基于LU-SWAT模型的土地利用/覆被变化对水文过程的影响研究——以黑河上游为例

【目的】揭示内陆河流域集水区土地利用/覆被变化对水文过程的影响及其成因。【方法】基于能够逐年调用土地利用/覆被数据的LU-SWAT模型,并结合控制变量法研究了黑河流域集水区黑河上游1990—2009年土地利用/覆被变化对地表径流、侧向流、蒸散发量、地下径流以及总产水量的影响。【结果】LU-SWAT模型对于黑河上游月、年出山径流模拟结果较好,其月径流模拟的纳什系数为0.93,相关性系数为0.94;其年径流模拟的纳什系数为0.83,相关性系数为0.86。此外,其对各个水文要素的模拟结果符合西北干旱区内陆河流域集水区的水文特征;1990—2001年黑河上游土地利用变化主要表现在林地的减少,而2002—2009年土地利用的变化除了林地和草地的增加之外,还表现在裸地的大面积减少;1990—2001年黑河上游地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量都呈现增加趋势,而地下径流呈减少趋势,2002—2009年流域地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量减少,而地下径流量增加。在黑河上游,干旱条件下各水文要素对于土地利用覆被变化的响应更明显。【结论】1990—2001年林地的减少可能是流域地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量都呈现增加趋势而地下径流呈减少趋势的主要原因。2002—2009年裸地的大面积减少可能是流域地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量减少而地下径流量增加的主要原因。     

黑河中游农业节水问题的探讨

根据黑河流域治理的总体目标，通过对黑河中游灌区的基本情况分析，得出了黑河中游农业灌溉方面尚有较大的节水空间，并提出了完成黑河分水任务，中游农业节水的途径与措施。     

河套灌区蒸散发分析及耗水机制研究

以河套灌区义长灌域永联试验区为研究对象,建立水均衡方程。首先,分析了水均衡法估算出的蒸散发量的合理性、蒸散发量与水均衡要素的关系以及根系层不同取土观测深度对水均衡法估算蒸散发量的影响。然后,分析了永联全区的水均衡要素构成以及土壤水和地下水的水分消耗过程。最后,分析水均衡法估算蒸散发量需注意的问题。     

基于SEBS模型反演凌河流域尺度地表蒸散发量

利用NOAA/AVHRR数据和气象资料,结合反演陆面蒸发较为准确的SEBS(Surface Energy Balance System)模型,反演了2011年我国辽宁西部地区凌河流域蒸散发量的时空分布。研究表明,凌河流域各月的蒸散发量变化范围在0~7mm之间,少数地区超过7mm。研究为大面积获取我国辽西北干旱地区的蒸散发情况奠定了基础。     

基于熵权物元可拓法的黑河中游水资源承载力评价

为了对黑河流域的水资源进行科学合理的利用,基于物元可拓评价方法,引入最大贴进度法作为改进的可拓方法,并采用熵值法确定其权重系数,对黑河中游地区的水资源承载力进行了计算分析和评价,然后就不同的治理方案进行了比较。结果表明,目前黑河中游的水资源开发已经具有一定的规模,属Ⅱ级水平,即承载力水平相对较低。对比各项治理方案,其评价特征值由现状年的2.451 7(Ⅱ级水平)调整至1.094 0(Ⅰ级水平)。影响黑河中游地区水资源承载能力的主要因素是农业用水量。因而,可采取提高黑河中游地区的农业用水水平并对其灌区面积加以限制、调整当地产业结构的方法,以提高其水资源承载能力。     

