延河流域水土保持措施减蚀效应分析

 利用延河流域35个雨量站50多年的日降雨、数字高程模型、土壤类型图、土地利用图和植被覆盖图、水土保持措施调查数据,结合黄土高原的区域特征,运用CSLE,在ArcGIS的支持下分别计算研究区1986、1997和2006年土壤侵蚀量,以1986年的水土保持措施实施情况作为基期水平,模拟1997、2006年在水土保持基期水平情景下的土壤侵蚀量,对比分析水土保持措施变化对土壤侵蚀量的影响。结果表明:以1986年作为基期,新增水土保持措施在1997年减少土壤侵蚀量96万t,在2006年减少土壤侵蚀量628万t;考虑2006年降雨特征不同于研究区多年降雨特征,按照2006年降雨特征计算,则新增水土保持措施在2006年减少土壤侵蚀量140万t。研究结果可为延河流域水土保持效益评价、水土流失治理和生态建设提供参考。     

延河流域径流过程对气候变化及人类活动的响应

在全球气候变暖背景下,关注流域水文与气象要素的变化尤为必要.为了揭示气候变化及人类活动对延河流域径流的影响程度,本文运用Mann-Kendall方法和重标极差法,分析流域径流深、降水和气温等要素在1955-2012年间的变化;利用Pettitt突变检验,识别出径流的突变年份,并采用水文敏感性分析方法,定量区分气象因素和人类活动对延河流域径流变化的贡献.结果表明:1955-2012年,延河流域降水减少89.4 mm,气温升高2.15℃,径流深减少17.3 mm,呈现暖干化趋势.径流突变发生在1996年,与1955-1995年相比,1996-2012年的年平均径流深减少11.7 mm;其中人类活动对径流减少的贡献率为56％.研究阐明延河流域气候有暖干化的趋势,且人类活动作用在径流减少中所占比重较大,并对该区水资源合理利用与管理具有较好的指导意义.     

延河流域水土保持对径流泥沙的影响

 采用Mann-Kendall统计检验方法和Pettitt系列显著性突变点的无参数识别方法分析延河流域径流和泥沙演变趋势及突变点,基于流量历时曲线分析延河流域突变点前后径流和泥沙变化特征,研究了水土保持措施对流域径流和泥沙的影响。结果表明:延河流域径流和输沙量均呈减少趋势,输沙量在1971和1996年有2个显著性的突变点,对于黄土高原丘陵沟壑区,水土保持措施减少河川径流量和输沙量。随着突变点后期水土保持措施力度的加大,水土保持措施拦蓄径流和泥沙的作用逐渐增强。水土保持措施使径流高流量部分减少,常流量和低流量部分增加,表明水土保持措施可削减汛期流量,增补枯季流量。突变点后期输沙量较之变化前期整体呈减少趋势。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区的水土保持和水资源管理工作提供一定参考。     

延河流域水土保持信息系统的设计与实现

区域水土保持信息系统涉及因素多、信息量大,科学管理有着极其重要的意义。本研究采用C/S体系,以延河流域为实验区,建立了区域水土保持信息系统。利用Oracle+Arc SDE+Arc Engine构架、采用元数据表、基于树结构实现了按水土流失影响因子类型分层、按矢量和栅格数据分类来管理数据;实时进行水土流失影响因子的空间插值以减少因栅格数据大带来的数据冗余和存储困难;基于栅格数据缩略图和网络实现栅格数据快速查询;在网络环境下多用户能够协同操作,实现对各因子及土壤侵蚀量的模拟运算,并能对水土流失进行定量评价和专题统计分析。该方式可大大提升水土保持信息管理效率、并为决策提供科学参考。     

