黄河流域植被总初级生产力对持续性干旱水分亏缺的响应

利用植被总初级生产力和高精度分层土壤含水量数据分析了2001—2020年黄河流域生长季总初级生产力时空分布和变化特征,量化了流域不同深度土壤湿度之间的相关关系,探究了不同植被类型在生长季的总初级生产力对土壤连续水分亏缺事件的响应关系。结果表明:黄河流域总初级生产力空间上呈东高西低、南高北低的分布特征,生长季耕地累积总初级生产力最大、林地次之、草地最小,研究期内流域总初级生产力整体呈上升趋势,耕地相对增速最大、草地次之、林地最小;流域土壤湿度在空间和时间上均有显著差异,表层土壤含水量波动对深层土壤含水量的影响随深度增加而减小,林地和耕地表层与深层土壤含水量的相关性远高于草地;流域草地和耕地总初级生产力对土壤水分的深度敏感区间为0~40 cm,林地的深度敏感区间为0~100 cm,在深度敏感区间内,随着土壤连续水分亏缺天数的增加,草地和耕地总初级生产力依次经历短暂平稳、加速下降、降速趋缓的变化过程,而林地总初级生产力则表现出短暂下挫、长时间平稳、加速下降的变化特征。

近20年来人类活动对洪泽湖水质影响归因

为研究人类活动对湖泊水质的影响,改善湖泊水环境,以洪泽湖及其周边地区为例,分析1996年~2020年高锰酸盐指数(I_(Mn))、总氮(TN)、总磷(TP)浓度的演变特征,利用Pearson相关和多元线性回归模型识别影响因子并量化其贡献作用。结果表明:研究期间,洪泽湖水质因子浓度均呈现显著下降趋势,并且与周边地区的社会经济指标变化显著相关;影响I_(Mn)、TN、TP浓度的主要指标分别是工业污水排放量、人口和耕地面积,贡献度分别为32.89%、24.60%和49.1%;区域上,淮阴区和盱眙县的人口、洪泽区和盱眙县的工业污水排放、盱眙县和泗洪县的耕地面积分别对TN、I_(Mn)、TP浓度贡献较大。研究结果可为该地区针对性解决湖泊水环境问题提供一定参考。

黄河流域植被水分利用效率对干旱的时空累积响应

利用植被总初级生产力和蒸散发数据,结合标准化降水蒸散发指数(SPEI)数据,分析了1982—2018年黄河流域植被水分利用效率的变化特征,量化了干旱对植被水分利用效率的累积效应。结果表明:干旱对植被水分利用效率的累积影响可利用多尺度SPEI和植被水分利用效率之间具有最大显著相关性的月份来衡量;黄河流域多年平均植被水分利用效率呈北低南高的分布格局,与多年平均植被总初级生产力的空间分布呈现一定的相似性,植被水分利用效率呈上升趋势,主要原因是植被总初级生产力增速大于蒸散发增速;干旱对黄河流域内58.48%区域的植被水分利用效率存在累积效应,其中累积时间尺度为1~2月、6~8月和19~24月尺度的占比分别达到了43.58%、23.10%和16.96%;干旱对植被水分利用效率的累积时间尺度因植被类型和水文气候条件而异,干旱对北部靠近沙漠区域的草地和农田的累积影响是长期(>18月)的,对湿润半湿润区的草地和森林的累积影响是短期(≤4月)的;平均累积时间尺度随着年均SPEI的增加而下降,SPEI越大,干旱对植被水分利用效率的累积时间尺度越短。

人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律

为了解人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律,基于标准化降水指数(SPI)和径流干旱指数(SDI)分析了气象、水文干旱的变化特征,探讨了人类活动对气象干旱向水文干旱传播规律的影响。研究结果表明:源流区气象、水文干旱均呈减弱趋势,干流气象干旱呈减弱趋势,水文干旱与之相反;随时间尺度增大,干旱历时延长;源流区气象、水文干旱以及干流气象干旱的发生频率受人类活动影响后(1993年后)均降低,仅干流水文干旱的发生频率升高;受人类活动影响后,源流区不同季节气象干旱向水文干旱的传播时间均变长,干流干旱传播时间除春季外均缩短;源流区干旱传播时间延长与气候变化有关,而干流干旱传播时间缩短主要是受人类活动的影响。

间歇性输水条件下塔里木河下游地下水时空变化模拟

为确定适宜的输水策略以实现塔里木河下游地下水位的快速抬升,提高生态系统的恢复力,运用GMS软件构建了塔里木河下游地下水动态模拟模型,设计单阶段、双阶段和多阶段输水情景模拟预测了地下水对不同输水情景的时空响应特征。结果表明:制定输水策略时应保证年输水量大于有效水量,当输水总量一定时,延长输水时间、扩大输水间隔有助于地下水位的快速抬升;最佳输水策略是以1月和3—11月为输水期分两个阶段输水4 500万m^(3);地下水埋深和水位变化量沿河道对称分布,地下水埋深与距河道两侧距离成正比,地下水位变化量和抬升量与时间成反比。

