近40年塔里木河流域水沙演变及其空间分异特征

为探究塔里木河流域自然条件和人类活动改变造成的河流水沙变化,依据1980—2020年塔里木河干流阿拉尔站,源流玉龙喀什河控制水文站同古孜洛克站、叶尔羌河卡群站、阿克苏河新大河站和开都河焉耆站的实测径流和输沙资料,利用Mann-Kendall检验、Pearson相关性分析和Pettitt非参数检验等方法,分析了近40年塔里木河流域水沙演变及其空间分异特征。结果表明:在1980—2020年期间塔里木河流域同古孜洛克站、阿拉尔站、卡群站、焉耆站径流量显著增加,新大河站、同古孜洛克站、阿拉尔站径流量出现突变点,分别在1992年、1999年、2000年,突变后较突变前增长18.23%,18.10%,62.15%; 卡群站和同古孜洛克站的输沙量没有显著变化趋势,阿拉尔站、新大河站和焉耆站的输沙量都显著减少,突变点都在2001年,突变后较突变前降低36.73%,30.50%,68.31%。塔里木河水沙分布具有显著的空间差异,源流四站控制区的径流深存在南北空间上的差异,北部源于天山的阿克苏河和开都河径流深低于南部源于喀喇昆仑山的叶尔羌河和玉龙喀什河,从上游向下游输沙模数降低,径流主要受降雨和气温差距影响,而泥沙差异则是由于植被覆盖度变化。在上游三源流汇入干流的区间内,年平均消耗径流量98.21亿m³,径流深167.31 mm,淤积泥沙量4 424.15万t,淤积模数753.69 t/(km²·a)。对塔里木河四源一干径流泥沙实测数据的分析结果证明了塔里木河近期综合治理工程总体上取得了良好的生态环境效益。     

Trace Elements in Coalbed Methane Produced Water Interacting with Semi-Arid Ephemeral Stream Channels

The objective of this study was to examine the chemistry of trace elements in coalbed methane (CBM) discharge water reacting with semi-arid ephemeral stream channels in Powder River Basin, Wyoming. The study area consisted of two ephemeral streams, Burger Draw and Sue Draw. These streams are tributaries to the perennial Powder River, Wyoming. Samples were collected bimonthly from three CBM discharge points and seven channel locations in Burger Draw and Sue Draw. Samples were also collected bimonthly from the Powder River above and below the confluence of Burger Draw. Before sample collection, pH, temperature, dissolved oxygen (DO), and turbidity were measured in the field. Samples were transported to the laboratory and analyzed for dissolved trace elements including iron (Fe), manganese (Mn), boron (B), arsenic (As), selenium (Se), and fluoride (F). Results suggest pH of discharge water was 7.1 and increased significantly in the downstream channel of Burger Draw to 8.84 before joined with the Powder River. Temperature of CBM produced water at discharge points ranged between 20.3 and 22.7 ^°C. Before discharge, DO concentrations of CBM produced water were between 1.42 and 1.5 mg/L. No significant differences in temperature, DO, and turbidity were found between Burger Draw flow and Powder River flow. However, significant differences were found within the sampling period in temperature and turbidity in flow of Burger Draw. The temperature, DO, and turbidity were all significantly different in Powder River within the sampling period. The CBM discharge water consisted of higher concentrations of F, Fe and B compared to other components. Significant changes were observed for Fe, Mn, and As; and seasonally for B. Dissolved Fe and Mn decreased, while As and Se increased in downstream channel flow. These findings will be useful in proper management of CBM produced water in semi-arid environments.     

