基于流域水循环视角的黄河水源涵养区水源涵养量评价方法

【目的】水资源是黄河流域经济社会发展的刚性约束,科学评估水源涵养区的水源涵养量,对流域生态环境保护与高质量发展具有重要意义。【方法】针对当前水源涵养量评价存在的不足,从流域水循环角度出发,辨识了多要素对水源涵养功能的影响机制,提出了契合黄河流域特点的水源涵养量评价目标、原则与方法。在此基础上,构建了以分布式水文模型为核心的评价工具,对黄河水源涵养区的水源涵养量进行了评价。【结果】主要研究结论如下:(1)植被的水源涵养功能体现在汛期调蓄洪水、坦化洪水过程,在枯水期增加基流和水资源供给量;土壤的蓄水能力/调节库容即其水源涵养能力,与土壤层厚度、有效蓄水量成正比,并且在一定时期内存在多个“蓄满—释放—再蓄满”过程;含水层的调蓄能力即其水源涵养能力,与含水层厚度、储水/释水能力成正比;不同资源开发利用方式对水循环过程施加影响,进而将这种影响传递到水源上。(2)黄河水源涵养区水源评价,应以提升全流域水安全综合保障能力为目标,统筹全流域生态安全、防洪安全以及供水与能源安全需求;应同时考虑平水时段的“滞留”、汛期时段的“调峰”、枯水时段的“产水”三项功能。(3)黄河水源涵养区1960—2018年多年平均年度水源涵养量为205.04亿m^(3),其中汛期时段涵养量153.27亿m^(3)、平水时段涵养量38.64亿m^(3)、枯水时段涵养量13.13亿m^(3);从空间分布看,兰州以上片区、渭河南山支流片区和伊洛河片区水源涵养量分别占全区的55.7%、34.1%和10.2%。【结论】研究成果可谓黄河水源涵养区水源涵养量评价提供参考。

郑州市土地利用/覆被变化模拟预测及其水源涵养量计算评估

【目的】为研究郑州市未来土地利用/覆被变化及其水源涵养量,综合自然地理、社会经济、降水和蒸散发等数据,【方法】采用Dyna-CLUE模型模拟了郑州市2020年土地利用/覆被变化,通过与实际土地利用图进行比较验证,证明该模型可用。设置不同情景,同时考虑了多种土地利用/覆被类型的未来变化趋势和经济效益最大化,进而模拟了2025年、2030年土地利用/覆被变化。运用水量平衡法,结合土地利用变化计算评估水源涵养量。【结果】结果表明:2020年总水源涵养量为3.31×108m3,空间分布特征为西南高,东北低,林草区高,非林草区低。在未来土地利用变化情况下,不同土地类型对应的水源涵量随着该土地面积的增加而增加,减少而减少。“现状发展”情景下总水源涵养量逐年下降,到2030年总体下降0.21×108m3,主要集中在中部和中西部地区;“规划发展”情景下总水源涵养量到2025年下降0.03×108m3,到2030年增加0.01×108m3,变化主要集中在郑州市西南部地区。郑州市耕地面积大幅变化和林草地单位面积水源涵养量较大是影响水源涵养量变化的主要因素;林草地水源涵养能力最高,郑州市占土地面积20%左右的林草地提供了40%的水源涵养量。【结论】研究成果将为郑州市未来的土地利用规划、生态系统水源涵养保护提供科学依据。

未来气候及土地利用变化对水源涵养量的影响

“四水四定”背景下,科学量化变化环境下城镇或小流域未来水源涵养量是水资源管理、水利规划和水生态保护等工作的重要基础。水源涵养量尺度转化是目前生态水文学研究的难点之一,较高精细尺度研究是尺度转化的重要切入点。以秦岭北麓灞河流域为研究区,应用SWAT模型、CA-Markov模型、ArcGIS、RClimDex等分析工具,评估NEX-GDDP-CMIP6高分辨率数据集对灞河流域月流量模拟能力,选取最优气候模式,模拟未来土地利用变化,分析灞河流域未来30年水源涵养量演变趋势,旨在为秦岭生态保护、水资源管理、土地利用保护等提供基础数据。结果表明:(1)NEX-GDDP-CMIP6高分辨率数据集ACCESS-CM2、ACCESS-ESM1-5、CanESM5等9个气候模式对月平均流量均值模拟效果较好,对极端流量模拟效果较差,NESM3气候模式相比其他8个气候模式有较好的流量模拟效果。(2)NESM3气候模式低估极端降水情况,高估持续干燥天数,月尺度降水数据模拟能力高于年尺度和日尺度。(3)通过Kappa系数检验CA-Markov模型在灞河流域土地利用变化方面具有较好的适用性。(4)在土地利用和气候变化叠加背景下2023—2050年灞河流域水源涵养量呈下降趋势。研究结果对灞河流域水资源管理、秦岭水源涵养功能研究及秦岭生态保护具有重要意义。

