根等.2003, 张银辉2005) 。其在国外, 尤其是在加拿大和北美寒区已被广泛应用 (张银辉2005) 。近年来, 我国也开始利用SWAT模型进行水文水资源以及非点源污染的模拟研究 (王中根等.2003) 。其在中国西北黄土高原地区, 对于降水特征变化幅度较小的时段, 具有较高的径流模拟精度, 在一定程度上可以应用于与流域径流相关的各种模拟分析 (宋艳华和马金辉2007) ;而对于生态恢复条件下, SWAT模型对于流域尺度水文响应的模拟也是可行而高效的 (宋艳华和马金辉2008) 。在森林植被条件变化的情况下, SWAT分布式水文模型同样能够较好模拟该流域的水文生态响应过程 (Tong STY et al.2009, Viney NR et al.2009, 宋艳华和马金辉2007, 孙庆艳等.2008) , 但当客观情况为灌木、草本的情况下, 采用该方法将无法模拟。

由上述分析可以发现, 目前, 在SWAT中, 植物根系在秧苗时期, 占植物总生物量的30%-50%, 成熟之后该百分比下降5%-20%, 根系占总生物量的分数由初期的0.4变化至0.2, 可计算得到日根系生物量所占分数, 类似可计算出植物的根系深度的日变化。但是对于植物根系生长如何影响土壤的抗蚀性, 从而影响土壤流失量的计算, 进而影响对坡面或者流域尺度的水土保持林草措施, 并未给出相应的模型计算。

2 根系对土壤可蚀性因子的影响

现有在流域尺度评价水土保持林草措施对非点源污染的影响多限于对整体植被的研究, 而许多学者也提出 (李勇等, 1990, 1993, 1998;侯喜禄等1995;吴钦孝等, 1990) : (1) 植物根系对土壤的抗冲性能有增强效应。 (2) 植物根系稳定土体的机理, 当林龄小时, 主要是根系的机械缠绕固结作用;当林龄增大时, 还可以通过增加有机质含量和>2mm粒级的水稳性团粒起间接作用。 (3) 植物有效根分布自上而下遵从指数分布。 (4) 植物根系强化土壤抗冲性与有效根密度在极显著水平 (P<0.001) 上呈幂函数关系, 并得出沙棘、刺槐等固持土体的有效根密度和有效深度。 (5) 草本植物地上部分茎叶对减少土壤冲刷起一定作用, 地下部分根系在降低土壤冲刷量方面起决定性作用。

张金池等 (1994) 、代全厚等 (1998) 应用索波列夫C.C.抗冲仪、水稳性指数法、同心环法分别对苏北海堤林带和嫩江大堤树木根系及土壤抗蚀抗冲和土壤渗透性进行测定分析, 二人得出相同结果, 发现同一地段土壤的抗蚀、抗冲指数表土层大于底土层, 尤其是根茎≤2mm的细根有较强的固持土壤功能;抗冲指数与根长、根量间有明显的相关性, 土壤抗蚀性与有机质含量有明显的相关性, 而与细根的根长和根量的相关性相对较低;土壤表层的稳渗系数高于底土层, 达到稳渗所需时间也短。

3 分析及结论

根据上述研究可以发现:

3.1目前, 研究领域针对水土保持林草措施对水环境影响方面的研究在流域尺度的评价, 特别是针对水土保持措施的影响过程, 全面评价其对径流、泥沙、养分及污染物、作物产量以及地下水层面的研究还相对较少。

3.2现有在流域尺度评价水土保持林草措施水环境效应多限于对整体植被的研究, 根系对提高土壤的抗蚀性具有增强效应, 而抗冲指数与根长、根量 (尤其是细根) 等有明显的相关性。可通过对根系形态特征的描述 (尤其是细根的根系形态特征, 如根长、直径、根面积、根量) , 分析根系影响土壤可蚀性因子, 从而影响土壤流失量的评价, 进而影响SWAT模型对水土保持林草措施非点源污染效应影响的评价。

3.3结合现有SWAT模型, 通过定量分析根系形态指标, 进而定量描述土壤可蚀性因子, 目前还没有能够解决土壤可蚀性因子相应的SWAT模型程序, 本文建议补充相应程序完善SWAT模型在模拟流域径流过程中, 缺乏的土壤可蚀性因子模拟程序, 从而为正确评价水土保持林草措施, 对保护流域、河流、农业、生态安全而服务。