DSF-GWO算法在玛纳斯河灌区种植结构优化中的应用

针对水资源总量约束条件下玛纳斯河灌区种植结构优化和农业用水合理配置的科学问题,以玛纳斯河灌区(石河子灌区、莫索湾灌区和下野地灌区)小麦、棉花、玉米、葡萄4种典型作物种植结构为基础,构建多目标优化配置模型对作物种植结构进行优化调整,采用改进后的灰狼优化算法(DSF-GWO)求解社会满足型(方案1)、节水优先型(方案2)、经济成本型(方案3)、综合发展型(方案4)4种发展情景下的子灌区农业种植结构优化方案.结果表明:石河子灌区方案2和方案3产生相同经济效益时,方案3的生态、社会效益比方案2分别低4.3%和7.3%,因此,方案2较适合石河子灌区规划年种植结构发展要求;莫索湾灌区方案4产生的经济效益分别高于方案1和方案3的3.6%和4.2%,生态效益高于方案2的0.5%,因此,选择方案4符合莫索湾灌区规划年种植结构发展需求;下野地灌区方案4产生的经济、社会效益均高于其他方案,生态效益对比其他方案相差较小,所以选择方案4对下野地灌区规划年种植结构进行调整.

基于PSR模型的塔里木河流域生态脆弱性评价

采用"压力-状态-响应"(PSR)评价框架,结合模糊层次分析法定量评价塔里木河流域2005—2015年生态脆弱性,分析其时空分布和动态变化。研究结果表明:塔里木河流域2005—2015年生态脆弱性指数平均值为0. 538,处于重度脆弱Ⅲ级;生态脆弱性持续增加,综合指数最小值为2005年的1. 14,2009年到达一个峰值3. 07,2015年达到最大值3. 69;各地区的综合指数都处于2～3范围,总体呈现由西向东递增趋势,流域生态脆弱性空间分布呈现西低东高状态;研究时段内高度脆弱地区的脆弱性增加显著,而低度脆弱地区脆弱性变化不显著,处于中间过渡阶段。

塔里木河干流地表水与地下水耦合模拟

基于流域水资源管理需求,揭示塔里木河地表水与地下水转化关系,以更好地发挥区域水资源整体性功能,采用HSPF-MODFLOW耦合模型对塔里木河流域进行日径流模拟,并选用纳什系数Ens、确定性系数R2、均方根误差σ对模拟结果进行率定,以明晰大气降水-地表水-地下水转化规律。结果表明:率定期和验证期地表水模拟纳什系数均大于0.7,对长期连续径流模拟效果较好;地下水位模拟随补给量变化与实测值基本一致,随着干流下游间歇性输水的延续,下游整体地下水位明显回升,但生态走廊以下河段抬升幅度较小,2004年下游地下水年平均埋深约6.21 m,而在规划年预计达到4.73 m;耦合模型能较为准确地模拟地表径流和地下水动态变化过程,对水资源联合评价与综合管理具有重要意义。

基于地下水动态模拟的生态输水累积效应

为研究塔里木河下游生态输水对地下水的累积效应,以阿拉干断面和第12~18次生态输水为例,建立塔里木河下游典型平原断面间歇性输水下的局部地下水数值模型。采用基于互补相关理论的平流-干旱模型计算实际月最大蒸散发速率,模型经率定验证后可应用于生态输水对地下水的累积效应评价。刻画地下水对生态输水的时空响应规律是评价累积效应的有效手段,通过地下水对输水的有效响应距离和受水面积2个指标,揭示输水前后地下水时空分布格局。结果表明,输水后812 m地下水距河道的最大响应距离扩大到1100 m,中高水位受水面积达到低水位受水面积的1.61倍,输水有效范围主要分布于距河道1000~2000 m内。

洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟

为研究淮河中下游发生中小洪水时洪泽湖的泄流能力,建立淮河蚌埠至洪泽湖出湖口三河闸段一二维耦合水动力模型,模拟分析了重点河段切滩对洪泽湖中低水位下泄流能力的影响及切滩前后的流域行洪过程。结果表明:在5年一遇洪水过程下,洪峰时刻淮河干流蚌埠、临淮关、香庙、浮山和洪山头等水文站水位较切滩前分别下降0.02 m、0.07 m、0.21 m、0.55 m和0.70 m,漫滩时间分别减少1 d、4 d、9 d、9 d和17 d;洪泽湖三河闸站水位最高值为13.33 m,相比切滩之前升高0.07 m,湖泊对应的下泄流量为8300 m^(3)/s,较切滩前增大800 m^(3)/s,泄流能力提高11%。

