额济纳荒漠河岸林分布格局对水文过程响应

根据2001年TM影像及多年水文资料, 基于景观生态学的理论和方法, 利用GIS、RS技术, 研究了额济纳荒漠河岸林格局对水文过程的响应, 结果表明:相对林地面积在绿洲范围内的分布基本均衡, 但退化林地从西向东呈增加趋势; 在斑块尺度额济纳荒漠河岸林目前处于全面退化过程之中; 斑块数量不仅受水文过程的影响, 而且还受到种植业等生产活动影响. 绿洲植被的退化趋势是从下游开始恶化, 逐渐向上游推进; 受河流形状与来水量减少影响, 末端景观破碎化更加明显. 近10年来地表水文过程对额济纳荒漠河岸林地下水文过程的影响很小, 在平行河道方向上, 随地下水埋深增加, 退化林地在斑块尺度上呈增加趋势; 在垂直河道方向上, 随地下水埋深增加, 林地和退化林地平均斑块面积呈减少趋势.     

民勤绿洲地下水开采时空动态模拟

地统计学方法的应用已由最初的地质学领域广泛推广到土壤学、生态学等领域, 但在地下水特征的时空模拟方面应用还较少, 结合地理信息系统(GIS), 运用地统计学方法分析了石羊河下游民勤绿洲近15年来地下水特征的时空变异规律及其与土地利用变化的关系, 并对其变化趋势进行了预测. 得到了如下结果: (1) 地下水埋深的随机变异特征随着开采强度的不断增大, 从1987年的26.32%降到了2001年的0.03%, 完全被较大尺度上的结构性变异所取代; 而矿化度一直是中尺度上的结构性变异高达99.9%. (2) Kriging插值结果表明, 民勤绿洲地下水埋深的分布一直是水质较好的绿洲南部最深厚, 从南到北随着水质变差, 埋深也变浅. 地下水矿化度在空间分布上从南到北逐渐增大; 在变化趋势上, 高矿化度等值线由北向南持续推进. (3) 民勤绿洲近15年来耕地面积增加了3.1×10⁴ hm², 使得分布于地下水埋深17 m以上的耕地面积净增528.3 km², 分布于地下水埋深11 m以下的林地减少200 km². 同样, 分布于地下水矿化度3.0 g/L以上的耕地面积净增2×10⁴ hm², 其中>4.5 g/L的增加了1.072×10⁴ hm². (4) 预测至2015年, 地下水埋深下降趋势明显, 分布于地下水埋深20 m以上的绿洲面积将净增1689.88 km², 达整个绿洲面积的68%; 至2015年地下水矿化度高于5.0 g/L的绿洲面积将达578.15 km², 全部集中在水质较差的绿洲湖区最北部, 部分区域甚至高达7.0 g/L以上.     

水文非线性系统与分布式时变增益模型

论述了以Volterra泛函级数表达的流域降雨-径流非线性系统理论与概念性模拟方法. 依据流域数值高程模型、遥感信息和单元水文过程, 提出了水文非线性系统理论的时变增益模型(TVGM)和推广应用到流域时空变化模拟的分布式时变增益模型(DTVGM). 研究表明, 除了常用的非线性系统分析方法之外, 从复杂水文关系研究中另辟蹊径, 提出一种简单关系的非线性系统分析是完全有可能的. 时变增益水文模型的提出及其与一般性水文非线性系统的联系就是一个例证. 水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟结合的DTVGM模型, 能够发挥水文系统方法与分布式水文模拟方法相结合的优点, 探索环境变化下的流域水文模拟问题. 将DTVGM分别应用到河西走廊干旱地区的黑河流域和华北地区潮白河流域实例研究, 模拟了水文时空变化以及陆面覆被变化与水文影响分析, 取得了较好的效果, 说明了其特色和应用价值.     

