基于生态需水的黄河中游水平衡分析--以沁河流域为例

为推动黄河流域生态保护及高质量发展,解决地表水资源供需矛盾,亟需开展水平衡分析,建立水平衡模型,为水资源合理分配提供参考依据。作为黄河的重要支流,沁河流域位于黄河中游末端,由于近年来上游调水政策的施行以及流域内生活、生产用水的增加,用水矛盾突出,出现了河道断流、入黄水量偏枯等问题。为保障河流生态环境健康,优化引沁入汾跨流域提水工程实施后的流域水资源供需平衡,以2021年为现状年,在“自然-人工”二元水循环研究理论的指导下,运用水平衡分析理论与方法,以河道内生态需水为保障基础,对沁河流域水资源需求、供水能力与供需平衡进行了分析与讨论。结果表明:(1)沁河流域水资源供给和需求在空间分布上具有分异性,上游山西省境内各河段河道内均能够保障适宜的生态需水量,下游河南省境内,仅可满足最小生态需水量;(2)沁河流域可供给水资源总量为10.04×10^(8)m^(3),河道外生产、生活及生态用水总量为8.89×10^(8)m^(3),剩余河道内水量仅为1.15×10^(8)m^(3),仅可满足河流最小生态需水;(3)推算至2030年,流域内工业生产及生活取用地表水量将达到6.98×10^(8)m^(3),河道外用水总量将达到9.81×10^(8)m^(3),剩余水量无法满足最小生态需水。建议采用降低工业用水量、提高农田灌溉用水利用率、推广使用高效节水技术,进一步增强水资源的有效利用,改善流域生态环境。研究结果可为合理规划沁河流域水资源调度提供参考,也可为黄河中游水平衡分析提供范例。

基于数值模拟的黄河中游典型流域基流分割研究

基流作为河川径流中相对稳定的一种组分,同时也是干旱半干旱地区枯水期径流的主要来源,对流域的水资源优化配置及生态环境的维护有着十分关键的意义。基流分割结果的准确性对于预测流域水文过程以及探究基流变化规律有很大的影响。汾河作为黄河中游重要支流,关系着整个中游地区的经济发展,研究汾河的基流变化能有效表征黄河中游基流的变化机制,因此,选取适宜的分割方法显得尤为重要。基流分割方法众多,数值模拟法凭借其客观性、可重复性和易操作性等特点,且可对长系列冗长繁琐数据进行高效便捷处理,因此在实际应用中受到广泛认可。基于黄河中游汾河静乐水文站2006-2014年日径流资料,采用8种常用的数值模拟方法进行基流分割计算,分析径流年内、年际变化特征,从基流指数的不稳定系数、标准差和变异系数3个角度分析其特征,并分析年基流指数的相关性,比较典型年的基流过程与径流过程,选用Nash-Sutcliffe效率系数、平均相对误差和相关系数这3个指标来进行基流分割结果的有效性检验。结果表明:Chapman滤波法、Chapman-Maxwell滤波法和Eckhardt滤波法是静乐水文站控制流域较为适宜的基流分割方法,计算所得的BFI值分别为0.491、0.495、0.496。研究结果为黄河中游基流分割和基流变化规律等研究提供技术支持,为黄河中游水资源合理利用和更好地建设当地生态环境提供科学依据。