基于地表径流量预测的玛纳斯河流域绿洲适宜规模计算

基于神经网络算法和水热平衡原理,结合水文、气象数据,构建了玛纳斯河绿洲适宜规模模型,分析计算了1990—2020年绿洲适宜规模与现状规模,预测了2021—2030年流域地表径流量和绿洲适宜规模。结果表明:1990—2000年、2001—2010年、2011—2020年绿洲适宜规模分别为11003.3 km^2、9902.8 km^2和9075.2 km^2,现状规模分别为13388 km^2、14095 km^2和14548 km^2,稳定系数分别为0.46、0.43和0.40;2021—2030年玛纳斯河流域平均地表径流量为30.05亿m^3,绿洲适宜规模为8555.6 km^2;绿洲处于亚稳定状态,为保证未来绿洲的稳定发展,应使其处于适宜规模下。

塔里木河流域下游绿洲演变对生态输水的响应

参考前人对绿洲的定义和分类方法,对塔里木河下游人工绿洲、天然绿洲进行提取,分析生态输水前后人工绿洲和天然绿洲的面积变化特征、转化过程、重心迁移情况以及扩张与退缩的空间变化。结果表明:1990-2015年,塔里木河下游绿洲总面积先下降、后上升,人工绿洲不断扩张,10a平均增长量为46.78km^2,天然绿洲面积不断缩减,在2000年后有所上升。生态输水前(1990-2000年),塔里木河下游来水量减少,导致大面积草地退化,天然绿洲面积减少;生态输水后(2000-2015年),部分未利用土地得到了利用,变成河渠、水库、湖泊、灌木林和高覆盖度草地,塔里木河下游生态有所恢复。下游绿洲重心先往西北,再往南方,最后又往东南方向迁移。绿洲主要向西北和东南方向扩张,1990-2000年的扩张区域主要集中于英苏上游区域;2000-2010年期间,台特玛湖地区绿洲面积增加明显;绿洲缩减区域分布广而零星。

洪泽湖换水能力的时空分布特征

为研究洪泽湖换水能力的时空分布特征,基于MIKE21建立洪泽湖二维水动力模型,模拟分析了洪泽湖不同湖区的换水周期;考虑洪泽湖的流场呈现风生流和吞吐流双重特点,分析了不同季节和不同风场条件下换水周期的空间变化特征。结果表明:洪泽湖换水周期空间异质性明显,从南到北梯度递增,冬季和春季全湖平均换水周期较长,分别为75 d和60 d,秋季和夏季的全湖平均换水周期较短,分别为49 d和31 d;实际风场对洪泽湖的换水能力起到正向作用,东南风对洪泽湖的换水能力起正向作用,东北风对洪泽湖的换水能力起到抑制作用。

塔里木河生态输水的累积生态响应

以塔里木河第12~18次生态输水为例,采用经验统计模型和克里金插值法分析了输水前后塔里木河下游地下水埋深和夏季归一化差异植被指数(NDVI)的时空变化,剖析了地下水和植被对生态输水的累积生态响应规律.结果表明:累积生态输水量与最小地下水埋深呈对数曲线正相关关系,其累积效应的增长性由强到弱;地下水埋深对生态输水的累积时间响应具有滞后性,输水80 d后累积效应最显著;沿河道方向,库尔干监测断面累积空间效应最显著;垂直河道方向,地下水对累积输水的空间响应随河道距离增加而减弱;NDVI与近3 a累积输水量呈显著正相关关系,大西海子水库、台特玛湖及河道附近NDVI增长显著.推荐近期输水量为2.5亿~5.0亿m3/次,合理输水时间为4—6月和9—11月,适宜输水间隔5~12个月,预期连续年份5次输水后累积效应可达最小地下水埋深3.5m、平均地下水埋深4.2m.

淮河流域环境流变化及其对洪泽湖鱼类栖息地的生态影响

为分析淮河流域环境流要素的变化趋势及其对洪泽湖鱼类栖息地的生态影响,以淮河中下游河段为研究区,采用IHA法,将蚌埠水文站1950—2015年径流序列划分为2002年蚌埠闸扩建前后两个时期,采用5种流量事件筛选出32种环境流评价指标,分析了水文变异条件下5种环境事件的生态效应;以鳜鱼为洪泽湖指示鱼类,综合考虑栖息地限制因子,运用PHABSIM模型得到栖息地加权可利用面积-流量曲线,计算了鳜鱼产卵期的生态流量。结果表明:淮河中下游环境流组成趋于单一化,大洪水事件减少,枯水流量增大,高脉冲流量持续时间缩短,出现次数增加,对下游生态环境不利;洪泽湖鳜鱼4—6月产卵期的最小生态流量为300 m^3/s,适宜生态流量为550 m^3/s;需合理调控环境流,增加鱼类补充和物质循环,并采取湖泊生态修复等措施,维持洪泽湖的生态平衡。

