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西安理工大学 周孝德

西北干旱地区流域水环境承载力研究. 西安理工大学 周孝德. 西北地区流域水环境承载力研究. 1. 前言 2. 流域水环境承载力理论 3. 新疆博斯腾湖地区水环境承载力分析 4. 山西桑干河流域水环境承载力分析 5. 陕西汉江上游地区水环境承载力分析 6. 陕西愉林市水环境承载力分析 7. 西安理工大学水利水电学院概况. 1. 前 言. 近半个世纪以来，我国西北地区人类活动的强度与范围日渐扩大，而人类活动的加剧对西北干旱地区环境变化影响最大。

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Presentation Transcript

  1. 西北干旱地区流域水环境承载力研究 西安理工大学 周孝德

  2. 西北地区流域水环境承载力研究 • 1.前言 • 2.流域水环境承载力理论 • 3.新疆博斯腾湖地区水环境承载力分析 • 4.山西桑干河流域水环境承载力分析 • 5.陕西汉江上游地区水环境承载力分析 • 6.陕西愉林市水环境承载力分析 • 7.西安理工大学水利水电学院概况

  3. 1. 前 言 • 近半个世纪以来，我国西北地区人类活动的强度与范围日渐扩大，而人类活动的加剧对西北干旱地区环境变化影响最大。 • 该区域的许多湖泊已干涸，如著名的罗布泊和台特玛湖已干涸多年。现存的湖泊其水域面积也不断缩小，水质持续恶化，像新疆博斯腾湖、艾丁湖、艾比湖、青海湖等西北干旱地区大型湖泊均因人类活动加剧而面临同样严重的环境生态问题。 • 这些湖泊均蕴含丰富的水生生物资源、旅游资源和调节气候能力，对当地的经济发展和人民生活起着极其重要的作用，如果任其生态环境恶化，势必对该地区经济和人民生活带来灾难性的结果。

  4. 干旱地区的区域发展要实施可持续发展战略，最关键的是建立综合的评判指标，能定量判断区域可持续发展能力。水环境承载力就是这样一个综合评价指标。 干旱地区的区域发展要实施可持续发展战略，最关键的是建立综合的评判指标，能定量判断区域可持续发展能力。水环境承载力就是这样一个综合评价指标。 • 水环境承载力是区域环境系统固有功能的表现，它不仅与区域水环境系统本身的结构诸如水量、水文、水温、水质、生物量有关，还与外界诸如人类社会经济活动的输入输出有关。 • 人类活动对区域系统的相互作用表现为人类系统从区域系统中获取水资源、生物资源并向其排放废弃物，而区域水环境承载力就是这种作用的外在体现，反映了区域环境系统接受人类系统干扰能力阈值即区域环境系统物流、能流、和负熵流来维持自身的稳态，抵抗人类系统干扰并重新调整自组织形式的能力。

  5. 2. 流域水环境承载力理论 水环境承载力研究进展 水环境承载力的内涵 水环境承载力的研究方法 水环境承载力研究思路

  6. 水环境承载力研究进展 • 20世纪80年代初，联合国教科文组织提出资源承载力的概念 • 土地资源承载力 • 水资源承载力(RCC) • 1990年提出环境承载力概念 土地资源 承载力 水资源 承载力 生态 承载力 水环境 承载力

  7. 环境承载力是环境系统固有功能的表现，它不仅与环境系统本身的结构有关，还与外界(类社会经济活动)输入输出有关。若将水环境承载力看成一个函数，可以表示为： 其中，T表示时间，S表示空间，B表示人类作用于水环境具体措施的规模与方向。具体来说，可以表示为科技进步、开发水资源、治理污水、采取节水措施、加强灌溉管理、提高全民节水意识、引进清洁生产工艺，推广生态农业、保证生态环境用水等等,在研究问题中，空间维往往是确定的，水环境承载力仅与时间维和人类活动的规模与方向维有关，人类作用于环境的规模与方向是多方面的。 水环境承载力的内涵

  8. EC0表示水环境系统固有的水环境承载力， • S型曲线表示人类社会活动对水环境承载力的影响。 • 人类社会经济活动的行为和方向决定了对水环境承载力的作用，但人类活动对水环境承载力的改变不是无限的，还受到水环境系统固有因素的制约，因此，在人类社会经济活动达到一定规模后，水环境承载力境趋于稳定。 水环境承载力与人类社会经济活动的关系

