黄河中游典型流域土地利用对径流的调控作用

[目的]深入研究黄河中游不同土地利用对径流变化的调节效应及其阈值,对于山洪防治和流域高质量发展至关重要。[方法]以大理河流域为重点研究区域,分析其近20年来的土地利用变化特征,基于流域月尺度SWAT模型定量分析了土地利用变化对径流年内分配的影响;通过设置4种极端土地利用情况研究了不同土地利用类型对于汛期径流的影响;并通过设置12种不同的土地利用覆盖度情景,揭示了影响流域径流的土地利用的覆盖临界。[结果]大理河流域主要的土地利用方式为耕地、草地和林地,草地和林地对径流有抑制作用,耕地对径流存在促进作用,三者的影响系数分别为-0.125,-0.130,0.122。土地利用对径流的年内分配有一定的调控作用,但当土地利用变化较小时,这种调控作用不明显。土地利用覆盖度存在明显的边际效应,其下临界约为5%,草地的上临界为95%,林地的上临界为91%。[结论]由于流域内实际的植被条件较差,林草覆盖度仍处于较低水平,因此修复植被和适当地退耕、退草还林仍能对该流域的水土保持工作和防洪建设起到促进作用。

大理河流域1970-2002年水保措施减洪减沙效益深化分析

根据实测水文资料,采用"水文法"和"水保法"两种方法,对大理河流域1970-2002年的水沙变化和水土保持综合治理减洪减沙效益进行了比较全面的计算和分析。大理河流域20世纪70,80,90年代降雨量、径流量和输沙量呈递减趋势,其中80年代减幅最大,70,90年代减幅接近。2000-2002年年降水量和汛期降水量分别比基准期增大了8.0%和9.3%,但径流、泥沙依然递减。"水文法"计算结果表明,1970-2002年大理河流域共计减少洪水10.114 5亿m3,年均减少洪水3 065万m3,其中水土保持综合治理年均减少洪水2 370万m3,占减少洪水总量的77.2%,年均减少洪水效益25.2%;共计减沙8.448亿t,年均减沙2 560万t,其中水土保持综合治理年均减沙1 940万t,占总减沙量的75.8%,年均减沙效益37.6%。"水保法"计算结果表明,1970-2002年大理河流域水土保持措施共计减少洪水7.524亿m3,年均减少洪水2 280万m3,年均减少洪水效益24.5%;水土保持措施共计减沙6.138亿t,年均减沙1 860万t,年均减沙效益36.6%。近期流域水土保持综合治理减洪减沙效益显著,水保措施减水减沙比依时序呈下降趋势。

大理河流域淤地坝拦沙贡献率分析

为提高淤地坝拦沙贡献率的计算精度,揭示淤地坝拦沙量对流域输沙量减少的作用。以大理河流域为研究对象,提出一种基于GIS和土壤侵蚀模数的淤地坝逐年拦沙量计算方法,分析大理河流域淤地坝拦沙量对流域出口输沙量减少的贡献率。结果表明:(1)1954—2011年,大理河流域淤地坝逐年拦沙量呈波动式增加,多年平均拦沙量为0.12亿t,累积拦沙量为7.17亿t,其中1980—1989年年均拦沙量最高,为0.19亿t。(2)1960—2015年,大理河流域输沙量呈显著减少趋势,且在1971年和2002年均发生显著突变(P<0.05)。(3)人类活动是大理河流域输沙量减少的主要原因,1971—2001年淤地坝拦沙量占人类活动减少输沙量的贡献率为47.42%;随着流域植被恢复,2002—2011年淤地坝拦沙量占人类活动减少输沙量的贡献率降至31.04%。该方法对评价大理河流域淤地坝拦沙贡献率有一定的指导意义。2000年以后,由于植被恢复,大理河流域淤地坝拦沙贡献率下降。

大理河流域水土保持措施减沙效益与影响因素关系分析

利用大理河流域1960—2002年的系列水文资料和水土保持成因分析法计算结果,分析大理河流域减沙效益与措施保存面积、配置比例和汛期降雨量等影响因素的关系,以及大理河流域淤地坝措施减沙量与坡面措施减沙量的关系。结果表明:现状水土流失治理条件下,大理河流域仅靠坡面治理措施取得的减沙效益只有9%,取得最大减沙效益的水土保持措施梯田、林地、草地、坝地最优配置比例为18.6∶73.2∶4.6∶3.6,保持流域水土保持措施较高减沙效益的坝地配置比例为4%;大理河流域水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系最为密切,二者呈正相关关系;流域水土保持措施减沙能力表现最充分的汛期降雨量值区间约为300～500 mm;大理河流域治理期有21年坡面措施减沙量小于600万t/a,淤地坝措施减沙量均在3 000万t/a以内变化。20世纪90年代以来,流域坡面措施减沙量与淤地坝措施减沙量关系比较密切,淤地坝措施减沙量的增幅小于坡面措施减沙量的增幅。