挠力河流域水土资源平衡及耕地合理利用规模特征

水土资源平衡是耕地合理开发与利用的前提,为定量评估粮食主产区水土资源平衡关系,促进耕地可持续利用,该研究提出“以水定地”的耕地配置模式,并以三江平原腹地的挠力河流域为研究区,在多源水土信息数据支持下,依据农田土壤水分平衡原理构建水土资源平衡模型,以评估水土资源平衡态势,进而揭示该流域耕地合理利用规模特征。结果表明:1)2000年以来,挠力河流域水田持续扩张,旱地轻度萎缩,至2018年其水田化系数已达37.33%,垦殖率为62.61%。旱地和水田的水分胁迫蒸散能力处于同一水平,但水田的水分亏缺量显著高于旱地;2)当前,挠力河流域的灌溉供水量范围为21.23~211.91 mm,富锦市、友谊县和集贤县处于水资源超载状态,且水田均呈“土多水少”状态,饶河县、宝清县、七台河市和双鸭山市辖区则“土少水多”;3)依据“以水定地”耕地配置模式,该流域水田面积可增加11.02万hm2,对应的水田化系数控制在44.76%以下。富锦市、友谊县和集贤县应适度控制或减小水田利用规模,宝清县应成为未来“旱改水”的重点备选区。研究结果对挠力河流域乃至三江平原的耕地有序开发及保障农业可持续发展具有重要现实意义。     

基于耦合协调度的大理河流域径流和输沙关系分析

深入研究流域水沙关系变化是解决黄河流域高质量发展关键问题的重要科学途径之一。自20世纪50年代以来,黄河中游地区实施了大规模的水土保持工程,径流和输沙显著减少,水沙关系发生变化。该研究利用Mann-Kendall趋势检验法分析了1960—2015年来大理河流域的径流输沙变化趋势,并构建基于耦合协调度理论和Pettitt检验方法的径流输沙关系变异诊断方法,识别大理河流域径流和输沙关系的突变点,并通过Copula方法进行验证。结果表明:1)大理河流域径流输沙在月尺度和年尺度呈现显著的下降趋势;2)大理河流域径流和输沙关系在1996年发生显著突变;3)径流输沙关系发生突变后,径流和输沙均明显减少,输沙的减少幅度比径流的减少幅度高29.19个百分点,径流对输沙贡献程度下降幅度为5.10%,单位径流的输沙能力降低;4)淤地坝建设和植被恢复是造成大理河流域水沙变化的主要因素,修建淤地坝和恢复植被对减少泥沙具有积极作用。研究成果可以为进一步深化理解大理河流域水沙关系变化以及水土流失治理提供依据。     

基于SPEI的黄河流域多时间尺度干湿变化分析

黄河流域是我国重要的经济地带和生态屏障,水资源匮乏,研究流域的干湿变化对于水资源的合理管理和利用、促进流域的可持续发展具有十分重要的现实意义。运用1966—2015年3个时间尺度(年、半年、季节尺度)的SPEI数据,基于EOF,Mann-Kendall方法研究了全球变暖背景下黄河流域的干湿变化特征,并进行归因探讨。结果表明:在过去的50年中,黄河流域的SPEI有显著的年际波动,但大部分区域的SPEI未有显著的增加或降低的趋势,区域之间的干湿变化具有非同步特征; 黄河流域气温与SPEI相关性弱,SPEI与降水有更好的同步性; 黄河流域夏、秋季节的干旱较冬、春季节严重,中部黄土高原区的干旱事件频率高于黄河流域西部高原和东部平原区。研究表明黄河流域干湿状况存在区域差异,降水是决定SPEI大小的关键因子,异常气候事件—厄尔尼诺在一定程度上会影响流域的干湿状况。     

基于MODIS遥感数据计算无定河流域日蒸散

为研究无定河流域日蒸散分布规律,应用遥感数据、农业气象站测量数据及Nishida模型等对该流域日蒸散进行了模拟。首先用2001～2002年晴天中国科学院禹城生态试验站Lysimeter测量日蒸散验证模型,模拟与测量的日蒸散相关系数达到0.61。随后,用该模型计算了无定河流域日蒸散,发现无定河流域日蒸散存在较为明显的空间分布规律：2001～2003年连续3年的8月份日蒸散都表现为东北部蒸散明显小于西南部,这是因为东北部基本是荒漠而东南部多是农田,且8月份日蒸散基本在2～5 mm之间变化;从2001年8月份第222 d日蒸散空间分布看,无定河主干道两边蒸散显著高于其他位置,这是由于8月份无定河流域为多雨季节,河谷土壤水分较高的缘故;从2002年内变化来看,不同的土地利用/覆被类型日平均蒸散差别不显著。     