  9. 由于人类可以能动地改造环境，突破制约因子的束缚，通过技术进步、调整结构等措施，水环境容量被加大，水环境系统出现新的S型曲线，因此，从整个时间轴来看，水环境承载力呈现出分段增长的现象。

  10. 水环境承载力的研究方法 • 系统动力学法 • 多目标模型分析法 • 人工神经网络方法 • 主成分分析法 • 层次分析法 • 模糊数学评判法

  11. 水环境承载力的研究思路 • 水环境承载力的限制因素包括： • 生态损耗需水量和环境需水量得到满足 • 为此需要建立生态需水量模型和环境需水量模型，在生态需水量和环境需水量确定的前提下通过系统动力学模拟模型，确定社会经济发展规模与水资源量供给之间的关系。 • 水体不发生富营养化 • 水体水环境容量得到满足

  12. 水环境承载力的研究流程图

  13. 水环境承载力指标体系

  14. 建立水环境承载力系统动力学模型 水环境承载力与社会、经济、环境、生态密切相关，且各个子系统之间具有相互的制约和反馈作用，因此，采用系统动力学模型研究水环境承载力可以综合考虑各个子系统之间的错综复杂的关系，并能得出水环境承载力指标的量化值，同时可以对策略进行敏感性分析，是行之有效的、合理的解决水环境承载力问题的有力工具。

  15. 3. 新疆博斯腾湖地区水环境承载力分析 3.1 博斯腾湖基本情况 3.2 流场及浓度场计算 3.3 生态环境需水量计算 3.4 富营养化分析 3.5 水环境容量计算 3.6 水环境承载力量化研究

  16. 3.1 博斯腾湖基本情况

  17. 3.2 流场及浓度场计算 方案10流场图

  18. 方案15流场图

  19. 方案24流场图

  20. 方案10矿化度（单位：mg/l）

  21. 方案15矿化度（单位：mg/l）

  22. 方案24矿化度（单位：mg/l）

  23. 1996年6月底总氮浓度分布图

  24. 1996年6月底总磷浓度分布图

  25. 3.3 生态环境需水量计算 水资源利用=工业用水+农业用水+生活用水+生态环境用水 • 对于湖泊湿地的生态环境需水量，主要包含以下三个方面： • 生态水损耗项 • 防盐化需水量 • 生态调水量

  26. 生态水损耗项 大湖总蒸散量年变化过程 (单位：亿m3/a) 大湖的芦苇蒸腾量和水面蒸发量相比较小，几乎可以忽略不计，大湖蒸散需水量的主要制约因素是大湖的水面面积。

  27. 小湖总蒸散量年变化过程 (单位：亿m3/a) 小湖总蒸散量年变化过程(单位：亿m3/a) 小湖的水面蒸发量和芦苇蒸腾量相比很小，几乎可以忽略不计，小湖蒸散需水量的主要制约因素是芦苇面积。

  28. 防盐化需水量

  29. 生态调水量 塔河下游生态极度衰败，胡杨林面积濒临灭绝，决定利用博湖水量充足的有利时机，实施冬季向塔河下游应急输水。从2000年5月中旬至2001年4月下旬已经成功组织了3次调水，分别从博湖通过大西海子水库向塔河下游应急输水1.0、2.2、3.0亿m3。 根据《新疆博斯腾湖向塔里木河下游生态应急输水问题探讨》,博斯腾湖在第三次向下游应急输水中，从博湖调出近7亿m3的水量，经过570km的距离，确保向塔河下游363km的断流河道输水3亿m3到台特玛湖。调水量近期按7亿m3考虑。

  30. 3.4 富营养化分析 不同工况条件下博斯腾湖总磷浓度逐年分布图

  31. 不同工况下条件下博斯腾湖总氮浓度逐年分布图

  32. 25%频率年湖内营养水平分布图

  33. 50%频率年湖内营养水平分布图

  34. 90%频率年湖内营养水平分布图

  35. 3.5 水环境容量研究

  36. 项目 BOD COD TN TP 矿化度 预测入湖 7381.30 10329.47 2597.86 255.04 2548647.20 容许入湖 12533.51 4907.19 450.4 1385.86 1000408.44 消减量 0.00 5422.28 2147.46 0.00 1548238.76 消减率（%） 0.00 52.00 83.00 0.00 61.00 博湖污染负荷消减量 2010年博湖污染负荷消减量计算结果表（单位：t）

  37. 3.6 水环境承载力量化研究 系统动力学模型建立 水环境承载力系统动力学模型确定了由100多个变量组成的变量集，共分为7个子系统：工业、农业、人口、经济、生态、水资源、水污染。其中，工业、农业、人口、经济子系统是发展系统，生态、水资源、水污染子系统对发展系统起到制约作用，是限制系统。