基于地面观测和Sentinel-2数据的玉米实际蒸散发估算

基于遥感技术估算作物蒸散发(Evapotranspiration,ET)对农业用水效率评价和精量灌溉决策具有重要意义。结合Sentinel-2数据和农田连续地面观测资料,利用混合双源蒸散发模型(Hybrid dual-source scheme and trapezoid framework-based evapotranspiration model,HTEM)对宁夏回族自治区中卫市2019年两个试验田玉米主要生育期(5—8月)的蒸散发量进行估算,并用水量平衡法对遥感估算结果进行验证和评价。结果表明:Sentinel-2数据具有高时空分辨率,能够与研究区复杂的种植地块相匹配,减少了混合像元的数量;遥感反演参数与地面观测数据拟合度较高,研究区2019年遥感反演的玉米田净辐射量均方根误差为36.256 W/m²。利用HTEM模型估算可得,主要生育期内研究区两个玉米试验田的日均实际蒸散发量分别为4.269 mm/d和4.339 mm/d,实际蒸散发总量分别为525.114 mm和533.690 mm,其中植被蒸腾量分别为363.483 mm和358.196 mm,生育初期主要以土壤蒸发形式消耗水分,随着作物的生长,在生育中后期主要以植被蒸腾的形式消耗水分。ET遥感反演结果与水量平衡结果之间差别不显著,两个观测点绝对误差分别为13.533 mm和7.774 mm。因此,结合地面连续观测系统和Sentinel-2数据估算研究区玉米生育阶段蒸散发量具有较高的精度,可为作物耗水规律研究及区域农业水管理提供技术支撑。     

基于Budyko假设的海河流域蒸散发量和径流量估算研究

通过对海河流域内平原及山丘区三级子流域的多年平均降水量、径流深及实际蒸发量和蒸发能力的分析,发现Budyko假设在海河流域山区参数 的平均值远小于平原区,山丘区计算蒸散发量和径流量的误差较小,而平原区误差大。在此基础上,建立了海河流域平原区地下水埋深变化与Budyko公式计算误差之间关系,改进了平原区Budyko计算公式,提高了实际蒸散发和径流量计算精度。     

基于遥感蒸散发模型的净灌溉水量测算空间尺度研究

【目的】农业用水总量和灌溉水有效利用系数是最严格水资源管理考核总量红线和效率红线控制的重要指标。目前遥感蒸散发模型在珠江片区域蒸散发量估算和净灌溉水量评估的应用度不高,对其空间适用尺度缺乏研究。【方法】以广西区为例,通过试验观测-遥感解译等技术计算不同空间尺度遥感蒸散发量,并与相应尺度直接量测的净灌溉水量建立线性相关关系,根据相关系数,得出误差最小的空间尺度,从而建立一套更准确、快速、有效的最优空间尺度下,根据遥感蒸散发量进行区域净灌溉水量估算的方法。【结果】在较大的广西区、片区尺度,净灌溉用水量和遥感蒸散发量之间存在明显的线性相关关系,相关系数在0.8以上;对比广西区和桂中片区净灌溉用水量实测结果与遥感估算结果,误差均在0.5%以内。【结论】在片区和广西区等较大尺度,遥感测算结果的可信度较高,遥感蒸散发模型适用性较强,其估算结果可为最严格水资源管理考核和农业水资源科学管理提供科学支撑。     

吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律

【目的】探索吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律。【方法】以吉兰泰为对象,利用MODIS数据通过SEBAL模型估算了研究区2017年植被生长季5—10月的日蒸散发,并分析了蒸散发与环境因子的相关性。【结果】①生长季日平均蒸散量整体趋势呈单峰型分布趋势,日均蒸散量最大值在7月(3.98 mm),最小值在10月(1.11 mm);②在空间分布上,研究区东南部蒸散发最高,东北部蒸散发最低;不同土地利用类型中蒸散发值由大到小分别为林地、耕地、草地、戈壁、沙漠;各土地利用类型蒸散发量的时间动态表现一致,呈生长期>生长初期>生长后期;③归一化植被指数、高程与蒸散发正相关,风速以及地表温度与蒸散发负相关。【结论】SEBAL模型估算的蒸散发与P-M作物系数法的蒸散发进行对比,相对误差在允许范围之内,表明SEBAL模型对本研究区蒸散发的估算是可靠的。研究区靠近山地的蒸散发大于荒漠区的蒸散发。在植被生长季中生长初期的蒸散发受温度和风速影响最大,生长期和生长后期的蒸散发受地表温度和高程影响最大。     

