二元驱动下泾河流域蓝绿水变化归因分析

泾河流域地处黄土高原中部,是中国农牧业文明的发祥地之一,研究该流域的蓝绿水变化规律对黄土高原地区的水资源分配和水循环利用提供了重要思路,为最终实现“黄河流域生态保护和高质量发展”总体目标提供保障。基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水文模型和SUFI-2算法,首先分析泾河流域典型年份下蓝绿水资源量空间分布差异,其次采取情景设置法,分别固定气候要素和土地利用要素来设置情景,从而定量分析气候变化、土地利用变化等2种驱动因子对泾河流域蓝绿水变化的影响。模拟结果表明：(1)采用皮尔逊Ⅲ型频率曲线法确定典型年份：1997年为枯水年、2010年为平水年、2003年为丰水年。(2)丰水年的蓝绿水量最为丰富：丰水年的蓝水量是枯水年的5.4倍、平水年的1.8倍;绿水量是枯水年的1.4倍、平水年的1.1倍;枯水年的绿水系数最高,丰水年的绿水系数最低。(3)用Mann-Kendall突变检验法、滑动t检验法和累积距平法3种方法对1979-2019年张家山水文站径流进行突变分析,结果表明1996年是张家山水文站径流的突变年份。(4)1979-2019年,土地利用变化对泾...     

黄土高原典型区雨水资源化潜力模拟与评价

为充分利用雨水资源应对黄土高原水土流失和干旱缺水的问题,引入分布式水文模拟技术,构建具有物理成因机制的分布式雨水资源化潜力评估模型,解决雨水资源利用的核心问题--评价当地的雨水资源化潜力。通过研究黄土高原典型区域黄河河口镇至龙门段(河龙区间)的雨水资源情况,定量评估该区域雨水资源化潜力,结果表明:在气候变化和人类活动的双重背景下,20世纪80年代后,黄河流域河龙区间的地表径流量、土壤有效水增量和雨水资源化潜力呈现上升趋势;河龙区间大部分地区雨水资源呈增长趋势,雨水资源可基本满足现有条件下区域植被恢复的用水需求。气候变化对雨水资源化潜力起正影响作用,贡献率为63.4%,土地利用/覆盖变化则为负影响,贡献率为-36.6%。人类活动对区域雨水资源利用的影响不容忽视,应大力发展干旱半干旱区降雨-径流调控技术,提高雨水资源化利用率,以保障区域生态-经济协同可持续发展。     

土地利用方式对平原-丘陵-湿地交融区水资源的影响

近年来三江平原的平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式变化显著,造成地下水水位下降、水资源紧缺等问题,然而揭示该区土地利用方式变化对水资源影响的报道较少,且难于精准描述地表、地下、湿地和绿水等水资源量时空变化。本文联合基于格子波尔兹曼法的分布式TOPMODEL和湿地水流运动模型构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型,利用GIS和RS技术,结合地学信息图谱与空间自相关方法,分析了挠力河流域土地利用方式变化及其对水资源量影响。结果表明:根据耕地面积变化和动态度分布得1990—2013年间挠力河流域草地和林地面积变化不大,旱地面积轻微下降;挠力河流域中部与北部区域生产条件优越的未利用地和旱地转为水田;土地利用方式变化对水资源影响由强到弱的顺序为灌溉水田抽取地下水量、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量;水稻田不同生育期蒸发量不同,造成了挠力河流域5—6月期间绿水流量增加、绿水储量减少、径流深减少、补给地下水量增加和灌溉水田抽取地下水量增加等趋势,7—8月期间这一增加趋势逐渐减弱,8月后这一趋势结束;水田密集区域绿水流量大,绿水储量和径流深减少,而补给地下水量和灌溉水田抽取地下水量增加。     