  38. 模型模拟方案 本文采用以下策略模拟2002年—2010年的指标变化情况，通过水环境承载度来分析经济发展与生态环境的协调程度： • 策略1(原始策略)：工业万元产值用水量保持目前水平(450M3/万元)不变，工业用水重复利用率保持目前14％不变，农灌定额保持700m3/亩不变，工业万元产值废水排放量保持390m3/万元不变，不投资用于污水治理，地下水开采量保持目前水平，不增加育苇面积，不投资用于节水灌溉，塔里木河不从博湖生态调水。 • 策略2：工业万元产值用水量每年递减5‰； • 策略3：工业重复利用率每年递增2%； • 策略4：每年增加农业产值的20%用于节水投资；

  39. 模型模拟方案 • 策略5：每年增加育苇面积3.4万亩，到2010年达到30.5万亩； • 策略6：塔里木河从博湖生态调水7亿； • 策略7：每年开采地下水可开采量的3%； • 策略8(综合策略)：工业万元产值用水量每年递减5‰，工业重复利用率每年递增2%，每年增加农业产值的20%用于节水投资，万元产值废水排放量每年递减1%，每年投资工业产值的10%用于治理污水，每年增加育苇面积15%，塔里木河从博湖生态调水7亿，每年开采地下水可开采量的3%。

  40. 模拟结果分析 根据预测2002—2010年来水流量过程得到的不同策略下的水环境承载度图 • 如不采取任何措施，水环境承载度仍然缓慢上升，这是由于水环境污染还没有发展到对经济严重阻碍的程度引起的，而且在所采取的策略中策略4、策略5及综合策略对水环境承载力的提高明显大于其他策略。这说明采取节水投资和人工育苇对改善博湖的水环境承载力的作用不可忽视。 • 策略2、策略3及策略7对水环境也有不同程度的提高，策略6对水环境承载度没有什么影响，从而调水7亿m3对博湖的水环境不会造成很大影响，水环境承载度仍然很低，要想从根本上提高博湖的水环境承载度，必须采取各种有利于水环境的措施，例如人工恢复芦苇面积、有计划地开采地下水、农业灌溉采取各种经济有效的措施降低灌溉定额等等。

  41. 2002 ～ 2010年来水流量分别为预测情况和90%频率枯水年流量情况下得到的综合策略的水环境承载度： • 在预测入流情况下采取综合策略比在90%频率下采取综合策略对水环境承载力的提高幅度大，原因是枯水年份的水环境容量小，可利用的水量少，因此其承载度明显低于丰水年份。

  42. 博湖调水量优化研究 • 水位1048.01m（25%）时调水方案：分别采取调水1、2、3、4、5、6、7、8、9亿进行模拟计算； • 水位1047.24m（50%）时调水方案：分别采取调水1、2、3、4、5、6、7、8亿进行模拟计算； • 水位1046.59m（75%）时调水方案：分别采取调水1、2、3、3.5、4、4.5、5亿进行模拟计算； • 水位1045.62m（90%）时调水方案：分别采取调水0.5、1、2、3亿进行模拟计算。

  43. 各种水位下向塔河调水所对应的水环境承载隶属度

  44. 不同水位采取的调水方案： • 水位1048.01m(25%) ，生态调水量6.67亿m3； • 水位1047.24m（50%），生态调水量4.63亿m3； • 水位1046.59m（75%），生态调水量3.13亿m3； • 水位1045.62m（90%），应该停止从博湖调水。

  45. 4. 山西桑干河流域水环境承载力分析 4.1 基本概况 4.2 生态环境需水量 4.3 水量水质预测及水环境容量研究 4.4 水环境承载力量化研究

  46. 4.1 基本概况

  47. 河道内生态环境需水量计算结果单位： 亿m3/年 4.2 生态环境需水量

  48. 河道外生态环境需水量 • 经济、大田作物需水量4.8292亿m3 • 林草需水量0.4135亿m3 • 断流时生态环境需水量 • 河流蒸发量 W蒸=0 . 392亿m3 • 河道渗漏量 W渗=0 . 902亿m3 • 河道外取水量：农业用水量11798 . 6万m3；工业用水量7077 . 6万m3；生活用水量3574 . 4万m3 • 防止断流的需水量： 3. 539亿m3

  49. 4.3 水量水质预测及水环境容量研究 2003年排放条件下水质预测 氨氮沿程浓度分布

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