中国黑河下游荒漠河岸林植物群落水分利用策略研究

以中国黑河下游额济纳荒漠河岸林为研究对象,结合对典型植物群落内地下水埋深、土壤含水率、植物水势、叶片相对含水率和水分利用效率的野外实地监测和调查,研究了群落土壤水分和植物生态对地下水埋深的响应,揭示了不同植物群落的水分利用策略.结果发现:(1)随着地下水埋深的增大,除了红砂外,植物黎明前和午间水势均无显著降低,说明在地下水埋深3 m以内时,距河道4 km范围内的植物群落未遭受或遭受较轻的水分胁迫.(2)0~3 m内土层土壤含水率较大值所在位置与植物吸水根系分布深度相一致,说明在与过熟胡杨或柽柳共存的群落中,过熟胡杨或柽柳具有供给水分的作用,当与其共存的其他灌木或草本植物缺水时,过熟胡杨或柽柳可将体内多余的水分释放到该土层,供给这些浅根系植物生长所需;而红砂可借助其深根系特征,吸收利用深层土壤水分维持自身生存,苦豆子、花花柴、柽柳和过熟胡杨是恢复黑河下游受损生态环境的最佳植物种组合方式.(3)植物叶片相对含水率由高到低排序为:花花柴苦豆子幼龄胡杨过熟胡杨成熟胡杨=与其他物种共存的柽柳单一红砂单一柽柳.水分利用效率由高到低排序为:单一柽柳单一红砂与其他物种共生的柽柳苦豆子=幼龄胡杨成熟胡杨过熟胡杨花花柴.由此可知,当土壤水分较充足时,该区植物群落趋向于促进水分含量较小的柽柳、幼龄胡杨和红砂的快速生长,它们不具有储水以备水分亏缺时使用的功能,抗旱性较强;而减缓水分条件较好的苦豆子和花花柴的生长,它们具有储水功能,抗旱性较差.总体来看,黑河下游荒漠河岸林植物群落趋向于促进水分利用效率较高物种的生存.     

GRACE/GRACE-FO重力卫星揭示近20年河西走廊陆地水储量时空变化

河西走廊由疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域组成,水资源保护对河西走廊生态平衡和经济发展有着重要意义.本文利用JPL GRACE/GRACE-FO Mascon模型反演该区域陆地水储量的时空变化,结合GLDAS模型、实测地下水位和冰川水模型等数据对陆地水储量进行水平衡分析及时空特征变化分析,结果表明：(1)2002-04—2020-01间由于降水和冰川融水的补充,疏勒河流域南部和黑河大部分区域陆地水储量空间变化呈上升趋势,而蒸散消耗与农业扩张则导致疏勒河流域北部和石羊河流域陆地水储量下降;(2)通过水平衡研究发现人类耗水是疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域陆地水储量变化的重要因素,平均贡献率分别为-24.49%、-47.20%和-43.29%;(3)河西走廊水资源治理政策的实施减少了农业灌溉耗水量、控制了耕地面积的扩张、抑制了地下水储量的消耗.     

渭干河平原绿洲适宜规模

荒漠和绿洲长期共存,绿洲系统的生存发展需要有较好的绿洲植被生态系统支撑.干旱区平原绿洲,应以水为中心确定绿洲规模,防止水资源不足情况下土地过度开发造成的荒漠化和沙漠化.良性循环的稳定绿洲必须具有合理的农林牧用地结构.开展绿洲适宜规模与发展空间研究,将为绿洲的有效建设提供理论和应用依据.本文通过水热、水土平衡分析,建立了适宜绿洲数学模型.根据渭干河平原绿洲多年的水文气象资料,依据水量平衡原理,计算了该绿洲可供蒸发蒸腾的水资源量、适宜的绿洲和耕地面积.结果表明,渭干河平原绿洲可供蒸发蒸腾的水资源量为22.32×108 m3,在常规地面灌溉条件下适宜的绿洲面积为3716.06 km2,其中适宜的耕地面积为1564.79 km2;在节水灌溉条件下,适宜的绿洲面积5515.49 km2,其中适宜的耕地面积为2322.31 km2.世界银行贷款项目--渭干河流域农业灌溉排水工程结束后达到的绿洲面积为4123km2,农田耕地面积为1507 km2,绿洲和耕地面积比较适宜,如果采取节水灌溉措施可适度扩大绿洲规模.     