典型岩溶流域土地利用变化的水文响应

为了研究土地利用方式变化在典型岩溶流域产生的水文响应,构建了倒天河流域的SWAT模型,利用该模型探讨了不同土地利用情景下流域流量的变化规律和子流域产水量的变化规律及其调蓄能力分析,结果表明:参数率定后的SWAT模型在模拟倒天河流域月流量过程中表现良好,模型适用于该研究区;草地转为耕地会导致流域流量增加,调蓄能力减弱;林地向耕地、草地向耕地转化易改变子流域产水量,草地向林地的转化不易改变子流域产水量;林地向耕地、草地向耕地、草地向林地的土地利用转化均会导致子流域调蓄能力变弱,草地向耕地的转化对调蓄能力的改变尤为显著。研究成果对减轻岩溶区旱涝灾害,防治石漠化有重大意义。     

基于CA-Markov模型的黄土塬区黑河流域土地利用变化

研究黄土高原的土地利用变化,可为其生态建设提供重要的决策依据。基于CA-Markov模型,分析了黄土高塬沟壑区黑河流域1985－2000年土地利用变化的趋势、速度、类型及其与地形的关系,并模拟了2015年土地利用情景。结果表明,黑河流域以耕地和中覆盖草地为主;1985－2000年林地和农地减少,草地和建设用地增加,其他类型变化很小;林地和草地相互转化与耕地转出是两大变化类型;土地利用变化主要发生在沟壑区。CA-Markov模型模拟的2000－2015年土地利用将保持1985－2000年的变化趋势,因此,需加强耕地保护措施,推进退耕还林草工程,促进区域可持续发展。     

基于Budyko假设的黄河源区径流变化归因识别

黄河源区是黄河水塔,其径流量变化的归因分析对黄河流域水资源开发利用至关重要。采用基于Budyko假设的弹性系数法量化气候因素和其他环境驱动因素对黄河源区河川径流量变化的影响。研究结果表明:1965-2013年黄河源区年降水增加,年潜在蒸散发减少,变化趋势均不显著,同时期的年径流序列呈现不显著减少趋势。在1989年实测径流序列存在突变现象,1990-1999年气候因素对径流减少的贡献率约为39%～45%,其他环境驱动因素的贡献率约为55%～61%;2000-2013年气候因素使径流量增加,其他环境驱动因素是径流量减少的主要原因。流域1980-2010年时期土地利用类型和覆盖无显著变化,研究区域冰川退缩、冻土层持续下移等其他环境驱动因素是造成黄河源区径流量减少的主要原因。     

开都河源区径流量演变规律及影响因素分析

【目的】厘清气候变化下开都河源区的径流演变规律及其影响因素,为流域水资源开发利用提供科学参考。【方法】基于开都河源区1960—2019年的水文气象数据,采用Mann-Kendall检验法、R/S分析法、有序聚类法、小波分析法,分析开都河源区径流量演变规律,并基于双累积曲线法、累积斜率变化率法、气候弹性系数法定量分析气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率。【结果】1960—2019年,开都河源区年径流量以1.714×10⁸m³/10a的速率增加,Hurst指数为0.83,径流量变化存在3个主周期,分别为36、21、9 a,径流量突变点为1995年;开都河源区气温和降水量分别以0.239℃/10 a和7.670 mm/10 a的速率增加,Hurst指数分别为0.85和0.83,与径流量的相关系数分别为0.560和0.598;基于双累积曲线法、累积斜率变化率法、气候弹性系数法得出的气候变化对开都河源区径流量变化的贡献率分别为89.9%、73.1%、43%,人类活动对径流量变化的贡献率分别为10.1%、26.9%、57%,3种方法对基准期径流量模拟的...     

