陕西北洛河流域地下水水化学和同位素特征及其水质评价

【研究目的】北洛河是黄河的重要二级支流,研究该流域典型支流地下水的水质状况对于黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。【研究方法】本文以北洛河流域为主要对象,系统查明流域地下水水质现状,圈定劣质地下水分布区,为饮水安全提供保障。此外,对该区地下水水化学和D-18O同位素组成进行分析,研究地下水水化学特征及演化机制,揭示水文地质条件及人为因素对区域地下水水文地球化学特征的控制和影响作用。【研究结果】区内地下水水化学成分除受岩石风化和蒸发浓缩作用的共同控制之外,部分还受到人类活动的影响。D-18O同位素组成指示了地下水整体上受蒸发浓缩作用影响。【结论】上游碎屑岩中的石膏、盐岩等易溶矿物经溶滤进入地下水,下游松散孔隙水在蒸发浓缩的作用下积聚盐分导致上、下游地下水TDS较高;奥陶系岩溶含水岩组和新生界断陷盆地含水岩组地下水水化学组成主要受蒸发盐岩影响,此外还受到人类活动的影响。白垩系和石炭系—侏罗系含水岩组地下水主要分布于岩石风化区,说明该地下水水化学组分主要受岩石风化作用控制,且主要受硅酸盐岩和蒸发盐岩风化影响,人类活动影响的扰动相对较小。上、下游地区地下水受工矿活动影响较严重,中游地下水受工矿活动、农业活动、生活污水影响均较小,水质整体较好。

北洛河上游县域土地利用时空变化及其对水沙的影响

【目的】探究土地利用变化有利于识别水沙变化原因,对流域水土保持及生态保护政策的实施与改进具有指导意义。【方法】以黄土高原北洛河上游为研究区,基于GEE与PIE-Engine平台获取1990—2020年土地利用、植被覆盖度数据,从地类转移、植被覆盖度(FVC)、土地利用强度(LUI)及景观格局(平均斑块面积AREA_MN、聚合度指数AI、最大斑块指数LPI、景观形状指数LSI)4方面描述北洛河上游各县域土地利用情况,并结合水沙数据探究土地利用与水沙的相关关系。【结果】(1)2000年后北洛河上游农田向草地、森林转移,其面积减幅达79.05%,其中“农田→森林”集中分布于吴起县东南部,“农田→草地”在定边县分布最为密集。(2)2000—2020年流域FVC迅速增加,吴起县整体FVC高于定边县同期水平;定边县LUI变化较吴起县存在滞后性,但二者均在2010—2020年间明显下降。(3)2000年前后年径流、输沙减少率分别为46.68%、81.83%;2000—2020年来沙系数0.42小于1990—2000年来沙系数0.80。(4)FVC与水沙量呈显著负相关,森林AREA_MN、AI分别与径流量、输沙量呈显著正相关,森林LPI、LSI与径流量、森林LSI与输沙量呈显著负相关。【结论】北洛河上游水沙与土地利用结构布局关系密切,不同县域地表覆被与用地强度差异明显,在退耕还林(草)驱动下该地区土地总体变化趋势有助于削减径流泥沙。研究结果将为流域土地利用与黄土高原径流泥沙关系研究提供参考。

北洛河流域气象干旱百年演化特征研究

[目的]揭示黄土高原典型区域百年尺度干旱演化特征,与地貌类型耦合阐明气象干旱的时空变化规律,进而为北洛河流域综合治理提供科技支撑。[方法]基于1915—2020年北洛河流域1 km分辨率的平均气温及降水数据,计算了年际标准化降水蒸散指数(SPEI),并结合Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验、小波分析、反距离权重插值(IDW)等方法,分析了流域内100余年不同地貌类型区的气象干旱时空演变特征。[结果](1)北洛河流域降水量及平均气温的空间分布差异较大,总体呈现东南向西北递减的特点;降水量多呈条带状分布,平均气温沿河道自上而下梯度增加,上游区(丘陵沟壑区)降水量相对较少,下游区(阶地平原区)平均气温相对偏高;(2) 1915—2020年北洛河流域SPEI-12震荡明显,干旱事件交替出现且弱减,下降速率为-0.04/10 a, 1942年,1990年和2010年为旱势转折年,并以1990年最为明显;周期变化大致可从1960年分为两个时期,之前以10 a, 17 a为主,其后为3 a, 7 a, 30 a左右,10 a和30 a周期在不同时期干旱变化中起主导作用;(3) SPEI-12的不显著下降趋势具有全域性且由东北向西南有增大趋势,表明北洛河流域总体呈弱旱化发展;(4)不同年代干旱事件发生频率差异较大,1990s重旱和特旱发生频率最高;2000s不同类型干旱事件发生的总频率最大,其中上游区(丘陵沟壑区)和下游区(阶地平原区)可达70%,而中游区(土石山林区和高原沟壑区)约为60%;(5)不同类型干旱空间分布存在异质性,轻旱发生频率有自南向北逐渐降低的趋势,中旱发生频率与之相反。总体来看,北洛河流域上游区(丘陵沟壑区)易发生中旱,下游区(阶地平原区)更易发生轻旱,重旱高发区在流域内零散分布,特旱的发生概率仅为1.69%~2.10%。[结论]全球变暖引发的旱化趋势在黄土高原地区的影响客观存在,北洛河流域不同地貌类型区气象干旱发生的高频类型略有差别,未来应提升中下游地区的抗旱减灾能力。

