基于水循环全过程的旱涝级联效应研究框架

气候变化与人类活动影响加剧背景下,亟须实现旱涝灾害风险精准防控。从孕育机理、传播机制、事件评价、风险评估、影响效应等方面回顾了旱涝事件研究现状,明晰了当前在旱涝事件演变机理和评价指标构建方面存在的不足。从水循环全过程视角,分析了干旱和洪涝事件在坡面、河道、流域和区域4个尺度与水量和效应2个层面的本质内涵、影响效应及评价方式。基于地表-土壤-地下、坡面-河道、支流-干流及水网工程间的水力联系,分别从水量和效应层面分析了不同空间尺度上干旱和洪涝的内在联系,明确了干旱、洪涝及旱涝级联过程本质上受流域调蓄作用的影响。从旱涝级联效应的内涵、类型、表现形式和关键技术等方面,提出了旱涝级联效应的研究框架。未来应从流域调蓄作用的视角量化不同空间尺度各要素调蓄能力变化,分层调蓄防范化解旱涝风险。

青藏高原不同水体氢氧稳定同位素特征

为揭示青藏高原区域水文循环机制和促进水资源合理利用,基于氢氧稳定同位素技术分析不同水体氢氧稳定同位素特征和转化关系,应用端元混合径流分割模型和IsoSource软件进行流域水源解析。结果表明:区域大气降水δ(^(18)O)值2—5月上升、5—10月下降;氘盈余值冬季高夏季低;δ(^(18)O)在青藏高原北部地区表现出“逆海拔效应”,区域内其他地区“海拔效应”明显。河水、湖水、地下水的平均蒸发损失量分别为20.8%、30.9%、23.6%。河水氢氧稳定同位素的沿程变化受补给水源和蒸发作用影响,降水补给使得河水δ(^(18)O)减小,重同位素相对富集的地下水补给导致河水δ(^(18)O)增大,蒸发作用使得河水δ(^(18)O)增大,蒸发效应使得湖水重同位素富集,湖水注入河道后导致河水δ(^(18)O)增大。降水是拉萨河流域的最主要补给水源,而对于疏勒河流域的补给水源来说,降水和地下水平均贡献率相近,岷江流域则以地下水补给居多。那曲河流域下游受错那湖调节,随着沿程距离的增加,湖水补给贡献率呈下降趋势。

高海拔季节冻土区完全融化期土壤水分特征曲线适用性

以怒江源区那曲流域为例,基于4个试验场完全融化期(6—9月)的土壤体积含水量(0.15~0.51 cm^(3)/cm^(3))和土壤基质势数据(0~200 kPa)实测数据,选择Van Genuchten(VG)、Brooks-Corey(BC)和Campbell 3个模型进行拟合,以均方根误差ERMS和决定系数R2为评价指标,分析3个模型对高海拔季节冻土区不同土层和不同土壤质地的适用性。结果表明:从整体上看,VG模型(平均R2为0.992,平均ERMS为0.006 cm^(3)/cm^(3))的拟合效果优于BC模型(平均R2为0.972,平均ERMS为0.019 cm^(3)/cm/3)和Campbell模型(平均R2为0.984,平均ERMS为0.014 cm^(3)/cm^(3));但是在不同土层和不同土壤质地情况下模型的适用性有所区别,VG模型更适用于壤土和壤质砂土(平均R2为0.987,平均ERMS为0.008 cm^(3)/cm^(3))以及土壤深层(10~35 cm土层,平均R2为0.990,平均ERMS为0.007 cm^(3)/cm^(3)),Campbell模型更适用于砂质壤土(平均R2为0.985,平均ERMS为0.009 cm^(3)/cm^(3))以及土壤表层(5 cm土层,平均R2为0.993,平均ERMS为0.006 cm^(3)/cm^(3)),BC模型在不同条件下都不是最优模型;参数θr取值大小会显著影响土壤水分特征曲线的形状。本研究可为深入研究高海拔季节冻土区的土壤水分运动特性以及中华水塔区的水源涵养作用提供支持。

