马莲河下游产水量时空演变特征

马莲河下游流域是我国陇东典型的黄土高原沟壑区,在气候和土地利用变化背景下研究其产水量的时空特征和变化响应,对区域生态系统可持续发展具有重要意义。基于InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型定量评估1990年、2000年、2010年和2020年4个时期马莲河下游流域产水量的时空格局和变化,运用地理探测器分析影响因子对产水功能空间分异的影响程度。结果表明:(1)1990—2020年,马莲河下游流域总产水量整体呈现先减后增再减的变化趋势,2020年总产水量相比1990年减少了5.9×10^(7) m^(3),减少率为25.43%。不同时期产水量在空间上呈现南部和边缘地带高、北部和中心地带低的分布特征。(2)不同土地利用类型产水能力大小排序依次为:城镇用地>未利用地>耕地>低覆盖度草地>高覆盖度草地>灌木林>有林地>水域。(3)产水量与降水量呈现明显的正相关,与实际蒸散发量和海拔之间存在负相关。降水和实际蒸散发是决定产水量空间分布和变化的主导因素,q值分别为0.616~0.735和0.517~0.653。研究成果可为陇东黄土高原沟壑区水土资源开发、利用和管理提供科学支撑。

马莲河流域土壤侵蚀特征与模拟

根据淤地坝拦沙信息与流域输沙量计算马莲河流域土壤侵蚀总量,在系统收集流域降雨、土壤、遥感影像等数据资料的基础上,基于RUSLE模型研究马莲河流域土壤侵蚀分异特征及其变化情况,分析模型计算误差.结果表明,流域土壤侵蚀产沙量总体呈逐年减小的趋势,突变发生在2003年,至2011年达到最小值1.911×10^(7)t,多年均值为6.405×10^(7)t,变化率-4.824×10^(6)t/a.泥沙淤积量自2003年逐年上升,至2010年后占据年土壤侵蚀总量的10%~20%.流域土壤侵蚀等级分布总体上北部地区高于南部地区,多数年份东部地区的土壤侵蚀等级最低,土壤侵蚀模数基本维持在2500 t/(km^(2)·a)以下;2003年后,流域各地区土壤侵蚀等级均有所下降,至2018年绝大多数地区土壤侵蚀模数下降超过200 t/(km^(2)·a);总体RUSLE模型模拟结果良好,多数年份侵蚀产沙量模拟相对误差控制在20%以内.

基于SWAT模型的马莲河流域地下水资源评价

为全面了解及合理开发利用地下水资源,选取马莲河流域为研究对象,通过构建SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2算法进行参数敏感性分析、参数确定和模型验证,对流域出口水文站雨落萍站2006-2019年的逐月径流量进行模拟.模型验证期R2和纳什效率系数分别为0.75和0.64,满足要求.对马莲河流域地下水潜水层储量、天然补给量、可开采量进行估算.流域地下水储量空间分布差异明显,2006-2019年储量减少3.79×10^(9)m^(3),损失量较大,且潜水层储量与潜水层厚度和地质构造状况有关.流域模拟期多年平均地下水径流模数为0.36 L/(s·km^(2)),多年平均天然补给量为2.29×10^(8)m^(3),多年平均可开采量为1.37×10^(8)m^(3).

马莲河水质监测与分析

马莲河流经环县、庆城县、宁县等五个县,全长366km。受季风影响,马莲河流域属于水资源极端贫乏的严重缺水区域。通过对马莲河各河流段现状的监测、分析、评价,分析研究马莲河历年污染防治措施产生的影响,检测马莲河的水质等级,从而为马莲河流域水污染防治、水资源综合利用提供科学依据。