参考文献

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生态水文 篇8

1 对水文情势的影响

水文情势指河流、湖泊、水库等水体各水文要素随时间、空间的变化情况,其中水文要素主要包括水位、径流、输沙和河流形态等。20世纪70年代以来,很多国家都对保护河流的健康开展了研究和实践,提出了很多评价河流状态的方法,比如澳大利亚的溪流状态指数(Index of Stream Condition,ISC)、英国的河流保护评价系统(System for Evaluating Rives for Conservation,SERCON)和南非的溪流地貌指数法(Index of Stream Geomorphology,ISG)等。但应用最为广泛的还是1997年Ritchter提出的IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系,该指标体系建立了33个可以量化的水文参数,这些参数比较贴近水文情势的概念,为大多数学者所认同。Richter随后在IHA指标体系的基础上提出了RVA(Range of Variability Approach)方法来评价河流的变化程度。许多学者利用IHA指标体系和RVA方法对水库闸坝工程建设运行前后河流的水文情势变化进行研究,研究结果都表明工程建设运行后河流水文情势变化明显[5,6],而且梯级水库联合运行比无梯级水库联合运行对河流水文情势产生的影响更大[7,8]。除此之外,梯级开发对下游水文情势的影响会随着距离的延伸而减弱[9]。

1.1 对径流的影响

现行水库的运行调度规则,使得枯水期出库流量比天然流量有所增加,而汛期出库流量有所减少。马聪等研究安康水库建设前后下游径流量变化发现,水库建设后,4-11月平均月径流量减少6.9亿m3/月,12-3月平均月径流量增加1.0亿m3/月,并且水库建设是造成此结果最直接的因素[10]。顾颖等以澜沧江为例,研究发现梯级电站运行后,雨季多年平均径流量降低10.64%,旱季升高45.94%,而年平均流量几乎没有变化[11]。这样调节后的河流年水位~时间过程趋于平缓,年内径流变化不大,对大洪水有削峰和错峰作用,有利于减少洪水所带来的危害。河流的流速也发生明显变化,有研究显示,梯级开发后,从库尾到坝前,流速逐渐减慢,水库库容越大,对天然河道径流的流速改变越大[12]。王洁以横江为例研究发现,横江干流梯级电站建设后,库尾及坝前的流速较天然状况下有不同程度降低,其中库尾流速降低较小,而坝前流速降低巨大[13]。流速减缓后,对河流的影响是很大的,比如河流的自净能力会下降,本来波澜壮阔的大自然风光也会随之消失等,整个河流显得没有活力。有研究显示,河流景观多样性与梯级开发呈负相关性[14]。河流的生态系统是与河流径流息息相关的,梯级开发使得河流径流发生剧烈变化,而这些剧烈变化对河流的生态系统势必也会造成巨大的冲击。

1.2 对输沙的影响

水库在截留水的同时也截留了水中所带的泥沙,并且由于流速的减慢,库区的泥沙快速大量的沉积,造成水库泥沙淤积。泥沙淤积会侵占水库调节库容、增加水库淹没损失、影响航运等。淤积还会因回水而上延,影响上游河道形态。与此同时,水库下游的水则泥沙含量很小。Matti等研究发现,漫湾大坝建设后初期,湄公河下游含沙量平均降低约20.3%[15]。翁文林等研究发现,长江上游水库群兴建后,下游含沙量大大降低,降幅为26.5%~84.2%[16]。一方面清澈的水流有利于水资源利用,但另一方面在水库下泄洪水时,会造成下游河道的局部冲刷,造成河床冲刷变形,并引起水体中含沙量的上升,且影响河岸稳定。面对水库泥沙淤积的不断累积和人类对水资源需求量不断的加大,水库淤积问题越来越受到关注,如何对水库淤积进行管理,保持和恢复水库的功能,是当前亟待研究的内容。

1.3 对水位的影响

水库的建设对上游来水的拦截引起水库库区的水位上升,水深从库尾到坝前逐渐增加[12],水库下游河段的水位变化则有些复杂,根据刘扬扬等人的研究结果,对于调节性能较强的水库,水库下游汛期水位较天然情况下降显著,非汛期水位较天然情况上升明显,水位在年内变化较大;而对于调节能力较弱的水库,由于水库建设后下泄流量变化不明显,而且可能会受到来自下游梯级的反调节作用,以致水库下游水位较天然情况变化不大。除此之外,由于河道冲刷的影响,在径流相同的情况下,水位也会有所下降。水库的修建和运行必然会对当地的地质造成影响,比如水库中水的大量渗漏,造成地下水位的上升。有研究显示,水库水位的变化与地震活动有着明显的相关性[17,18,19],如何应对这些影响也是当前研究的方向。梯级开发对河流水位的影响,会使得河流在沿水深方向上的生态组成结构发生改变。

1.4 对河流形态的影响

河流梯级开发使得天然河道变成由多个规模和调节性能不一的水库、减水河段和未开发河段组成的水体,纵向连续性发生改变。梯级水库蓄水后,库区河段水域面积明显增加,对于深切峡谷型流域,这种对水域形态和面积的改变相对于平原性的河流较为突出。如澜沧江梯级水电站建成后,8个梯级水库面积共62 112km2,其水域面积比天然河流增加约53 211km2,是天然水面面积的7倍[20]。下泄清水对河道的冲刷还可能使得河道会发生侧移,河流被裁弯取直。而与直河道相比,蜿蜒的河道降低了坡降,减小了河流流速和水沙输送能力,有利于形成多样的水生环境来保护水生生物的物种多样性。所以,河流形态的改变,也会对河流生态系统产生不利影响。