三峡库区流域生态系统稳定性演变评估

在生态文明建设与长江经济带发展战略不断推进的背景下,从流域尺度开展三峡库区生态系统定量评估,是库区生态保护修复策略制定的科学基础,对库区未来“自然-经济社会”可持续发展具有重要意义。基于多元遥感影像,综合采用生态模型、统计分析等手段,对三峡库区流域生态系统格局、质量与服务演变趋势进行了时空分析。结果表明:①2000~2020年间,三峡库区流域水体面积增加了283.25 km 2,主要由农田、城镇及森林转换而来。②流域上游区区域水源涵养量、水土保持量呈现增加态势,占流域总面积的64.5%;流域中下游山区局部地区水土流失仍然较为严重,靠近城市主城区及周边地区水源涵养能力、生物多样性维持和固碳服务有所下降。③库区生态系统稳定性总体逐渐提升,但在西部农田区域及长江岸带,由于受到人类活动胁迫,稳定性变差。为提升三峡库区流域生态系统整体的稳定性,建议按照“大流域统筹、子流域分区、差异化施策”的流域治理思路,做好“精准施治,一河一策”,提升上游自然区域森林、草地生态质量,调整河岸带湿地群落结构,从而提升上游地区水源涵养能力、岸边带与消落区生境功能与水土保持能力,这将是未来三峡库区流域生态系统稳定性提升及流域可持续发展的重要方向。

持续干旱作用下东辽河流域土壤容重及水分空间变异特征分析

针对2009年发生的特大干旱,研究了持续干旱作用下东辽河流域的土壤湿容重和重量含水量的空间变异特征,以期为持续干旱作用下改善土壤质量,进而提高东辽河流域的粮食产量提供理论依据。对比分析2008年9月和2009年9月的野外采样数据可知,东辽河流域土壤湿容重变异不大,为弱变异性;土壤水分变异较大,为中等变异。由于受人类耕作的影响,10 cm深的土壤湿容重和重量含水量空间变异性明显高于30 cm深。从整体上看,2009年9月10 cm深和30 cm深的土壤重量含水量的变异系数均高于2008年9月。持续干旱作用下,10 cm深的土壤湿容重及其变异系数均减小,10 cm深和30 cm深的土壤重量含水量及其变异系数也减小。丘陵旱田土壤重量含水量最小值10 cm深为5.490%,30 cm深为4.575%;丘陵水田土壤重量含水量最小值10 cm深为11.619%,30 cm深为8.425%,明显小于农作物适墒重量含水量,已严重威胁到作物的正常生长,若干旱持续下去将影响东辽河流域的粮食产量。

变化环境下我国干旱灾害的综合应对

干旱是我国主要自然灾害之一,发生频率大,影响范围广,其不仅具有普遍性、季节性、连续性和地域性等多样特征,同时还影响着我国的粮食安全,以及水循环及其伴生水环境、水生态和水沙过程。因此,系统识别干旱成因,综合应对变化环境下的干旱,已成为我国经济社会发展过程中亟待解决的关键问题之一。我国干旱既受到全球气候变化的影响,也受到经济社会发展过程中非理性水土资源开发活动影响;同时,强调自然成因和以"危机管理"为主要范式的干旱应对方略也未能有效减缓干旱危害。进一步提出我国干旱综合应对在从"危机管理"向"风险管理"转变的同时,还应构建物理机制统一的水资源及伴生过程模拟平台和干旱风险评价指标体系,进而做出相应的应对策略。