观测资料短缺地区水文模拟与地表水资源时空分布评价——以马莲河流域为例

传统的资料短缺地区水文设计多采用水文移用方法,但受黄土高原空间异质性影响,估算结果常存在较大误差,且黄土高原区产流机制较为复杂,地下水补给强烈,简单的水文模型多难以准确模拟区域水文过程。鉴于此,以马莲河流域为研究区域,透过SWAT-MODFLOW耦合模型实施马莲河流域尺度的水文模拟,并评价其地表水资源在不同地表覆盖下的时空分布格局及其演化特征,以期为以马莲河流域为代表的资料短缺地区的地表水资源量评价提供参考。模型校验结果表明,构建的SWAT-MODFLOW耦合模型在以马莲河流域为代表的黄土高原具有较好的适用性,出口站点的NSE系数高达0.92。相比水文设计中常用的面积比推算法,基于耦合模型获取的地表水资源量空间分布成果更具有参考价值。近天然条件下马莲河流域内不同子流域或区域的出口断面径流及产水能力具有显著的空间异质性,出口断面径流整体呈现自西北向东南逐渐递增的趋势,流域上游东川、西川干流区域产水能力最强,环江上游区域产水能力较弱,其他区域产水能力介于二者之间。以耕地向草地和林地转移的流域植被覆盖改变,对马莲河流域地表水资源量的影响有限,而以取用水为代表的流域直接人类活动对径流减少的影响强烈。

马莲河流域固沟保塬工程水文响应变化及优化

由于气候变化、土地利用变化及固沟保塬工程实施,黄土高原的水文循环变化备受世界关注。基于SWAT模型和中国大气同化驱动数据集(CMADS),定量分析了固沟保塬工程和4种土地利用情景对马莲河流域水文循环演变的影响。结果表明:SWAT+CMADS模式能够很好地模拟马莲河的水文变化过程;1995—2020年间,流域内年平均径流量减少了13087.50万m 3,降幅达到4.56%;流域内退耕坡耕地全部还林/还草情景较2020年土地利用情景相比,年平均径流量分别减少了283.80万、1923.70万m 3,固沟保塬工程(沟头填埋)情景下年平均径流量减少了1135.30万m 3。模拟研究固沟保塬工程和土地利用变化对马莲河流域径流的影响在生态环境保护和可持续发展方面具有十分重要的现实意义。

马莲河流域泥沙演变规律及其成因分析

依据马莲河流域实测水文资料、气候和NDVI数据,分析流域泥沙演变规律及其成因。结果表明:马莲河流域泥沙分布地区差异较大,总体从上游向下游递减,最大产沙区域多年平均输沙模数达8 148 t/km^(2),支流合水川泥沙最少,年输沙模数为1 663 t/km^(2);人类活动和降水对输沙量变化的贡献率分别为93.0%、7.0%,水土保持措施等人类活动是泥沙减少的主要原因。流域内降水以及下垫面的变化,使产流产沙机制发生显著变化,分析流域泥沙演变规律及其成因,对区域水土流失治理、生态环境修复、水资源开发利用等具有重要指导作用。

马莲河河流地表水分析与评价

马莲河流经环县、庆城县、宁县等五个县,全长366km。作为泾河最大的支流,为沿岸人民的生产生活带来便利。马莲河是内陆河,受季风影响,属于水资源极端贫乏的严重缺水区域,且马莲河地处位置特殊,河流一旦发生污染,将给沿岸人民群众带来巨大的经济损失。通过对马莲河各河流段现状的监测、分析、评价,以期为马莲河流域水污染防治、水资源综合利用提供科学依据。

马莲河河水与地下水的相互关系:水化学和同位素证据

查明地表水与地下水的转化关系是建立区域水循环模式、揭示水资源形成机制、评价水资源总量以及可持续开发利用水资源的必要环节。马莲河位于我国西北干旱半干旱气候区,流域内水资源时空分布不均,生态环境脆弱,水资源问题严重。受到区域气候、地质构造和自然地理环境的影响,河水与地下水的转化频繁、关系复杂。在分析了流域内地下水动力场特征的基础上,应用水化学方法和同位素技术相结合的方法分析了马莲河河水与地下水的相互转化关系。马莲河河水主要以接受地下水补给为主,仅在中游个别河段与地下水的水力联系较弱。