不同干旱等级下的叶儿羌河流域水资源优化配置

以叶尔羌河流域作为研究对象,选取叶尔羌河流域河川径流量的标准径流指数SRI（Standardized Runoff Index）作为干旱评价指标,划分了干旱等级,并针对不同干旱等级情况对流域水资源进行了缺水分析。综合考虑了多种开源节流措施,建立了基于综合效益满意度的评价方法,最终在6种方案中确定了考虑经济、环境、社会三个目标的综合效益最优的应急调配方案。结果表明:重度干旱条件下叶儿羌河流域的缺水率可由原来的20.7%降低到6.2%,最优方案（方案六）大大减小了该流域在干旱发生时的严重缺水状况,可有效缓解流域水资源的供需矛盾。     

疏勒河流域最高、最低气温变化规律

为探讨流域极端气候事件的演变规律,基于疏勒河流域瓜州站、玉门站和敦煌站1951—2018年月气温极值数据,采用线性倾向、滑动平均等方法分析了疏勒河流域气温年、季极值变化特征、突变特征以及周期特征。结果表明:(1)年极值气温变化均呈上升趋势,年最高和最低气温分别以0.06℃/10 a和0.27℃/10 a的速率上升,但年最低气温上升趋势较年最高气温显著;(2)季最高气温变化均呈上升趋势,倾向率排序表现为冬季(0.36℃/10 a)>春季(0.23℃/10 a)>夏季(0.07℃/10 a)>秋季(0.01℃/10 a),且各季呈现不同波动变化趋势;(3)季最低气温均呈现上升变暖趋势,倾向率排序表现为秋季(0.53℃/10 a)>春季(0.39℃/10 a)>冬季(0.24℃/10 a)>夏季(0.19℃/10 a),且各季呈现不同的波动变化趋势;(4)流域年最高气温和年最低气温突变时间分别为2011年和1961年。(5)年最高气温和年最低气温的第一主周期均为58 a。总的来说,疏勒河流域的气温在未来几年还会持续升高。研究成果对于全面认识疏勒河流域气候变化特征、合理开发利用水资源具有一定的现实意义。     

Water Quality Trends (1970 to 2005) Along Delaware Streams in the Delaware and Chesapeake Bay Watersheds, USA

Water quality trends from 1970 to 2005 were defined along 30 Delaware streams in the Delaware and Chesapeake Bay watersheds in the USA. Water quality improved or was constant at 69% of stations since 1990 and at 80% of stations since 1970/1980. Dissolved oxygen (DO) improved or was constant at 73% of streams since 1990 and 32% of streams since 1970/1980. Total suspended sediment improved or was constant at 75% of streams since 1990 and 100% of streams since 1970/1980. Enterococcus bacteria improved or remained constant at 80% of streams since 1990 and 93% of streams since 1970/1980. Total Kjeldahl nitrogen improved or was constant at 48% of streams since 1990 and 100% of streams since 1970/1980. Total phosphorus improved or was constant at 66% of streams since 1990 and 85% of streams since 1970/1980. During 2001–2005, median levels were good or fair at 100% of the stations for DO, 78% for sediment, 50% for bacteria, 59% for nitrogen, and 56% for phosphorus. Good water quality correlates with high amounts of forest area (>25%) in Delaware watersheds. Since the Federal Clean Water Act Amendments of the 1970s, improving Delaware water quality stations (50) outnumbered degrading stations (23) by a 2:1 margin. Since 1990, degrading water quality stations (46) exceeded improving stations (38) mostly due to deteriorating nitrogen levels in half of Delaware streams, a reversal from early gains achieved since the 1970s. Over the last three and a half decades, watershed strategies have improved or preserved water quality along Delaware streams; however, greater emphasis is needed to curb recently resurging increases in nitrogen levels.     