径流与水文要素变化规律

通过建立6个径流小区，采取不同治理措施进行观测和分析，研究其径流与水要素的变化规律，寻找适当的配置措施。     

基于GIS的延河流域滑坡崩塌地质灾害空间分布及其引发因素分析

[目的]以更符合滑坡崩塌发生发展规律的延河流域为例,进行地质灾害空间分布及引发因素分析研究,为防灾减灾提供依据。[方法]依据区县地质灾害详细调查资料,建立GIS地质灾害数据库,包含地理数据、基础地质数据、地质灾害点数据和栅格数据。统计分析坡度、坡高、坡型、河谷发育期等引发因素;选取坡度、坡型、植被、河谷地貌、地层、降雨量、道路距离、居民点8因素,采用加权信息量法进行地质灾害易发性分区阐述地质灾害空间分布。[结果]坡高50~100m,坡度30°~45°易形成滑坡;老年河谷灾害点密度为壮年期的2倍,幼年期的3倍;凸型和直线型斜坡更容易产生滑坡和崩塌灾害,阶梯型和凹陷型斜坡稳定程度明显增高。延河流域滑塌高易发面积1 664.96km2,灾害点密度0.29处/km2;中易发3 102.02km2,密度0.10处/km2;低易发3 888.99km2,密度0.04处/km2。[结论]以流域为单位进行地质灾害研究,引发因素、空间分布规律更为明显,指导防灾减灾更加实用。     

近25年延河流域土地利用/覆盖变化的时空特征

基于1980年和2005年两期土地利用矢量数据,选取土地利用转移矩阵、土地利用动态度和重心转移3种方法对延河流域土地利用/覆盖时空变化特征进行了定量研究。结果表明:(1)在近25a,延河流域森林和农田面积在数量上发生了大幅度的变化,以农田流向森林为主,然而草地和农田始终是流域主要的土地利用类型,二者所占比重之和在两个时期均在87%以上,加上森林三者所占比重达99%以上;(2)25a内,延河流域仅有3.89%的土地资源发生了利用方式的变化,但聚落用地面积增加迅速,年均增加速率为4.10%,主要靠占用农田和草地来实现;(3)区域之间以及区域和整个流域之间的土地利用变化方向和变化速度不一致,其中安塞地区的各土地利用类型变化速度均大于全流域,这与安塞地区的社会经济活动比较活跃,土地利用变化总体较为剧烈息息相关;(4)25a内,各种土地利用类型在空间上分布比较均匀,其中森林在空间上不断向上游、高海拔方向转移,而流域内水体的重心向流域下游迁移。     

基于结构化植被指数的延河流域土壤侵蚀时空动态分析

黄土高原是我国水土流失问题最为突出的地区,也是退耕还林还草等生态工程重点实施区。为深入了解植被在土壤侵蚀中的作用,以黄土高原丘陵沟壑区——延河流域为研究区,基于结构化植被指数(Cs)计算植被覆盖管理因子,在此基础上利用RUSLE模型模拟了2000—2018年延河流域土壤侵蚀强度的时空动态特征,并与基于传统归一化植被指数(NDVI)的结果进行了比较。结果表明:(1)基于Cs和NDVI的2000—2018年延河流域多年平均土壤侵蚀模数分别为8 354.62 t/(km²·a)和6 421.13 t/(km²·a),19年间总体呈现下降趋势,分别下降了56.41%和44.16%;(2)2000—2018年,延河流域土壤侵蚀强度变化明显,基于Cs和NDVI的土壤侵蚀强度降低的面积分别占流域总面积的53.70%和62.45%。延河流域的中游和下游土壤侵蚀强度下降明显;(3)Cs能够反映植被恢复的过程,且综合考虑了植被群落的水平和垂直结构特征,更为全面地反映植被的水土保持功能。结构化植被指数为进一步揭示植被群落在水土保持的作用和效益提供了科学依据。     