2022年7-8月黄河中游强降水极端性特征及其形成机制

采用国家和省级气象站降水观测资料、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和美国国家环境信息中心地形高程数据等,详细分析了2022年7-8月黄河中游持续强降水过程的极端性特征和形成机制。结果表明:(1)研究时段黄河中游共出现11轮强降水过程,具有持续时间长、累计雨量大、降水时间间隔短、强降水落区重叠性高等特点;18个站点累计降水量的标准化距平超过2.5,多次降水过程中最大雨强超过50 mm·h^(-1),表现出显著极端性特征,且8月降水的极端性强于7月;强降水雨带分布和黄河中游地形特征密切相关。(2)7-8月亚洲中高纬度贝湖附近高度场标准化距平达-2.5~-1.5(8月超过-3.5),低槽较常年同期异常偏强;强降水过程中副高西脊点呈西进状态,7月副高脊线和北界南北摆幅较大,副高的每一次南北摆动与来自贝湖的冷空气结合,引发一次次强降水过程;8月副高脊线和北界缓慢南退,摆幅较小,持续性强降水形成于副高边缘。(3)8月水汽输送来自孟加拉湾、南海和东海,整层水汽通量积分标准化距平达2.5以上,PWAT维持40~60 mm,其标准化距平在内蒙古南部和晋陕区间北部均为2.5~3.5,局部3.5以上,水汽条件明显强于7月。(4)黄河中游上空存在上干冷下暖湿的不稳定层结,中低层36°N以北形成锋生,北部整层出现上升运动,垂直速度标准化距平达-2.5~-0.5,异常偏强,与强降水落区对应。(5)8月锋生函数分析表明,黄河中游北部降水发生前及发生时均有锋生,锋生值增减与降水强弱变化趋势一致;变形项对总锋生贡献大,倾斜项对总锋消贡献大;降水强度大的过程,锋生伸展高度较高,强度小的过程锋生高度较低,锋生值相对较小。

收缩视角下黄河中游城市碳排放时空格局及其影响因素

城市收缩作为城市化进程中的一种现象,与碳排放之间的关系错综复杂。当前从多维度收缩视角来探究碳排放量驱动因素的研究鲜有。据此,从人口、社会和经济三个维度构建城市收缩评价体系,利用黄河中游四省50个城市2012—2020年面板数据,基于熵值法、夜间灯光指数及地理探测器等方法探究城市收缩对碳排放时空差异的影响。结果表明:①黄河中游资源型城市收缩现象最为严重,呈现“大分散,小聚集”特征。人口收缩占比最多,综合收缩最少。②碳排放总量在研究时段内从2327 Mt增长到3040 Mt,热点区域分布在鄂尔多斯市、乌海市、呼和浩特市、忻州市和朔州市;冷点区域从陕西省和河南省分散分布逐渐向河南省集聚。碳排放总量两极分化现象明显,高值区域数量少,数值大,且逐年增幅大;低值区域数量多,数值低,呈逐年降低趋势。成长型和成熟型资源城市是碳排放量的热点区域,同时城市收缩加剧了碳排放量;衰退型和再生型资源城市已经成为碳排放量的冷点区域,此时的城市收缩对碳排放量抑制作用加强。③城市收缩对于碳排放量的影响是复杂的,经济收缩对碳排放空间分异的解释力最强,人口收缩解释力最小,多数影响因素空间叠加后会产生双因子增强作用,且主导因素由人口和经济收缩转变为社会和经济收缩。可见,黄河中游城市碳排放时空格局及影响因素存在一定差异,因此,在制定双碳行动方案时应综合考虑这些差异,进而可提出有针对性且能适应于地区发展需要的节能减排对策。

1982-2015年黄河中游NDVI时空变化及驱动力分析

[目的]探究黄河中游NDVI时空变化,阐明自然和人为因素对NDVI变化的影响和驱动力,并为黄河中游生态保护与发展提供科学依据。[方法]基于AVHRR GIMMS NDVI数据集,采用线性回归分析、Mann-Kendall检验、地理探测器模型,分析了1982—2015年黄河中游植被NDVI的时空演变特征,并对影响植被NDVI的自然和人为因子进行了驱动力分析。[结果]1982—2015年黄河中游NDVI呈上升趋势,空间上呈东南高西北低分布.植被覆盖改善面积高达70.79%,显著改善面积为49.2%。年降水量是黄河中游NDVI变化的主要驱动因子,植被类型、地貌类型、土地利用类型和土壤类型等因子也能很好地解释黄河中游植被覆盖状况。自然因子对植被变化的影响远高于人为因子,因子交互结果为双因子增强或非线性增强。[结论]黄河中游植被NDVI主要受年降水量影响,34年间在自然和人为因素交互作用下植被显著改善,未来应更加注重人类活动对植被覆盖的影响。

