多沙河流的生态环境需水特点研究

输沙功能是多沙河流要求满足的一项重要系统功能,研究多沙河流的生态环境需水必须考虑河流的输沙用水.一般确定河流生态环境需水量的计算方法因其很少考虑多沙河流的生态环境需水特点而往往只适用于少沙河流.以多沙河流黄河的下游河段为例,分河段、分时段系统地分析了黄河下游不同水沙状态下的生态环境需水状况,通过对汛期、非汛期和全年不同情况的考虑,指出了黄河生态环境需水的特点(1)输沙用水需求远高于其他功能用水需求,输沙需水占生态环境需水的绝大部分;(2)当汛期输沙需水得到满足时,不仅可以输送全年的大部分泥沙,而且河流其他功能用水需求可以自动得到满足,此时的生态环境需水量与输沙需水量相当;(3)非汛期输沙需水得到满足时,同样可以满足河流其他功能的用水需求,但因输沙效率较低而导致相应的水资源浪费.根据多沙河流生态环境需水的特点,可利用水利枢纽进行适当的水沙组合调控,将非汛期来沙集中在汛期输送,从而达到减轻河道淤积,降低生态环境需水量,提高水资源利用效率的目的.     

黄河源区水循环变化规律及其影响

黄河源区的水文循环规律在20世纪90年代发生了很大的变化.河源地区水循环变化的主要特点是在降水量变化不大而且略有增加的前提下,径流量有比较明显的下降,而且径流也更加集中在汛期.河源地区的水平衡调蓄量一直处于负均衡状态,从而导致了该地区生态环境的恶化.径流减少的主要原因是蒸发量的增加.河源区径流量与上游各水文站的径流量有较好的相关关系,河源区径流减少,整个黄河上游地区的来水量也有下降趋势,影响全流域的水资源供需平衡.径流减少后当地生态环境恶化,河道系统的水文循环发生深刻的变化.今后的演变趋势是由于西北地区温度持续变暖,21世纪的水循环的演变趋势将是蒸发量增加,径流量进一步减少.因为水利工程的修建,局部生态环境恶化态势会有所缓解,但是对于下游的生态环境影响却很复杂.     

黄河下游河道场次洪水排沙比及其不确定性

根据冲积河流输沙率关系所确定的排沙比公式的结构,通过对黄河下游河道场次洪水表观排沙比资料的还原,回归建立了黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式,得到了排沙比95%预测区间,量化了场次洪水排沙比的不确定性.统计分析表明:(1)黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式可用进口来沙系数Sin/Qin作为唯一参量,进口来流量Qin不必作为第二参量;(2)回归模型的充分性在Sin/Qin0.003(即排沙比SDR2)和Sin/Qin0.003(即SDR2)时有明显不同,SDR=2和Sin/Qin=0.003可能是区分黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水尺度上不同输沙率关系的一个阈值条件.本文为分析黄河下游河道其它河段的排沙比关系提供了可用方法,并为黄河下游河道汛期输沙需水量的不确定性分析提供了基础.     

论黄河功能性断流

基于黄河河道径流量与河流基本功能之间关系的认识, 提出了黄河功能性断流的概念. 探讨了能够反映黄河功能性断流严重状况的基本因子. 根据1950~1999年间的实测数据结合聚类分析, 得出了关于黄河功能性断流严重程度的分级参考标准. 分别按照作者和黄河水利委员会提出的最小生态需水量方案计算了黄河功能断流的级别, 并对预测结果进行了比较. 在此基础上, 揭示了黄河功能性断流与零流量断流之间的关系.     

黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡临界阈值探讨

黄河最突出的问题是水少沙多,导致下游河道不断淤积抬高,防洪形势日趋严重.为了深入了解黄河下游河道输沙规律,确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之间的关系,建立了适合黄河下游特点的泥沙数学模型,并利用实测资料对模型进行了率定和验证.然后,利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作用、区间引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究.给出了下游河道冲淤临界平衡阈值,指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区间引水可以有效地减轻黄河下游河道淤积,为小浪底水库的运用、区间引水和水土保持等提供了量化指标.     