延河流域土壤侵蚀对LUCC的响应及驱动力

为了探究延河流域土地利用/覆被变化对土壤侵蚀的双重效应及其驱动力,为今后水土保持和生态环境建设提供依据,采用构建土壤侵蚀对LUCC响应模型的方法,结合GIS和RS技术进行了研究。结果表明:(1)1980—2018年期间,延河流域LUCC引起的土壤侵蚀效应和土壤保持效应共存,土壤侵蚀效应在波动中减弱,土壤保持效应在波动中增强;(2)同一时期内,LUCC引起土壤侵蚀效应和土壤保持效应相抵后,1980—1990年,LUCC引起土壤侵蚀效应,1990—2018年,LUCC引起土壤保持效应;(3)1980—1990年,LUCC引起土壤侵蚀效应主要受人口增长驱动,为满足人类需求,大量开垦耕地,增加建设用地,1991—2010年,LUCC引起的土壤保持效应主要受政策驱动,城市建设、产业结构调整等社会经济发展也起到一定作用,2011—2018年,LUCC引起的土壤保持效应主要受人口城市化的驱动,土地政策也起到一定的作用。可见,1990年之前,受人口增加驱动,延河流域LUCC引起土壤侵蚀效应,1990年之后,主要受经济、政策等因素的影响,延河流域LUCC主要引起土壤保持效应。     

基于长时间序列NDVI的黄土高原延河流域及其沟壑区植被覆盖变化分析

为探究退耕还林(草)等生态工程实施后延河流域坡面与沟壑地貌区的植被恢复情况,基于长时间序列NDVI和降雨数据,采用趋势分析法、Pettitt突变点分析和残差分析以及人工交互样本法对2000—2019年延河流域以及流域坡面和沟壑区植被NDVI变化特征进行了分析。结果表明:(1)2000—2019年延河流域植被恢复明显(年均趋势率为1.30%),但呈现分段特征,其中2000—2008年植被覆盖恢复迅速(年均趋势率为2.00%); 2009—2019年植被覆盖恢复速度有所减缓(年均趋势率为0.70%),且部分区域出现退化。(2)2000—2019年延河流域的沟壑区域NDVI随着坡面区域NDVI的增加而增加,且相关性较强(R²=0.967),沟壑区域NDVI与坡面区域NDVI数据值相近。(3)2000—2019年延河流域NDVI变化与降雨量的相关性较弱,降雨不是该地区NDVI变化的主导因子。人类活动与延河流域NDVI变化呈正相关关系,相关性较强; 人类活动对NDVI年均贡献率为1.29%。研究表明“退耕还林”等生态工程对植被恢复起到了重要作用,且沟壑区植被覆盖随着坡面植被覆盖变化而变化。     

黄土丘陵沟壑区小叶杨林生长的空间差异分析--以吴旗县为例

对延河流域降水、径流和泥沙等水文要素从20世纪中叶到21世纪初的年内分配及年际变化进行了时变过程分析。以探求区域植被重建对流域水文过程的影响情况。结果表明,三个水文基本要素都有不同程度的年内分布趋于均匀和年际变化趋缓的趋势。20世纪70-90年代比60年代流域平均面雨量分别减少了10．5％,11．7％和14．0％,年径流量分别减少了19．0％,12．9％和22．6％,年输沙量分别减少了21．1％．46．2％和41．7％。     

基于GIS和RS的延河流域植被覆盖度与地形因子的相关性研究

以延河流域为研究区,综合运用GIS和RS技术,基于Landsat TM影像,运用改进的像元二分模型估算了延河流域2000年和2010年的植被覆盖度,结合DEM数据提取的高程,坡度、坡向地形数据,分析了植被覆盖度与地形因子的相关性,以期为延河流域植被恢复和生态建设提供依据。结果表明:(1)延河流域植被覆盖度从2000年的29.18%增加到2010年的52.42%,呈上升趋势。(2)2000年植被覆盖度随高程的增加呈减小的趋势,2010年植被覆盖度随高程的增加呈先增加后减少的趋势。2000年和2010年植被覆盖度随坡度的升高,大致呈现先升高后降低的趋势,在30°~35°范围内最高。2000年和2010年植被覆盖度总体表现为阴坡(北、东北)半阳坡(东南、西)=半阴坡(东、西北)阳坡(南、西南)平地,其中阴坡的植被覆盖度最高,平地的植被覆盖度最低。(3)在高程1 000~1 500m,坡度在25°~45°范围内,植被覆盖度增加的值最大。     