黄土高原大理河流域水沙耦合模型应用研究

水沙模型是定量描述水沙关系及水沙规律的重要工具,现阶段国内外对于水沙模型的研究大都为基于某个典型流域的经验统计模型或基于流域大量基础资料的物理模型,极大限制了其使用范围及模拟精度.本文建立了结构与参数均具有物理意义的流域水沙耦合物理概念模型,其优点是物理概念清楚,模拟精度高,实用性强,易于深入研究泥沙基本规律.该模型将概念性水文模型和泥沙模型耦合,提出水流挟沙能力和土壤抗侵蚀能力概念,用对数曲线近似描述流域土壤抗侵蚀能力的空间变异性,在拜格诺河道水流悬移质泥沙公式基础上建立概念性沟蚀产沙公式,参照水流汇集相似性建立泥沙汇集演算公式.选取黄河中游大理河流域4个不同流域尺度的实际流域对模型进行应用检验,模拟结果表明,该模型的水流泥沙两部分均有很高的模拟精度,可以很好地模拟黄河中游地区不同流域尺度和年际尺度上的洪水过程和泥沙产生及输移过程,充分证明了该模型结构、参数和计算方法的合理性,可用于定量分析流域内各项水保措施的减水减沙效益及水沙关系变化趋势,对该模型的推广应用可做进一步分析研究.

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。

大理河流域不同时间尺度水沙变化影响因素及趋势研究

近几十年来黄河中游水沙特征有所改变,以黄河中游典型流域大理河为例,通过分析流域气候及下垫面变化,探求流域产流、产沙量变化的原因及趋势。结果表明:流域水土保持措施的减水、减沙效益从1972年后开始显现,1960年代至1990年代,大理河流域产流、产沙量出现了一个先减少再增大的过程。以1960年代为基准,1970年代降雨与下垫面产流能力对流域产流量减少的影响比较接近(51.7%,42.2%),而在1980,1990年代降雨的影响要小于下垫面产流能力的影响(1980年代为27.0%,64.1%;1990年代为38.4%,54.9%);但在汛期尺度上,降雨、下垫面产流能力对流域产流量的影响此消彼长,随时间变化看不出什么规律。受气候以及水土保持措施等的影响,未来大理河流域多年平均尺度下流域产流量、产沙量将会减少,但在某些小的时间尺度(次暴雨)内的产流量、产沙量将有增大的可能;水力侵蚀将会减少,但风力侵蚀却有加强的趋势。

极端降水条件下大理河流域水沙特征对比分析

为了研究极端降雨条件下流域径流泥沙对不同水土保持措施的响应,揭示水土保持对暴雨洪沙的作用,为极端降雨引发的洪灾和防治土壤侵蚀提供理论支撑。采用Mann-Kendall和线性回归方法对大理河流域绥德水文站1964-2017年实测水沙数据进行趋势分析,并采用时间对比分析法,对比分析1964年7月、1977年8月和2017年7月3个月份暴雨的水沙变化特征。结果表明:大理河流域在区域降水量未出现明显变化趋势的条件下,流域控制站绥德水文站1964-2017年径流量和输沙量呈显著减少趋势。3个月份暴雨场次降雨量基本相同,2017年7月和1977年8月径流相较于1964年7月,分别高308%和120%;输沙量分别高66%和131%。但与1977年8月暴雨相比,2017年7月径流高85%,输沙低39%。2017年7月洪峰流量、洪量显著增大,输沙量随径流的增大而明显减少。1964年7月和1977年8月洪水表现为陡涨陡落、洪水历时短;2017年7月洪水表现为陡涨缓落,洪峰历时明显延长。大理河流域水土保持措施有效地改变了下垫面情况,减流减沙作用明显;但遭遇极端降雨情况,水土保持工程措施难以发挥良好的水土保持效益,未来若发生大范围强降雨,仍可能产生大水大沙的现象。

大理河流域退耕还林工程对生态系统服务功能的影响

以大理河流域为研究区,应用InVEST生态系统服务功能评估模型,结合1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年该流域的土地利用/土地覆被资料,定量评价了退耕还林工程对碳储量、土壤保持和水源涵养生态服务功能的影响。结果表明:(1)研究区30年间土地利用/土地覆被情况变化显著,其中林地和建设用地面积分别增加了31.52,0.65km^2,耕地、草地和水域的面积分别减少了2.49,27.32,2.36km^2;(2)研究区30年间碳储量值略有增加,不同土地利用类型碳储存能力从大到小的排序分别为林地>草地>耕地;(3)研究区30年间土壤保持量整体上以增加为主,耕地土壤保持能力明显低于林地和草地;(4)研究区30年间水源涵养量略有减少,不同土地利用/土地覆被类型的水源涵养量各有不同,且与当年降雨量关系密切。本研究通过对大理河流域生态系统服务功能进行评估,获得了研究区退耕还林工程的生态效果,可以为日后生态规划提供科学依据。