2015—2020年潍坊市水源涵养量动态变化研究

以遥感和地面调查数据为基础,结合生态系统长期监测数据,定量评估潍坊市的水源涵养功能。结果显示:2015—2020年,潍坊市水源涵养量分布呈现明显的空间异质性,水源涵养量较高的区域主要集中在西南部的森林生态系统区域和北部的湿地生态系统区域;2015—2020年,潍坊市水源涵养量呈现先增长后下降的趋势,在2015—2019年期间,潍坊市总水源涵养量一直处于上升状态,土壤涵养水源、调节地表径流的能力在逐渐增强,但在2020年,受气候等因素影响,潍坊市总水源涵养量出现了较大幅度的下降,基本恢复到了2015年的水平。

长江上游森林生态系统水源涵养量与价值的研究

该文以长江上游为研究区域 ,根据上游地区自然地理环境条件的差别 ,划分为暗针叶林、其它针叶林、阔叶林、经济林、竹林、灌木林和 6个森林生态系统类型区域 ,并利用年降雨量、林冠截留量数据以及“影子工程”等方法 ,计量和评述了该地区森林生态系统的水源涵养效益。结果表明 :长江上游地区森林生态系统的年涵养水资源量为 2 397 2 81 4× 1 0 8m3 ,涵养水源的年经济价值为 1 6 0 6 1 79× 1 0 8元 ,相当于该区域 1 999年国内生产总值的 1 4。

基于元胞自动机的森林水源涵养量模型新方法——概念与理论框架

模型方法是定量评价森林水源涵养的重要途径。根据元胞自动机的基本理论,结合森林水源涵养效应的多尺度特征,提出了一个新的基于元胞自动机的森林水源涵养量计算模型。该模型将森林"水文响应单元"网格化作为元胞空间的基本单元,邻域定义为摩尔(Moore)型,元胞"水库"水量状态变化范围定义在一个连续的实数空间上。将元胞单元对不同降雨事件的响应分为不产生径流和产生径流两种情况,通过对蒸散发、邻域元胞间水量传输、深层渗漏等制定转换规则,模拟森林在不同尺度上的水源涵养动态特征。这种新模型方法将为森林水源涵养由小尺度(水文响应单元)向流域、景观尺度上推提供有效的定量研究途径,从而进一步推动森林水源涵养功能研究的深入。

落叶松人工林水源涵养量密度控制图的编制与应用

以吉林省金沟岭林场落叶松人工林为研究对象,利用近30年间10余次落叶松人工林固定样地和71株树干解析等数据,研究不同立地条件下的落叶松水源涵养量密度控制图编制方法与技术,运用SPSS软件,分立地条件拟合落叶松水源涵养量生长模型及其参数,编制密度控制图,并在实际生产中进行了应用。

九寨沟森林生态系统水源涵养量计算分析

目前,在整个陆地生态系统中研究最多的就是面积量很大的重要的森林生态系统,综合考虑涵养量估算技术和实用目的,本文提出森林水源涵养量就是森林拦截的可提供给人们利用的水量的定义,通过对森林水源涵养量概念厘定,结合九寨沟森林生态系统的实例,对九寨沟森林生态系统水源涵养状况进行分析,对九寨沟森林水源涵养量进行了估算。结果表明:九寨沟森林生态系统的年水源涵养量为1.60219×1012m3由此可见,在地区可持续发展进程中,森林生态系统的生态价值还是十分重要的。

昆明市松华坝水源区森林植被类型及水源涵养量估算

通过设置固定样地和临时样地调查,对昆明市松花坝水源区的森林植被类型及水源涵养量进行了研究,认为:松花坝水源区的植被类型以滇石栎为主的常绿阔叶林、以栓皮栎、旱冬瓜为主的落叶阔叶林、云南松和华山松为主的针叶林以及灌木林以及人工华山松林、云南松林、旱冬瓜以及圣诞树林等。松华坝水源区的森林涵养水源功能显著,通过估算松花坝水源区每年的水源涵养量为37.96×107m3。

