基于SPEI的开都河流域干旱时空演变特征分析

基于开都河流域5个国家基本气象站1961—2020年的逐日气象资料,计算了年和季节为主要时间尺度的SPEI指数数据,并利用Morlet小波分析、Mann-Kendall检验、趋势归因等方法,研究该区域的干旱时空演变规律及其原因。结果表明:近60年,除冬季外,其余时间尺度上的开都河流域均呈干旱化趋势。在空间分布上,流域的年和夏季变化一致,自北向南呈“偏湿—偏干”趋势;春季与秋季变化趋势相同,自西向东呈“偏干—偏湿”趋势;冬季则整体呈“偏湿”趋势。气温是开都河流域干旱变化的主导因素,但流域北部地区干旱变化以降水影响为主,南部地区则受气温影响为主;和静与焉耆区域除冬季外,气温对干旱趋势的贡献均远高于降水贡献,表明该区域干旱化较为严重。开都河流域各时间尺度上的干旱均基本2~6 a一遇,干旱特征多以轻旱为主,中旱次之。其中,春季不仅是重旱事件发生最多时期,还是流域干旱事件发生的主要时期。

自然因子对开都河流域植被NDVI变化的地理探测

为揭示自然因子及因子之间的交互作用对开都河流域植被时空变化特征,以归一化植被指数(以下简称植被NDVI)为指标,结合11种自然因子,采用线性回归分析和地理探测器模型,分析了2001—2020年开都河流域植被NDVI的时空变化、空间分异及驱动力。结果表明,2001—2020年,研究区植被NDVI总体呈上升趋势,中高和高植被覆盖区显著改善,植被NDVI呈西高东低分布,低、中植被覆盖向中高和高植被覆盖转化明显;高程的解释力最高(40.30%),主导植被NDVI时空格局;自然因子对植被NDVI影响存在交互作用,以双变量增强和非线性增强效应为主,其中尤以土壤类型和坡度的交互作用影响力最强。分析了研究区适宜植被生长的各因子范围或类型,可为当地植被恢复政策提供有益参考。

开都河流域上下游过去50a气温降水变化特征分析

利用开都河流域上下游4个气象台站(上游巴音布鲁克,下游焉耆、和静、和硕)1960-2009年的气温、降水资料,采用趋势分析与距平等统计方法,分析了近50 a来开都河流域的主要气象要素变化特征。研究发现:(1)1960-2009年开都河流域上下游年平均气温均呈明显上升趋势,增长强度分别为0.27℃/10 a和0.22℃/10 a。2000年后气温升高尤其显著,上游和下游的气温分别较50 a平均水平偏高0.97℃和0.69℃。该流域年最高温没有明显增加,而上下游年最低气温分别上升0.41℃/10 a和0.61℃/10 a,并与年平均气温有较好的相关性。通过对不同年代际各月气温的分析,发现该地区气温季节性特征在过去50 a发生了明显的变化。主要表现为冬季气温总体上升,夏季气温相对稳定,冬季与夏季温差逐渐减小,季节性呈变弱趋势。上游年代际间气温季节变化较下游更明显;(2)开都河流域降水主要集中在夏季,近50 a上下游降水量均呈增加趋势且上游达显著水平。上下游在降水分布及变化特征上有较大差异,上游年平均降水总量(273 mm)明显高于下游(77 mm),且上游降水量增加强度(9.13 mm/10 a)高于下游(5.34 mm/10 a)。降水量年代际之间有一定差异,降水波动主要是在夏季,上游降水量的波动性大于下游。

开都河流域气候变化特征及其对径流的影响

采用Mann-Kendall趋势及突变检验、R/S的Hurst指数以及线性回归、滑动平均等方法,分析开都河流域1960—2010年的气温、降水及径流量指标,揭示该流域气候变化及径流响应的特征和长期趋势。结果表明,开都河流域近50年的气温、降水及径流量均呈显著增加趋势,增长率分别为0.027℃/a、0.863 mm/a和0.625 m3/a,其相应的突变年份分别为1993、1986和1996年。流域内山区既是气温增温最大的地区,也是降水增加最显著的地区。在气候变暖背景下,山区年均温及春、夏、秋3季升温比绿洲区的响应更为显著,但在绿洲区冬季升温则更为显著;山区降水量增加趋势较绿洲区显著。在过去50年,开都河径流突变前后多年平均径流量增加了9.96亿m3,对该流域工农业发展、生活以及生态可持续发展产生了很大的影响。