基于RSEI的黄河中游地区生态环境质量时空演化特征及驱动因素——以延安市为例

[目的]生态环境质量评价是开展黄河中游地区生态环境保护和生态文明建设的重要基础,探究其生态环境质量动态及不同主导因子对其影响,可为生态环境保护战略与经济发展战略的协调发展提供理论依据。[方法]基于遥感生态指数(remote sensing ecological index,RSEI)并辅以Sen趋势分析、Manna-Kendall突变点检验、变异系数、Hurst法对黄河中游地区延安市1990—2020年的生态环境过去和未来演化特征进行了分析,并利用随机森林和结构方程模型探究了不同阶段RSEI对不同驱动因素的敏感性。[结果](1)延安市近31年生态环境质量整体呈变好趋势。其中,绿度和湿度指标均呈增加趋势,热度指标和干度指标均呈减小趋势,各指标共同促进了延安市的生态环境质量变化。(2)1995年前RSEI为上升趋势,1995—2001年RSEI为下降趋势,2001年后RSEI呈增加趋势。(3)1990—1995年RSEI变化属于较高波动变化,1996—2001年以高波动变化为主,2002—2020年属于较低波动变化。RSEI在未来一段时间内会出现大面积的下降趋势。(4)1990—1995年RSEI受到日最低气温极低值的正影响最大,受到日最高气温的极高值、日最高气温的极低值和干旱的负影响较大;1996—2001年土地利用对RSEI的正影响最大,日最高气温的极低值、干旱和日最低气温的极低值对RSEI为负影响最大;2002—2020年连续5日最大降雨量对RSEI的负影响最大,日最高气温的极低值、日最高气温的极高值和日最低气温的极低值对RSEI为负影响较小,但其均对连续5日最大降雨量产生影响从而间接对RSEI产生较大影响。[结论]近31年来延安市生态环境质量整体呈增加趋势,但气候变化对导致的生态退化现象需要引起政府重视,尽快提出一系列生态修复措施,防止其生态环境进一步恶化。

基于多源数据融合产品的黄河中游多沙粗沙区耕地时空动态变化

[目的]黄河中游多沙粗沙区是我国典型的生态脆弱区,准确量化该区耕地时空动态变化对评估区域粮食安全、生态修复效益、水土流失状况及黄河下游安澜等都具有重要意义。[方法]基于5种30 m高分辨率土地利用/覆被数据集产品(CNLUCC、GLC_FCS30、CLCD、AGLC-2000-2015、GlobeLand30),运用耕地利用动态度、偏差系数、转移矩阵、空间一致性分析等方法对比分析多源产品耕地在多沙粗沙区的时空特征,形成30 m分辨率高精度融合数据集产品,并对其进行验证,在此基础上基于融合产品分析1990-2020年黄河中游多沙粗沙区耕地的数量、分布、结构特征。[结果]现有多源数据集产品之间耕地特征存在较大差异,而融合产品精度均优于单独使用5种现有产品。基于融合产品分析发现,1990-2020年耕地面积呈先增加后波动式降低的趋势,退耕还林(草)工程实施为分界线;1990-2020年耕地面积净减少3170.59 km^(2),减少17.63%,且>15°的坡耕地面积占比逐年减少;耕地的动态转移类型主要为草地,其次为人工地表。退耕还林(草)等生态工程的实施和城镇化建设是导致耕地减少的主要原因。[结论]综合分析多源产品的优劣,基于目标地类融合和解释多源数据探究的有效方法,以深入研究某区域的地类特征,从而获得更为精确的研究结论。