基于TCN-BiLSTM与LSTM模型对比预测北洛河径流

【目的】本研究旨在探究TCN-BiLSTM耦合模型与传统LSTM模型在径流模拟预测中的性能,为洪水风险管理和区域水资源规划提供准确有效的径流预测模型。【方法】以北洛河流域为研究区,基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)和时域卷积网络(TCN)建立一种新的径流预测耦合模型TCN-BiLSTM。利用相关性分析,筛选预测径流的输入因子,确定4种不同的输入方案应用于TCN-BiLSTM耦合模型和传统LSTM模型,每个模型分别预测1、2、3 d的径流量。采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和拟合优度(R^(2))来评估模型的预测性能。【结果】(1)TCN-BiLSTM耦合模型整体预测性能优于LSTM模型,TCN-BiLSTM模型R^(2)达到0.91,高于LSTM的0.89。相比于LSTM,TCN-BiLSTM对于峰值和突变点的捕捉能力更强,对于波动大的复杂数据预测效果更优;(2)在针对未来1~3 d径流量预测中,随着预见期的延长,4种方案下TCN-BiLSTM和LSTM模型的预测效果均有所下降,相较于预测1 d,预测3 d的TCNBiLSTM和LSTM模型的R^(2)分别平均下降了0.17和0.14,RMSE分别平均增大了4.59和4.40,MAE分别平均增大了1.26和1.31;(3)在4种输入方案里,日累积降水量和日径流量作为输入变量时,模型的预测效果最好。降水数据的加入使得TCN-BiLSTM和LSTM模型相较于单一日径流数据作为输入变量时,1、2、3 d径流量预测的R^(2)分别提高15%、14%、6%和18%、14%和1%。【结论】TCN-BiLSTM耦合模型和LSTM模型R^(2)均能达到0.85以上,TCN-BiLSTM模型R^(2)较LSTM提高了2%。对比来看,TCN-BiLSTM模型在拟合洪水过程中表现更为优异,对于汛期的预测性能优于非汛期。输入变量对模型的影响较大,有效且高质量的气象数据能够提高模型的预测性能。

基于氮氧同位素的北洛河流域硝酸盐来源及其空间分布解析

北洛河流经生态脆弱的黄土高原,是该地区的重要水源。随着经济的快速发展,工业和农业活动的增加,北洛河水体氮污染情况加剧,造成流域水质恶化,多个功能区不达标。因此,通过水化学方法和氮氧同位素技术,结合稳定同位素分析(SIAR)模型,对北洛河流域的污染状况、硝酸盐来源及其空间分布进行解析。结果表明,北洛河整体氮污染严重,总氮(TN)为1.70~43.40 mg/L,大部分采样点超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类水标准限值(2 mg/L),无机氮以硝酸盐氮为主;水体硝酸盐迁移转化过程中氨挥发、硝化、反硝化作用均较弱,人类活动排放的污水以及土壤侵蚀产生的氮污染是北洛河硝酸盐主要来源;不同硝酸盐来源贡献率表现为污水及粪肥(约61%)>氮肥(约15%)>土壤有机氮(约14%)>大气沉降(约9%),上游土壤有机氮贡献较大,随着城镇化率及交通排放活性氮的增加,下游大气沉降贡献相对上中游增强。研究结果为北洛河氮污染来源控制和水体环境治理提供了科学依据。

渭南市北洛河流域水土流失特征及分区防治对策

渭南市北洛河流域面积3 780.12 km2,其中水土流失面积629.63 km2。结合渭南市北洛河流域概况和水土流失特征,按照北部沟壑地区、中部台塬地区及南部平原地区3种地貌单元,分区提出水土流失防治对策:北部沟壑地区应重点突出塬面保护与固沟两个系统的整治,形成综合性的高塬沟壑防治体系;中部台塬地区应结合美丽乡村建设、人居环境改善和农村特色产业发展,以保护塬面、注重塬边侵蚀沟治理为主;南部平原地区应坚持“预防为主,保护优先”的原则,保护北洛河两岸自然生态,维护生态环境,提升区域人居环境质量。