近20年延河流域生长季产水系数时空变化特征及影响因素

[目的]流域产水系数的变化反映了降雨和下垫面变化的综合影响,研究产水系数的变化特征对流域水资源合理调控具有重要意义。[方法]以延河流域为研究区,采用一元线性回归和Mann-Kendall方法分析生长季产水系数的变化趋势,结合NDVI、降雨量、暴雨日数和无雨日数4种产水系数影响因素进行空间聚类分析,并探究其时空变化特征。[结果]2001—2017年延河流域生长季的产水系数呈现波动增加趋势,但增加趋势不显著,且大部分区域变化幅度相对较小,倾向率介于-0.017～0.031/10 a,延河流域生长季平均产水系数空间上呈北向南、西向东逐渐增大,大部分区域存在不显著的上升趋势,西北部区域产水系数呈不显著的下降趋势,中部部分区域呈现显著的上升趋势。[结论]就变化率而言,产水系数与降雨量、暴雨日数呈正相关,与无雨日数和NDVI呈负相关。就多年平均值而言,平均产水系数与平均降雨量、暴雨日数和NDVI均呈现正相关关系,与无雨日数呈负相关关系。延河流域产水系数时空变化特征及影响因素分析可为干旱半干旱区流域水资源管理和规划提供理论支撑。     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分时空变异特征

以黄土丘陵区的延河流域为研究区域,分析了3个时期（雨季前、雨季中、雨季后）不同土地利用类型对土壤水分动态的影响。结果表明：在水平层面、垂直剖面上土地利用类型对土壤水分动态有着显著的影响,农耕地土壤水分含量最高,并且对土壤水分含量影响最为明显,使其保持在一个较高的水平;其次是天然草地、撂荒地、乔木林地、果园用地和幼林地;含量最低的为灌木林地。在垂直剖面上,雨季前干旱期为递增型;雨季中湿润期为递减型和波动型;雨季后半湿润期为先减后增型。从总体趋势上来看,土壤水分的时空格局与降雨季节变化、植物蒸腾作用以及土地耕作利用方式密切相关。在延河流域,土地利用方式对土壤水分在不同的季节都具有显著性的影响。在该流域的管理中,应充分考虑不同土地利用类型对土壤水分的影响,优化土地利用结构,使流域的治理达到最优。     

2001-2020年南盘江流域植被物候时空变化及其对气候的响应

植被物候对气候敏感易观测,是观测生态变化与全球气候变化的重要指标,研究植被物候变化及其对气候的响应对于了解全球气候变化与植被之间的复杂关系具有重要意义。为揭示近20年来南盘江流域植被物候时空变化及其对气候的响应特征,基于2001—2020年增强型植被指数(MOD13Q1-EVI),运用S-G滤波、动态阈值法、Sen斜率分析法、相关性分析法等方法,获取了南盘江流域植被物候参数,分析其时空分布特征,利用偏相关系数分析了气候变化对SOS,EOS的影响。结果表明:(1)2001—2020年,南盘江流域物候特征变化较大,SOS(Start of the growing season)呈提前趋势,EOS(End of the growing season)和LOS(Length of the growing season)呈推迟延长趋势,物候变化具有空间异质性,不同子流域植被物候存在较大差异。(2)植被物候变化受到地形的影响,EOS随海拔升高,结束时间提前; SOS随海拔变化的规律与LOS的规律相反,都存在1 000 m,2 000 m和2 600 m分界线。(3)南盘江流域SOS变化与气温、降水呈正相关关系,EOS与气温呈正相关关系、与降水呈负相关关系。该研究可为南盘江流域的生态环境保护与植被资源可持续发展提供科学依据。     