黄河中游地区生态安全格局时空演变及优化策略

把握生态安全格局动态变化的趋势和特征,识别亟需修复的生态区域,对维系区域生态安全,促进区域可持续发展具有重要意义。基于形态学空间格局分析方法并叠加国家自然保护区筛选生态源地,使用电路理论模型识别生态廊道、生态夹点区和生态障碍区,构建黄河中游地区2000—2020年的生态安全格局并分析其时空动态变化特征。结果表明:生态源地的数量和面积基本保持稳定,东部盆地和山区分布密集,西部高原分布较为稀疏。生态廊道由2000年的96条演变为2020年的103条,密集分布在山地广布的东部,西部生态廊道稀疏且跨越距离较长。生态夹点区面积保持稳定,障碍区面积呈小幅下降趋势,夹点区和障碍区以源地和廊道连接的区域及廊道的中间位置分布最为密集。生态安全格局呈现东南密集、西北稀疏的空间格局,夹点保护区在西部廊道稀疏区域变动频繁,障碍修复区集中分布在人类活动强度较大的盆地或平原,源地保护区稀疏的区域更需要稳定的“中转站”以维持长距离的廊道连接,廊道数量和长度呈增加趋势,生态安全格局整体朝着良好方向发展。黄河中游地区东部和西部生态安全格局的空间差异是由东部集中分布的高强度人类活动与生态环境良好的山区、西部脆弱的生态环境与不合理的开发活动共同作用所导致的。针对黄河中游生态安全格局存在的具体问题及实际生态状况,提出了保护与修复生态源地、生态廊道等生态要素的措施。研究结果可为黄河中游地区生态安全格局的优化及生态环境高质量发展提供科学参考与借鉴。

基于LMDI模型的黄河中游城市群水土资源利用影响因素分析

[目的]水土资源是城市发展的重要生产要素,是探索黄河中游城市群水土资源利用过程中的关键因素,对科学促进黄河中游城市群经济快速发展具有重要意义。[方法]以黄河中游三大城市群为例,通过运用LMDI加法模型对2010—2019年黄河中游三大城市群分别构建影响水资源消耗量变化及城市建设用地数量变化的因素分解模型,计算并比较不同驱动因素的效应值。[结果](1)水资源利用效率提高和产业结构的优化能够抑制水资源消耗量的增加,而经济规模和人口规模扩大则促进其增加。(2)产业规模、经济规模及人口规模扩大对建设用地扩张存在推动作用,而城市建设用地消耗强度对建设用地扩张具有抑制作用。(3)对于水资源利用量变化,黄河中游不同城市之间产业结构优化水平存在较大差距;对于城市建设用地变化,三大城市群总效应值比较结果为关中平原城市群>中原城市群>晋中城市群。[结论]基于区域差异和时间差异角度探讨黄河中游城市群水土资源利用的影响因素,有助于丰富水土资源可持续利用的相关研究,为黄河中游城市群的可持续发展提供理论指导。

气候变暖背景下黄河中游晋西黄土高原的植被响应

笔者介绍了黄河中游晋西黄土高原概况,综述了植被分布、植被覆盖、植被物种多样性及植被物候对气候因子的响应。黄河中游晋西黄土高原属于半干旱地带,植被主要为草本、灌木及一些适宜半干旱条件的乔木,水热条件是影响黄河中游晋西黄土高原植被覆盖的主要限制因子。黄河中游晋西黄土高原山地植物物种多样性分布的主要特征是乔木物种多样性、草本物种多样性和系统发育多样性均随海拔升高而递减,灌木物种多样性无明显变化趋势;乔木物种丰富度与生长季节平均温度呈显著正相关。2000年至2015年,黄河中游晋西黄土高原植被物候发生显著变化,植被生长季开始日期提前和结束日期推迟的区域较多。

黄河中游不同地貌条件下植被干旱时空特征及影响因素

利用归一化植被指数、地表温度和降水数据构建温度植被降水干旱指数(TVPDI)分析黄河中游2000—2021年植被干旱时空特征及影响因素,论证了黄河中游退耕还林还草工程实施与区域植被干旱特征间的关系。结果表明:①黄河中游2000—2021年多年平均TVPDI值呈不显著上升趋势,TVPDI多年均值为0.708,对应干旱等级为轻旱。②黄河中游2000—2021年TVPDI有较强的空间分异性,呈现“东北、西南部地区旱情较轻,西北、东南部地区旱情较重”的空间分布格局;从各地貌分区来看,黄土高塬沟壑区旱情较轻,风沙区与河谷平原区旱情较重。③黄河中游TVPDI空间分异的主要影响因子为气温、蒸散发和降雨量,且与TVPDI存在显著线性关系。黄河中游2000—2021年植被覆盖度与蒸散发量均呈增加趋势,土壤水分呈下降趋势。