2015年至2022年北洛河延安段水质变化分析

根据2015年~2022年北洛河延安段4个地表水监测断面的数据成果,采用单因子评价法和综合污染指数法对该段流域状况及变化趋势进行评价分析。结果表明,由于延安市各级政府实施的一系列整治和防治措施,使北洛河延安段各断面的污染指数呈逐年下降趋势,水体状况由Ⅴ类到Ⅱ类,水环境质量得到明显改善。

北洛河流域生态环境变迁及对水资源和水沙关系的影响

黄土高原地区水土流失严重,水资源短缺,生态系统脆弱,限制了该区域的社会和经济发展。针对人类活动将如何影响黄土高原水沙变化以及如何配置退耕还林还草面积的问题,目前尚缺乏定量分析和研究。以黄土高原渭河子流域北洛河流域为研究区,分析了北洛河流域近20 a降雨、径流、水资源量、产沙量和归一化植被指数的时空变化,建立了流域分布式水文模型,定量评价了退耕还林还草对水资源和水沙关系的影响,探索了不同决策条件下的最优退耕方案。结果表明:流域水资源总量、径流量、地下水资源量和产沙量呈现递减趋势,年均减少量分别为0.07×10^(8)m^(3)、0.01×10^(8)m^(3)、0.012×10^(8)m^(3)、163×10^(4)t;归一化植被指数和降水呈现递增趋势,年均增加量分别为0.006 4,0.65×10^(8)m^(3);生态环境变化导致径流量和产沙量减少,流域分布式水文模型模拟显示退耕还林还草或植被覆盖率增加会导致流域径流量和产沙量共同减少,但产沙量的响应更为敏感;综合考虑径流与产沙的影响,基于多目标优化提出了退耕还林还草面积的优化配置建议,最优退耕面积约为全部耕地面积的28.1%。本研究可为黄土高原地区生态环境建设、水土保持、水沙资源的合理利用提供决策支持。

近80年来北洛河流域径流变化特征及其归因分析

为了探究北洛河流域径流变化特征及其驱动因子,对流域治理规划和生态环境建设提供科学依据,基于北洛河流域1937—2018年径流数据,采用现代数理统计方法对径流特征进行了分析,并结合1952—2019年气象资料分析了气候变化对径流的影响。通过降水—径流双累积曲线法定量分析了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:北洛河流域1937—2018年年均径流量显著减少(p<0.01),在1970年、1994年发生突变,且存在54 a的主周期变化。1956—2019年北洛河流域降水变化趋势不显著(p>0.05),气温显著增加(p<0.01),气候变化对北洛河径流量起到减小作用。与1957—1970年相比,1971—1994,1995—2018年人类活动对于径流减少的贡献率分别高达92%和97%,人类活动是使北洛河径流量发生减少和突变的关键因子。

不同氮磷比对北洛河中藻类生长的影响

为探究不同氮磷比条件下北洛河中藻类的生长情况与多样性变化,本研究于北洛河下桃水电站坝上水库采集水样,通过添加磷酸盐提高水体中总磷浓度、调整氮磷比,根据总磷浓度(0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 mg·L^(-1))共设置11个处理组,进行5 d的藻类培养实验。结果表明:不同培养体系中共鉴定出藻类4门31属,其中蓝藻门的微囊藻属、平裂藻属和绿藻门的栅藻属、十字藻属、惠氏藻属的占比相对较高,为北洛河中的优势种属;藻类细胞丰度随着总磷浓度升高先逐渐上升,并在0.40 mg·L^(-1)组达到最高;当总磷浓度≥0.10 mg·L^(-1)时,优势藻类开始暴发性生长,导致物种丰富度指数显著升高(P<0.05),而Shannon多样性指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数显著下降(P<0.05)。通过对水样中氮磷浓度进行测定发现,随着外源磷输入量的增加,藻类对总氮的吸收加快;当总磷浓度高于0.10 mg·L^(-1)时,可明显促进藻类对总氮的吸收,吸收氮磷比趋于平稳。综上所述,本研究初步发现外源磷的输入可促进北洛河中藻类对总氮的吸收,总磷浓度≥0.10 mg·L^(-1)可明显引起蓝藻门和绿藻门等优势藻类暴发性生长,存在水华发生的风险。