基于DEM的马莲河流域数字地形分析

研究基于DEM的数字地形分析可以为各个领域提供地形分析的基础理论及实现手段。DEM水平分辨率作为重要的尺度参数,是确定地形参数和应用尺度的重要指标。选取陇东黄土高原地区的马莲河流域作为研究对象,应用美国ESRI公司开发的ArcGIS地理信息系统软件,基于数字高程模型进行流域地形特征的提取与分析。研究提取流域的基本地形特征如坡度和坡向,提取流域水系,划分了小流域。通过分析比较,得出DEM水平分辨率对提取的地形特征及水文特征的影响,为马莲河流域的数字地形分析提供了理论依据。

黄河中游马莲河历史与现代洪痕沉积与水文学研究

通过对马莲河流域深入调查研究,在马莲河下游峡谷峭壁发现了一组4个显著的洪痕。洪痕沉积物分析看出,马莲河洪水悬移质泥沙以粉沙为主,粘粒和沙粒含量都较低,磁化率值也很低。将这些数据与流域内马家原剖面黄土土壤的的分析结果对比,可知马莲河现代洪痕沉积物是暴雨洪水对于流域内黄土和土壤侵蚀、搬运沉积形成。采用面积-比降法对该组洪痕所记录的4次洪水事件进行了洪峰流量恢复计算。表明高于常水位3.3 m、5.5 m、6.7 m洪痕洪峰流量分别为1 170 m^3/s、4 060 m^3/s、5 690 m^3/s。它们与雨落坪水文站观测2005、2003、1977年的洪水洪峰流量值相当,误差小于5%。最高洪痕高出常水位10～12 m,计算恢复其洪峰流量为13 980 m^3/s,洪水发生年代为1841年(清代道光21年)。这些研究结果对于马莲河流域的防洪减灾、水利水电工程设计和水土流失防治具有重要科学意义。

黄河流域马莲河枯水期水化学特征及形成机制

为查明马莲河流域水环境现状,于2016年4月采集河水、支流水和地下水样品37组,运用Piper三线图和同位素分析来探究水体主要阴阳离子、氢氧稳定同位素特征及其空间变化,结合Gibbs图、端元图解和相关性分析等方法揭示河水化学组分的形成作用.结果表明:枯水期马莲河水呈弱碱性,总溶解固体TDS均值2685.1 mg·L-1,离子组成以Na^+、Mg^(2+)、Cl^-、SO_4^(2-)为主,水化学特征和中国主要河流有较大差异.沿着流向TDS和Cl^-、Na^+质量浓度呈降低趋势、水化学类型具分带规律.不同水体δD、δ~18O分布特征不一,地下水沿着当地降雨线分布,河水和支流水沿着蒸发线分布.硫酸盐和岩盐是水体离子的主要来源,河水化学组成由蒸发盐风化、蒸发浓缩和地下水补给3种作用控制.其中,蒸发盐风化是首要因素,决定了河水化学组分的宏观特征,蒸发作用和地下水补给影响了河水化学组成的空间变异.

基于^(222)Rn的马莲河下游地下水补给河水空间差异特征研究

河水和地下水转化关系的定量评价是流域水资源量管理和合理利用的基础。在西北内陆马莲河流域下游开展氡同位素示踪,利用河水222Rn通量模型评价了地下水沿河排泄强度。结果表明:地下水222Rn活度高于河水1个数量级,潜流带水222Rn活度受河水、地下水混合作用及沉积物氡释放影响。马莲河下游均为白垩系环河组地下水排泄补给河水,累计排泄量4.5 m3/s,占河流流量的73.2%。排泄强度存在空间变异,上段及下段为地下水强排泄区,中段作用强度较低。模型不确定性主要受地下水端元、潜流带输入及气体逸散系数三个因素控制,222Rn示踪方法在地下水补给河水型地区较为适用。