渭干河平原绿洲适宜规模

荒漠和绿洲长期共存,绿洲系统的生存发展需要有较好的绿洲植被生态系统支撑.干旱区平原绿洲,应以水为中心确定绿洲规模,防止水资源不足情况下土地过度开发造成的荒漠化和沙漠化.良性循环的稳定绿洲必须具有合理的农林牧用地结构.开展绿洲适宜规模与发展空间研究,将为绿洲的有效建设提供理论和应用依据.本文通过水热、水土平衡分析,建立了适宜绿洲数学模型.根据渭干河平原绿洲多年的水文气象资料,依据水量平衡原理,计算了该绿洲可供蒸发蒸腾的水资源量、适宜的绿洲和耕地面积.结果表明,渭干河平原绿洲可供蒸发蒸腾的水资源量为22.32×108 m3,在常规地面灌溉条件下适宜的绿洲面积为3716.06 km2,其中适宜的耕地面积为1564.79 km2;在节水灌溉条件下,适宜的绿洲面积5515.49 km2,其中适宜的耕地面积为2322.31 km2.世界银行贷款项目--渭干河流域农业灌溉排水工程结束后达到的绿洲面积为4123km2,农田耕地面积为1507 km2,绿洲和耕地面积比较适宜,如果采取节水灌溉措施可适度扩大绿洲规模.     

基于Forward-Modeling方法的黑河流域水储量变化特征研究

黑河流域陆地水储量变化对流域下游等周边区域水资源的合理利用以及经济和社会发展等有着重要的意义.本文利用2003年1月至2013年12月的GRACE RL05数据反演了黑河流域陆地水储量长时间序列的变化,并针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题,采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号;将GRACE获得的泄漏信号恢复前后的黑河流域水储量变化结果与全球水文模型GLDAS和CPC进行比较分析,结果表明泄漏信号改正后的结果与水文模型结果的时间序列相关性均有明显提高,从其空间分布结果可以看出Forward-Modeling方法有效地恢复初始信号、增强被湮没的信号,泄漏信号误差减小;通过分析黑河流域水储量变化的长时间序列结果,发现其具有明显的阶段性变化特征,即2003—2006年呈明显下降趋势,约为-0.86cm·a-1,在2007—2010年趋于平衡状态,而2011—2013年则呈现缓慢上升趋势约为0.14cm·a-1;联合GRACE数据和GLDAS数据反演了黑河流域地下水储量变化,并与全球降雨数据GPCC进行了比较分析,两者相关性可达到0.88以上.     

鄱阳湖典型洲滩湿地土壤含水量和地下水位年内变化特征

湿地植被空间分布受多个水分因子共同影响,为了探求鄱阳湖典型洲滩湿地不同植被类型下地下水、土壤水的变化特征,本文选择鄱阳湖吴城湿地保护区内一个长约1.2 km的典型洲滩湿地为实验区,建立了气象-土壤-水文联合观测系统.对观测的气象、水文要素进行分析发现:(1)洲滩湿地地下水位年内呈单峰变化,季节性差异显著,最大埋深可达10 m,出现在1月份,丰水期8月份地下水位最高时可出露地表,且地下水位与湖泊水位变化具有高度一致性;(2)由远湖区高地至近湖区低地,不同植被带中地下水平均埋深变化为藜蒿带(4.76 m)芦苇带(2.87 m)灰化薹草带(1.61 m).地下水埋深小于50 cm的持续时间分别为:藜蒿带27 d、芦苇带112 d、灰化薹草带170 d;(3)土壤平均含水量沿不同植被带梯度变化为:藜蒿带最小(15.9%),芦苇样带(40.7%)和灰化薹草样带(43.7%)较大.土壤含水量年内变幅为:藜蒿带最大(2.5%~55.2%),芦苇带和灰化薹草带相对较小,分别为22.1%~48.1%和28.4%~54.1%;(4)不同植被带土壤含水量季节变化规律不同,藜蒿带土壤含水量年内呈单峰型,仅夏季土壤含水量较高,其余季节均在10%左右,而芦苇带和灰化薹草样带春、夏、秋季均维持较高含水量(42%以上),仅冬季水分含量较低.     