三江平原挠力河流域主要作物水分盈亏时空变化特征

明确中国粮食生产基地主要作物种植条件下的水分盈亏条件,有利于区域灌溉策略制定及保障国家粮食安全。该研究基于MODIS遥感数据和常规气象数据,运用Priestley-Taylor公式以及作物水分盈亏指数,以三江平原腹地的挠力河流域为研究区,揭示2000年以来该流域主要作物(中稻、春小麦和春玉米)的水分盈亏时空变化特征。结果表明:1)挠力河流域潜在蒸散量由2000年的910.25 mm增至2015年的964.04 mm,各作物需水量整体呈现不同幅度的上升态势;2)各作物表现出不同的水分盈亏特点。中稻水分亏缺明显,缺水量由东北向西南递增,天然降水不能满足其水分需求。春小麦水分亏缺程度低,灌溉需求量在空间上变化较小。春玉米多处于轻度缺水状态,且西北部的缺水量小于东南部;3)流域境内的中稻多处于轻旱状态,2000—2015年干旱区持续扩张,面积增长幅度达到143.46%。对于旱作物而言,春小麦的缺水量尚未达到轻旱的标准,而春玉米的轻旱区面积往复变化,2000—2015年间面积减少了79.90%。作物种植结构的快速变化,使得中稻种植区迅速扩张,加剧了该流域的水分亏缺态势,而春小麦和春玉米的种植区变化未对水分盈亏态势造成显著影响。研究可为挠力河流域的农业结构调整与农田灌溉措施制定提供支持。     

Effects of different management practices on surface water quality from rice fields in south Louisiana∗

Water samples collected in the Mermentau River Basin over several years at Lousiana Department of Environmental Quality monitoring sites contained high levels of total solids and nutrients during the spring that were highly correlated to pre‐ and post‐plant discharges from rice fields. This study was developed to evaluate the potential of selected management practices (MP's) for reducing total solids, nutrients and pesticides from discharge water in order to improve the surface water quality in southwest Louisiana. Five rice plots located on the Rice Research Station in Crowley, LA represented the different MP's to be evaluated. The five water seeding MP's were: a.1‐no till; a.2‐water cultivation with 30‐day settling; a.3‐dry cultivation with clear water planting; a.4‐mudding‐in with vegetated filter, and b‐mudding‐in (control).

Quality of discharged water from rice fields in the Mermentau River Basin was clearly affected by the different MP's. From the first year of data, all the MPa's were better than the mudding‐in (MPb). The concentrations of the total solids (kg/ha) in the discharged water (initial + final drain) for the different MP's were in the order: MPb(4860) > MPa.3(3906) > MPa.4(3412) > MPa.2(3068) > MPa.1(1807). The MPa.3, MPa.4 and MPb had no detectable amounts of pesticides being released. The 30‐day holding period (MPa.2), clear water planting (MPa.3) and the mudding‐in with vegetated filter (MPa.4) were similar as far as TDS, TSS and TS with the no‐till (MPa.1) being the least. The 30‐day holding period (MPa.2) and the no‐till (MPa.1) had less nutrients, but more pesticides released.

Depending on the priority of the stream problems, different MP's may be more advantageous than others. All of the selected MP's were better than the control (MPb), and therefore, should help to improve water quality.     

基于CMIP5模式和SDSM的赣江流域未来气候变化情景预估

赣江流域未来气候变化预估,对于了解该流域未来水资源的变化、指导流域防洪抗旱和水资源的合理开发利用具有重要意义。为预估该流域未来气候变化,利用1961—2005年赣江流域6个气象站数据、NCEP再分析数据并选择了CMIP5中CanESM2模式下3种排放情景RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5,采用SDSM模型研究了赣江流域未来气候变化。结果表明:（1）赣江流域未来温度和降水总体均呈上升趋势。（2）在RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5这3种排放情景下赣江流域未来最高气温分别增加1.8,2.1,2.8℃;未来最低气温分别增加1,1.2,1.9℃;未来平均气温分别增加1.5,1.6,2.3℃;3种排放情景下未来温度空间分布都是南高北低,西高东低,并在南北方向呈带状和环状分布。（3）在未来3个时期（2020s,2050s,2080s）、3种排放情景下赣江流域气温呈上升趋势,且6月份增幅最大,2月份增幅最小。（4）在未来3个时期、3种排放情景下,赣江流域未来降水均呈增加的趋势;5—10月降水量均呈现下降趋势,1—4月、11—12月降水量呈现增加趋势;3种情景下的未来降水空间分布基本呈南低北高,在南北方向呈递增趋势。对赣江流域气候要素模拟与预估表明,赣江流域未来气候变化存在降水增加及极端天气事件发生的危险,分析结果可为赣江流域气候变化的水文响应及气候变化的适应性研究提供科学依据。     