新疆和田河径流演变特征及其影响因素分析

【目的】研究和田河径流演变特征及其影响因素。【方法】采用M-K检验、Pettitt突变检验、Morlet小波分析等方法,分析径流及影响因素的变化趋势、突变特征及周期规律。在确定影响因素与径流的相关性基础上,建立了影响因素与径流的多元线性方程及神经网络模型,定量分析了气候因素与人类活动对径流变化的贡献水平。【结果】玉龙喀什河径流表现出增加趋势,喀拉喀什河径流呈减少趋势,突变年份为2009、2004年,在40~55 a尺度下的玉龙喀什河与33~55 a尺度下的喀拉喀什河都经历2个枯-丰变换周期。玉龙喀什河、喀拉喀什河降水量都呈显著增加趋势,突变年份均为2001年,两河降水同时展现出3次偏多-偏少交替。年均气温呈显著性增加,在1984年发生突变,气温经过2个冷-暖变换周期。玉龙喀什河与喀拉喀什河径流变化的主要影响因素为气候变化,人类活动影响较小,气候变化对径流的贡献率分别为84.06%和72.51%,而人类活动的贡献率为15.94%和27.49%。【结论】玉龙喀什河和喀拉喀什河在40~55、33~55 a尺度下由丰水期转为枯水期,玉龙喀什河和喀拉喀什河流域降水未来为少水期,和田河流域气温在40~50 a尺度下处于偏暖阶段。喀拉喀什河突变点与乌鲁瓦提水库的修建有关,降水和气温发生突变时间于西北地区气候转变相一致。气温因素是径流补给的主要影响成分,气候变化为径流变化的主要因素。     

气候变化对多年冻土区径流组成的影响分析——以长江源区为例

以多年冻土为主要下垫面的寒区流域水资源对气候变化敏感,以长江源区为例,根据数字滤波法对直门达水文站1966-2015年月径流的基流分析结果,明确了长江源区径流及其不同成分的变化规律;进一步利用格兰杰因果检验和累积斜率法分别定性和定量地分析了降水和温度对径流组成的影响。结果表明:近50年来,长江源区总径流呈现增加趋势,2004年发生突变后年平均径流量增长36.49亿m~3,基流和地表径流各贡献了50%;近50年持续地增温是引起径流变化的格兰杰原因,更有助于对河道径流成分变化的预测分析;对比径流突变前后,增温不仅改变降水形式,影响了地表产流,同时也改变了下渗后土壤水的冻融过程,对基流和地表径流改变的贡献率分别为90%和76%、高于降水变化68%和57%的贡献率。气候变化背景下,持续的增温对降水产流和下渗过程的影响,是多年冻土区流域径流成分变化的主要原因。     

基于CLUE-S情景模拟的挠力河流域耕地适宜性评价研究

以挠力河流域为研究区,选择2000、2010、2020年3期土地利用数据,从土地利用动态度和转移矩阵两方面分析土地利用时空变化,运用CLUE-S模型对研究区2030年土地利用变化格局进行模拟验证,设基线、农业发展和生态保护3种情景预测2030年土地利用变化格局,最后对3种情景下耕地适宜性进行评价。结果表明：研究区土地利用类型以耕地为主,2000—2020年森林、湿地、水体和人造地表呈增加趋势,耕地和草地呈减少趋势。2000—2020年土地利用转移主要发生在耕地、草地和森林之间,2000—2010年草地面积转入最多,耕地次之,森林最少,转出面积相反;2010—2020年森林转入转出面积最多,草地次之,耕地最少。CLUE-S模型对挠力河流域土地利用变化具有良好的模拟能力,Kappa系数为0.894,模拟总体精度为91.18%;基线情景下耕地、草地和水体地类面积减少,其他地类面积增加;农业发展情景下耕地面积增加23.68%,人造地表面积未发生变化,其他地类面积均较少;生态保护情景下与农业发展情景正好相反。依评价指标体系和评价模型,分析计算出3种情景下耕地位于适宜区的面积占研究区总面积的96%...     