中国西北地区典型流域冻土退化对水文过程的影响

本文利用河西走廊疏勒河、黑河、石羊河和黄河上游50多年来冬季径流以及气温变化的对比分析,通过空间和时间的变化认识多年冻土变化对径流的影响.从径流的时间变化上看,50年来,多年冻土覆盖率较大的河流冬季退水过程有明显的减缓,这一减缓过程与流域负积温变化较为一致,但这一影响在多年冻土覆盖率较小的流域则没有表现.这表明在多年冻土覆盖率较大的河流,多年冻土退化已经对流域的水文过程产生影响.多年冻土退化的这一水文效应主要是由于随着多年冻土退化,冻土的隔水作用减小,一方面使流域内有更多的地表水入渗变成地下水,造成流域地下水水库的储水量加大,导致冬季径流增加;另一方面,入渗区域的加大和活动层的加厚,使流域地下水库库容增加,导致流域退水过程更为缓慢.此外,多年冻土对气候变暖的响应是一个缓慢的过程,因此多年冻土退化对径流过程的影响也是一个渐变过程.     

额济纳荒漠绿洲植被生态需水量研究

荒漠绿洲的生态需水量主要指维持荒漠绿洲植被正常生长所需要消耗的水量.采用3S技术与野外生产力测定相结合的方法, 通过建立植被归一化指数(NDVI)、生产力、蒸腾系数之间的关系方程, 计算了额济纳荒漠绿洲的植被生态需水量.结果表明, 维持额济纳绿洲现状的需水量为1.53×10⁸ m³, 若使现有的植被恢复到目前最高生产力水平的生态需水量为3.49×10⁸ m³. 考虑到城镇居民生活用水、河道输水损失、绿洲植被耗水、绿洲内农田用水和降水补充等, 额济纳旗绿洲维持现状需要黑河下泄水量(狼心山)为1.93~2.23×10⁸ m³之间, 若使现有的植被恢复到目前最高生产力水平, 需要黑河下泄水量(狼心山)为4.28~5.17×10⁸ m³之间.     

干旱区绿洲两种典型的LUCC过程与驱动力对比分析——以天山北坡三工河流域为例

根据三工河流域绿洲1978,1987年航片、1998年TM影像以及土壤、水文与社会经济资料,综合运用遥感、GIS、土地利用/覆被变化(LUCC)指数模型、Logistic逐步回归模型及所提出的因子加权和指标,分析表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度,比较小规模家庭承包和大规模农场耕作的两种典型土地经营模式下的LUCC过程和驱动力.耕地、草地控制全区土地利用的基本格局,耕地、城镇村工矿用地面积逐年增加,家庭经营区林草地面积均大幅度减少,而农场经营区仅草地有所减少(减幅12.0%),林地却增加了(增幅13.7%);研究区前期(1978～1987年)土地利用变化比后期(1987～1998年)剧烈,家庭经营区土地利用变化比农场经营区剧烈.政策是土地利用变化的决定性因素,水资源是土地利用的先决条件,在政策的宏观控制和水资源的约束下,全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济,主要的限制因素为土壤肥力和地下水埋深;家庭经营区人为驱动占主导地位,农场经营区自然因素的限制作用更加突出.影响因子波动越大的区域或时段,其土地利用的变化也越显著.     

干旱区绿洲两种典型的LUCC过程与驱动力对比分析——以天山北坡三工河流域为例

根据三工河流域绿洲1978,1987年航片、1998年TM影像以及土壤、水文与社会经济资料,综合运用遥感、GIS、土地利用/覆被变化(LUCC)指数模型、Logistic逐步回归模型及所提出的因子加权和指标,分析表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度,比较小规模家庭承包和大规模农场耕作的两种典型土地经营模式下的LUCC过程和驱动力.耕地、草地控制全区土地利用的基本格局,耕地、城镇村工矿用地面积逐年增加,家庭经营区林草地面积均大幅度减少,而农场经营区仅草地有所减少(减幅12.0%),林地却增加了(增幅13.7%);研究区前期(1978～1987年)土地利用变化比后期(1987～1998年)剧烈,家庭经营区土地利用变化比农场经营区剧烈.政策是土地利用变化的决定性因素,水资源是土地利用的先决条件,在政策的宏观控制和水资源的约束下,全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济,主要的限制因素为土壤肥力和地下水埋深;家庭经营区人为驱动占主导地位,农场经营区自然因素的限制作用更加突出.影响因子波动越大的区域或时段,其土地利用的变化也越显著.     