31a生杉木木荷不同类型的林分水源涵养量调查

通过对31a生杉木、木荷纯林及混交林的水源涵养量进行调查分析,结果发现:不同类型的林分不同层次水源涵养量表现不同,各林分不同层次水源涵养量从高到低依次为土壤层、林冠层、灌木层、枯枝落叶层、草本层,其中地上部分水源涵养量占总水源涵养量的3.8%-5.1%,对土壤水源涵养量保护和提高起了至关重要的作用;少量木荷混交能提高杉木单株水源涵养量,但过多的木荷混交反而降低杉木单株水源涵养量;单位面积木荷株数增加,土壤表层水源涵养量增加。

广州市水源涵养生态系统服务功能评价与影响因素研究

研究以开展海绵城市建试点的广州市为分析区域,借助InVEST模型分析2013-2017年水源涵养服务功能变化情况及影响因素。结果显示:广州市2013-2017年水源涵养功能服务整体有一定提升,多年平均水源涵养量深度为644.860mm,平均增长了10.39%。在不同行政区域和不同土地覆被类型下水源涵养功能变化差异明显。研究区水源涵养生态系统服务功能受到自然因素与社会经济因素的综合影响。气候变化因子一直是水源涵养功能服务变化的主导因素,社会经济发展因素为次要因素。

近15 a秦岭林区水源涵养量变化特征

秦岭是陕西省乃至全国最主要的水源涵养区之一,也是"南水北调"中线工程的重要水源涵养区。研究秦岭地区水源涵养能力的空间分布,以及随时间的时空演化规律,对于寻找影响水源涵养能力变化的自然因素与人为因素都具有重要意义。在地表能量平衡原理和水均衡原理的基础上,利用2000—2014年降雨量和蒸发量数据对秦岭地区的水源涵养量进行定量评估,探讨近15 a来秦岭水源涵养量的时空演化特征,结果表明:在降雨量和陆地蒸散等多种因素的共同作用下,秦岭地区年水源涵养量在8.22~441.4 mm之间波动,整体呈现出波动增加的趋势,其中2011年最大,为441.4 mm,2002年最小,仅为8.22 mm;年水源涵养量安康市最高,宝鸡市最低;近15 a来,秦岭地区水源涵养能力的结构有所改善,<0 mm和0~300 mm所占比例呈下降趋势,占总面积的比例由84.48%下降至76.95%;300~600 mm和>600 mm所占比例呈现出波动上升的趋势,占总面积比例由15.52%上升至23.01%。秦岭地区年水源涵养量线性变化趋势以增加为主,增加的面积占总面积近9成,其中微弱增加占主导;增加最显著的地区主要集中在汉江中段。该研究结果可以为秦岭地区水资源保护提供科学的参考。

基于SWAT的沁河流域水源涵养能力分析及预测

水源涵养能力是生态系统服务功能的重要体现,为探究变化环境下的流域水源涵养状况,支撑流域生态保护和经济发展,构建沁河流域SWAT(soil and water assessment tool)模型,基于元胞自动机马尔科夫(celluar automata-Markov,CA-Markov)模型预测未来2030年土地利用状况,结合第六次国际耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project phase 6,CMIP6)气象数据,模拟流域未来降水、蒸发和径流,依据水量平衡原理,分析历史和未来年份流域水源涵养能力的时空变化特征。时间维度上:2010—2016年沁河流域水源涵养能力呈波动上升趋势,多年平均水源涵养量为49 mm,多年平均水源涵养率为8%;2024—2030年水源涵养能力呈波动下降趋势,多年平均水源涵养量为51 mm,多年平均水源涵养率为10%。空间维度上:2010、2015和2025年流域水源涵养能力呈现从上游到下游递增的趋势,2030年则呈现从上游到下游递减的趋势。整体来看,流域多年平均水源涵养量不足100 mm,且各年份均有子流域的水源涵养量出现负值,流域水源涵养能力较差。研究结果可为流域水资源管理、协同保护和发展以及改善人水关系提供科学参考和数据支撑。