春玉米抽穗期主要土壤参数空间变异特征研究

以在东辽河流域进行的田间采样为基础,将经典统计学与地统计学相结合,对春玉米抽穗期3项土壤含水量指标和9项土壤参数指标进行了空间统计分析。研究结果表明,10cm深土壤含水量以及全N、粗砂粒、细砂粒、粗粉粒含量最佳半方差模型符合线状模型,20cm和30cm深土壤含水量最佳半方差模型符合球状模型,有机质、全P、细粉粒、粗黏粒和细黏粒含量最佳半方差模型符合高斯模型。20cm和30cm深土壤含水量、有机质、全P、细粉粒、粗黏粒和细黏粒含量7项指标均具有强烈的空间相关性,存在着明显的空间自相关格局,Kriging插值空间分布具有明显的片状和斑块状特点。

海河流域景观空间梯度格局及其与环境因子的关系

基于GIS技术,以海河流域为对象,首先,分别采用Fragstats3.3的标准法和移动视窗法先后分析了流域整体景观格局及其空间分异特征;然后,针对流域本身自然地理梯度特点,分别沿流域纵向(河流流向)梯度和横向(垂直与河流流向)梯度设置了两条样带,应用移动视窗法计算了景观层次下的斑块面积(AREA_MN)、蔓延度指数(CONTAG)、边界密度(ED)、形状指数(LSI)、斑块密度(PD)、多样性指数(SHDI),获得了景观沿两个样带方向的梯度格局;最后,以高程、降水、气温、人口和GDP为环境因子,以上述6个指数值为目标物种,利用去趋势典范对应分析(DCCA)方法研究了景观梯度格局与环境因子的关系。结果表明:2000年海河流域内景观基质为农田,面积占55.9%,流域内景观结构以块状结构为主,并零散分布有圈层和带状(廊道)结构;景观梯度格局在两条样带上均表现为类似的特征,即随景观类型变化呈现不同幅度的波动,两条样带上均存在较为明显的过渡带;DCCA分析表明:景观梯度格局与环境因子关系密切,区域高程、降水量、温度对流域尺度的景观格局起决定性作用,人口数量、GDP则在局部地区对景观格局有着重要影响。

中国大陆流域分区TRMM降水质量评价

根据中国境内2 257个气象站点1998—2013年逐日降水资料,结合流域分区,采用探测准确性、相关系数以及相对误差等指标,对热带降水测量(TRMM)降水精度和一致性进行系统评价。结果表明:1 TRMM日降水准确性从东南沿海向西北内陆递减;2气象站点年均降水日数显著大于TRMM年均降水日数;3西北片区以外气象站点降水量和TRMM降水量在月尺度和年尺度上均具有较好的相关关系;4各流域年均TRMM面降水量均高于气象站点面降水量,且TRMM面降水量相对误差雨季较小,枯季较大;5各流域TRMM面降水量与气象站点面降水量演变趋势基本一致,南方各流域年降水量均呈减少趋势,北方各流域年降水量均呈增加趋势,全国尺度上年降水量呈微弱的减少趋势。

黄淮海流域旱涝时空分布及组合特性

以黄淮海流域及其周边地区204个气象站点1961—2010年逐日降水过程资料、国家1∶25万DEM数据和1∶20万土地利用数据为基础,在利用降水Z指数对黄淮海流域旱涝进行评价的基础上,采用下垫面数据对结果进行修正,并分析黄淮海流域旱涝面积的时间变化特征,对黄淮海地区的易旱区、易涝区进行了划分,进一步选取集对分析法划分了流域内季节间旱涝交替的易发区。结果表明:黄淮海流域内夏秋两季旱涝问题较为严重,且秋旱面积上升趋势较为明显;黄河和海河流域以干旱居多,淮河则是干旱和雨涝并存,季节间的旱涝交替多集中在淮河流域中上游地区。

