干旱条件下淮北平原夏玉米根系水分来源研究

为探究干旱胁迫条件下淮北平原夏玉米生长期水分利用特征,分析农田降水-土壤水-作物水之间的转化规律。通过野外实验和室内分析,测定分析不同生长期内降水、土壤水、植物水、地下水的稳定氢氧同位素值。采用稳定氢氧同位素技术分析了各水体的同位素分布特征,利用直接对比法和多元线性混合模型法分析夏玉米对土壤水分的主要吸水深度及贡献率,进而研究其水分来源。结果表明,五道沟实验站夏季大气降水线方程为δD=7.26×δ^(18)O+3.11(R^(2)=0.98),其斜率和截距均小于全球大气降水线方程,表明降水在降落过程存在蒸发富集过程。土壤水氢氧同位素在垂直方向剖面呈现明显的梯度分布。干旱胁迫条件下,夏玉米拔节-抽雄期主要吸收0~20、20~40、40~60 cm处的土壤水,贡献率分别为21.8±13.6%、25.5±20%和25.1±18.2%;抽雄-灌浆期主要吸收0~20 cm处的土壤水,贡献率为68.6±3.6%;灌浆-成熟期主要吸收0~20 cm处的土壤水,贡献率为72.0±0.9%。夏玉米根系优先利用浅层土壤水,土壤水主要来自大气降水。地下水埋深较浅地区,干旱条件下夏玉米在整个生长期内根系吸水深度较浅,由此考虑生长期改变灌溉方式来提高灌溉水利用率。

黑河上游高寒山区集水面积阈值确定方法探讨

针对我国高寒山区河流的最佳集水面积阈值确定的问题,选取黑河上游山区为研究区,利用SWAT(soil and w ater assessment tool)模型的流域离散模块(w atershed delineator)基于DEM提取河网,探讨河网总长度与集水面积阈值关系曲线法和适度指数法在高寒山区的适用性.结果表明:两种方法所对应的最佳集水面积阈值相差较大,所提取的河网难以反映河流真实情况,效果较差,主要原因是上述方法仅考虑流域面积、地形和几何特征的影响,缺乏对降水和其他下垫面因子的综合考虑.相较而言,利用蓝线河网推求最佳集水面积的适度指数法的效果较好.在高寒山区进行河网提取时,应综合考虑影响河网发育的各个因素,在流域分区的基础上,通过不同集水面积阈值实验,获取更高精度的数字河网,改善分布式水文模型的空间离散效果.

耦合SWAT与RIEMS模拟黑河干流山区径流

以黑河干流山区为研究区,采用1∶100 000植被类型图、1∶1 000 000土壤类型图和气象水文观测数据,耦合SWAT水文模型与RIEMS高分辨率区域气候模式,模拟1995-2010年月径流变化过程,探讨水文模型气象驱动数据的优化方法和气候水文模型耦合的区域适宜性。RIEMS气候模式输出精度较高,降水、温度、湿度、风速的相关系数均在0.80以上,均通过了0.01显著性水平检验,时空分辨率达到6 h和3 km。构建虚拟气象站点,弥补气象观测站点稀少且分布不均匀的不足,对水文模型气象驱动数据进行优化;遵循多时间尺度、多变量和多站点的原则来校准模型。结果表明,径流模拟值与观测值的过程趋势拟合程度较好,NSE均在0.60以上,PBIAS介于±20%之间,R2达到0.70以上。径流模拟在枯水期表现较好,在丰水期存在一定的误差,主要是受降水驱动数据偏高的影响,气候模式模拟能力需要提高,水文模型空间插值方法和气候水文模型耦合方案需进一步完善。总体来看,耦合SWAT模型与RIEMS模式能够较好地模拟黑河干流山区水文过程,可为流域水资源的预测和管理提供科学依据。

1981-2010年黑河流域中下游对流层大气比湿变化

利用黑河流域4个探空站不同等压面的大气温度及露点差序列,分析1981-2010年区域对流层大气比湿垂直廓线的气候特征、年均比湿和季节平均比湿的年际及年代际变化,以及季节对年均比湿年代际变化趋势的贡献.研究表明,水汽主要集中在对流层中低层,比湿极大值均出现在夏季,其平均比湿仅为全国平均比湿的0.4~0.77,200 h Pa等压面比湿与全国平均比湿接近,季节变化微弱.除夏季700 h Pa等压面比湿上升外,年均比湿与季节比湿呈下降趋势,且沿廓线向上年均比湿与季节平均比湿的相对下降速率逐渐增大.典型等压面700 h Pa、500 h Pa和200 h Pa年均比湿和季节平均比湿先增大后减小,以1980年代中期和2002年为界经历了＂干-湿-干＂过程,30年来比湿极大值出现在2002年,其变化幅度随高度的增加而减弱.冬季平均比湿距平变化最为平稳,夏季比湿波动最大.区域1990年代比湿整体增加,但2000年代则相反,且比湿减小幅度是1980年代比湿增幅的10倍,1990年代的5倍.1980年代年均比湿增大主要通过秋季来贡献;1990年代的年均比湿增大通过夏秋季贡献;2000年代比湿大幅下降仍以夏季贡献最大,秋季贡献统计上最明显.

