窟野河流域河川基流量变化趋势及其驱动因素

河川基流量的变化是区域气候变化与人类活动的综合反映,其对维持生态系统健康具有重要的意义。以黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域窟野河流域为研究对象,利用1959—2005年实测水文、气象资料,基于Chapman-Maxwell数字滤波法的基流量计算,分析窟野河流域河川基流量的变化趋势与演变特征,从气候变化和人类活动两方面探讨了河川基流量变化的驱动因素。结果表明:(1)近50年来,流域内7个时段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期、非汛期)的基流量均表现为极显著减少趋势,全年基流量的减少量为0.628 mm/a,并在1980和1996年发生两次明显的突变;(2)与基准期(1959—1979年)相比,水土保持效应期(1980—1995年)的全年日基流量在5%,50%和95%的频率上相对减少率分别为30%,38%和54%,煤炭开发期(1996—2005年)的全年日基流量在5%,50%和95%的频率上相对减少率分别为57%,68%和100%;(3)流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同作用的结果,降水量的变化一定程度影响基流量,但主要驱动因素是流域内大面积连片开采煤炭资源和过量开发利用地下水。

自动基流分割法在黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域适用性分析

黄土高原水蚀风蚀交错区生态环境脆弱,河川基流量的多少及其变化对维持该区生态系统健康具有重要意义。利用黄土高原水蚀风蚀交错区窟野河流域多年实测径流资料,研究国内外常用的滑动最小值法、HYSEP法和数字滤波法3类共8种自动基流分割方法在该研究区的适用性。结果表明:1)8种方法所得年均基流指数差异较大,最大为0.651 5,最小为0.330 5,而滤波法中的F2(Chapman-Maxwell法)和F4(Eckhardt法)法估算的结果最为稳定可靠,均值分别为0.386 8和0.330 5,标准差分别为0.042 8和0.046 1;2)F2和F4法分割的基流过程线与实际更吻合,2种方法估算的年基流量与实际观测值的验证效果最好,Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.691和0.718,平均相对误差分别为9.83%和5.05%,F2和F4法估算的基流结果均能客观稳定地反映该研究区的基流状况,适合于该研究区进行基流分析;3)从F2和F4 2种方法估算值的平均值来看,窟野河流域基流量近50年来呈现减少趋势,其减少量占总径流减少量的41%。

1983-2009年黄土高塬沟壑区耕地结构特征演变分析

为明确退耕还林前后黄土高塬沟壑区耕地数量和空间结构演变规律,以长武县为例,基于土地利用结构内涵,采用GIS技术和定量指标,对1983年、1993年和2009年黄土高塬沟壑区耕地数量和空间结构进行定量分析。结果表明:长武县3个时期的耕地数量分别为292.1、181.3和159.2km2,耕地减少主要位于0～2°,>15～25°和>25°坡度耕地,相对于1983年、1993年分别下降了29.6%、48.9%、60.1%和15.6%、15.7%、48.8%,耕地与其他地类的相互转化频繁。该区0～6°缓坡耕地主要转化为园地和居工地,>15°的陡坡耕地主要转化为林地和未利用地(荒草地)。结构分析表明耕地数量的坡度分布趋于合理,缓坡耕地空间结构上向均匀性、核心板块的团簇式发展,陡坡耕地主要以核心斑块的分散分布为主。耕地在过去30a是一个优化的过程,其结构演变有利于资源优化配置利用和农业集约化发展。1983-1993年期间的退耕为种植业效益驱动下农户自发性质的退耕或者弃荒,1993-2009年期间则是科学宏观退耕并对前期自发退耕地和弃荒地的整理利用。该文为区域土地利用管理和政策制订提供了借鉴和参考。