新疆开都河流域不同环境介质中的有机氯农药和多环芳烃残留及分布特征

为探讨新疆开都河流域水不同介质的来源及分布特征,检测了开都河流域水、土壤和表层沉积物样品中20种有机氯农药（OCPs）和16种多环芳烃（PAHs）的含量。结果显示,OCPs和PAHs在水中的含量分别为42.5~62.5ng/L和29.4~454.3ng/L,在土壤中的含量分别为8.8~12.4ng/g和6.6~128.2ng/g,在表层沉积物中的含量分别为6.6~13.7ng/g和20.8~491.0ng/g。空间分布上,开都河中游污染相对严重的土壤对应的周边河流沉积物也具有较高浓度的污染物,这种分布明显受人类活动影响,沿河道上游呈递增趋势,但总体上低于入湖口沉积物中的含量,表明博斯腾湖蓄积了来自周边的污染物。来源分析表明,开都河流域的六六六（HCHs）和滴滴涕（DDTs）主要是历史残留,而入湖口区水体和表层沉积物中新的DDTs,可能与湖泊沉积物被扰动引起的再悬浮释放有关。PAHs以低分子量组分为主,其高含量主要来自于木柴、煤等中低温燃烧。风险评价结果表明,开都河流域土壤和沉积物中的OCPs和PAHs不存在显著的生态风险。

开都河流域下游绿洲表层土壤盐分空间变异特征分析——以焉耆县为例

针对目前干旱区广泛存在的绿洲土壤次生盐渍化问题，基于GIS和地统计学方法，研究开都河流域下游绿洲焉耆县表层土壤的盐分空间变异特征。结果表明：1）0-10cm、10-20cm和20-30cm三层土壤盐分的半方差函数模型均符合高斯模型；随着土壤采样深度的增加，其空间变程递增，C0＋C均为50％，属于中等空间相关性。2）土壤盐分在水平方向上，0～5g／kg（非盐化和轻盐化）呈片状分布，而〉5g／kg（中度、重度盐化和盐土）呈斑块状分布在中部和低洼地区；在垂直方向上，0～10cm土壤盐分含量最高，且随着土层深度的增加，土壤盐分递减。

开都河流域面雨量与径流变化分析

对开都河流域及其附近的8个气象站和3个水文站的1961—2000年的年降水资料进行自然正交分解(EOF),利用梯度距离平方反比法(GIDS)作为差值公式,建立了主要特征向量与地理因子的插值模型,并以数字高程模型(DEM)的1km×1km网格数据为基础,推算出开都河流域平均年降水量的空间分布以及逐年面雨量序列。计算结果表明:开都河流域面雨量年平均为80.6×108m3,径流量与面雨量之比(R/P)平均为0.38,最大为0.53,最小为0.32。面雨量与径流量的年际相对变化幅度是一样的,变差系数Cv值为0.17。

南疆开都河流域夏季径流量的变化及其特征分析

利用RegCM3模式对开都河流域2000-2006年夏季气候进行模拟,结果表明:模式对于流域夏季月降水总量和月平均气温的空间分布有较好的模拟能力。结合站点海拔高度值、实测值以及模拟量分别对降水、气温进行修正,并由此计算流域的面雨量和平均温度;结果表明开都河流域夏季面雨量与开都河同期实测径流量有较好的一致性,R^2达到0.97。对开都河流域夏季平均气温、面雨量以及径流量的分析表明,降水是影响流域夏季径流量的主要影响因子;而气温对于径流呈现负贡献的原因可能由于对温度敏感的小冰川大大减少,致使径流量随着温度增加而增加的关系减弱。此外,气温升高导致流域蒸散量的提高,可能是气温呈现负贡献的又一原因。

近50年开都河流域下游降水和气温变化特征分析

采用开都河流域下游焉耆县、和静县、和硕县三个气象站1960—2009年气温和降水观测资料,以线性趋势函数,M-K突变检验等方法,分析开都河流域下游气温和降水的年际变化、季节变化特征。研究结果表明:(1)焉耆县、和静县与和硕县的年平均气温呈上升趋势,年平均气温线性拟合增长率分别为0.366℃.10a-1、0.256℃.10a-1、0.033℃.10a-1。(2)和硕县月平均最低气温呈现下降趋势,而焉耆县与和静县平均最高气温、最低气温均呈上升趋势;从季节年际变化来看,三个县四季气温均有增加趋势,冬季增温明显,秋季平均气温的年际变化幅度与年平均气温的年际变化幅度相似。(3)三个县年降水量距平值呈下降-上升-下降特征,降水量有微弱增多趋势。(4)和静县与和硕县两站气温异常,焉耆县降水异常,气温突变均出现在20世纪90年代,而且突变发生较频繁。

基于RS与GIS的开都河流域景观格局及其动态变化研究

以开都河流域为研究区域，以LANDSATTM遥感图像为主要信息源，以ENVI遥感图像处理软件、Arcgis地信软件和FRAGSTA Tversion3．3作为空间信息处理工具，采用景观空间格局等指标，对开都河流域景观格局进行了研究。结果表明，1990～2010年，开都河流域景观草地模地优势未发生改变，对区域生态环境仍发挥着重要作用。人类活动虽有加剧趋势，但由于其优势度值较低，加之区域整体人类开发水平仍处于较低的水平，故区域生态环境受人类干扰程度很小。