塔里木河生态水流情势分析及其适应性利用

综合分析了外界干扰下的塔里木河流域生态水流情势,采用组合回归模型建立了适应生态变化的水流利用关系,修正了水文-生态响应关系和生态水流估算结果,进一步讨论了适应生态过程的水流情势利用策略。结果表明:自20世纪60年代以来,塔里木河源流与干流水流情势变化不一致,源流来水保证率递减,源流区间耗水量呈增加趋势。相比ARMA(auto-regressive and moving average)模型,基于不同利用方式的生态水流组合回归模型模拟效果较好,可作为参考性预报;结合生态水流预测方程,制定了适应生态的水量调度对策。

基于两种SPEI序列的淮河流域干湿特征变化

基于FAO56 Penman-Monteith和Hargreaves-Samani两种潜在蒸散发计算方法得到了12个月尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI),研究了1960—2016年淮河流域干湿时空变化特征以及两种SPEI序列对相关气象要素的敏感性。结果表明:两种SPEI序列均显示流域呈变湿趋势,温度距平值与SPEI负相关,与潜在蒸散发距平值正相关;空间上,流域西北和东部地区呈显著变湿趋势,中部地区为不显著变干趋势; SPEI去趋势后,流域的干湿变化斜率减小,去趋势过程不改变SPEI的趋势变化分布,只影响流域的干湿变化幅度;气象要素的趋势变化可影响流域干湿变化趋势和干湿等级,淮河流域干湿变化影响因素由强到弱顺序依次为温度、日照时数、风速和相对湿度。

西北内陆区水资源安全保障技术集成与应用

水资源短缺是制约西北内陆区经济和社会发展的瓶颈,在变化环境下,区域的水循环要素必然发生变化,使得水资源系统的变化过程更为复杂、水资源供需矛盾日益突出,合理开发利用水资源、高效节水和水量调配是西北内陆区可持续发展之急需解决的关键科学和技术问题。以保障西北内陆区水资源安全为目标,以水资源高效利用与调控为主线,按照“理论方法-技术研发-方案集成”的总体思路,以西北内陆区水资源安全风险评估及变化环境下水循环与水资源变化趋势为基础,集成保水节水技术、空中与地表水资源联合利用关键技术、荒漠绿洲生态保护的水资源调配技术,提出西北内陆区水资源配置方案、保障体系与对策建议。

阿克苏地区水资源承载力变化及驱动力生态脆弱性分析

以塔里木河源流区阿克苏地区为研究对象,分析区域水资源承载力变化及引起变化的驱动力因素。采用主成分分析法分析了2004-2014年水资源承载力水平,提取了社会经济和生态2个系统的主成分,并进一步选取生态脆弱性作为生态评估指标,采用模糊层次分析对驱动力生态环境的动态变化进行了分析。结果表明:自2004年到2014年,阿克苏地区的水资源承载力总体呈下降趋势,承载F值从-2.99增加到4.69,人口与GDP、生态用水率是承载力变化的主要驱动因素;生态系统的脆弱度整体呈上升态势,生态脆弱性由Ⅰ级的轻度脆弱区上升至Ⅲ级强度区,其中森林覆盖率和垦殖率影响因子为分别0.29和0.12,通过调整可降低生态破坏程度以增加水资源的可持续性。

典型荒漠植物梭梭在咸水滴灌条件下土壤水盐运移特性

【目的】探讨不同矿化度咸水滴灌荒漠植物梭梭对土壤水盐运移特性的影响。【方法】采用测坑进行咸水滴灌梭梭试验,运用舒卡列夫和Piper三线图等方法,分析不同矿化度对梭梭土壤水分、盐分、土壤离子量和水化学特征变化。【结果】①不同矿化度咸水滴灌后,不同深度土壤盐分累积量不同,结果发现在60~80 cm深度处积盐,最高积盐量可达6.2 g/kg;且咸水滴灌梭梭土壤含盐量与灌水矿化度呈正相关关系;②咸水滴灌梭梭后,土壤中SO2-4、Cl-、K+和Na+离子量的变化随矿化度显著增加,土壤水溶液阳离子由Ca2+逐渐向Na+变化,阴离子由SO2-4逐渐向Cl-变化,水化学类型由SO2-4-Ca2+∙Mg2+型逐渐向SO2-4∙Cl--Na+型演化。【结论】不同矿化度滴灌梭梭条件下,分析土壤含水率、含盐量的分布特征,明确了不同咸水滴灌对土壤离子变化及水化学演变特性,为当地咸水资源的高效利用及生态建设具有指导意义。