干旱区绿洲两种典型的LUCC过程与驱动力对比分析——以天山北坡三工河流域为例

根据三工河流域绿洲1978,1987年航片、1998年TM影像以及土壤、水文与社会经济资料,综合运用遥感、GIS、土地利用/覆被变化(LUCC)指数模型、Logistic逐步回归模型及所提出的因子加权和指标,分析表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度,比较小规模家庭承包和大规模农场耕作的两种典型土地经营模式下的LUCC过程和驱动力.耕地、草地控制全区土地利用的基本格局,耕地、城镇村工矿用地面积逐年增加,家庭经营区林草地面积均大幅度减少,而农场经营区仅草地有所减少(减幅12.0%),林地却增加了(增幅13.7%);研究区前期(1978～1987年)土地利用变化比后期(1987～1998年)剧烈,家庭经营区土地利用变化比农场经营区剧烈.政策是土地利用变化的决定性因素,水资源是土地利用的先决条件,在政策的宏观控制和水资源的约束下,全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济,主要的限制因素为土壤肥力和地下水埋深;家庭经营区人为驱动占主导地位,农场经营区自然因素的限制作用更加突出.影响因子波动越大的区域或时段,其土地利用的变化也越显著.     

山地平原过渡带地形起伏特征及其对景观格局的影响——以太行山淇河流域为例

地形对过渡带景观格局的形成起关键作用,定量探讨其作用机理有助于科学解释复杂地域单元的景观格局,从而深入理解其演变过程.文章以位于山地平原过渡带的太行山淇河流域为例,采用均值变点法提取地形起伏度,从类型和景观两个尺度探讨地形起伏度对景观格局的影响,并利用Logistic回归模型研究不同地形起伏度区自然和人为因素与景观格局的定量关系,从而阐释其影响机理.结果表明:(1)淇河流域地形以小起伏(70~200m)为主,主要位于淇河中上游;其次为平坦(0~30m)及微起伏(30~70m),位于研究区两端及中部林州境内;中起伏(≥200m)占比例较少,位于河南与山西及林州与鹤壁的交界处.(2)随地形起伏度增加,景观类型由人为景观逐渐向自然景观过渡,景观多样性和破碎度先增后减,蔓延度和聚集度先减后增.(3)随地形起伏度增加,对景观类型分布具有解释作用的因素逐渐由人为因素占主导转为以自然因素占主导.同时,人为干扰的综合影响逐渐减弱,在平坦区人为干扰使林地和草地分布概率比自然状态下分别减少41.26%和7.74%,而在中起伏区两者的分布概率仅减少1.36%和0.22%.由此可见,山地平原过渡带显著的地形起伏特征带来的水热与人为活动的差异是景观格局形成的直接原因.     

大尺度水文模型TOPX构建及其与区域环境系统集成模式RIEMS的耦合

基于改进型SIMTOP参数化径流方案和新安江模型的三层土壤水量平衡计算方法,本文构建了一个输入数据和率定参数较少、同时具有地形指数尺度转换机制、较好描述二维水文过程的简单高效的大尺度水文模型TOPX,并将其与区域环境系统集成模式RIEMS紧密耦合,以增强区域气候模式对大尺度流域径流量的定量数值模拟能力．TOPX模型在酉水河流域和泾河流域的离线测试表明：该模型对小尺度流域的径流量模拟精度较高,能够较好地描述流域水文变化过程;同时,该模型在大尺度上具有较强的分布式模拟能力,能够捕捉陆面水文过程的主要特征和时空演变特点．TOPX与RIEMS的耦合模式在泾河流域进行了在线测试,借助TOPX模型中的地形指数降尺度转换和水文过程产汇流机制,耦合模式实现了利用区域气候模式模拟的气象资料来驱动水文模型进行大尺度流域日径流量的模拟．进一步分析还表明：区域气候模式RIEMS模拟的降水时空分布数据的精度是影响耦合模式对径流量模拟效果的关键因素．     