松嫩平原洪水资源利用引蓄水方式研究

以松嫩平原为背景，在河流水资源结构分析的基础上，提出了平原地区洪水资源利用蓄水模型。综合考虑需求、可蓄水量以及蓄水时可承受的风险等因素，将洪水利用状况划分为全蓄型和分蓄型。根据蓄水区蓄水前后防洪能力的变化，提出模型应用风险分析标准及其评估方法。并以嫩江下游大赉河段为例，选择代表性水文年进行分析，结果表明：从利用角度，按照生态、农业需水状况引蓄洪水，不仅能够缓解春旱，而且所产生的蓄水风险也可以承受；从防洪角度，能够大幅度削减洪峰流量，所蓄水量能够提高枯水期河道径流量，改善河流水资源结构。     

黄河典型流域分布式水文模型及应用研究

面向黄河中等流域水资源管理,提出一个日过程的分布式水文模型.模型利用GIS/RS技术实现空间分布参数的确定和模型输入信息的处理.在产流计算上采用基于“地形指数”的方法,在汇流演算上采用分段马斯京根方法.模型的运行控制采用基于河网拓扑关系的“空间循环控制代码”的方法.在实例研究中将模型应用于黄河中游泾河流域.根据1996年径流模拟结果表明,模型具有一定的精度,在结构上是合理的,其中水量平衡误差小于5％,模型效率系数达到0.7,能够满足流域水资源管理之需.     

黄河下游河道主河槽萎缩特征及其判别参数研究

采用时间序列分析方法对黄河下游河道断面形态参数变化趋势及其变异点进行了系统分析,结果表明:从20世纪50年代以来,断面形态参数发生了趋势性变化,表现为主河槽呈逐年萎缩的态势,且这种趋势在未来仍将延续;黄河下游主河槽萎缩的主要特征是平滩流量和平滩面积的显著下降,相应的平滩河宽、平均水深、最大水深等出现不同程度的下降,同时还伴随着平滩水位和宽深比的上升.提出了黄河下游河道主河槽萎缩的判别参数与判别标准,分析认为下游河道主河槽在70年代开始初步萎缩,90年代以后进入严重萎缩期;提出了三门峡出库水沙过程不协调指数,表明三门峡水库修建后水沙过程不协调性呈增加的趋势;建立了下游河道主河槽萎缩参数与三门峡水库出库水沙过程的响应关系,指出通过水库调控进入下游的水沙过程,特别是调控出库水沙不协调指数,可以缓解和改善下游河道主河槽的萎缩状况,恢复与维持下游基本的输水输沙通道.     

HIMS系统及其定制模型的开发与应用

水循环既是水文科学的基本理论，又是进行水资源科学评价、合理利用和有效保护的基础．从水资源研究的需要出发，广泛参考国内外有关水文建模的经验，立足自主开发，建立了一种具有多种功能的水文水资源模拟系统（HydroInformatic Modeling System，简称：HIMS）．该系统已取得多项国家版权局的软件著作权．结合国家“973”项目对黄河的研究，进行了具体的研发和应用，已取得实用性的成果，并且与澳大利亚联邦科工组织（csmo）合作，利用澳大利亚的331个流域50多年来逐日降雨径流观测数据进行验证，取得良好的效果．研究表明HIMS系统具有比较广泛的适应性，能够针对不同的水文水资源问题进行模拟，并具备定制模型与二次开发的应用前景．     

面向流域系统的生态需水量整合研究

水库（群）的运行调度对坝址下游水文情势产生一定影响,维及到下游河流廊道及与河道存在水力联系的生态系统生态用水安全.为保障下游生态用水,需对水库（群）进行生态调度;而生态需水及其整合计算是其关键支撑.生态需水整合的核心是在对各类生态需水进行评价的基础上,以流域/区域水循环及其伴生水生态过程为主线,将各类生态需水整合成满足水资源配置或调度要求的水量过程.本文结合水库（群）生态调度实践需求,以各类生态系统的生态需水规律及水力联系为基础,整体提出流域生态需水的整合模式;在分布式水文模拟技术的支撑下,构建了生态需水整合模型;并就南水北调西线一期工程雅砻江流域的生态需水及其整合计算进行了研究.结果表明,上述整合模式有效结合了各类生态系统生态需水在时空上的水力联系,与基于集总式水平衡分析的生态需水整合模式相比,克服了多时空尺度上生态需水水源及生态供水难以得到有效保障的不足,可满足水库（群）生态调度的需求.     