延河流域土地利用空间格局模拟对比研究

为探究延河流域土地利用演变规律及未来空间格局分布,基于延河流域1986年、2000年和2010年3期土地利用数据,利用土地利用空间转移动态图及土地利用转移面积矩阵等方法,分析了延河流域1986—2010年土地利用/覆被变化的时空规律; 运用Logistic-CA-Markov模型和MCE-CA-Markov模型分别预测了2030年延河流域土地利用空间格局,并对模拟结果进行了对比分析。结果表明:延河流域1986—2010年耕地降幅最为明显,减少了557.10 km²,主要转为草地、林地和建设用地; 林地和草地面积持续增加,建设用地扩张迅速,分别增加了378.34,136.97,48.17 km²,水域及未利用地面积总体变化不大,生态恢复政策是影响延河流域土地利用变化的主要因子。Logistic-CA-Markov预测得到的2030年延河流域耕地和草地减少明显,建设用地和林地则增幅较大,流域经济发展需求较高,这种情况下应准确把握地区经济发展与资源利用的关系,根据区域特点因地制宜制定适合当地发展的政策。而MCE-CA-Markov预测得到的2030年延河流域耕地、林地、水域及建设用地均有增加,且耕地增幅最明显,这种利用结构表明流域经济发展相对较缓,实现了对流域环境的保护,但应积极探索土地利用新结构,最大限度发挥资源优势,从而实现流域经济与环境的可持续性发展。     

基于InSAR的黄土高原延河流域滑坡降雨阈值模型构建

[目的] 经验性降雨阈值存在地域局限性,在黄土高原开展滑坡灾害降雨阈值模型研究具有重要意义。[方法] 以黄土高原延河流域为研究区,综合Sentinel-1A、DEM、GPM降雨等多源数据,首先基于时序InSAR对延河流域进行滑坡识别;然后计算降雨因子与滑坡形变量间的相关性,确定前期降雨天数和前期有效降雨衰减系数;最后计算前期有效降雨量(E)、降雨强度(I)和降雨历时(D),并结合幂函数建立E-D、I-D和E-I降雨阈值模型。[结果] (1)共识别出2017—2021年107个滑坡,包括滑坡的具体位置和加速变形时间;(2)随着前期降雨天数的增加,累积降雨量与滑坡形变量的相关性呈先升后降的趋势;当前期有效降雨衰减系数K=1时,9天有效累积降雨量(滑坡发生当日及前8日降雨量)与滑坡形变量的相关性最强;(3)E-D、I-D和E-I降雨阈值模型对应的表达式分别为E=12.19D^0.661,I=10.66D^－0.255和E=3.84I^1.141。[结论] E-D、I-D和E-I降雨阈值模型将为黄土高原延河流域滑坡灾害的气象预警提供科学依据和借鉴。     

渭河流域潜在蒸散发时空演变与驱动力量化分析

潜在蒸散发（ET0）是水文循环和能量循环的重要组成部分,揭示ET0的时空演变特征及其对气候变化的响应,有助于进一步了解变化环境下水循环演变机理。该研究利用渭河流域16个气象站1960－2019年的逐日气象资料,基于FAO-56 Penman-Monteith（FAO-56 PM）公式计算ET0,采用线性倾向估计、趋势检验和插值方法对其时空变化特征进行分析,并基于敏感性分析和贡献率定量识别影响ET0变化的主导因子。结果表明：1）年尺度上,渭河流域气压（0.04 kPa/10a）和平均气温（0.30 ℃/10a）呈显著上升趋势,风速（?0.05 m/（s·10a））和日照时数（?18.79 h/10a）呈显著下降趋势,相对湿度（?0.32%/10a）呈不显著下降趋势;2）年ET0以2.51 mm/10a的速率呈不显著上升趋势,除夏季外,其余季节ET0呈上升趋势,其中春季ET0呈显著上升趋势;空间上,年ET0自东北向西南递减,变化范围为763.49～954.32 mm;3）年ET0变化的主导因子为相对湿度与风速,贡献率分别为2.36和?2.32;季尺度上,春、秋季ET0变化的主导因子为相对湿度,夏季为日照时数,而冬季为风速。研究结果可为区域制定合理的作物需水灌溉政策及实现水资源高效利用提供依据。