1.5 小结

从目前这些研究成果来看,梯级开发从不同的角度都对河流水文情势产生了不小的影响,而这些影响都会紧接着对河流生态系统发生冲击,但是大多学者仅仅只是研究梯级开发对河流水文情势的各个方面产生了何种影响以及影响的程度,对不同规模的梯级开发在不同尺度的河流上所造成的影响研究甚少,而且也没有继续深入研究如何通过工程措施或非工程措施来避免或减小这些影响,笔者认为今后应该更注重这方面的研究。

2 对生态系统的影响

河流生态系统的结构和功能由水文、生物、地形、水质和连通性等5个部分组成,各个部分相互影响,而其中,水文是对河流生态系统起着主动性、决定性的作用,包括河流的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等,水文情势的改变在不同时空尺度上改变栖息地条件,从而影响物种的分部和丰度,进而影响生物群落的组成和多样性[21,22,23]。近年来,许多评价河流生态系统的方法和模型被相继提出,如Jinpeng等提出一个综合指标———浮游生物完整性指数来评估水生生态系统[24];Ruonan等以漓江的河坚鱼为研究对象,开发了一个综合模型,可以应用于水库运行以改善河坚鱼的栖息地质量,并且认为该模型经过改编后能应用到其他河流[25];还有美国环保署的生境适宜性指数(Habitat Suitability Index,HIS)和南非的河口健康指数(Estuarine Health Index,EHI)等。

在河流上修建梯级水库后,可能会使得河流生态系统产生高度的变化,使其稳定性降低,容易受到外来物种的入侵,导致生态系统失衡。Maria等对巴西圣保罗州河流梯级水库的研究发现,河流中物种多样性持续下降,而且有可能随着水库的老化,本地物种持续被外来物种所侵蚀[26]。Yuankun等研究丹江口水库对汉江的生态影响发现水生生物多样性大大降低,提出为了尽量减少负面生态影响,有必要优化水库的运行规则以保护河流生态系统[27]。

2.1 对库区生态系统的影响

大型水库尤其是调节性能好的水库,由于水体的大量蓄积,水位升高较大,在垂直方向上会形成有规律的水温分层现象[28]。水库上层温水由于与空气交换,溶氧量较高,在此状态下,如果库区内氮、磷含量较高,而且库区水流速度较低,透明度大,有利于藻类的光合作用,很有可能会造成水体富营养化。而下层水由于比较平稳,氧气的补充很少,且上层水生生物死亡而沉降到下层后,其分解也会消耗氧,并产生硫化氢等气体,影响水质,并使水体发出难闻的气味。长此以往,下层水体成为了厌氧生物环境,水生生物结构发生改变。Ming等研究发现三峡水库蓄水初期,大型底栖生物密度显著降低;然而经过一定的时间适应后,从2005年起,大型底栖生物的总密度显著增加,而且显示出明显的季节性,在冬季最低,秋季最高[29]。发展到后期时,水库会老化,此时大型底栖生物群落多样性和密度都会降低,形成以耐污种为优势类群的单一结构[30]。

梯级开发库区由于水域面积增加,水体的热效应使得当地的环境质量和陆地性气候得以改善,比如降雨增加、湿度增加、年平均气温升高和温差降低,影响程度与水域面积增加的程度也有着正相关性。刘红年等[31]研究发现,高山峡谷地区的水库由于水域面积增加程度较大,将导致附近地区在冬季增温0.4~0.85℃,使春、夏、秋季降温可达2℃,但影响范围不大,主要在水平2.5km、高度0.5km左右范围内。而如果水库水域面积较天然状况增加不大,则对当地的气候影响较小。王洁研究发现横江各梯级水库库容较小,水域面积增加较小,对当地的气候基本无影响[16]。

2.2 对下游河道生态系统的影响

水库的形成以及水库在枯水期时的下泄水量使得河道下游水位上升,淹没损失漫滩、湿地和岸边植物带[32],梯级水库的建设将会叠加扩大这些影响。河岸带无法在沉积物、营养物和污染物流入河流之前将它们滤出或吸收,水质会产生变化。Fan Yang等以长江三峡工程为例研究发现河岸植被大比例消失,受到的影响主要来自于洪水的逆转、洪水持续时间延长和新消落带的产生[33]。Ouyang等以黄河上游为例,研究开发了一种用于识别和预测梯级开发对河岸植被影响的分析技术,可以为减少梯级开发对河岸的影响提供基础指导[34]。河岸带是部分陆生植物及候鸟的栖息地,其淹没减少也会对这部分生物造成影响。流速的降低也增加适应平静水流的物种,如水葫芦等,破坏原有的生态系统;流速的降低还会改变河流中污染物的扩散速度,降低河流的自净能力,部分流域回水区出现水体富营养化甚至“水华”现象[35]。