水资源系统整体模型研究

基于新近发展起来的复杂适应系统理论,建立了流域级的水资源系统整体模型,用于分析研究流域的水资源管理和配置.通过一个整体的模型框架,将水资源系统中水文、生产、生活、生态环境和管理制度等子系统的相互作用通过内生变量进行联接,从而取代以往组合模型仅仅通过计算结果的传递来描述子系统间作用的方式.结合整体模型框架的特点,提出了用于求解这个高纬度的非线性模型的嵌套遗传算法,并应用于黄河流域,分析了南水北调西线工程的合理调水量及其边际效益.     

策论以黄河电力资源换取渤海水资源--用渤海之水来改造北方7大沙漠

21世纪制约中国国民经济、人口、资源、环境协调发展的重要因素之一是水资源问题.我国北方水荒严重,黄河中游(甘肃、宁夏、内蒙、陕西、山西)与黄河下游(山东、河南、河北)工农业争水的矛盾日益突出,工业化和城镇化对淡水的需求愈来愈大,黄河流域75万km2的土地,保持和发展绿洲经济已面临水资源不足的威胁.而横亘我国北方的条带状沙漠由于几乎没有水资源,不仅环境无法改造,反而以每年新增2000多km2的速度,在不断扩大沙漠化进程.     

黄河下游漫滩洪水造床机理与水沙调控指标研究

本文采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,系统研究了黄河下游漫滩洪水的造床机理与水沙调控指标.结果表明:对于多沙的黄河,漫滩洪水最充分的发挥了水流动力的输沙造床作用,其削峰滞洪与淤滩刷槽的功效十分显著且不可替代.漫滩洪水的造床作用随着洪水漫滩程度的变化而明显不同,可分为三个阶段;漫滩初期,主槽输沙能力降低,淤滩刷槽作用尚未得到充分展现;漫滩中期,滩槽水沙交换充分,淤滩刷槽作用良好;漫滩后期,淤滩刷槽作用趋缓.综合考虑提高河道输水输沙能力与保护滩区防洪安全,提出的黄河下游有利漫滩洪水的水沙调控指标为:洪水漫滩参数1.4γ1.5、来沙系数ρ0.028,即按照目前下游河道主槽平滩流量为4000 m3/s,通过小浪底水库水沙调控,控制下泄洪峰流量5600~6000 m3/s、来沙系数小于0.028的漫滩洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道最有利.若控制下游河道不漫滩,通过小浪底水库水沙调控,建议下泄洪峰流量3500~4000 m3/s接近主槽平滩流量的洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道较为有利.     

以黄河流域土壤水资源为例说明以“ET管理”为核心的现代水资源管理的必要性和可行性

针对流域／区域水资源匮乏程度日益严重的情势,本文立足于水循环全过程,以水资源在其动态转化过程的主要消耗——蒸发蒸腾（ET）为出发点,全面论述了在现代水资源管理中开展以“ET管理”为核心的水资源管理的必要性和可行性．并以黄河流域土壤水资源为研究实例,在采用WEP—L分布式物理水文模型对全流域水循环要素系统模拟的基础上,开展了黄河流域土壤水资源数量和消耗效用分析．结果表明,立足于区域／流域水循环过程,开展以“ET管理”为核心的水资源管理,不仅可以避免水资源的闲置而且也有利于从“真实”节水的角度提高水资源的利用效益,缓解区域／流域水资源的匮乏程度,是对传统水资源需求管理有益的补充．     

塔里木河下游生态输水与生态调度研究

以塔里木河下游为研究对象,通过连续14年的动态监测、资料收集、野外数据采集及实验室数据处理,对塔里木河下游生态输水的特点及方式、生态输水后的生态环境变化进行了系统的分析与评估,同时对下游生态调度策略与模式进行了初步探讨,得出以下结论:(1)塔河下游生态输水经历了从单通道、双通道输水,向汊河输水和面状输水方式的转变;(2)从河水耗散分析看,补给地下水占比最大为57.7%,土壤与植被消耗占37.9%,入湖水量与河道内水面蒸发所占比例为4.4%;(3)输水后塔里木河下游地下水位上升、地下水水质明显好转,植被面积扩大,群落物种种类增加,胡杨长势好转,表明塔里木河下游生态退化的趋势得到遏止,但生态脆弱性依然没有根本转变;(4)为了更好地巩固生态恢复的成效,应制定合理的生态调度计划,在河道线状输水的基础上,进一步扩大受水区范围,有效补给地下水,合理调控地下水位;(5)生态变化是一个长期而缓慢的过程,需从地表水、地下水、植被响应、生物多样性等方面,长期监测输水对生态环境恢复的响应,以利采取更为科学有效的措施.     