伊犁河流域地表蒸散量时空特征分析

【目的】探究伊犁河流域2000—2014年蒸散量时空特征,为跨境水资源确权与分配提供依据。【方法】本文利用变异系数、Theil-Senmedian趋势分析、Mann-Kendall和Hurst指数方法研究了伊犁河流域2000—2014蒸散量时空变化特征及波动性。【结果】①伊犁河流域多年平均蒸散量值为249.80mm,其波动范围在224.03～274.10mm之间。②多年平均ET值在空间上具有明显差异,取值范围在115.6～758.79 mm之间,总体上呈自上游向下游减少的空间格局。③该流域年内蒸散量具有明显的季节差异,总体呈先增后减的单峰波趋势。④该流域内各土地利用多年平均蒸散量表现为:耕地(327.23 mm)林地(319.10 mm)草地(239.50 mm)稀疏植被(151.67 mm)。⑤2000—2014年该流域的多年平均ET整体上变异程度不明显,变异程度中比较稳定和稳定所占面积比为85.47%;变异系数在空间上取值范围为0.01～0.71,其平均值为0.097。⑥整个流域内ET减少的趋势和增加的趋势所占面积比例分别为64.48%和26.72%,变化趋势以减小为主,变化率为-1.152 mm/a,该流域未来ET的变化状况与过去一致,以持续性减少为主。【结论】利用变异系数、Theil-Senmedian趋势分析、Mann-Kendall和Hurst指数方法能够有效发现伊犁河流域时空变化特征,研究结果可为伊犁河流域规划及合理分配流域水资源提供依据。     

新疆渭干-库车河流域土地利用变化空间耦合及其生态效应

土地利用/覆盖变化已成为全球生态环境变化研究不可缺少的部分。由于全球变暖以及人类活动对水土资源利用强度加大,1990年以来,位于新疆干旱区的渭干-库车河流域水资源和生态问题突出,生态环境与经济发展之间的用水矛盾不断加深。【目的】土地利用/覆盖变化被认为是全球环境变化的主要原因之一,随着社会的快速发展,耕地的扩张,水资源的匮乏导致渭干-库车河的生态环境愈发脆弱,严重威胁到流域的生态安全。兹以渭干-库车河流域为研究区,探讨渭干-库车河流域土地利用变化条件下的绿洲生态效应。【方法】采用土地利用动态度、土地利用结构信息熵和均衡度方法,结合生态系统服务价值基于1990—2014年TM遥感影像目视解译,从空间耦合角度分析了渭干-库车河流域土地利用变化及其生态效应。【结果】1990—2014年,渭干-库车河流域土地利用变化显著,耕地变化十分明显,增长率为53.10%,草地面积以255.70 km~2/a的速度减少,减少了近23.44%。新增耕地主要源于草地和未利用地,这一现象在渭干河中游和库车河下游区域最为明显。信息熵和均衡度均有所上升,伴随着人口数量的增加,土地利用程度不断提高,绿洲的扩张致使研究区生态服务价值25 a内下降19.78%。绿洲系统不稳定性也有所升高,对渭干-库车河流域的生态安全造成威胁。【结论】在全球变暖背景下,随着耕地面积的扩张,生态服务价值不断下降,导致渭干-库车河流域生态逐渐恶化,加剧草地退化,甚至引发沙漠化问题,严重危及绿洲系统安全与稳定,对渭干-库车河流域的生态安全和可持续发展造成了极大威胁。     

基于GEE云平台的黄土高原生态修复区植被变化与归因

植被为地球生态系统主要构成之一,也是人类社会经济活动的重要资源,监测植被动态变化有利于区域的环境保护及生态环境建设,基于谷歌云平台GEE,集成了Sen+MK趋势分析、MK突变分析、偏相关分析、多元回归残差以及相对贡献率分析等多种统计分析方法,构建了一套自动化植被恢复综合分析体系,可用于植被变化趋势检测及归因分析。在此基础上,区分人工修复和自然恢复对植被变化的影响,以陕西省黄土高原生态修复工程实施区域之一——铜川市耀州区为例,开展生态修复区与自然恢复区植被变化趋势及归因分析。分析结果表明：耀州区1990—2020年土地覆盖格局整体呈现自东南向西北耕地逐渐减少、林地草地逐渐增加的分布特征。植被覆盖变化特征呈现以速率0.55%/a波动上升的趋势,上升突变点为2007年。气候变化和人类活动对耀州区植被变化的相对贡献率具有一定的异质性,主要受到人类活动的正向驱动,相对贡献率为79.10%,气候变化相对贡献率为15.22%。在植被改善区域,应归因于以人类活动主导的生态修复工程,生态修复工程实施治理效果较好;在植被退化区域,主要为气候变化和人类活动的共同影响。     