水库在拦截水量的同时还拦截了大量的鹅卵石和砂石,这使得上游河床底部的无脊椎动物如贝壳类动物等的生存环境减少。在下游河段,水电站大流量下泄使得不能承受巨大的流速的小型昆虫若虫和无脊椎动物数量显著降低;流量的陡增引发的漂流,造成底栖生物存量大大减少;受调控的河段水流模式不稳定,也会造成大型无脊椎动物群落物种稀少[36]。

水库的形成还使得河流的纵向连续性、横向连通性以及垂向渗透性发生改变,进而引起水生生物栖息地发生变化。大坝的阻隔将河流生态系统分割成不连续的片段,这使洄游鱼类、半洄游鱼类的生境发生巨大改变。这类生物将无法更换各生活时期的生活水域来满足不同时期的对生活条件的需要,产卵等各种重要生命活动无法维持,继而数量大大减少。

水库排沙和下泄洪水会造成下游河道水体含沙量上升,在下游河道形成高含沙水流。含沙量的增加会降低水体溶解氧浓度,细颗粒泥沙会堵塞鱼鳃结构,影响摄入氧气功能,造成鱼类的死亡[37]。水中含沙量的改变还与鱼类繁殖有着密切的联系。彭秀华在研究中发现,中华鲟会在江水含沙量明显下降之后才开始产卵,产卵过程中江水的含沙量必须要较为稳定[38],水库的泄洪和排沙将极大的影响中华鲟的繁殖过程。

水量的改变也会影响到鱼类的繁殖。例如,4大家鱼(鲢鱼、草鱼、青鱼、鳙鱼)在一定时间的持续涨水过程后,才会开始产卵。而目前的水库调度规则运行时,河道流量过程趋于均一化,使4大家鱼第1次产卵的信号减弱或消失;同时洪水过程单一化,持续时间变短,连续日流量上涨率减小,洪峰最高流量降低,影响了4大家鱼的繁殖过程[39]。

大型水库会造成水温分层,冬季下层水温偏高,春夏秋季下层水温偏低;下层水下泄后,会使得下游河道水温在冬季偏高,春夏秋季偏低,干扰鱼类的繁殖过程。有研究发现[40],三峡水库蓄水后,下游宜昌江段中华鲟和4大家鱼产卵时间推迟,且产卵规模大幅度降低。

2.3 小结

河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统,研究河流生态系统特别需要关注河流生命系统和生命支持系统的相互作用和耦合关系[41]。梯级开发对河流水文情势和生态系统的影响并不是独立的,而是首先通过改变河流的水文情势,继而对河流的生态系统产生影响,河流生态系统的改变还会反作用于河流水文情势。目前的研究表明,梯级开发使得河流水文情势发生改变并作用于河流生态系统,但是河流生态系统的改变并不只是因为水文情势的改变,也存在其他的原因,人类的活动例如捕捞和对河流的污染等也会影响河流生态系统,所以笔者认为,需要进一步研究并阐明河流水文情势及其各个方面与河流生态系统的相关性,为如何避免或减小这些影响以及如何恢复河流的水文生态提供理论基础。

3 结语与展望

生态水文 篇9

水生态文明建设是要实现人与自然协调发展,实现水的可持续利用和生态系统的良性循环。要想实现水生态文明建设就必须要了解水生态环境,准确掌握水生态信息,做好水生态保护和修复工作。水文部门进行水生态监测的实践与研究,是在原有监测范围内的一次开创性突破,也是水文事业发展的一项全新探索。如何科学化、系统化地开展水生态监测工作是水文部门目前所面临的重要问题。

2 水生态监测的概念和发展

水生态监测是使用物理、化学、生化、水文、生态等多种技术手段,对生态环境中的各要素、生物与环境之间的相互关系、生态系统结构和功能进行监控和测试,从生态系统完整性角度出发,评价水生态环境质量,保护与修复生态环境,合理利用自然资源。水生态文明是以科学发展观为指导思想,实现因水制宜、量水而行,以及水资源和水环境承载力的协调。水生态保护和优化水资源配置是实现水生态文明建设的重要方式。自然界中水环境的状态决定着人类的生存环境和人类社会发展。当前我国不仅面临水环境欠佳的问题,还面临着水资源短缺的问题,并且随着社会的发展,水资源短缺问题日益严重,已成为制约经济发展的重要问题。因此,优化水资源配置、实现因水制宜和量水而行是建设水生态文明的重要举措。

水资源的保护和修复工作是目前我国改善水环境的重中之重,是实现水生态文明的基础。水生态监测作为水资源保护和修复的基础工作,也受到越来越多人的重视。近些年,我国水生态监测也在不断发展成熟,监测指标也在由单一的理化指标向生物指标转变,监测方式也在向自动化方向有所进展。水文部门不断进行改革创新,采用现代化、信息化的技术手段和工作方法以及管理模式,为水生态文明建设做出了努力,为经济社会发展做出了贡献。