浑河上游新宾县土地利用演变对水源涵养能力影响评价

[目的]阐明水源保护区浑河上游新宾县土地利用变化与水源涵养功能的关系,指导当地或类似地区土地利用和水资源优化管理。[方法]基于ArcGIS平台,采用土地利用转移矩阵研究新宾县1995年、2000年、2005年、2010年和2015年土地利用变化;在此基础上,运用InVEST模型评估1995—2015年区域及不同土地利用类型的产水功能和水源涵养功能。[结果](1)1995—2015年新宾县土地利用类型始终以林地和草地为主,21年来,林地、其他用地(湿地为主)、水域和建设用地的面积均增加,其中林地面积增加最大,耕地和草地的面积在减少;(2)1995—2015年,林地、其他用地、建设用地和水域面积的增加来源于耕地和草地;(3)新宾县多年平均产水量为1.564×10^(9)m^(3),水源涵养量为6.2×10^(8)m^(3),作为重点水源涵养区域,新宾县平均水源涵养能力193.62 mm,多年来呈现波动变化趋势,产水量的变化与分布、土地利用直接影响着区域的水源涵养量大小;(4)1995—2015年不同土地利用类型的水源涵养量变化明显,不同地类年均水源涵养能力大小依次为林地>其他用地>草地>水域>耕地>建设用地。[结论]林草覆盖率高是该地区维持水源涵养功能的基础。作为新宾县水源涵养总量贡献最大的林地与面积最小却具有极强水源涵养能力的其他用地(以湿地为主),应予以特别关注,同时建设用地的扩展对林草地面积和质量造成的负面影响也要引起注意。

基于SWAT模型的秦岭北麓灞河流域水源涵养功能综合评价

[目的]准确理解水源涵养功能的内涵,以提高水源涵养功能计算结果的合理性。[方法]选取秦岭北麓灞河流域作为研究区域,采用SWAT模型,基于水量平衡法,建立了水源涵养量定量计算公式,分析了近59 a来灞河流域水源涵养量演变规律;同时,提出了水源涵养功能综合评价新方法,即:基于生态系统水碳循环作为水源涵养功能评价理论基础,水源涵养量与NPP(植被净初级生产力)的比值作为水源涵养功能定量化评价指标,分析了近18 a来灞河流域水源涵养功能演变规律及空间格局。[结果](1)分季节率定优于全序列率定,采用新的率定方法可以提高模型流量模拟结果。(2)近59 a灞河流域年际水源涵养量呈下降趋势,变化率为k=-1.4 mm/a,采用Mann-Kendall非参数统计法,2013年开始年水源涵养量呈明显下降趋势;采用Morlet小波对灞河流域年水源涵养量距平时序数据进行小波分析,在35 a主周期下水源涵养量变化周期为23 a左右。(3)近18 a来,灞河流域水源涵养功能年际变化总体上呈减少趋势,年际变化率为-0.0135 mm/g,水源涵养功能在空间上表现为随着坡度上升,水源涵养功能增强。[结论]分季节率定可以提高SWAT模型流量模拟结果,灞河流域近年来水源涵养功能呈下降趋势。

基于生态系统质量的水源涵养服务评估——以西南五省为例

水源涵养服务评估是生态系统服务评估的重要内容之一。水量平衡法是水源涵养模拟评估常用的方法之一,然而以往的多数研究由于没有考虑到生态系统质量差异对水源涵养服务带来的影响,在一定程度上影响了水源涵养服务评估的精度。本研究以西南五省为例,基于水量平衡原理,使用不考虑生态系统质量的水量平衡法、基于叶面积指数的水量平衡法、基于生物量与植被覆盖度的水量平衡法,进行了水源涵养服务的评估精度的比较研究。通过对比验证三种考虑不同生态系统质量参数的方法与水文实测数据的结果发现:三组数据配对t检验差异显著性结果均为P>0.05,三组结果均无显著性差异;基于生物量与植被覆盖度的水量平衡法评估结果与实测结果相关系数最高,为0.982(P<0.001),说明三种方法中,基于生物量与植被覆盖度的水量平衡法更能准确地反映出当地生态系统的水源涵养服务功能,其次为基于叶面积指数的水量平衡法,不考虑质量参数的水量平衡法评估结果与实测结果相关性最低。研究结果可为未来基于不同研究目的水源涵养评估方法提供参考,并为水源涵养服务评估体系的优化提供思路。

1990—2020年承德市御道口地区产水与水源涵养功能时空演变

承德市御道口地区作为京津冀水源涵养功能区的组成部分,是区域可持续发展的重要生态支撑。基于生态系统服务和权衡的综合评估模型(InVEST模型)定量分析了1990—2020年御道口地区的产水与水源涵养功能的时空演变,并采用情景模拟法分析评估气候要素与土地利用类型变化对产水量与水源涵养量的影响。结果表明:(1)1990—2020年,御道口地区平均产水深度与水源涵养深度分别为103.26,81.66 mm,产水量与水源涵养量呈现先减小后增加的波动变化趋势;空间均呈现东北高西南低的分布特征,高值区主要集中于东北林、草地区域,低值区则主要集中于未利用地与西南部耕地区域;(2)各气候要素中,产水深度、水源涵养深度与降水量呈正相关关系,与潜在蒸、散发量呈负相关关系;各土地利用类型中,草地的平均产水量贡献率最大(51.23%),林地的平均水源涵养量贡献率最大(50.77%);(3)1990—2020年,气候与土地利用变化对产水量变化的年平均贡献率分别为94.99%和5.01%,对水源涵养量变化的年平均贡献率分别为92.21%和7.79%,气候变化是御道口地区产水、水源涵养功能时空演变的主导因素,而土地利用变化的影响正在逐渐增强。