气候变化和人类活动对黑河中游流域径流的影响分析

甄别气候变化和人类活动对黑河中游流域径流的影响,对于维护该流域水安全具有重要意义。黑河中游流域降水和径流的变化趋势不完全一致,其中径流均呈减少趋势。应用累积距平曲线、Mann-Kendall法及Pettitt法分析流域降水和径流序列变点,径流突变均发生在20世纪80年代,确定以径流序列最早突变点1980年划分基准期和变化期。采用双累积曲线法和敏感性系数法对黑河中游流域的径流进行气候变化和人类活动影响的定量识别与评估。结果表明:黑河中游鸳鸯池流域、高崖正义峡流域和正义峡流域的水文水资源变化主要受人类活动影响,各流域人类活动影响贡献率均高达85%以上,最大可达96%。     

乌裕尔河流域土地利用变化及驱动力分析

土地利用变化是影响土壤侵蚀、社会经济发展等的重要因素。根据1985、1995和2000年3期土地利用TM遥感数据,运用地理信息空间分析及土地利用转移矩阵和动态度等方法,研究了乌裕尔河流域3个时期的土地利用变化特征及其驱动因素。研究发现:流域内土地利用以耕地为主,3个时期耕地分别占到总土地利用面积的66%、67%和70%左右;林草地面积则呈现逐年下降的趋势,所占面积比例由1985年的17.6%下降到2000年的13.9%,而建设用地、水域以及沼泽地面积变化不大。耕地占用林地、草地和沼泽地成为这3种土地利用类型面积减少的主要原因。近年来,土地利用变化速度加快,1995-2000年土地利用变化速度相对剧烈,1985-1995年耕地和林地年均变化速度分别为0.21%、-0.56%,而1995-2000年年均变化速度为0.64%、-2.65%。研究表明,自然环境因素决定该流域的土地利用空间分布格局,而土地政策的变化及人口的增加等人类活动很大程度上影响了土地利用变化的方向和速度。该研究可为流域土壤侵蚀产沙变化及水土保持提供借鉴,对于指导该区乃至整个东北黑土区土地资源合理利用具有指导意义。     

不同土地利用/覆被类型情景下清漳河流域的水文响应

清漳河流域属于水资源短缺的山区流域,为提供流域内合理土地利用优化方案和水资源调控理论依据。故以清漳河流域为研究区域构建基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型,评价流域土地利用/覆被变化的水文响应。SWAT模型在清漳河流域具有良好的适用性,模型可以较好的模拟流域内的地表径流过程;在不同土地利用/覆被类型配置情境下,探讨地表径流及其CN值变化,分析出单一土地利用类型的产流能力,结果耕地草地林地;受近年城镇化的发展和退耕还林还草的政策影响,相对1980年土地利用/覆被情景,退耕还林情景的综合产流能力减小,城镇化情景的综合产流能力增加。     

河龙区间近55 a降雨侵蚀力与河流输沙量动态变化分析

基于河龙区间12个雨量站点1957—2011年降雨日数据及输沙量年数据,采用滑动平均、线性倾向估计、Mann-Kendall非参数检验、累计距平、双累积曲线等方法,分析了河龙区间近55 a降雨侵蚀力和输沙量的动态变化过程以及二者之间的相关关系,定量评估了降雨侵蚀力变化和人类活动对河龙区间输沙量变化的影响及贡献率。结果表明,河龙区间近55 a降雨侵蚀力在378.1~2 324.6 MJ·mm/(hm2·h·a)之间变化,其平均值为1 319.7 MJ·mm/(hm2·h·a);整个研究期内降雨侵蚀力呈不显著减小趋势,年均减小量为9.7 MJ·mm/(hm2·h·a)。近55 a降雨侵蚀力变化过程可划分为3个阶段:1957—1974年为快速下降阶段,其下降率为83.7%;1975—1999年为缓慢下降阶段,其下降率为66.6%;2000—2011年为缓慢回升阶段,其上升率为42.7%。以1957—1969年降雨侵蚀力为基准,20世纪70、80、90年代以及21世纪前12 a降雨侵蚀力分别减小了15.9%、19.5%、27.5%和22.7%。河龙区间近55 a输沙量变化介于(0.09~21.37)亿t之间,其平均值为5.6亿t。整个研究期内输沙量呈极显著的下降趋势,其下降速率为0.19亿t/a。以1957—1969年输沙量为基准,20世纪70、80、90年代以及21世纪前12 a输沙量分别减少了27.3%、64.1%、54.8%和88.7%。经Mann-Kendall非参数检验法和累计曲线法综合判定,1979年为河龙区间输沙量突变年份。输沙量与降雨侵蚀力具有极好的线性相关性。通过建立二者双累积曲线方程,计算得出20世纪80、90年代和21世纪前12 a降雨侵蚀力变化对输沙量变化的贡献率分别为22.6%、44.3%和19.0%,而人类活动对输沙量变化的贡献率分别为77.4%、55.7%和81.0%,人类活动对输沙量变化的影响程度较大。1980—1989年和2000—2011年具有基本相同的降雨侵蚀力条件,但后者的输沙量却比前者减少67.6%,表明2000—2011年河流输沙量的变化主要由人类活动引起,人类活动每年减少输沙量2.5亿t。     