开都河流域生态安全格局构建与生态修复分区识别

生态文明建设背景下的国土空间生态修复已上升为国家战略,开展典型区域生态保护与修复研究具有重要意义。以开都河流域为研究区,并向流域外扩展20%的缓冲区,采用InVEST模型和MSPA分析方法识别生态源地,以人类居住合成指数修正电阻面,运用电路理论的方法提取生态廊道、“夹点”、障碍点区域,识别开都河流域生态安全格局,在此基础上结合生态功能区划,构建区域生态保护与修复格局。结果表明:(1)流域共识别生态源地15468.94km^(2),廊道498.87km及31处“夹点”、9处障碍点和24处生态断裂点,形成源地、廊道网络体系及区域生态保护与修复关键点串联的开都河流域生态安全格局;(2)以生态安全格局、生态基底等为基础并参考生态功能区划,识别开都河流域“一轴、两核、一网络、多片区”的生态保护与修复格局,并提出相应保护与修复措施,为区域国土空间生态修复规划编制及生态保护与修复的实践提供相应参考。

开都河流域下游绿洲土壤盐渍化影响因子分析

以开都河流域下游绿洲为例,应用灰色关联度方法分析了6种影响因子在土地盐渍化过程的相对影响力大小。结果表明:自然和人为因素共同作用于研究区土壤盐渍化过程。土壤含盐量与土壤盐渍化影响因子之间的关联度排序0—10cm层为:地下水埋深>最近排水渠距离>高程>最近灌溉水渠距离>最近湖岸距离>地下水矿化度;10—30cm层为:地下水埋深>最近湖岸距离>最近排水渠距离>高程>最近灌溉水渠距离>地下水矿化度;30—50cm层:最近灌水渠距离>地下水埋深>最近排水渠距离>地下水矿化度>最近湖岸距离>高程。在3个不同土层深度上土壤盐渍化影响因子的影响力不同,土壤盐渍化防治需要综合考虑多种影响因子的作用。

气候变化对开都河流域径流的影响研究

利用SWAT模型模拟开都河流域的径流变化,并采用1990—2009年的水文站点径流数据进行精度验证,然后设定气候变化情景,模拟不同气候条件下径流的响应特征。结果表明:模拟结果与实测径流较吻合,剔除异常年份(1994年、1995年)后,校准期(1990—2000年)效率系数为0.58,平均相对误差为-5.7%,线性拟合度为0.8;验证期(2000—2009年)的结果与校准期接近,均达到了模型的评价标准,说明SWAT模型在开都河流域的适用性较好。基于此,采用任意情景设置方法,设置了25种气候变化(气温和降水)组合情景,研究了该流域对气候变化的响应,结果表明,气候变化对径流量的影响较为显著,降水增加或气温降低均会导致径流量增加,流域未来年均径流变化的主要影响因素是降水,温度的影响相对较弱。

基于SWAT模型的开都河流域水文干旱变化特征及驱动因子分析

以开都河流域为例,以SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型和标准化降水蒸散指数(SPEI)为基础,对干旱变化特征进行识别。利用贝叶斯动态线性方程(BDL)模型研究南方涛动(SOI)等气候驱动因子对区域季节性干旱的影响。结果表明:1965-2016年开都河流域的干旱主要集中于冬、春季;在不同季节,流域干旱的变化趋势也有所不同,但趋势并不明显,仅在秋冬季可以检测出显著下降的趋势;不同季节的SPEI指数变化受降水、潜在蒸散发等气候因素的响应较快,多在0值上下波动,导致其变化周期较短,多集中在2~4 a;气候指数对流域干湿变化的影响随着时间的推移而转变,对不同季节的影响也有所不同。

开都河流域下游绿洲土壤盐分特征分析

以开都河流域下游绿洲为研究区，通过野外调查、采样与室内实验分析，采用数值统计方法与主成分分析方法对区域土壤盐分特征进行研究。研究结果表明：（1）0～10 cm土层，土壤盐分含量为0．7348 g · kg^-1，10～30 cm土层为0．2070 g·kg^-1，30～50 cm土层为0．1852 g·kg^-1。随土层深度增加土壤盐分含盐量减少，土壤盐分含盐量的变异系数分别为319％、211％和193％，呈现强变异性。（2）0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层中，随着土层深度的增加，Cl-、SO4^2-、Mg2＋和K＋＋Na＋离子的均值逐渐减少，总体上盐分分布具有较强的表聚性。（3）土壤盐渍化状况的特征因子是Cl-与SO4^2-。（4）未利用地土壤总盐分均值高于其它土地利用类型，耕地次之，林地的最小，分别为0．4420 g·kg^-1、0．0755 g·kg^-1和0．0414 g·kg^-1。