黄土高原北洛河表层沉积物中有机氯农药的分布、来源及生态风险评估

为探明有机氯农药(OCPs)在沉积物中的空间分布、来源及生态风险,以黄土高原典型河流北洛河为研究对象,于2021年6月采集了17个表层沉积物样品,利用气相色谱-三重四级杆串联质谱仪(GC-MS/MS)对OCPs浓度进行测定。在此基础上,通过同分异构体比值法揭示OCPs的来源,并利用熵值法对OCPs生态风险进行评估。结果表明:北洛河表层沉积物中25种OCPs均有不同程度检出,∑OCPs含量范围为0.53~61.68 ng/g(干重,下同),平均含量为8.68 ng/g。其中,DDTs的平均含量最高,占∑OCPs的50.11%,其次为DRINs,占∑OCPs的23.01%。与国内其他流域相比,北洛河表层沉积物中OCPs处于中等偏低水平。表层沉积物中HCHs污染主要来自农业用品林丹的使用,以及农业用品林丹与工业HCHs的混合输入;DDTs主要在好氧环境下降解为DDE,其污染主要来自工业DDTs的使用,以及工业DDTs与三氯杀螨醇的混合输入,且OCPs主要为环境中的历史残留,近期输入的OCPs较少。生态风险评估结果显示,硫丹I和狄氏剂对北洛河流域所造成的生态风险较为严重,有关部门应给予足够的重视,并加强对该区域的有机污染监测及管控。

黄土高原北洛河沉积物生态风险解析

以黄土高原的典型工业污染河流北洛河为研究对象,测定其干支流17个采样点沉积物中的8种重金属(Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn)质量分数,结合描述性统计结果对重金属的空间分布特征进行分析。进一步利用地累积指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法分析重金属的污染程度与生态风险,利用PMF模型和相关性分析进行来源解析。结果表明:北洛河上游沉积物中重金属的平均质量分数高于中下游,As、Cd和Zn的均值分别为背景值的1.26、1.28和1.41倍,Zn、Hg、Cd、Pb、As和Cu的变异系数大于30%,为高度变异水平。地累积指数法与内梅罗综合污染指数法显示,北洛河上游B1处和下游B13处沉积物中重金属污染处于中高水平;潜在生态风险指数法显示,单一元素污染危害程度依次为Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Zn>Cr,整体来看,Cd和Hg的潜在生态危害较大,中游B_(10)和下游B_(13)存在中等生态风险,其余点位均为轻微生态风险。来源解析表明,北洛河沉积物中重金属的3个来源分别为交通污染源(30.74%)、煤炭石油类工业污染源(35.51%)及农业活动和自然母质的混合来源(33.75%)。研究成果可为北洛河沉积物重金属污染的科学治理及流域生态管理提供理论参考。

基于EEMD-SVM模型的北洛河上游径流预测

[目的]提高北洛河上游径流预报精度,为流域管理及水资源合理配置提供依据。[方法]以1971—2014年北洛河上游吴旗水文站实测径流资料为基础,采用EEMD-SVM耦合模型对吴旗站月径流序列进行了模拟预测,并与EEMD-ARIMA和EEMD-NAR两种耦合模型的预测结果进行对比。[结果]EEMD-SVM模型的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)最低,决定系数(R 2)和纳什系数(NSE)最高。其中,相比于EEMD-ARIMA和EEMD-NAR模型,EEMD-SVM模型的决定系数(R 2)分别提高了186.63%,49.49%。[结论]EEMD-SVM模型具有更高的预测精度和更强的非线性拟合能力,可以成功地应用于北洛河上游的月径流预报。同时,研究表明EEMD-NAR模型的预测性能高于EEMD-ARIMA性能。

北洛河流域径流变化特征分析

整理统计北洛河流域1961年~2015年降水和径流数据,采用Mann-Kendall非参数检验方法和双累积曲线法,计算确定流域径流量突变时间节点、基准期年、气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率,分析探讨北洛河流域径流变化特征及归因。结果表明,流域年降水量和最大年径流量的最大值出现年份均为1964年,径流量突变点为1970年、1998年,基准期年为1961年~1969年。人类活动是导致北洛河流域径流减少的主要因素,气候变化为次要因素,1961年~2015年间人类活动对径流量的影响程度是气候变化的6倍。近年来人类活动加大了对径流变化的影响,在2003年~2015年间人类活动对径流变化的贡献率高达96.53%。研究结果可为区域水资源开发利用提供依据。