黄河上游人工增雨效益评估研究及应用

为缓解黄河上游来水不足和下游严重缺水的状况,自1997年开始开展了黄河上游河曲地区人工增雨作业。近20 a来已经取得较为显著的增雨效果。回顾和总结过去黄河上游河曲地区人工增雨作业,对于以后工作的开展有着承前启后的作用。同时,如何对人工增雨的效果进行全面系统的评估,科学合理地指挥高效人工增雨作业,仍然是一个亟待深入研究的问题。通过系统分析黄河上游河曲人工增雨作业区与对比区域的降水过程中云雨物理量的变化特征,采用统计检验与物理检验两种手段来评估人工增雨效果,进而采用统计分析方法与具有物理机制的分布式水文模型分析降水过程变化流域径流响应过程,从作业区及其代表子流域详细评估径流过程及各水平衡分量的差异。通过集成适宜于本区域云雨物理过程分析方法、分布式降水径流物理模型、时序差异性监测统计方法,提出科学客观、全面系统的研究区人工增雨降水效果与径流响应的定量方法,给出作业区客观全面的降水量与径流量评估结论,并对20 a来人工增雨工作进行回顾总结分析。

咸海中下游流域水质空间分布特征及其与土地覆被的关系

中亚咸海流域的资源和环境问题一直是全球关注的热点。为揭示咸海流域水环境变化及其成因,本文利用2019年中下游流域21个采样点水质数据,通过主成分、聚类和秩次等多元统计分析方法相结合,分析了水体的基础理化属性、氮磷营养元素、其他元素和离子等20种指标的空间分布特征,辨识了该流域主要水质类型、空间分布及成因,探索了不同空间尺度土地覆被类型对水质类型的影响。结果表明:1)电导率、总溶解性固体物质和离子浓度越往河流下游数值越高,其中在咸海最大;不同形态磷元素浓度在阿姆河中游较高,硝态氮浓度在锡尔河较高;碳元素浓度也在阿姆河,特别是阿姆河下游三角洲地区较高。2)所有采样点水体根据水质指标相似性聚类可划分为3种综合性水质类型。第1类型为水质指标浓度均偏低的水体,分布在锡尔河中游和咸海;第2类型为氮磷营养元素浓度偏高的水体,分布在阿姆河中下游;第3类为碳元素和离子浓度均偏高的水体,分布在咸海。第1和2类型水体的元素浓度主要受荒漠地区岩石风化过程控制,阴阳离子来源于硅酸盐岩和蒸发岩的风化;第3类型水体主要受气候干燥导致的蒸发-结晶过程控制,阴阳离子除来源于硅酸盐岩和蒸发岩的风化外,还受碳酸盐岩风化影响。3)当各采样点缓冲区半径从0.5 km增加到10 km时,对第1类型水质浓度变化影响显著的土地覆被类型逐渐从荒地变为水域、灌木、草地和农田与植被混合,其中水域的影响最大;第2类型水质浓度变化与土地覆被类型无显著性关系;对第3类型水质浓度变化影响显著的土地覆被类型从水域变为水域、农田与植被混合等,其中水域的影响最大。因此,咸海流域水质浓度变化与当地干旱缺水和蒸发剧烈等气象条件以及土地覆被类型有密切关系。为改善咸海中下游流域水环境状况,在增加中下游河道流量和咸海的补给,减弱下游和咸海蒸发-结晶作用的同时,还需加大河岸带的植被修复和退耕还林还草,特别是在阿姆河和锡尔河中下游农业区、咸海等地区。

乌兹别克斯坦水资源变化及其对供给压力的影响

梳理文献资料,结合农业、遥感和气象水文产品数据,分析乌兹别克斯坦水资源变化及水资源供给压力。分析表明:自1980年以来,乌兹别克斯坦年平均取水量由59亿m3增至102亿m3,灌溉农业消耗了90%以上的水资源;尽管1992年以来耕地面积总体呈下降态势(200km2/a),且高耗水作物种植比重下降(-3.24%),但受气候变暖的影响(0.31℃/(10a)),单位面积作物需水量持续增加(3.27mm/a),导致总的需水量仍呈增加态势(2.75亿m3/a);与此同时,上游来水量减少以及上游国家用水的增加,将进一步加剧区域水资源短缺及供给压力。为应对水资源问题,乌兹别克斯坦需加强水管理,改进灌溉技术,提高用水效率,同时,需寻求完善跨境河流水资源分配与管理的途径。该研究有助于增进对乌兹别克斯坦水资源问题的认识,并为应对该问题提供科学依据,以及为"一带一路"合作发展提供支撑。