关中-天水经济区农田生态系统涵养水源价值量时空变化

【目的】科学、准确地量化农田生态系统的涵养水源服务,有助于其更好地发挥调节水源、稳定水源供应的作用,以缓解水源短缺的危机.【方法】在3S技术支持下,采用土壤蓄水法估算了关中-天水经济区农田生态系统水源涵养量,并采用影子工程法、成本估算法等计算了其涵养水源的价值量.【结果和结论】关中-天水经济区农田生态系统涵养水源量及其价值在1980—2010年的30年间呈先减少后增加的总体变化趋势,其中,1980—2005年农田生态系统涵养水源总量从32.219亿m3·年-1减少至19.691亿m3·年-1,涵养水源总价值从21.587亿元·年-1减少至13.193亿元·年-1,年均减少1.56%;2005—2010年生态系统总涵养水源数量从19.691亿m3·年-1增加到31.638亿m3·年-1,总涵养水源价值从13.193亿元·年-1增加到32.219亿元·年-1,年均增长为7.42%.由于退耕还林还草政策的正向引导,在耕地面积日益减少的情况下,农田生态系统的涵养水源量及涵养水源价值量依然呈增长趋势,并具有一定的时空变化:在时间上表现为先减少后增加;在空间上表现为东南平原高,西北山地、丘陵低的变化趋势.

2000—2020年秦巴山区水源涵养量时空动态研究

以秦巴山区陕西段为研究区,基于地表水量平衡原理,利用MODIS数据、气象数据、DEM数据、土壤质地数据等资料,模拟2000—2020年水源涵养量,并对近21 a水源涵养量时空动态特征及其影响因素进行分析。结果表明:(1)秦巴山区水源涵养量主要在-142.84—419.41 mm之间,在空间上呈现出北低南高的分布特点,各市的水源涵养量大小依次为汉中市>安康市>宝鸡市>西安市>商洛市>渭南市;(2)2000—2020年,秦巴山区水源涵养量主要呈减少趋势,平均减少速率约为13.07 mm/a。其中,减少显著的区域约占区域总面积的48.36%;(3)水源涵养量的变化与其直接影响因素降水量、蒸散量密切相关,在其间接影响因素中,气温的影响最小。

三江源区高寒草甸退化对土壤水源涵养功能的影响

三江源区是我国重要的水源涵养区,研究草地退化对土壤水源涵养功能的影响,可为三江源区水源涵养功能的科学评估与合理监测提供科学依据。以实地采样与室内测试分析相结合的方法研究了三江源区内不同土壤类型高寒草甸生物量特征、土壤水文物理性质及土壤水源涵养量。结果表明:高寒草甸在重度退化阶段地上生物量、地下生物量、毛管孔隙度、总孔隙度、自然含水量、最大持水量、土壤水源涵养量显著低于未退化和中度退化阶段(P<0.05)。随着高寒草甸退化程度加剧,土壤容重逐渐增大,且非毛管孔隙度规律不显著。未退化、中度退化、重度退化草甸的土壤水源涵养量范围分别为1884.32—1897.44t/hm2、1360.04—1707.79t/hm2、1082.38—1550.10t/hm2。中度退化草甸土壤水源涵养量比未退化草甸低9.37%—10.35%,重度退化草甸低18.31%—27.82%。草甸退化进程中土壤总孔隙度与毛管孔隙度的降低是影响土壤水源涵养量下降的直接原因,而草甸退化进程中地上生物量与地下生物量的减少则是间接原因。度量三江源区高寒草甸土壤水源涵养功能时应着重考虑毛管孔隙度的蓄水作用。研究表明高寒草甸地上生物量与土壤水源涵养量之间存在显著的正相关关系(P<0.05),该结果能够推动水源涵养功能评估向空间化、精细化发展,为探索利用遥感技术监测三江源区水源涵养功能提供参考依据。