基于修正参数Budyko框架的黄河中游径流变化归因

受气候变化和人类活动的共同作用,黄河中游径流量不断减少。构建了植被变化与气候变化、与人类活动之间的回归方程,从而确定了其对植被变化的贡献率,再将其引入Budyko框架里代表人类活动的流域特征参数中,以确定气候变化和人类活动对径流变化的贡献。结果表明:1)气候变化和人类活动对植被变化的贡献率分别为14.73%和85.27%;2)降水弹性、潜在蒸散发弹性和流域特征弹性分别由突变前的3.04、2.03和3.05增加至突变后的3.48、2.48和3.33;3)气候变化对径流减少的相对贡献率之和为-7.6245%,对径流量增加具有一定的促进作用,而人类活动对径流减少的相对贡献率为107.6245%,是黄河中游径流减少的主要因素。

黄河中游滩区堤沟河发生顺堤行洪可能性防治

为有效治理黄河中游滩区堤沟河造成顺堤行洪的风险隐患。文章根据黄河中游某段的实际情况,以机械挖河淤筑堤坝为基础方案,确定主要施工作业方案及工程量等内容,并由此对施工中的淤区围堤、淤区吹填和排水施工等主要流程要点内容进行详细探讨,以完成针对堤沟河顺堤行洪的防治工程。从实际验收结果看,该防治工程在各项指标上基本符合要求,初步推断该工程可在后续的预防顺堤行洪风险方面发挥一定作用。

变化环境下黄河中游洪旱灾害场景复盘与推演

1研究背景洪涝与干旱始终是我国乃至全球突出的自然灾害。受气候变化和高强度人类活动影响,洪涝与干旱灾害呈现出干旱区洪涝灾害风险加大等新问题亟需开展洪旱灾害综合风险防范。洪旱灾害的本质是极端水文事件,其风险防范应立足全流域及坡面、河道等水文全过程。本任务研究常态条件下洪水灾害风险传播与演化、极端条件下洪水灾害风险分布及调控,对防范洪水灾害风险具有重要的科学意义和实践价值。

黄河中游晋西黄土高原近62年气候变化分析

通过对9个地面站的年平均气温和年平均降水量数据进行分析,研究了黄河中游晋西黄土高原近62 a(1957年至2018年)的气候变化情况。结果表明,1957年至2018年,黄河中游晋西黄土高原气温显著升高,年平均增温0.023 0℃。其中,北部区域和中部区域年平均增温为0.028 8℃和0.035 4℃,线性方程达到极显著水平;南部区域年平均增温0.017 6℃,线性方程达到显著水平,增温趋势相对平缓。全区年平均降水量减少0.324 mm,线性方程未达到显著水平,从北向南降水量减少量增加。总体来看,区域气候环境总体趋于暖干化。

黄河中游水文变化趋势及其对气候变化的响应

黄河中游水资源匮乏,分析水文要素变化趋势对实现水资源的可持续开发利用具有重要意义。根据流域地貌特征及水文站控制情况,将黄河中游划分为3个区间,分别为：河-龙区间、龙-三区间和三-花区间,采用Mann-Kendall秩次相关检验法与线性回归方法,分析检验了各区间年径流量的历史变化趋势。采用设定情景与水文模拟相结合的途径,评估了不同区间河川径流量对气候变化的响应。根据1950-2005年资料分析,结果表明：黄河中游干流控制站实测径流量与区间径流量均具有显著的减少趋势。若气温升高1℃,年径流量将减少3.7%-6.6%;河川径流对降水变化更为敏感,若降水减少10%,河川径流量将减少17%-22%;近些年黄河中游气温升高和降水减少是河川径流减少的重要原因之一。