3 江苏省水文部门水生态监测的现状与发展

1992年起,江苏省水文水资源勘测局开始了对水文信息化系统的建设,对水环境进行监测和信息数据的整理。目前,江苏省水文部门已经有了一定的规模,初步建成了以省水情中心为首的“四大片区”水文信息化系统和以省水环境监测中心为首的全省水文水质监测网络。

2013年11月,江苏省水文局及下设的13个分中心开始进行浮游植物监测;2014年11月,水生态监测扩展评审;从2015年开始,水生态监测项目扩展到了浮游植物、浮游动物、着生生物、底栖动物、大型水生植物等5个项目同步开展。

3.1 水生态监测指标

江苏省水生态监测开始于水质监测,仅限于生化需氧量、化学需氧量等若干常规理化指标;随着工业发展,大量废水进入水体,又引入了有机物、重金属、氮、磷等指标。但这些指标只能反映瞬时条件下的水体状况,无法体现河湖中多项化合物参与的各种复杂作用,亦无法表征其对环境中生物的影响。2007年太湖流域蓝藻暴发,此后开展以叶绿素、藻密度为代表的水生态监测。藻类作为水生态环境的重要组成部分,能够反映一段时间内环境变化对生物的影响,从而更有效地实现水环境监测目的,但以藻类监测为代表的水生物监测方法,由于指示物种过于单一,仍存在局限性。因此需多角度、全方位地开展水生态监测。

浮游动物监测通过定性和定量监测,采用镜检法,鉴定浮游动物的种类、计算浮游动物密度和生物量(体积法)。

底栖动物监测通过定性和定量监测,采用镜检法,鉴定底栖动物的种类、计算底栖动物的密度和生物量(称重法)。

着生生物的监测采用刮片法获取着生生物,采用镜检法鉴定藻类的种类、计算藻密度。

大型水生植物采用调查法结合抽样方法采集水生植物,进行种类鉴定,并称量干重和湿重。

3.2 水生态监测方法

水生态监测一般采取常规监测和水质自动检测相结合的方式进行。常规监测包括必测指标、选测指标、特定指标,如高锰酸盐指数、电导率、生化需要量等,均按GB 3838—2002中规定的标准方法进行。自动监测项目包括必测指标7项、选测指标14项,如p H值、水温、总磷、总氮等,均按国家环境保护部批准的水质自动监测技术规范进行。

对于浮游植物的监测,主要是进行定量监测,采用镜检法鉴定藻类的种类、计算藻密度,绘制浮游植物种类分布饼图和密度柱状图,计算多样性指数和均匀度指数。同时结合水质类别和富营养化程度,综合评价水质健康状况。

对于浮游动物、着生生物、底栖动物、大型水生植物的监测,检测方法是参照《水库渔业资源调查规范》(SL 167—2014),通过采样、样品的前处理、镜检计数和计算,形成检测记录。

3.3 水生态评价方法

水生态质量监测评价需考虑生物完整性要求,充分应用水生生物完整性指数,分析采自不同环境梯度下的水生生物群落组成、物种多样性和功能多样性等指标与水体物理化学指标、胁迫指标间的内在联系,筛选出具有生态指示意义的多个水生生物指标。根据生物完整性指数构建框架,建立水生生物完整性指标。对指标的可靠性、可操作性、效果及运行成本等进行综合评价,并对生物完整性指标与水环境因子、胁迫因子和景观因子的响应关系进行分析,最终建立评价水生态健康监测的水生生物指标。

目前,江苏省水文部门水生态评价主要从理化指标评价和水生态系统评价等角度出发。理化指标的评价方法主要有有毒污染指数评价法、湖泊营养水平指数评价法。水生态系统的评价方法主要有基于鱼类种群结构的生物完整性指数法(Index of biological integrity)、基于底栖动物的溪流状况指数法(Stream condition index)和基于多样性指数的水质健康指数法等。

4 水生态监测普遍存在的问题

4.1 水生态监测的法律不够完善

目前我国对于水质监测和河流保护方面制定的法律法规较为成熟,但是在水生态保护方面,法律法规的制定就比较滞后,体系也不完善,造成水生态监测工作的起步与发展迟缓。

4.2 水生态监测范围和标准不成熟

水生态监测的技术标准是对工作人员工作的指导,是实现水生态保护的准则,也是促进生态循环、水资源合理利用的依据和水生态质量的衡量标准。因此,完整的标准体系对于水文工作和水生态监测系统工作的开展是十分重要的。目前江苏省水文部门水生态领域中,缺乏统一的相关技术标准和技术指标,缺乏完善的监测标准和监测体系,工作技术方法还不够成熟。