大理河流域干旱变化特征及其与极端降水的关系

基于标准化降水指数(SPI)方法,对1971—2017年大理河流域干旱变化特征及其与极端降水的联系进行了分析。结果表明:(1)不同时间尺度SPI对降水量变化的敏感程度不同,SPI1和SPI3适用于短期气象旱涝特征的识别,而SPI6和SPI12对揭示区域长期旱涝影响及持续时间效果较好。2种时间尺度SPI(SPI3和SPI12)的时间变异性均呈显著增加趋势。(2)不同季节SPI的变化趋势和干旱等级频次存在差异,仅冬季有一定的下降趋势,其余季节呈增加趋势,秋季最显著。年SPI波动幅度较大,总体上呈增加趋势,2001年以来最明显。干旱等级均以轻旱和中旱为主(21.2%~36.1%),夏、秋季发生干旱的频率最高。(3)干旱事件持续时间呈不显著的减少趋势,长时间尺度干旱事件平均持续时间、最长持续时间以及下降速度均大于短时间尺度。(4)降水集中程度增大会导致SPI1减小,增加干旱发生的可能性。典型极端降水可能会降低干旱发生的概率。

HEC⁃HMS模型在黄河中游大理河流域适用性研究

水文预报对流域防洪减灾、水资源利用与管理具有重要意义。为探究HEC⁃HMS分布式水文模型在黄河中游地区的适用性,以大理河流域为研究区,根据流域DEM、土地利用和土壤等数据,基于GIS技术划分流域单元、提取流域信息,采用SCS曲线法、Snyder单位线法、退水曲线法和马斯京根法进行流域产汇流计算和河道洪水演进模拟。选取流域内13场实测雨洪资料,进行模型参数率定和验证。结果表明:13场洪水的洪峰流量模拟误差均小于20%、峰现时刻误差均小于3 h;率定期8场洪水模拟合格率为87.5%,平均Nash系数为0.816;验证期5场洪水模拟合格率为80.0%,平均Nash系数为0.710,预报精度达到乙级,模型可以应用于大理河流域洪水模拟。

河长制视野下大理澜沧江流域水环境问题及治理措施

通过对大理州澜沧江流域水环境状况、污染源排放情况分析,剖析水环境及水生态保护与治理方面存在的问题,并结合流域内污染现状,找出制约流域水环境及水生态改善的关键因素;因地制宜,提出了对策措施,对促进澜沧江流域水环境治理有一定的建设性指导作用。

福寿螺入侵洱海流域的危害及其防控措施

福寿螺是一种全球性的入侵水生软体动物,给许多国家和地区造成了严重危害。在大理地区,福寿螺不仅危害洱海流域水体质量、影响农田生态系统平衡,食用福寿螺还会威胁人类健康。福寿螺的防治方法主要局限于化学防治和人工防治,采用综合防治的有效措施治理福寿螺才是持续控制其为害的最有效措施。

陕西大理河流域土地利用/覆被变化的水文效应

近年来,土地利用/覆被变化的水文效应研究已成为国际的前沿和重点。在大理河流域,LUCC（包括水土保持措施）对水循环和水量平衡产生了深远影响,该流域LUCC水文效应的研究势在必行。根据研究区1990年代三期土地利用数据分析了LUCC的时空变化特征,采用特征变量时间序列法及降水-径流模型对LUCC水文效应进行了研究。结果表明：流域土地利用类型以耕地和草地为主,近10年来,耕地和草地面积有所减少,而林地和建设用地面积持续增加;流域年径流和月径流演化过程均表现出明显的下降趋势;LUCC及水土保持具有减少流域年径流、汛期流量以及增加枯季流量的作用,相对于降水因素,人类活动对流域水文的作用占主导地位;在1990-2000年期间,主要由LUCC引起的年均径流减少量达2616.6×10^4m^3,占该期间实测减水总量的62.19%。

大理河流域土壤侵蚀风险及其空间格局分析

本文利用遥感影像提取大理河流域相关信息,采用水利部部颁标准评价土壤侵蚀风险等级,并与地形特征进行叠加分析。结果显示:研究区侵蚀风险以中度和轻度为主;坡度是主要影响因素,坡度越大侵蚀风险区越集中,尤其是强度及以上区域,集中程度达到90%以上;侵蚀主要分布在1000m—1400m的两个高程带内。研究结果可以辅助管理部门进行侵蚀治理决策。

基于区域河湖地貌演化历史的大荔人化石层位年代分析

目前对含大荔人化石的地层年代认识仍存很大争议。采用黄土—古土壤序列定年法广泛调查渭河盆地东北部区域和大荔人化石点附近洛河上下游河段过去的河湖环境演变历史;在此基础上,结合产出大荔人化石的地貌沉积体特征,分析其形成时所处的区域演化阶段及其中含化石的沉积层位堆积年代。结果显示,区域曾在S14、L9、L6、S2、L2和L1SS发育或堆积时期发生过数次古湖湖退或河流下切;含大荔人化石的沉积层是在区域发生于L6晚期的一次湖退后,洛河于出露至气下的古湖湖底上堆积而成的,其堆积时代与S5古土壤发育时代相当,平均年龄约0.55 Ma BP。由该研究结果推论,学界对北京猿人年龄估计的老的年龄框架可能偏年轻。