1961—2012年黄土高原干旱时空分布特征

干旱是黄土高原主要自然灾害之一。为了揭示黄土高原干旱的变化规律,以该区为研究对象,获取研究区及其周边72个气象站点1961—2012年的逐日降水观测资料,以连续无有效降雨日数作为干旱指标,采用神经网络算法和数理统计法,分析近52年黄土高原干旱的时空变化特征。结果表明:(1)黄土高原不同等级干旱发生次数年内变化显著,轻度干旱发生次数在春、夏季相对较多;中度干旱和严重干旱发生次数年内变化趋势相似,均易发生在冬季;特大干旱发生次数多集中在春季。(2)近52年来不同类型区干旱变化亦显著,各分区干旱发生次数整体均呈上升趋势,2001—2012年各分区干旱发生次数最多。(3)黄土高原干旱发生总次数和春季干旱发生次数整体均呈由西南向东北逐渐增加趋势,夏季干旱多发生在黄土高原北部边界处,秋季干旱发生次数较多的有黄土高原西北部丘陵沟壑区、陕甘宁河流阶地及高原沟壑区的北部和汾河平原及晋陕丘陵沟壑区,冬季干旱整体呈面状分布。(4)轻度和中度干旱发生次数大体相似,均呈由西南向东北逐渐增加趋势,严重干旱多发生在黄土高原北部边界处,特大干旱多发生在黄土高原西北部丘陵沟壑区。研究成果对制定黄土高原防灾减灾政策有一定的参考价值。

我国水资源管理及其关键问题初探

我国水问题叠加和累积影响日渐严重,而我国现行的水资源管理在管理体系、政策法规、规划与计划、管理制度和关键技术方面并不能综合应对各种水问题。分析了我国水资源特征及其生态环境问题,概述了水资源管理历程和实施最严格的水资源管理制度,并剖析存在问题,深入探讨了变化环境下水资源系统演变机制的系统识别、面向极值过程的水资源配置与调度、基于总量控制与"三条红线"的水生态环境调控、全面推进水务管理和水利工程综合应对气候变化的关键技术等问题。

北美洲干旱灾害应对策略及其对中国的启示

在全球气候变化背景下,各地极端气候事件有上升趋势。其中以洪涝和干旱灾害对人类生活的影响最大、最频繁。在长期应对干旱灾害的经历中,北美洲各国逐渐形成了较为完善的干旱灾害应对模式,通过立法、风险管理、制定干旱计划、工程措施与非工程措施相结合等多种手段降低干旱灾害带来的损失。通过文献查阅与综述方法,结合北美洲国家相关网站介绍,总结了了北美洲应对干旱灾害的经验,针对我国干旱管理不足提出建议,以期为我国的干旱灾害风险管理和应对提供思路和启示。

基于系统动力学的海口市需水预测分析

基于系统动力学模型理论,构建海口市经济社会-生态环境-水资源复合需水预测模型,在经济社会稳定或高速发展、节水措施强化或适度推广的交叉组合情景假设下,给出在来水频率P=50%、75%、90%时,海口市各区域用户发展需水量的高、低两种预测结果,并对结果进行合理性分析。结果表明,所得需水预测结果较为可靠,可为海口市水资源管理和水资源配置提供参考。

近55年以来漳卫河流域干旱演变特征

以漳卫河流域11个气象基准站1957年-2011年降水日值资料为基础,基于标准化降水指数选取干旱发生频次、干旱影响范围、干旱强度与历时、干旱重心等指标,分析了流域降水突变前后气象干旱演变特征。结果表明:流域降水在1976年发生突变,降水突变前后,年尺度干旱发生频次和影响范围显著增加,分别由20%、23.2%增加到40%、34.1%;在季尺度上,春旱发生频次和影响范围均有较大程度减少,夏旱和秋旱的发生频次和影响范围有所增大,冬旱的发生频次和影响范围分别有小幅度的增大和减少;年尺度和季尺度干旱的平均干旱历时和强度增加显著,而月尺度干旱的干旱历时和强度略有下降;流域干旱重心在降水突变前后未发生明显的变化。

干旱评价指标体系研究进展

从干旱及干旱指标的分析入手,阐述了5种干旱指标:气象干旱指标、水文干旱指标、农业干旱指标、社会经济干旱指标以及生态干旱指标,并指出了其适用范围和优缺点,以及指标构建中存在的问题及未来发展方向,为干旱的评估与预测提供了依据。