基于SD变化环境下农业水资源供需平衡模拟

为了探讨变化环境对农业水资源供需平衡的影响,运用系统动力学软件Vensim-Dss建立了农业水资源供需平衡的系统动力学模型,综合考虑社会经济发展和气候变化情景,仿真模拟了变化环境下农业供、需水量及缺水量的变化情况.石羊河流域模拟结果表明:未来农业供水量和需水量受气候变化的影响程度不同,但 2033年以后,农业供水量在不同气候变化情景下的变化趋势相同;不同行政区农业水资源系统对气候变化的响应存在明显差异,金昌市A2气候情境缺水率大于B2情景,在2029年、2038年缺水率分别达到32.0%,28.6%, B2情境下,2021年开始出现轻度缺水,中度缺水年仅出现在2023年和2039年,缺水率分别为30.7%,30.5%;武威市A2气候情境下缺水率小于B2情景,仅2038年为中度缺水,缺水率为24.9%,B2气候情景中度缺水年较多,2023年缺水率最大,达到33.2%.研究结果可以对变化环境下区域用水规划和农业发展规划提供指导.     

盘龙江流域植被覆盖变化对径流过程的影响

以盘龙江流域为研究区,运用SWAT模型,通过设置不同极端土地利用情景,定量分析流域内主要土地利用类型产流的贡献顺序,以及流域内植被覆盖变化对径流过程的具体影响,并进一步探讨了流域补水工程、丰枯水期径流等对盘龙江径流的影响。结果表明：(1)流域内林地、草地和耕地三种土地利用类型对河川径流的产流贡献为：耕地最强,草地稍次之,但与耕地对径流形成的影响程度大体相当,而林地最弱;(2)2007-2014年间,盘龙江流域植被覆盖结构变化显著。其中,林地面积下降了7.31%,草地与城镇建设用地则分别增加了5.05%、2.82%,减少的林地绝大部分转化为了草地和城镇建设用地,林地与草地、城镇用地构成的此消彼长虽然增强了流域的产汇流作用,但却加剧了径流的年内变化,弱化了流域植被涵养水源、调节径流的功能。(3)补水工程运行后,盘龙江年径流在2014年呈现较大增长,与2007-2013年的逐年减少趋势截然相反,且枯水期的径流增加量明显高于丰水期,径流调节作用明显。(4)枯水期径流量的变化是2007-2014年盘龙江年径流量趋势变化的主要原因。     

基于SWAT模型的金华江上游土地利用变化对径流影响的研究

流域内土地利用变化对水文循环有着重要影响.本文通过在金华江上游建立SWAT模型,模拟了不同土地利用情景下流域径流的变化特点,结果表明:SWAT模型模拟精度高,其中验证期Ens=0.85,R2=0.85,Re=0.07,可以模拟及分析流域水文对土地利用变化的响应;在该流域内,林地有减少径流量的作用而草地和耕地相反;保护耕地使流域内农业产量增加但也使径流量增加,且增加量集中在雨季.