黄河源区白河基流分割方法适用性分析

基流是黄河径流的重要补给来源,对源区水资源规划和生态环境建设具有重要作用。以黄河源区白河流域为研究区,利用唐克水文站1981-2015年的实测日径流资料,采用常用的5类12种数值模拟法,进行基流分割并比较分析其适用性。结果表明:12种方法估算的基流指数(Baseflow index,BFI)差异明显,Lyne-Hollick滤波法计算的BFI值最大,为0.91;加里宁法计算的BFI值最小,为0.39;Eckhardt滤波法的标准差和极值比最小,稳定性最好;加里宁法的标准差和极值比最大,稳定性最差;对1992年(丰水年)日径流过程进行分割,Chapman滤波法、Chapman-Maxwell滤波法和加里宁法的基流过程线平滑缓慢,更符合实际情况;Boughton-Chapman滤波法、BFI法和HYSEP法基流模拟效果较好,Nash-Sutcliffe效率系数高于0.87,决定系数接近0.9,平均相对误差小于10%。综合比较,认为Boughton-Chapman滤波法、BFI法是白河流域较为适宜的基流分割手段。

气候变暖背景下黄河源区白河和黑河流域径流变化归因分析

使用Mann Kendall检验和STARS法对黄河源区白河和黑河流域1985-2016年水文气象序列进行趋势分析和突变点诊断,利用基于Budyko假设的傅抱璞公式定量评估气候变化(包括降水和潜在蒸散发)和人类活动对流域径流变化的影响程度.结果显示,两个流域气温上升趋势显著,年径流都呈减少趋势,降水和潜在蒸散发都增加,潜在蒸散发变化幅度大于降水.白河流域径流与降水均未发生突变,径流主要受气候变化影响.黑河流域径流发生两次突变,分别为1994和2012年.弹性系数计算结果显示,黑河径流的降水、潜在蒸散发以及下垫面弹性系数分别为3.82,-2.82,-0.74,表明与人类活动相比,黑河径流对气候变化更加敏感,降水比潜在蒸散发发挥的作用更大.归因分析表明,降水、潜在蒸散发和人类活动对两次黑河径流突变的相对贡献分别为-18.34%、30.12%、88.22%以及74.47%、-40.51%、66.04%,人类活动是导致黑河流域径流变化的主要原因.

1992-2015年中亚五国土地覆盖与蒸散发变化

1991年苏联解体,中亚五国独立使得土地覆盖与蒸散发格局发生深刻变化。以中亚五国为研究区,采用欧空局气候变化项目(CCI)土地覆盖和全球陆地数据同化系统(GLDAS)蒸散发数据,分析1992-2015年土地覆盖与蒸散发时空变化特征,进一步研究耕地蒸散耗水特征。结果表明:①中亚五国土地覆盖变化具有阶段性特征,耕地扩张引起土地覆盖格局变化。1992-2003年耕地快速增加(1.1万km^2/a),林地和草地大幅减少。2003-2015年耕地增速趋缓(0.3万km^2/a),林地和草地有一定恢复,裸地和水体持续减少,城镇用地持续增长。耕地共增加12.3万km^2,林地和草地分别减少4.0万km^2和2.3万km^2,且集中于哈萨克斯坦中北部。裸地减少3.5万km^2,集中于哈萨克斯坦西南部,水体减少3.1万km^2,集中在咸海湖泊。乌兹别克斯坦耕地减少、裸地增加,吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦土地覆盖变化幅度较小;②中亚五国蒸散发变化与土地覆盖格局基本一致。蒸散发总体呈增加态势(6mm/a),1992-2003年快速增加(11.3mm/a),2003-2015年缓慢上升(2.4mm/a)。中亚五国年蒸散发达到276.8mm,东南部的吉尔吉斯斯坦(347.3mm)和塔吉克斯坦(302.9mm)最高,中北部的哈萨克斯坦(297.9mm)次之,西南部的乌兹别克斯坦(211.0mm)和土库曼斯坦(150.0mm)最低;③中亚五国蒸散耗水结构受耕地面积大小的影响。中亚五国耕地蒸散耗水的贡献由24.7%增至27.9%,土库曼斯坦耕地蒸散耗水仅占本国的11%,其他国家均超过25%。草地、林地和裸地的蒸散耗水贡献降低,但哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦仍以草地和林地蒸散耗水为主(≥50%),土库曼斯坦(61.3%)和乌兹别克斯坦(46.4%)的裸地蒸散耗水占绝对优势。本文明确了中亚五国土地覆盖连续动态变化过程,细化各国土地覆盖与蒸散发特征及差异,增强对土地覆盖与蒸散发现状的认识,可为水土资源管理和生态环境保护提供数据参考。