4.3 缺乏专业的技术人员

水生态监测涉及很多领域和很多专业,如计算机、水文、生物技术、地理信息、水质等。在水生态监测工作中对工作人员的要求也比较高。专业的水生态监测人员不足,水生态的监测经验和监测技术缺乏,导致水生态监测的开展有着很大难度。目前,生物技术和计算机技术以及地理信息技术等专业的人才相对匮乏,导致多学科联动监测的目标很难实现,影响了水生态监测的发展。

4.4 水文部门处于起步摸索阶段

水文部门的管理体制还不够完善,目前我国水文部门的基层机构实行的是垂直管理模式,水文部门难以深入到地方经济社会中,难以发挥职能作用。水文站网的建设和监测系统还不够完善,服务体系也不够完善,水文部门服务水利中心方面的工作还不够深入,水文事业的科技创新经费有限,没有固定的经费渠道,没有完善的经费保障制度。

5 水文部门开展水生态监测的实践对策

5.1 建立完善的法律法规

目前,我国在水生态监测方面和水文事业方面的法律法规都相对薄弱,难以满足经济社会发展需要。因此,要将流域管理和地域管理相结合,研制各个层面的法律法规,将水文事业的发展和水生态文明的建设作为我国目前主要任务。在法律法规的制定中,要结合当地水环境的特点,实现对水资源的有效利用和管理。例如,江苏省内河流湖泊较多,因此要考虑到流域的特点,制定流域的水生态保护法规,明确指出流域保护部门,确定各部门的职责和功能,实现各司其职的效果。以地域分布作为主要因素,明确水文部门对水生态的监测范围和监测标准以及对水生态的管理责任,将水生态的监测系统进行合理的设计和安排,保证各地区水环境信息的及时性、安全性和可靠性,如此才能实现水资源的保护和修复以及水资源的合理配置。

5.2 制定合理的技术标准,完善指标体系

我国的水生态监测还没有制定准确的技术指标和规范,指标体系也不够完善。这给水生态监测工作带来很大困难,也制约了经济社会的发展和水生态文明的建设。水生态监测包括布点、采样、监测、分析和评价等工作,每个程序都需要有明确的标准和规范指导,以保证工作的顺利完成。因此,相关部门要加快水生态监测技术规范的确定和技术指标的确定,建立完善的指标体系,提高水生态监测数据信息的可靠性。明确技术标准,才能提高工作人员的责任意识,使工作人员高效地完成信息采集,保证信息安全有效。

5.3 完善水生态监测网,建立信息库

工作人员要充分利用水文站网和水文水质资料,高效完成水生态监测网的建立和水生态信息的收集,实现水生态监测的目标。水环境监测是为了了解水环境以及水资源的信息,达到高效的水资源配置和及时进行水环境保护以及修复。只有及时掌握水资源的准确信息,才能在短时间内作出分析,研究出水资源的合理配置方案和水资源保护措施。收集水生态信息要根据不同的水文因素和经济发展要求,对水生态进行比较和研究,研究出不同条件下的水生态保护措施和水生态的管理方案。另外,水生生物的分布和地貌特征在水生态的研究中也有着重要作用,在做水生态监测工作和水生态资料收集中要做好水生生物研究和地理地貌研究。工作人员在研究水生态的发展趋势和保护措施时可以通过建立的水生态基础信息库,实现资源共享,对水生态的信息作出汇总和比较,总结出不同时期的水生态状况,这也是水生态监测工作的意义。例如,相关工作人员可以通过水文站网对江苏省各地区水生态进行监控,实现各区域水生态信息的搜集和整理,为水生态的保护和修复打下基础。

5.4 增大资金的投入

资金不足在很大程度上限制了水文事业的发展和水生态监测工作的开展。政府应该通过市场推动和社会参与等投入机制,加大社会资金投入。江苏省作为一个经济发展较为迅速的省份,要保证财政预算中给予水文部门和水生态监测方面的资金,只有充足的资金投入才能实现水环境监测系统硬件、软件建设,保障水生态监测工作有序开展。

6 结语

生态水文 篇10

水是万物生长之本, 至关重要。当前我国的基本国情和水情是水资源总量不足和时空分布不均, 不可否认我国水资源正面临巨大挑战, 水生态环境恶化、水污染严重和水资源短缺等问题真实存在且日益严重, 不仅破坏了生态环境的良性循环, 更影响了经济社会的可持续发展, 但与此相矛盾的是随着我国工业化和城镇化的不断发展, 我国对于水资源的需求越来越大, 且在未来很长时间内会持续增长, 面对这种形势, 势必会加剧我国水资源的匮乏[1,2]。西北干旱区面积约250×104km2, 平均年降水量230mm, 蒸发能力为降水量的8~10倍, 水资源总量约1979×108m3, 占全国的5.84%, 可利用的水资源约为1364×108m3, 人均水资源占有量1573m3, 为全国人均水平的68%[3]。水资源是制约西北干旱区社会经济发展, 影响生态环境的关键因子, 对本地区未来经济社会可持续发展起着显著的作用[4,5]。由于全球气候的变暖, 西北干旱区以上游山区降水和冰雪融水补给为基础的水资源系统更为敏感和脆弱, 其主要表现在极端水文现象增加、水资源不确定性加大、水循环过程和生态需水规律改变等方面[6,7]。目前水资源管理主要依靠工程技术方法, 过多的考虑社会经济发展, 认为社会经济发展需水和生态环境循环是此消彼长的关系。而且水资源管理和评价中仅包括可见的、可以被人类直接利用的水资源, 即只评价和管理易于被工程开发利用的可更新的地表水和地下水。因此使得西北干旱区在水资源开发利用工程中生态维护与经济发展的矛盾更加突出和不可避免。