黄土高原水蚀风蚀交错带植被覆盖时空演变分析

【目的】分析近25年来黄土高原水蚀风蚀交错带植被覆盖的时空演变特征,为黄土高原生态极其脆弱区的环境发展方向及宏观决策提供依据。【方法】利用1982-2006年GIMMS(Global Inventory Modeling andMapping Studies)-归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)8km/15d分辨率数据,统计检验年、季节及月等不同时间尺度上NDVI的演变特征,在ArcGIS软件中表达10年尺度间NDVI均值的空间分布差异,并用面积累积频率曲线表达研究区NDVI值的整体分布及演变状况;同时用时间相关及空间对应法分析研究区ND-VI与降水量的时空联系。【结果】近25年来,黄土高原地区水蚀风蚀交错带植被NDVI总体呈显著(P<0.05)上升趋势,秋季及9-10月NDVI分别呈极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)上升趋势。在10年尺度上,研究区植被ND-VI空间分布差异较大,持续性增加面积仅为22.3%,集中分布在陕北吴旗、志丹所在北洛河上游,安塞、延安所在延河地区以及西宁西南部。年降水量与年NDVI均值有较好的正相关关系,月尺度上则存在着明显的滞后效应;在10年尺度上,西宁西南部、吴旗-延安等NDVI持续性增加地区与降水量增加的空间分布比较吻合,而内蒙古东胜附近NDVI改善但降水量呈减少趋势,本区属于鄂尔多斯草原禁牧、退耕还林还草生态恢复区,说明生态环境建设产生了较好的生态环境效益。【结论】黄土高原水蚀风蚀交错带25年来NDVI整体呈显著改善趋势,但空间差异较大;其改善程度的空间差异性既有降水的作用,也有人为活动的影响。

黄土高原沟壑区长武县2009年土地利用结构特征分析

选取定量指标并结合GIS技术,基于土地利用结构内涵,对退耕还林背景下黄土高原沟壑区长武县2009年土地利用结构特征进行定量分析。研究表明:目前全县土地利用多样化指数较高,集中化指数则较低,组合类型和洛伦兹曲线体现了全县土地利用较丰富的组合特征,集约化水平较低,各乡(镇)土地利用程度不高。空间分析定量化阐明了各乡(镇)地类区位意义、县域地类斑块空间分布状态。结构分析体现了北部塬面沟坡,南部残塬沟壑2大分区的县域特色。全县土地利用总体特征为:以林地+耕地为景观基质,林地+耕地+园地+未利用地为组合类型,以农用地为主,土地利用程度较低。黄土高原沟壑区塬、坡、沟的地貌格局是土地利用空间格局的自然基础。人口密度与土地利用程度显著相关,居民工矿用地区位优势一定程度上体现了土地利用结构。黄土高原沟壑区土地利用没有直接反映经济水平,有待于进一步调整和优化土地利用现状。

水蚀风蚀交错区典型流域景观格局变化对土壤侵蚀过程的影响

流域土壤侵蚀过程与景观格局的关系是评价流域景观格局合理性的关键问题。以GIS软件为分析平台,以最新提出的"源""汇"景观理论为基础,以水蚀风蚀交错区典型流域——六道沟流域1995,2010年土地利用/覆被格局为分析对象,以淤地坝淤积量作为土壤侵蚀监测信息,利用景观空间负荷对比指数分别分析了这2个时期各景观类型随空间要素配置、贡献权重和组成比例对土壤侵蚀过程的影响,最后对该指数的变化与土壤侵蚀模数的变化进行相关性分析。结果表明:2010年与1995年相比,六道沟流域各集水区的相对高度、坡度、投影距离、运移距离负荷对比指数均呈减小趋势,景观格局分布更加合理,水土流失危险性降低,与同期土壤侵蚀模数变化趋势相同。坡度负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量相关性较弱,相对高度、投影距离、运移距离负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量呈显著正相关,运移距离负荷对比指数反映土壤侵蚀过程对景观格局变化响应的效果最好。景观格局负荷对比指数与土壤侵蚀实测值之间均存在较大差异,应进一步改进模拟方法以达到准确量化的目标。坡度负荷对比指数不能很好地解释景观格局对土壤侵蚀过程的影响,需要在坡度取值方式上加以改进。

近20年水蚀风蚀交错区小流域侵蚀及坡-沟产沙演变的粒径对比分析

以神木六道沟小流域为例,分析10座小型淤地坝年淤积沙量、产沙地层出露分布及其土壤粒径,基于"侵蚀-沉积"相关原理和粒径对比分析,探讨了近20年来该流域坡-沟侵蚀关系的演变方向及程度。结果表明:1992到2010年,该流域侵蚀模数由150t/(hm2·a)减少到31.01t/(hm2·a),减少幅度达80%。马兰黄土、离石黄土等各侵蚀产沙地层的侵蚀模数均大幅下降约80%。近20年前后,流域坡面和沟道侵蚀量分别由78.70,298.25t/(hm2·a)减至21.23,50.74t/(hm2·a)。坡-沟侵蚀量相对比例由3.5∶6.5改变为4.6∶5.4。植被改善显著削弱了流域坡面的土壤侵蚀以及径流下沟对沟道侵蚀的增沙效应。