新疆开都河流域季节性冻土特征的控制和影响因子分析

全球变暖使季节性冻土范围逐渐缩小,而季节性冻土对春季径流,尤其是春季洪峰的影响使得该方面的研究更为重要。为了分析季节性冻土广泛分布的山区不同海拔高度条件下季节性冻土发育和融化期影响因子的差异,采用通径分析方法对开都河流域不同海拔高度季节性冻土最大冻结深度和解冻日数的影响因子进行了分析。结果表明,不同海拔高度这两者的影响因子差异不大,但其控制因子存在差异。季节性冻土最大冻结深度的控制因子由低海拔处的负积温和最大积雪深度转为中高海拔处的平均相对湿度;解冻日数的控制因子由低海拔处的平均风速和最大冻结深度转变为高海拔处的平均相对湿度。该差异主要由不同海拔高度的地理位置和局地气候条件等决定。

基于ASD统计降尺度模型的开都河流域未来气候预估

以开都河流域及周边4个气象站点1961—2000年的日降水、日最高气温和日最低气温及NCEP再分析数据为基础,采用ASD(Automated Statistical Downscaling)统计降尺度模型,对Had CM3模式下A2、B2和A1B 3种气候情景进行降尺度,获得流域未来气候情景。研究结果表明:(1)ASD模型选定的预报因子能较好地解释最高温和最低温,但对降水的模拟效果相对较差。验证期,对降水和气温各5个指标的RMSE分析显示RMSE值均较小,ASD模型在研究区具有一定的适用性;(2)未来3种情景下,相较基准期,降水年变化呈先下降后上升趋势,最高和最低温年变化则持续保持上升趋势,未来山区气温变化较大,平原区降水变化大;降水年内变化存在季节分配不均状况,5月增加最多,7月减少最多。最高和最低温变化则以夏季增温最多、冬季次之,秋季降温最多、春季次之为特点。相比较,A2(高排)情景下降水、气温变化比B2(低排)A1B(中排)情景下更为明显。

开都河流域水文特性分析

介绍了开都河流域自然地理概况,并且从该流域的水系分布重点分析了流域的降水分布和径流特性。在水利工程、蒸发、洪水等多个水利水文的相关方面系统分析了开都河的水文特性。同时在分析水文特性的基础上提出了关于相关的分析结论。

开都河流域土地利用/覆被变化对径流的影响

为定量分析内陆河干旱区流域土地利用/覆被变化过程和流域水文循环二者的响应关系,选择新疆开都河流域为研究区,设置了多种土地利用/土地覆被的变化情景,并通过SWAT模型对流域地表径流进行了模拟,结果表明校准期模型的相对误差、纳什效率系数、线性拟合系数分别为-20.13%、0.78、0.82,验证期分别为-18.94%、0.81、0.85,均达到了建立模型所需的标准,模拟结果可信。假定气候条件不变,设定不同土地利用/覆被变化情景进行模拟,结果表明:(1)当流域草地及林地退化为裸地或人工表面时,开都河流域月均流量变化最大,且丰水期流量增大,枯水期流量减小,其中6月流量增大39.55%,10月减小55.35%;(2)当流域林地退化为草地时,流域月均流量整体变化不大,其中4月增加最多,增加1.46%,12月流量减小最多,减小1.05%;(3)当流域裸地及人工表面逐步恢复为草地与林地时,流域月均流量大多减小,其中2月减小最多,为8.00%,10月流量增大最多,为1.01%。

新疆开都河流域主要地貌形态特征研究

自然环境组成要素中没有一个要素与地貌形态无相互影响,人类的任何一个生产活动也与地貌形态具有密切联系.以新疆开都河流域地貌形态为研究对象,探讨流域尺度地貌形态类型、不同地貌形态的空间变异特征.在开都河流域实地考察、制图分析、对地貌形态分类和测定不同地貌类型的面积和相对高度、各地貌类型相互影响的数据基础上,采用地貌类型学和地统计学的方法,对研究区的地貌形态进行了制图分类及其特征变异分析,并采用GIS定位测定方法,做出开都河流域的地貌类型空间数字地图.结果表明:开都河流域地貌形态复杂多样,虽然开都河流域是以天山山脉中段南麓的山间盆地——焉耆盆地为中心,但是在流域中陆地上的地貌类型均有分布.该流域是典型的封闭性盆地地貌为主,多种地貌形态并存而交叉分布;该流域由三个盆地地貌单元组成,表现出山间盆地地貌类型的环状分布特点.