黄河中游地区淤地坝减洪减沙及减蚀作用研究

本文对黄河中游河龙区间及泾河、北洛河、渭河流域淤地坝的减洪减沙及减蚀作用进行了深入地分析和研究。提出了淤地坝减洪量、拦泥量和减蚀量的计算方法;对淤地坝的减蚀量进行了分析和计算。分析研究结果表明:作为多沙粗沙区核心地区的河龙区间,1970～1996年淤地坝减洪减沙量分别占水土保持措施减洪减沙总量的59 3%和64 7%,其减洪减沙作用十分明显。1970～1996年,河龙区间及泾河、北洛河、渭河流域淤地坝年均减沙达1 138亿t,可为黄河下游减少淤积0 285亿t;可减少冲沙用水22 8亿m3;节约清淤费用85 5亿元。淤地坝建设的生态效益、社会效益和经济效益十分显著。为此,建议黄河中游黄土高原地区应以淤地坝建设为重点,全面推进水土保持生态建设。

黄河中游连伯滩湿地景观格局变化

以黄河中游连伯滩湿地1990、1995、2000、2005年4个时相的卫星遥感影像为基础,通过斑块密度、斑块边缘长度、景观多样性指数、优势度、景观破碎化指数、平均斑块分维数等景观空间格局指数,系统地分析了连伯滩湿地1990年以来湿地景观空间格局变化情况。研究结果发现:(1)1990—2005年,草地、耕地、林地斑块面积在增加,而水域和滩地斑块的面积在不断减小;(2)湿地景观多样性指数从1990年的0.9947增加到2005年的1.1247,表明随着人类干扰活动的增加,景观结构异质性增大;(3)斑块数量的增加、斑块密度的增加以及斑块边缘长度的增加等都说明该区域破碎化程度增加。造成湿地退化的自然因素主要是长期干旱导致黄河及汾河径流补给大大减少,而人口的压力则是湿地退化最根本的原因。

黄河中游水系的阶地发育时代

本文通过磁性地层学方法研究了兰州段黄河阶地,宝鸡段渭河阶地,洛川段洛河阶地。结果表明:兰州段黄河最高阶地为六级阶地,发育于1.40Ma B.P.,兰州地区黄河最早出现在1.60Ma B.P.。一级支流宝鸡段渭河最高阶地为五级阶地,发育于1.20Ma B.P.,宝鸡地区渭河最早出现在1.40Ma B.P.。二级支流洛川段洛河最高阶地为五级阶地,发育于1.00Ma B.P.,洛川地区洛河最早出现在1.20Ma B.P.。黄河中游水系的阶地形成,主要是由于青藏高原的隆起以及地壳不断震荡抬升作用造成的。

黄河中游河龙区间植被覆盖变化与径流输沙关系研究

黄河中游河口镇至龙门区间(河龙区间)是黄河主要的多沙粗沙区,黄河泥沙主要来源于此。为揭示近10年退耕还林工程实施以来河龙区间植被覆盖恢复过程及其对河龙区间径流输沙的影响,该文基于GIMMS和SPOTVGT两种遥感数据,采用GIS空间分析方法研究了1981-2007年河龙区间植被覆盖时空变化及其与径流输沙的关系。研究发现:1981-2003年河龙区间归一化植被指数(normal difference vegetationindex,NDVI)整体呈上升趋势,位于其西北部地势平坦的沙地草滩区植被NDVI上升趋势显著,而黄土丘陵沟壑区和山地森林区的植被NDVI呈下降趋势。②退耕还林工程实施以来,1999-2007年河龙区间植被NDVI在降水偏低的背景下,仍表现出显著的上升趋势,植被覆盖恢复同势强劲。植被NDVI上升最显著区域位于黄土丘陵沟壑区,即窟野河、秃尾河、无定河中下游以及延河中下游地区。从前后两个时期对比看,后期NDVI较前期提高10%以上和20%以上的区域分别占总面积的72.5%和36.4%。③1950-2007年河龙区间产流量、产沙量呈减少趋势,尤其自20世纪80年代以来,减少趋势非常明显。与1950-1969年相比,1980-2007年产流量和产沙量分别减少了34.8×108m3和6.4×108t,占前期的49.4%和64.9%。④河龙区间植被NDVI与产流量、产沙量存在正相关关系,但退耕还林工程实施后,这种同步波动关系发生扭转,表现为植被NDVI上升,产流量、产沙量下降。虽然降水偏少是河龙区间产流、产沙下降的重要原因,但植被恢复可能加剧了该趋势。