退耕还林(草)背景下黄土高塬沟壑区长武县粮食潜力及安全分析

鉴于黄土高塬沟壑区退耕还林(草)工程和林果业迅速发展所带来的粮食-人口-资源矛盾问题,收集农业气象、耕地等数据,基于GIS技术,采用机制法分析了退耕还林(草)工程实施前后的1993年和2009年黄土高塬沟壑区长武县粮食潜力和安全问题,明确了气候要素限制下长武县各层次粮食生产潜力及开发程度。长武县1993年到2009年可实现粮食潜力总量下降了7.8%,而实际粮食生产总量增产了4.0%,潜力实现率由61.58%增至68.59%。17a间,主要粮食作物播种面积减少了27.8%,单产平均提高44.1%,而人口增长了12.5%,人均播种面积下降了35.9%,人均粮食产量由320.1kg减少至296.0kg,下降了7.5%。温度和土地有效系数的提高是促进可实现粮食潜力增加的主要因素,耕地减少是限制粮食增幅的直接原因,单产提高是促进增产的主要因素。耕地减少、人口增加是该区粮食安全的核心问题,粮食单产的提高是维持该区粮食安全稳定的保障。针对该区粮食安全问题的严峻性,提出必须以全面提高粮食单产为目标,科学增加辅助能量投入,推进基本农田建设,大力推广耕地保育技术和持续高效现代农业。

近20年来黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域土地利用/覆被变化分析

剖析黄土高原水蚀风蚀交错区小流域不同土地利用/覆被类型的演变方向和程度,是认识该区侵蚀环境演变趋势,评价区域水土流失动态的重要基础性工作。通过收集黄土高原水蚀风蚀交错区典型代表流域——神木县六道沟流域1990、1995、2002年土地利用信息和2010年遥感影像,结合近期实地调查结果,分析该区耕地、林草地和工矿用地等主要土地利用类型在流域内分布格局的变化态势。结果表明:1)1990—2010年,流域林草地面积占总面积比例由35.74%增加到62.79%,耕地面积比例从33.87%锐减至7.61%,坡耕地和旱梯田向林草地大量转移,耕作区域向沟缘线以下沟谷地转移和集中,沟缘线以下耕地面积占耕地总面积比例由13.82%上升至74.04%,工矿用地作业面积由0.28 hm2扩展到14.89 hm2,煤矿开采趋于活跃;2)就影响侵蚀环境演变的流域下垫面条件而言,地表覆被,尤其沟缘线以上坡面植被显著改善,但煤矿开采活动的活跃,一方面对流域内林草生长及土地利用方式存在着极大影响,另一方面,对侵蚀环境的人为恶化起着巨大的促进作用。

黄土高原河龙区间最大日雨量(PMP)极值拟合及时空演变特征

黄土高原河龙区间暴雨可以造成极为严重的土壤侵蚀。为了探究河龙区间暴雨重现期的分布及变化规律,利用河龙区间及毗邻地区24个气象站点1957—2009年日降雨数据,分别用Gumbel分布和GEV分布模拟最大日雨量辨析这两种拟合方法的适用性,在此基础上,分析降雨极端事件的时空演变特征。结果表明:(1)对于短重现期(≤10a),两种分布模拟值最大日雨量(PMP)值相差较小;而在长重现期(≥20a)的水平上,GEV模拟精度较高。但若站点出现几次大暴雨且雨量相近的情况下,Gumbel模拟精度高于GEV模拟精度。(2)结合GEV分布和Gumbel分布,对河龙区间各站点的最大日雨量进行模拟。河龙区间2a,5a,10a,20a,50a,100a重现期的PMP分别介于40～70,50～85,60～100,70～110,85～130,95～150mm。河龙区间各重现期的最大日雨量的高值中心均分布在南部延河流域和西北部窟野河流域,而低值中心在西部横山以西和东北部偏关河以北地区。用3个时段数据(1950s—1960s,1970s—1980s,1990s—2000s)估算的5个代表站的最大日雨量值差异明显,在太原、榆林两站,1950s—1960s估算的最大日雨量较大,最大日雨量呈减少趋势。而在其它3个站点,均为1970s—1980s估算的最大日雨量较大。