二元年径流演化模式及其在无定河流域的应用

由于受人类社会活动影响的不断加强,流域水循环过程变得越来越复杂.探索流域年径流量的演变规律对定量分析变化环境中的水资源状况和预测流域未来水资源的演变规律具有特别重要的意义,因为以年为时间尺度能最好地反映天然和人类活动驱动下的流域水资源变化规律.在水资源的二元演化模式下提出了年径流的天然-人工二元演化理论,并在黄河中游的无定河流域进行了应用.应用实例中着重对无定河流域下垫面动态变化情况下的降水径流关系进行了深入的对比分析,并提出了代表流域水保措施的水保指标面积的概念,利用水保指标面积来反映流域下垫面条件,并建立了反映流域下垫面动态变化的降水径流经验模型.     

区域目标ET的理论与计算方法：应用实例

目标ET是指在一个特定发展阶段的流域或区域内,以其水资源条件为基础,以生态环境良性循环为约束,满足经济持续向好发展与和谐社会建设要求的可消耗水量.基于目标ET的水资源配置用耗水量代替需水量,突出了资源节水理念,是未来水资源管理的发展趋势.本文采用先分项、再综合、后评估的方法计算了天津市2010水平年的目标ET.分项目标ET包括不可控ET和可控ET,不可控ET利用分布式水文模型和遥感监测模型互为校验得到;可控ET主要包括灌溉耕地ET和居工地ET,灌溉耕地ET利用土壤墒情模型和蒸散发模型计算,居工地的工业生活用水ET通过定额和耗水率计算.论文根据不同的水资源条件组合,设置了八套计算方案,分别计算了各种方案的目标ET,并对计算结果进行了评估,给出了推荐方案.     

全球水遥感技术及其应用研究的综述与展望

星基遥感技术在获取时空复杂多变的水信息方面具有独特的优势,如TRMM/GPM,SMAP,GRACE,SWOT,GRACE-II,PATH,TERRA,AQUA,以及国内的风云系列等环境卫星提供了前所未有的全球遥感水文大数据.为了进一步促进遥感技术在水循环研究和水资源管理中的应用,促进学科交叉和系统集成研究,本文系统综述国际前沿的全球水循环遥感卫星技术、遥感参数反演及其在水文中的潜在应用等,重点介绍降水、土壤湿度、蒸散、地下水、水面高程、冰川、云和大气水等遥感技术,同时探讨全球水循环观测卫星的研发和功能,分析数据同化、遥感反演参数不确定性方面的技术瓶颈及未来展望.     

水库泥沙分选及淤积控制研究

泥沙淤积是迄今制约水库长期利用和没有解决的重大问题之一．本文根据水库实测淤积资料、理论分析和数学模型计算等多方面证明了粒径d〉0．1mm粗沙会在水库回水末端特定位置或大江大河径流水库集中分选沉积．同时,从理论上证明了占入库比例很少的粗沙对大型河道型水库淤积三角洲坡面、最终冲淤平衡坡降和淤积程度有很大影响．在此基础上,作者提出在水库特定按固定河段持续挖粗沙以降低平衡淤积坡降、控制淤积和增加长期利用库容．三峡水库模型计算实例表明,年挖砂5000万t／a（三峡设计泥沙系列）或3000万t／a（蓄水前10年系列）可降低水库百年淤积量20％,回水末端淤积大幅度减少,水库平衡坡降减小25％～30％;水库50～100年基本趋于冲淤平衡,可避免长期、持续大量淤积的局面．同时,在黄河小浪底水库回水末端挖粗沙不但可减少水库淤积,而且还可拦截粗沙进入下游而降低黄河下游冲淤平衡坡降．在小浪底水库大量拦沙、冲刷下游河道所营造的相对良好河型基础上,可以期待长远只利用在现有水库拦截粗沙便可缓解或实现黄河下游河道不抬高．     

流域水量调度自适应模型研究

针对流域水量调度中来水和用水随机性特点,将自适应控制理论引入流域水量调度,建立了黄河流域水量调度模型,提出了自适应轨迹跟踪水量调度方法.水量调度控制目标是在整个调度期,各用水单位的用水比例始终逼近既定的分水指标.系统控制参数通过约束条件实现,可调系统参数通过水量平衡模型、水库自调节模型和水量分配模型确定.模型计算表明,水量调度自适应模型能够控制分水过程,使分水比例始终逼近既定的指标.