基于GIS的区域水土流失生态风险评价

 为了给区域尺度的水土流失治理、规划及评价提供科学的依据,将"风险评价"的概念引入水土保持学科之中,定义了区域水土流失生态风险评价的概念,提出了评价的方法与步骤,构建了区域水土流失生态风险评价模型框架,并以延河流域为例进行了应用。结果表明:延河中游及安塞县和宝塔区为优先治理区;证明区域水土流失生态风险评价可以为政府水土保持管理决策提供参考。     

叶轮式增氧机的研究

本文对叶轮式增氧机工作时的池塘溶氧分布作了试验研究;对氧气在气—水界面上的传递与增氧机的功耗作了分析探讨。提出了通过增大气流速度,采用阶递形池底、局部增氧来提高增氧机效率的新论点;为增氧机的研制与应用提供了新的方法和依据。     

近20年黄河流域植被净初级生产力时空分布及其对极端天气变化的时空响应

为探究黄河流域植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)变化及对极端天气指数的响应情况,利用MODIS NPP数据和极端气候数据,辅以斜率法和偏相关分析法分析了2000—2019年黄河流域植被NPP时空动态及其对极端降水指数和极端温度指数的响应情况。结果表明：(1)近20 a黄河流域植被NPP呈从北向南增加的趋势,大面积上表现为增加趋势。(2) NPP与极端降水指标以显著和极显著正相关为主。其中,除最长连续湿润天数呈显著正相关和极显著正相关的像元占比为16.5%,其他几种指标均在25%以上。(3)极端降水事件的水量和强度呈显著增加趋势,极端温度事件中与偏冷相关指标总体呈下降趋势,与变暖有关的事件呈明显上升趋势,其变化存在显著空间异质性,年际差异大。(4)日最高气温的最大值、日最低气温的最大值、冷夜日数、冷昼日数、冰冻天数和霜冻天与植被NPP以负相关为主,日最高气温的最小值、日最低气温的最小值、暖夜日数、暖昼日数、气温日较差和暖期与植被NPP以正相关为主。近20 a黄河流域植被NPP时空变化存在显著地域性差异,其中在干旱和半干旱地区极端降水增多在一定程...     

环境条件变化对瓦埠湖沉积物磷释放的影响

拟议中的“引江济淮”调水工程涉及到长江、淮河两大河流，瓦埠湖为其中的一个重要湖泊，其水质是否受到调水的影响为该工翟关注的环境问题之一。分析了外界环境因子变化对瓦埠湖底泥在不同环境条件下以及干、湿沉积物样品磷释放的差异，环境因子分别选取了不同磷浓度的上覆水、光照、pH、温度、DO、微生物、水体扰动等。结果表明：湿样释磷能力明显高于风干样品；上覆水体磷的浓度对底泥释磷能力有较强的调节作用；光照对底泥释磷影响不明显，但温度对底泥的释磷有较明显的影响，磷的最大释放量与之呈正相关；水动力条件的改变可在短期内使底泥达到最高的释放量．而DO、pH的改变也可不同程度地增加底泥的释磷能力。综合瓦埠湖底泥的释磷特征与湖泊水文状况，认为调水工程使得底泥释磷的地球化学行为较易实现。     