基于GIS的福建省水土保持功能重要性评价

[目的]对福建省水土保持功能重要性进行评价,为该省生态保护红线划定提供科学参考。[方法]基于GIS技术,利用降水、土壤、数字高程和植被指数等数据,采用修正通用水土流失方程(RUSLE),估算福建省土壤保持量,并对其分级。[结果]全省土壤保持总量为2.65×10^9 t/a,平均土壤保持模数为20789.82 t/(km^2·a)。水土保持功能极其重要区、高度重要区、中等重要区、较为重要区和一般重要区面积分别为3192.54,8205.54,15547.71,21519.81,74000.20 km^2,分别占全省面积的2.61%,6.70%,12.70%,17.57%和60.42%。[结论]福建省水土保持功能极其重要区、高度重要区和中等重要区主要分布在闽西和闽中2大山带及其周边丘陵山地区。

1956—2005年窟野河径流变化及人类活动对径流的影响分析

为明确水土保持综合治理和矿产资源开发引起的水文情势演变,以黄土高原水蚀风蚀交错区的窟野河流域为研究区域,选择近50 a的径流、降雨资料,运用非参数检验、R/S、小波分析、历时曲线方法,探讨径流的变化趋势、突变和周期,并利用降雨-径流多元线性模型估算气候变化和人类活动对径流的影响。结果表明:径流量表现出显著减少趋势,变率为-0.11×108m3/a,跃变时间发生在1979、1996年。与基准期(1956—1979年)相比,煤炭开发期(1997—2005年)的日径流量在5%、50%和95%的频率上减少程度均较水土保持效应期(1980—1996年)大。年径流的演变在9、18、32 a存在显著的周期。水土保持效应期气候变化与人类活动对径流变化的贡献率分别为58.62%、41.38%,煤炭开发期气候变化占21.75%,人类活动占78.25%,其中采煤活动占52.27%。煤炭开采是导致窟野河径流减少的主要因素,但是气候变化的影响也不可忽视,在进行水土保持综合治理和水资源合理规划时应充分考虑。

1957—2009年黄土高原地区风速变化趋势

用88个气象站1957—2009年的月平均风速和最大风速日值资料,采用距平累积法、5 a趋势滑动法、Mann-Kendall趋势检验法等分析了黄土高原地区风速的变化趋势及其空间分异等特征。结果表明:①黄土高原地区1957—2009年多年平均风速为2.36 m/s,水蚀区、水蚀风蚀交错区和风蚀区年均风速分别为2.36、2.17、2.60 m/s,年际变化倾向率分别为-0.008 4、-0.009 4和-0.018 8 m.s-1.a-1,并均通过了0.001的极显著性检验。3个区域均是冬、春季的平均风速对全年趋势演变贡献率较大,年均风速也均在1981年发生偏强转为偏弱的跃变,20世纪70年代以后平均风速逐渐减小。②黄土高原平均风速减少的主要原因是最大风速为5级或5级以上的发生日数减少。大风频率从1970年代至2000年代呈显著减少趋势,风蚀区减少幅度最大,减少了10%以上,水蚀风蚀交错区减少1%～5%,到2000年代,大多数站点的大风频率均降低为<2%。③水蚀风蚀交错区和风蚀区年均大风日数较多,而水蚀区和黄土高原西部地区年均大风日数较少。根据大风年均发生日数,将大风天气划分为大风天气较少区(年均大风日数<10 d)、较多区(10～50 d)、多发区(50～100 d)和频发区(>100 d)。大风较多区在黄土高原地区分布最广,其次是较少区,无频发区。70年代至90年代,风蚀区和水蚀风蚀交错区的站点大多为大风较多区,其中70年代中宁和包头为大风多发区;2000年代以后,大部分地区转为大风较少区。

泉州白濑水利枢纽工程弃渣场水土保持措施设计

该文针对泉州白濑水利枢纽工程右岸弃渣场特点,分析短历时暴雨、施工期设计洪水位和水库设计洪水位对弃渣场的影响,据此采取相应的排水、拦挡和边坡防护措施,以达到防治弃渣场水土流失的目的,可供类似工程参考。