水土保持在促进黄河水资源高效利用中的作用

黄河流域面积约为全国的8.3%,多年平均天然径流量和人均水资源量分别为5.80×1010m3和527m3,分别为全国水平的2%和20%左右。由于气候变化、水土保持和生产生活用水量增加等原因,流域水资源更加短缺。黄河流域水资源年际变化很大,季节分布极为不均,水土流失严重,黄河多年平均含沙量高达37.6kg.m-3,每年需要1.50×1010~2.0×1010m3水用于下游排沙,占到黄河水资源量的30%左右,进一步加剧了流域水资源短缺。黄河流域"水沙异源"特点明显,中游水土流失严重地区产流量和产沙量分别占到流域产流量的10%和70%左右。中游地区水土保持措施每减少1t泥沙约减少地表径流量3.19~16.15m3,而黄河下游河道每输1t泥沙需要水量在33~60m3,在该区采取水土保持措施可以相对增加水资源数量。1970~1996年,河龙区间水土保持措施减沙量为1.495×108t,综合考虑措施减少径流量和减少输沙用水量时,每年相对增加可开采水资源量达4.88×109m3。

2000-2017年河龙区间输沙量锐减归因分析

2000年以来,黄河输沙量锐减。科学认识黄河输沙量变化原因,具有重要意义。以河龙区间为研究对象,分析了河龙区间输沙量变化趋势,构建了梯田、淤地坝以及植被等大规模生态建设措施的减沙贡献率计算方法,阐述了2000-2017年河龙区间输沙量锐减原因,针对河龙区间输沙量变化趋势和治理格局,提出了河龙区间治理对策。主要结论为:①1952-2017年,河龙区间年降水量无显著变化趋势,研究区年输沙量呈现极显著减少趋势(p <0.001);②1979年和1999年为研究区输沙量发生突变的两个时间节点(p <0.05),1952-1979年区间年均输沙量为9.30亿t,1980-1999年区间年均输沙量为4.20亿t,2000-2017年均输沙量大幅降至1.03亿t,降幅达89%;③受植被和梯田共同影响,2000-2015年研究区坡面土壤侵蚀量变化介于1.90亿~5.13亿t之间,且呈下降趋势;2000-2011年河龙区间淤地坝年均拦沙量为1.38亿t;④植被恢复是河龙区间输沙量减少的主要原因,贡献率为54%,梯田和淤地坝合计贡献了34%,水库拦沙和引水取沙贡献了12%;⑤植被恢复主要导致径流含沙量降低,而淤地坝建设主要降低了流域泥沙输移比。

黄河中游河口-龙门区间水沙变化特征分析

黄河中游河口-龙门区间是我国乃至世界上水土流失最严重的地区,多年来大规模的水利水保工程建设使得该区产流产沙条件发生明显变化,因此,分析该区水沙变化特征及水沙变化原因具有重要意义。选取黄河中游河口-龙门区间下游龙门站1957—2005年水沙量水文观测资料代替区间资料,进行一致性检验后,运用小波分析、Mann-Kendall趋势检验、均差累积等统计方法对河口-龙门区间水沙变化特征进行分析,结果表明:该区水沙年内分配不均匀,年际变化大;该区水沙都呈显著的减少趋势,径流量和输沙量分别具有两个和4个明显的阶段性变化特征;水沙双累积曲线显示该区沙特性发生明显变化。在此基础上,通过分析该区水土保持面积与减水减沙量的相关关系表明,其具有良好的线性关系,进一步验证了水利水保措施是该区水沙减少的主要原因这一结论。

地貌格局与流域侵蚀产沙过程关系定量分析——以黄河中游河龙区间为例

以河龙区间42个流域为对象,在流域地貌格局信息提取和侵蚀产沙过程特征指标计算及其相互关系分析的基础上,探讨地貌格局对流域侵蚀产沙过程的影响。结果表明:①在河道系统水平,河流数量、长度等几何特征指标和河流分叉率(Rb12)、分级率(Rd32)、相邻级别间的河流长度比等形状特征指标与流域侵蚀模数显著相关;②在流域系统水平,坡度粗糙度、相对高差、圆度比、高长比是影响流域侵蚀产沙过程的主要指标,其中坡度粗糙度是最根本的解释变量;③各地貌格局因子间相互作用复杂,且对侵蚀过程的影响要强于泥沙输移过程,其通径分析模型对流域侵蚀模数、输沙模数和泥沙输移比变化的解释度分别为65%、33%和20%。这对正确认识影响流域侵蚀产沙过程的格局因素和建立准确的过程模型,具有重要参考价值。

SEBAL模型参量敏感性再分析

利用SEBAL(surface energy balance algorithm for land)模型反演了黄河流域河龙区间蒸散发,研究了模型对输入参量的敏感性。结果表明:SEBAL模型显热通量反演值对地表温度、冷热点性质(热点地表温度、热点净辐射等)较为敏感,对地气温差、地表发射率、反照率有一定敏感性,而对气象数据(风速、气温、水汽压)、动量粗糙长度、归一化植被指数不敏感。结合参量误差来源及其变异性分析认为,影响SEBAL模型反演结果最大的是冷热点性质和地表温度。相对于热点温度偏高和冷点温度偏低,热点温度偏低和冷点温度偏高对SEBAL模型反演结果影响更大。因此,正确选取研究区内冷热点并采取合理的控制方法,是保证SEBAL模型反演蒸散发精度的重要前提。

黄河中游河龙区间径流量变化趋势及其归因

黄河水沙变化关乎黄河流域生态安全和全流域的高质量发展。近年来黄河水量出现大幅锐减,制约了当地社会经济和下游可持续发展。量化气候变化和人类活动对径流量减少的贡献对于解析黄河水沙变化动因具有重要意义。由于研究尺度和研究方法的不同,径流量变化的因素和影响程度存在较大差异。本文采用MK趋势检验和双累积曲线法系统分析黄河中游河龙区间四个典型流域(皇甫川、窟野河、无定河、延河)1960—2015年间水文要素的变化趋势,利用Budyko水热平衡方程阐明气候变化和人类活动对流域径流变化的作用。结果表明:1960—2015年皇甫川、窟野河、无定河、延河流域径流量均显著下降(P<0.01),且径流量均在1979年和1999年前后发生突变,而降水量变化不显著。同基准期(1960—1979年)相比,P2时期(1980—1999年)气候变化对径流减少的贡献率达64%~76%;随着退耕还林还草工程的大规模实施,P3时期(2000—2015年)人类活动成为径流减少的主要影响因素,其贡献率达71%~88%。