1 生态水文学理论

生态水文学是20世纪80年代以后逐步发展的一门新兴交叉学科, 其重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理, 揭示陆生环境和水生环境植被与水分的相互作用关系, 回答与水循环过程相关的生态环境变化的成因与调控, 通过利用生态水文学原理可以积极地保护、维持和改善自然景观, 指导生态环境脆弱地区的生态环境建设与水资源管理高效正确运行[8,9]。最终实现自然环境的良性循环、社会经济的有序发展和人与自然的和谐共处。其对西北干旱区生态环境和经济持续有序发展具有指导意义。

从水循环的角度进行量化分析, 全球尺度上总降水的65%通过森林、湿地和雨养农田等的蒸散返回到大气中, 成为绿水流, 即绿水, 仅有35%的降水储存于河流、湖泊以及土壤含水层中, 成为蓝水[10,11,12]。目前的水资源管理多集中于可见的、可以被人类直接利用的蓝水资源, 忽略了绿水资源的评价和管理。绿水最初被定义为蒸散流, 是流向大气圈的水汽流, 后来被定义为具体的资源, 即绿水是源于降水、存储于土壤并通过植被蒸散发消耗掉的水资源, 尤其在西北干旱雨养农业区是重要的水资源[13]。

2 西北旱区水资源管理现状

2.1 系统性的可持续水资源管理

水资源系统是一个庞大的动态循环系统, 该系统的运行/管理和保护是一项任重而道远的工程, 需要在一套合理、高效的管理体制下形成自上而下的管理链, 建立和健全以水质量为主的环境质量监测体系, 分层管理。在各个流域或地区, 建立能够稳定、安全用水的持续用水系统, 根据各流域的实际情况, 制定出稳定用水的目标。充分发挥水资源所具有的多方面的功能, 确保各种用水的安全及稳定。

2.2 污水限排和处理提高水的重复利用率

当前社会中我国水资源污染严重, 有资料显示我国90%以上城市水源、45%地下水及80%水域都受到了不同程度的污染, 因此我国相关部门的当务之急就是综合治理污水和有效保护水资源, 具体的方式策略我国可以参考国外的成功经验, 即流域污水集中处理和净化。通过采取该措施, 将污水收集处理后, 分级利用, 约70%是可以再次循环使用的, 大大提高了水的重复利用率。

2.3 提高人民节水意识

通过教育、培训和宣传等方法, 使人们真正意识到水资源的重要性, 自觉养成节水意识, 自觉规范用水。同时也使每个人都意识都只有从自身做起, 人人都自觉节水, 才能真正促进全球经济生态的良性发展, 从而建设一个高效节水型社会。

3 西北旱区水资源管理不足

3.1 管理理念和基础上的欠缺

虽然管理方法上已经有系统化、现代化的趋势, 但过多的是在工程方面的改进和优化, 对生态方面考虑较少。管理的目标也仅是水资源中可见的、可以被人类直接利用的蓝水资源, 主要是地表水和地下水, 忽略了绿水资源的管理, 而绿水在西北干旱雨养农业区是重要的水资源, 其对干旱区植被生长和生态环境维持及发展尤为重要。

3.2 管理方法和技术上的不足

现阶段我国水资源的有效利用程度较低, 工业用水和农业用水等方面都存在着浪费水资源问题。在某些地区, 一方面供水紧张, 另一方面用水十分浪费。这说明我国水资源管理还存在很多不足之处。农业用水约占总用水的80%以上, 是用水中的最大户。我国农业用水利用方法落后, 虽然一些先进的灌溉方式已经得到推广, 比如滴灌、微灌和渗灌等, 但漫灌还是大量存在。目前我国城市工业用水重复利用率虽然已提高到50%以上, 但比先进国家的水平还是低许多。

3.3 未形成水资源的商品价值和价格理念

水属于自然资源, 具有极强的实用价值。但同时水只要稍加处理就会成为一种商品, 所以水也应该纳入商品经济中, 遵守价值规律。在过去的很长一段时间内, 人们认为水是无穷无尽的, 且是免费的, 不加节制的用水, 导致现在地球水资源匮乏, 为了更好的利用和保护水资源, 必须从经济上采取有效措施进行管理, 但目前我国尚未建立相关的法律法规和制度。