石羊河流域典型畦灌玉米蒸散发量变化规律及归因分析

【目的】明确石羊河流域典型畦灌玉米蒸散发量变化规律及其驱动因素。【方法】基于涡度相关系统,在2015—2018年于中国农业大学石羊河试验站对西北典型畦灌玉米蒸散发量进行了连续观测。基于偏相关分析及结构方程模型分析了玉米蒸散发量与环境因子之间的关系。【结果】畦灌玉米生育期平均蒸散发量为524.3 mm,日平均蒸散发量为3.5 mm/d,生育期内日蒸散发量呈先上升后下降的单峰变化趋势,在7月达到峰值。净辐射量与蒸散发量之间的相关性最高,对蒸散发量影响程度较大的环境因子为净辐射量、温度、饱和水汽压差。结构方程结果表明,叶面积指数作为中间变量与蒸散发量之间存在正相关性。【结论】畦灌玉米生育期内日蒸散发量呈先上升后下降的变化趋势,净辐射量、温度、饱和水汽压差是对蒸散发量影响较大的环境因子。     

气候变化对黑河流域典型作物灌溉需水量的影响

为研究气候变化对作物灌溉需水量的影响,在假定未来气温上升0.5~4℃,降水增加10%~30%的条件下,研究了黑河流域主要作物在不同种植条件下的作物需水量及灌溉需水量的变化。结果表明,生长期内气温每升高1℃,区域内小麦净作、玉米净作和小麦与玉米间作方式下作物需水量将分别增加3.1%(15.5 mm)、2.8%(18.5 mm)和3.0%(25.6 mm),黑河流域中游每年将增加灌溉量0.15×108m3,相当于国家给黑河干流区分水量的2.4%;降水每增加10%,灌溉需水量将分别减少1.9%(7.8 mm)2、.3%(12.4 mm)和1.8%(12.8 mm)。     

根河流域1980-2017年气候和径流的变化特征分析

根河流域处于我国寒温带地区,气候和自然环境较为特殊,分布着大面积冻土,对于气候变化非常敏感。【目的】通过分析根河流域气象要素和径流的变化,探讨气候和水文之间的相互关系,为该流域的水资源科学管理提供理论依据。【方法】以额尔古纳水系根河流域为研究对象,利用M-K检验和Hurst指数等方法,分析根河流域1980-2017年气象要素和径流的变化趋势及相互作用关系。【结果】①根河流域年平均气温在1980―2017年,共上升了1.10℃,在α=0.01的水平上呈上升趋势,且上升趋势有较强的持续性(H=0.75)。其中,生长季的气温变化最为强烈(Z=4.63)。②根河流域生长季降水量占年降水量的85%,趋于下降趋势,下降幅度为1.68 mm/a。③根河流域始冻期和完全冻结期的空气相对湿度分别α=0.001和α=0.01的水平上显著下降,且下降趋势有很强的持续性(H=1.0),变化幅度为0.05%/a。④根河流域径流量趋于下降趋势,在1997年和1999年发生突变,不年降水量发生突变的时间基本吻合,且降雨不径流的变化趋势一致,相关性分析表明,降雨不径流的相关系数为0.91。⑤根河流域径流量不年均气温相关系数为0.50,气温主要以增加流域各因子的蒸散发以及土壤和河流冻结、融化的时间或面积来影响流域径流量。【结论】根河流域降水量和径流在1980―2017年没有很大的变化趋势,气温呈猛烈的上升趋势,流域气候整体上趋于夏季越来越干冷,冬季干热的趋势。     

黑河分水对中下游水环境的影响

黑河流域水资源紧缺,区域生态环境十分脆弱。分析表明分水对中游会产生一定的负效应:分水引起地表水与地下水转化减弱,同时对地下水的开采有增加的趁势,叠加作用的结果使得中游地区水环境恶化,地下水位下降1.3~2.7 m,地下水储量减少约8.2×108m3,给中游绿洲植物的生长带来潜在威胁;而对下游有一定的正效应,增加了下游的入境水量,下游的河岸地下水位抬升幅度在横向上0.4~0.6 m,纵向上0.3~3.1 m,有效地改善了下游的水环境,从而使下游的生态环境的恶化得到一定程度的遏制,植被覆盖明显增加。但对黑河中、下游水质变化监测还需要进一步加强。     

基于Budyko假设的岷江流域实际蒸散模拟研究

基于Budyko假设,采用傅抱璞模型对1980—2010年岷江流域实际蒸散进行模拟,将Mann-Kendall检验法、Pettitt突变检测法、反距离权重插值法用于分析实际蒸散的时空变化特征,以灵敏度及Pearson相关系数为指标分析了岷江流域实际蒸散的主要影响因子。结果表明,基于Budyko假设的傅抱璞模型对岷江流域实际蒸散的模拟效果较好。岷江流域多年平均实际蒸散在空间上呈自东南向西北逐渐减少的分布特征;在研究时段内,流域的多年平均实际蒸散呈显著下降趋势(通过99%置信度检验),并于1991年发生显著性突变(通过90%置信度检验)。岷江流域实际蒸散的变化是多种因素共同影响的结果,其中降雨是主要的气候影响因素。     