农业干旱风险分析基本模式及应用

在农业干旱风险分析模式中引入自然灾害风险分析的基本理论,系统剖析了农业干旱灾害风险分析的基本要素(致灾因子、孕灾环境和承灾体),结合自然灾害风险分析基本模式构建了农业干旱风险分析基本模式。根据人工神经网络构建了农业干旱风险分析模型,并应用于河南省农业干旱风险分析中。结果表明,该模型对河南省农业干旱具有一定模拟能力,其模拟误差约为20%;河南省农业干旱整体形势严峻,且随着农业干旱频率的减小其成灾面积损失呈指数趋势增加。

怒江源区那曲流域夏季降水与河水稳定同位素特征分析

怒江源区是亚洲地区重要的水源涵养区和生态屏障建设区,识别其水循环演变机理及水源构成具有重要的意义。而同位素技术是解决上述问题的有效手段之一。因此,利用2017年7月与8月那曲流域采集的降水、河水和湖水样品δD和δ18O的测试结果,分析了研究区夏季降水、河水和湖水稳定同位素时空分布特征。结果表明,7月份降水与河水中δ18O的平均值均大于8月份,造成这种差异的主要原因在于受季风影响8月份降水增多。夏季降水中δ18O和过量氘的纬度和高程效应不显著,降水量是其主要影响因素。夏季河水中δ18O的纬度和高程效应均不显著。河水中过量氘与纬度和高程存在较好的相关性,且湖水对于过量氘的分布具有重要的调节作用。由于沿途诸多支流汇入干流,从错那湖开始到下游,干流河水中同位素呈递减趋势。

石津灌区冬小麦关键生育期逐时降水的变化特征

【目的】研究气候变化背景下石津灌区冬小麦关键生育期(拔节期、抽穗期、乳熟期)内有效降水过程的变化,为灌区雨水的高效利用、制定科学合理的灌溉制度提供科学依据。【方法】采用灌区内部及周边15个气象站1983-2012年4-6月的逐时降水资料,基于降水历时与降水强度的分类标准,运用Mann-Kendall趋势检验,借助ArcGIS平台的反距离插值(IDW)工具,分析了4类有效降水(短历时小雨、长历时小雨、短历时中雨、长历时中雨)在冬小麦3个生育期内发生时刻的变化规律、逐站逐年的累计降水次数以及总降雨量的时空变化规律。【结果】(1)午后至夜间(14:00-06:00)为4类有效降水的高发时段,其中长历时中雨在拔节期的发生时刻集中在10:00-15:00时段。(2)4类有效降水的累计降水次数以及总降雨量30年的变化趋势一致:1短历时小雨在冬小麦拔节期、抽穗期呈增加趋势,在乳熟期表现出减少趋势;2长历时小雨在拔节期呈增加趋势,抽穗期、乳熟期为减少趋势;3短历时中雨、长历时中雨在1998年以前呈减少趋势,1998年以后短历时中雨在拔节期为减少趋势,其他时期表现为增加趋势,长历时中雨在抽穗期为减少趋势,其他时期则为增加趋势。(3)4类有效降水的累计降水次数以及总降雨量的空间分布一致:拔节期4种类型降水均表现为北多南少;抽穗期不同历时小雨表现为中间少四围多,不同历时中雨则表现为西南多东北少;乳熟期不同历时小雨的空间分布与抽穗期一致,短历时中雨呈北多南少的分布,长历时中雨则呈东多西少的分布格局。【结论】气候变化背景下冬小麦拔节期有效降水的发生次数和降雨量逐渐增加;乳熟期的有效降水次数和降雨量呈减少趋势。

水的生态服务功能内涵与评价方法初探

从水的生态服务功能的机理出发,深入剖析了其内涵与水的两层次生态服务结构,并在此基础上构建评价水的生态服务功能的指标体系,介绍了评价流域水的生态服务功能的主要方法;最后提出了维系流域水的生态服务功能主要思路与手段,为水的生态服务功能研究提供了新思路与新方法。