陕西省北洛河综合治理思路浅谈

新中国成立以来,省委、省政府高度重视北洛河流域治理开发,在水资源开发利用、防洪工程建设和水土流失治理方面取得了巨大成就,但因北洛河自然禀赋条件较差,洪水灾害多发、水资源短缺、水土流失严重,所以开发治理难度大。黄河三门峡水库建成后,北洛河下游河道淤积持续发展,河床不断抬高,洪水下泄不畅,防洪问题日趋严重。随着流域经济社会的不断发展,人民群众对水安全保障及水环境改善的需求日益迫切。本文在对北洛河现状和存在问题分析的基础上,提出我省北洛河综合治理思路。

北洛河“2021.10”秋汛暴雨洪水分析

受强冷空气和西太平洋副热带高压外围西南暖湿气流共同影响,2021年10月3-6日北洛河流域出现一场历史罕见的高水位、大灾情的洪水过程。本文从暴雨洪水特性及渭河干流洪水影响等方面对北洛河“2021.10”秋汛暴雨洪水与历史典型“94.8”暴雨洪水进行了对比分析。研究结果表明,与“94.8”暴雨洪水相比,“2021.10”暴雨洪水的暴雨过程历时长、强度小、覆盖面积大;洪水过程洪水总量大、传播时间长、下游洪水水位高,并针对高水位、大灾情的洪水提出了防御建议,为水灾害防御工作提供参考。

北洛河中游黄陵洛川段全新世古洪水研究

通过在北洛河中游黄陵洛川段河谷的考察,选择典型的古洪水平流沉积剖面进行了古洪水水文学研究。在野外考察测量的基础上,采集平流沉积层样品,进行粒度成分、磁化率、烧失量、CaCO3含量等分析,证明研究地点具有典型的古洪水平流沉积层,并且通过地层学对比分析,确定其为中晚全新世特大洪水的沉积物。利用水文学原理计算出该组古洪水沉积层所记录的特大洪水的洪峰流量在12350m3/s￣14730m3/s之间。同时通过对该断面下游方向20km处的东王河铁路桥1994年9月洪水洪痕的测量,利用相同方法计算其洪峰流量,证明古洪水水文学计算结果合理可靠,从而为北洛河中游的工程建设及沿岸地区的防洪减灾提供重要的数据资料。

近50多年来北洛河水沙变化特征及原因分析

北洛河流域是黄河粗泥沙的主要来源区之一。基于北洛河流域头水文站1950-2006年逐年降水量、径流量和输沙量数据,分析了北洛河径流与输沙变化特征。Mann-Kendall、Spearman检验以及线性趋势拟合均表明,降水量、径流量和输沙量均呈显著减少趋势;利用单位降水产流产沙量距平累积曲线分析表明,北洛河单位降水产流产沙量变化可以分为枯水平沙期、丰水丰沙期、枯水平沙期、丰水枯沙期、丰水丰沙期和枯水枯沙期等6个阶段。分析其变化原因认为,降水是影响径流输沙变化的主要自然因素,其中降水径流关系最为密切;水利水保措施的实施、毁林开荒、修路开矿等破坏活动、国家政策以及法律法规的颁布实施等人类活动同样影响径流、输沙量的变化。

北洛河流域植被覆盖度时空变化的遥感动态分析

采用1987,1995及2007年3期Landsat TM遥感影像,计算归一化植被指数(NDVI),利用像元二分法估算植被覆盖度并进行分级,分析了北洛河流域近20a的植被覆盖变化趋势,对黄土高原地区环境演变及水沙变化机理分析提供基础数据信息。研究结果表明:(1)在气候变化和人类活动双重影响下,1987—2007年北洛河流域植被呈缓慢增长—迅速增长趋势,其流域植被覆盖面积比例从41.12%,46.43%,增加至63.43%。(2)流域不同分区中,丘陵沟壑区、高塬沟壑区植被均呈缓慢增加—迅速增加的趋势,而土石山林区植被表现出较强稳定性。丘陵沟壑区植被恢复以吴旗、志丹县为主,高塬沟壑区植被恢复以洛川塬为主。

1995—2014年北洛河流域植被恢复的地形分布特征

以1995,2007和2014年Landsat TM影像为数据源,计算归一化植被指数(NDVI),分析退耕还林政策下北洛河流域植被的恢复程度.结果表明,流域三年平均植被覆盖度分别为:46.4%,63.4%和73.4%.上游吴起、志丹等县所在丘陵沟壑区增加态势最明显,三年平均植被覆盖度分别为20.2%,41.64%,51.2%.系统分析流域上游丘陵沟壑区植被恢复在地形上的趋势变化.结果表明:不同高程、坡度和坡向分布带上均表现出植被覆盖度随着时间进展呈现明显好转态势.