气候变化下河北省宁晋县参考作物蒸散量变化趋势及敏感性分析

【目的】深入分析宁晋县气候变化及其蒸散发的变化,为该区域的作物种植管理和灌溉计划制定提供参考。【方法】根据1981—2018年河北省宁晋县气象站的逐日气象资料,计算了极端气候指数,并利用FAO56Penman-Monteith公式计算了参考作物蒸散量(ET0)。分析了各气象要素、极端气候指数和ET0的变化趋势,并利用敏感性分析找出影响ET0变化的主要气象因子。【结果】1981—2018年河北省宁晋县降水量无明显变化趋势,平均温度呈显著上升趋势,日照时间、相对湿度和风速呈显著下降趋势;极端高温指标呈上升趋势,极端低温指标呈下降趋势,极端降水指标无显著变化。【结论】相对湿度是ET0年均值主要影响因子;夏季对ET0月均值影响最大的气象因素为净辐射,其他季节,相对湿度对其影响最大;风速和辐射的降低不仅抵消了温度升高和相对湿度降低对ET0的正影响,还使得ET0呈下降趋势,但下降趋势不显著。     

冬小麦生育期有效降水量计算模式研究

根据田间试验数据,建立了冬小麦叶面积指数随有效积温变化的增长模型,实际腾发量模型及土壤入渗模型。并以土壤水分平衡法为基础,综合考虑作物蒸散、降水和灌溉等因素影响,利用新乡地区1951~2001年冬小麦连续50个生长年度的逐日气象资料,模拟了各年度冬小麦生长期土壤水分供需状况。通过模拟结果分析冬小麦生长期降水量和有效降水量相互关系及变化趋势,确定了该地区不同时长尺度下冬小麦生育期有效降水量适宜计算模式,以满足区域农业发展规划及水资源优化配置管理的需求。     

气候因素对阿克苏河径流变化影响的定量评估

[目的]探究阿克苏河径流变化的归因.[方法]采用Mann-Kendall-Sneyers检验估计流域水文、气象数据的变化趋势和突变情况,并试图用3种改进的弹性系数法评估气候要素(尤其是温度)对阿克苏河径流变化的影响.[结果]径流和温度分别以11.73 m3/(s·10 a)和0.26℃/10 a的速率显著递增.降雨也呈...     

黄河源区降水径流变化特征及响应分析

利用1961-2014年黄河源区周边气象站站点降水数据和唐乃亥以上流域水文观测数据,采用Mann-Kendall法、Spearman秩次检验、有序聚类法及累积距平法对源区降水量径流量变化特征分析,再结合相关性分析、格兰杰因果检验和双累积曲线法对降水径流的响应关系进行讨论.结果表明:黄河源区的年际降水量表现为非显著减少趋...     

黑河流域下游天然植被生态及需水研究

依据遥感资料分析了黑河下游天然植被生态变化 ,提出了依据由生态适宜性理论建立的植物生长与地下水位关系模型 ,结合遥感技术进行的生态分区和植物生理需水的现场实验数据的天然生态需水量计算方法 ,计算了黑河流域下游额济纳旗天然植被生态需水量 ,得出了合理的结论。     

石羊河流域绿洲农业发展对水资源转化的影响及其生态环境效应

从绿洲农业发展对水资源转化影响的角度,研究了石羊河流域水资源转化与生态环境的相互关系,辨证地分析了流域平原区水资源转化的生态环境效应。研究结果表明,绿洲农业发展对水土资源的开发利用改变了流域水资源的转化格局,提高了水资源的利用率,为绿洲的稳定和发展提供了宝贵的水源。同时,由于水资源转化关系的巨大改变,也引发了地表水域萎缩、地下水位大幅度下降、泉水资源量衰减、水质污染与盐化、植被退化、土地沙化和土地盐渍化等一系列生态环境问题,这些问题已严重地影响到了流域水土资源的可持续利用和生态环境安全。