4 基于生态水文学的水资源管理

基于生态水文学原理分析, 水资源是指水循环中能够为生态环境和人类社会所利用的淡水, 其补给来源主要为大气降水, 赋存形式为地表水、地下水和土壤水, 在一个没有外界径流出入的闭合流域, 大气降水量是水资源的唯一来源, 降水量是该流域内水量多少的决定性因素。广义地说, 降水量就是当地的水资源总量。关注不可见且被利用的水量, 把降雨分割为绿水和蓝水, 降雨的分割表明了在水循环中水和土壤紧密相关以及土壤水分作为维持生物生长的水源的重要作用。绿水是维持陆地生态系统景观协调和平衡的重要水源, 在维持陆地生态系统生产功能和服务功能方面有重要作用。它既支撑陆地生态系统, 也支持雨养农业的生产。蓝水系统支撑水生生态系统, 形成能被人类直接利用的水资源。

4.1 加强水资源保护

水资源保护主要有两方面, 一方面是对自然生态环境的保护, 使水资源总量及其分配上不致因环境的退化而受到减少, 另一方面是本来良好的天然水质不致因城市、农田和工矿企业的有害物质的排放而污染。因此最主要的对策是维护生态环境, 减少水土流失, 保护水源涵养林和植被, 加强废污水的监管和治理。大力推广适宜本地区发展的节水灌溉技术, 积极推广雨水集蓄技术, 增加降水利用率, 适当的开展退耕还林、还草的示范试验, 为生态植被建设提供理论依据和技术支撑, 综合考虑和论证在建和待建水利工程的利弊。

4.2 转变水资源管理的观念

综合考虑水资源中的蓝水和绿水, 坚持以合理配置为中心, 高效利用为重点, 统一管理为保证的水利战略的前提下, 必须改变一些狭隘的观念, 要在充分认识水资源特征的基础上, 正确把握好生态良性循环与社会经济发展的关系, 处理好流域与景观、近期与长远等各种复杂关系, 以实现水资源高效可持续利用和经济社会的稳定可持续发展。处理好农业用水和生态环境需水的关系, 重视开展和做好生态环境保护工作, 两者并非互相矛盾, 而是相互依存。处理好生活用水、生产用水和景观用水的关系, 首先要确保生活用水的质与量。处理好粮食生产和经济作物种植以及畜牧业、林业、水产养殖业的关系, 形成适应经济结构发展的需水组合。

水利事业发展主要是政府行为, 应该主要由财政来负担, 各级财政都应考虑本地区实际情况加大水利建设的投入, 建立多元化、多渠道、多层次的水利投入机制, 鼓励、引导和监督社会力量兴办水利, 从而促进水利事业的蓬勃有序发展。

4.3 水权和水价制度的推广和应用

水权, 也可以称作水资源产权, 其包括所有权、使用权、经营权和转让权。所有权是核心, 水资源是一种自然资源, 不仅有自然属性, 而且有经济属性。水资源具有商品性、流动性、稀缺性和不可替代性等。水权的转让功能, 不仅可以调节农业用户的自身利益, 而且可以通过转让受益权, 使自身利益同节水效益有机结合, 能起到降低农业用水成本和节水效益的双重效果, 节余水量向效益高的产业转移, 可实现经济效益的最大化。

国内外的实践表明, 水价能够提高水的利用效率, 促进水资源优化配置。面对日益紧迫的水资源短缺问题和实现我国经济社会可持续发展的要求, 开展农业用水水价改革已经成为解决我国农业水问题, 实现农业高效节水的必然选择。水价在高效用水和节水中具有重要的作用, 它能促进提高水的利用效率, 提高水资源优化配置。

4.4 实例分析

考虑到生态水文学的基本理论, 在天水市某灌区进行试验, 通过前期成本测算, 得出符合生态环境和农业用水的前提下, 对粮食作物和经济作物实行差别化水价, 其中粮食作物供水价格为0.157元/m3, 经济作物供水价格为0.248元/m3。农业供水实行总量控制, 定额管理, 根据灌区近三年来实际的灌溉定额和灌区所属的益民灌溉试验资料分析, 粮食作物加权平均综合灌溉毛定额为496.77m3/亩, 经济作物加权平均综合灌溉毛定额为443.15m3/亩。按照不同作物配水定额, 实行超定额累进加价, 即阶梯式水价, 累进额度和加价幅度初定如表1所示。

通过采取差别式水价这一经济方式后, 该灌区在整体农业用水上减少了10%左右, 灌区的生态环境也有了进一步的改善, 据统计灌区周围林木成活率提高了20%左右, 农户实际收益并没有损失, 加之政府的政策扶持, 农户总体收益得到显著提高, 其中小麦亩均净效益增加了12%, 马铃薯亩均净效益增加了15%, 药材亩均净效益增加了27%。

5 结论