三工河流域绿洲时空变异及其稳定性研究

根据三工河流域1978, 1987年的航片和1998年TM影像以及气象水文观测资料, 利用GIS, RS和景观生态学的理论与方法, 从绿洲土地覆被、景观格局变化和绿洲冷岛效应, 研究了冲洪积扇-冲积平原型绿洲时空变异和稳定性.结果表明: (1) 流域绿洲上部、中部和下部土地覆被变化的幅度大且速度很快, 并且存在明显的空间变异性; (2) 1978~1987年期间, 绿洲景观的多样性和异质性增加, 绿洲景观稳定性降低, 而1987年后, 绿洲景观的多样性降低, 绿洲景观稳定性提高; (3) 60年代以来, 三工河绿洲的冷岛效应逐步加强, 从气候角度来说, 绿洲稳定性显著提高.     

太湖流域平原水网区浅层地下水动态特征及影响因素

鉴于浅层地下水在维持区域生态功能方面的重要作用,基于2005-2015年太湖平原水网地区苏州市的14个浅层地下水监测井水位及2005-2014年降水、河道水位和蒸发等日尺度数据,开展浅层地下水埋深动态特征及影响因素研究.结果显示:苏州市浅层地下水总体呈由北往南、自西向东的流场方向,主要受地形因素的影响;年际及丰水期埋深有所减小,枯水期反之,各区域变化过程不一致;枯水期浅层地下水动态特征受不同量级降水总量和次数的显著影响,且与地表水过程关系密切,汛期反之.此外均受到引排水和下垫面变化等因素的影响;浅层地下水埋深对降水具有滞后性,多滞后1~2 d;通过对地形地貌条件、土地利用类型、河湖密度以及浅层地下水埋深状况等因素的综合分析,浅层地下水动态特征可表达为耕地区、水网密布区、高度城镇化区及低山林区4种特征类型.     

民勤沙漠-绿洲低空沙尘暴结构特征研究

通过从沙漠到沙漠绿洲过渡带再到绿洲8.3 km水平梯度和近地层50 m垂直梯度的低空沙尘观测系统所收集的19次沙尘暴的沙尘水平通量、垂直通量及风速等相关气象数据,结合下垫面环境状况,定量研究了中小尺度条件下,民勤沙漠、沙漠绿洲过渡带和绿洲3种典型下垫面环境沙尘暴诸要素的水平分布和垂直变化规律及其与下垫面的关系,评估了绿...     

用树轮资料重建黑河近千年来出山口径流量

依据黑河上游流域内获取的树木年轮样本和该河上游及出山口水文站径流资料, 利用树木年轮水文学的原理和方法, 建立了年轮年表. 年表与河流径流量的相关关系, 重建了黑河上游及出山口径流. 得出在距今1319 a以来, 黑河莺落峡出山口最大年径流量为26.74 × 108 m3/a, 最小为6.44×108 m3/a, 年际变率Cv = 4.17, 多年平均为15.284 × 108 m3/a. 特枯、偏枯水年以及平水年、特、偏丰水年出现的概率分别为18.9%, 23.9%, 20.5%, 19.0%, 17.7%. 相对而言, 枯水年稍多一些. 持续5 a以上的枯水段出现过37次, 共358 a, 持续最长的枯水段达22 a; 丰水段为38次, 共390 a, 最长达39 a. 这两种现象仅占总数的一半, 另一半是2～3 a间的丰、枯水循环和平水期. 小周期循环是出山口径流量的主要变化方式. 同时也有较明显的中、长周期变化. 据历史文献记载中所描述张掖(原甘州)旱涝灾害与出山口年径流量的对比中, 旱灾的吻合率高达80%以上. 而涝灾也在60%以上. 从中长周期的变化趋势来看, 目前在全球气候变暖背景下, 出山口径流量正处在一个百年尺度的丰水期中. 这一结果是目前我国在利用树木年轮重建千年以上长度水文资料的首例工作. 它为黑河流域经济发展、生态环境保护以及合理利用地表水资源提供重要科学依据.