典型年份渭河流域蓝水绿水时空差异分析

以西北地区湿润/干旱过渡地带的渭河流域为例,采用降水距平百分率和标准化降水指数识别湿润年、正常年和干旱年,同时结合SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的输出结果分析各典型年该流域蓝水绿水的时空分布差异。结果表明：（1）采用降水距平百分率和标准化降水指数两种方法确定1983、1997和2007年分别为湿润年、干旱年和正常年;（2）模型评价的结果表明,SWAT模型的月径流模拟的精度较高,可以准确描述渭河流域的径流变化过程;（3）在流域尺度上,绿水流的变化在湿润年、干旱年和正常年的变化相对稳定,绿水系数在湿润年、干旱年和正常年分别为82.06%、93.47%和87.72%;（4）从空间分布来看,蓝水绿水资源在渭河流域的分布呈现自东南向西北减少的趋势,绿水系数的空间分布表明在湿润年份（1983）或地区（东南部）绿水比重明显低于干旱年份（1997）或地区（北部）。     

基于分形理论的农村居民点空间分布特征定量研究

农村居民点分形特征作为农村居民点自主演化研究的重要内容,可以很好地反映其发育情况及空间占据能力。以晋城市长河流域为例,通过对农村居民点空间分布主要影响因素的分形分析,探讨了农村居民点分维与其之间的关系,并引入证据权模型量化了各因素的影响程度,在此基础上对该区农村居民点空间分布特征进行了定量评价。结果表明:（1）晋城市长河流域农村居民点分维数值随着高程和坡度的增加总体呈降低趋势,农村居民点分维数值显著高于交通维数与水系维数,长远来看,农村居民点与交通维数将会升高,而在采煤的影响下,水系维数则会降低;（2）社会经济因素中的农村人均居民点用地面积与农民人均纯收入可以直接影响居民点维数值,且与居民点维数变化趋势一致;（3）用证据权模型计算出的各指标影响程度排序为:坡度>道路>高程>水系>农民人均纯收入>人均居民点占地面积,研究结果与分形理论研究得出的结论具有一致性。该研究可为丘陵山区农村居民点土地整理与空间布局优化提供参考。     

沣河流域土地利用格局与水质变化的关系

以沣河流域为研究对象,综合运用遥感影像解译和相关分析方法分析了沣河流域的土地利用空间格局及主要水质指标[生化需氧量(BOD₅)、高锰酸盐指数(COD_Mn)、氨氮(NH₃-N)含量及溶解氧(DO)]含量的变化特征,探讨了土地利用状况对沣河水质的影响。结果表明,沣河流域土地利用类型以林地和耕地为主,两者占全流域面积的90%以上;沿河不同宽度的缓冲区(分别向两岸划分100,600,1 500 m)范围内,建设用地、耕地与水质变化呈正相关关系,而林地与水质变化呈负相关关系,表明建设用地及耕地对水质的改善有负效应,而河流沿岸林对改善水质有正效应,并且这种影响在距河岸100 m缓冲区范围内达到最大。随着缓冲距离的增大土地利用变化对水质的影响逐渐减弱,说明沣河流域近岸带的土地利用方式对河道水环境质量的影响最大。     

渭河流域极端降雨变化趋势及其对水沙情势的影响

为探究渭河流域极端降雨变化趋势及其对水沙情势的影响,采用非参数趋势检验、突变检验和连续小波变换诊断了渭河流域1960—2019年的极端降雨指数及径流输沙序列的变异特征,通过双累积曲线法和相关分析法定量评估了流域极端降雨对水沙变化的影响。结果表明:各极端降雨指数呈阶段性波动变化,总体上PRCPTOT,RX5day和RX1day呈不显著下降趋势,R95pTOT,SDII和FSPTOT呈不显著上升趋势。各极端降雨指数均存在以4～6 a,11～12 a,28～29 a为周期的变化特征。径流与输沙量均呈显著减少趋势,分别在1993年、1999年发生突变,其中径流存在5 a和12 a的周期。各极端降雨指数均与径流、输沙量正相关,相比之下,输沙量与各极端降雨指数之间的相关系数偏低。极端降雨变化对径流与输沙量的减少具有重要影响。其中,PRCPTOT对径流减少的影响最大(29.65%),其次是RX5day(25.68%)和FSPTOT(25.95%)。PRCPTOT对输沙量减少的影响也是最大的(10.02%),其次是RX5day(7.12%)。综上,渭河流域水沙情势的变化受极端降雨的显著影响。