马莲河地表水化学特征及污染状况分析

通过实地勘察、采集地表水样并进行室内检测,分析了马莲河地表水化学特征和污染状况,采用模糊数学方法对各采样断面的水质进行了综合评价。结果表明：地表水总溶解固体的浓度有自北向南逐渐降低的趋势,变化范围为390~965mg/L,pH值为7.38～8.70,矿化度为1～3g/L,离子浓度及水化学指标变化较大;流域内主要支流地表水均受到不同程度的污染,高锰酸盐指数最大值超标6倍,六价铬和COD最大值均超标5倍,总氮的平均值超标约15倍,石油类污染物最大值超标4倍多。分析了造成水质污染的因素并提出了水环境保护的措施。

马莲河流域河水化学特征和化学风化过程分析

采用Gibbs图解和端元分析方法研究了马莲河水化学特征、离子来源和化学风化作用,利用质量平衡正演模型评价了各风化作用对水化学组分的贡献率。结果表明,马莲河水为高TDS咸水,阳离子以Na^＋、Mg^2＋为主,阴离子以Cl^-、SO4^2-为主;沿河水流向TDS降低,水化学类型由Cl-Na型演变为HCO3·SO4-Na·Mg型;河水化学组分的主要形成作用为化学风化,蒸发盐主导了流域风化过程,对离子组分平均贡献率高达76.5%,硅酸盐和碳酸盐风化较弱;化学风化具空间变异,从上游到下游,硫酸盐和碳酸盐贡献率增加,岩盐贡献率降低。岩性是控制流域化学风化作用的首要因素,降雨量和径流量可能也有一定影响。

近50年黄土高原马莲河流域降水变化特征分析

不同等级降水与侵蚀性降水对水土保持有重要意义,为了更好地建设黄土高原生态屏障,亟须对马莲河流域降水特征进行详细分析。收集到马莲河流域1961—2010年西峰国家基准站、环县国家基本站和华池、庆城、合水、宁县、正宁5个国家一般站的日降水观测数据,使用PMF方法,对数据进行均一化检验,确保数据质量。采用基本气象水文统计方法,研究流域降水统计特征。运用气候倾向率、Mann-Kendall检验、滑动T检验、累积距平和Morlet小波变换等方法,分析流域降水趋势、突变点和周期等特征,同时分析侵蚀性降水、不同等级降水日数和降水强度的变化特征。结果表明:1)马莲河流域多年平均降水482 mm,四季降水分别占年降水量的18%、53%、27%和2%,侵蚀性降水占年降水57%,降水变异系数为0.19,流域降水>400 mm的保证率为72%,>500 mm的保证率为38%;2)1961—2010年马莲河流域降水与侵蚀性降水均呈减少趋势,春、秋季降水呈减少趋势,冬季降水呈增加趋势;3)降水的突变点不明显,1992年之后,降水呈减少的趋势,年和四季降水有19、11、4和2 a左右的主周期;4)中雨和小雨是马莲河流域主要降水形式,1961—2010年,降水减少是中雨和小雨显著减少引起的,降水强度与侵蚀性降水强度呈增强趋势,降水日数的减少对降水强度的增加有重要影响。马莲河流域侵蚀强度并未随雨量的减少而减弱,降水侵蚀风险没有减小,水土保持工作需要持续深入,水土保持与荒漠化治理刻不容缓。

基于水化学和同位素评价马莲河下游地下水补给河水的时空变化

准确评价地下水对河水的补给量是流域水资源量管理和合理利用的基础。在马莲河流域下游采集不同季节地表水和地下水样品75组,利用Cl-、电导率(EC)和D、18O同位素多方法联合评价,识别了地下水补给河水的位置、补给量及其季节变化。结果表明:马莲河水EC和Cl-质量浓度沿着流向均呈降低趋势,δD和δ18O值沿流向减小。雨季EC和Cl-质量浓度最低,δD和δ18O值最高。地下水各组分浓度均低于河水,时空变化不明显。地下水单宽排泄量存在时空变异,上段和下段为地下水强排泄区,中段地下水排泄较弱,不同季节地下水排泄量占总排泄量的72.20%~95.07%。雨季地下水单宽排泄量显著降低,河水中基流比例由雨季前期的68.89%降至29.43%。整体上,地下水补给河水季节变化明显,而空间变化规律较为稳定。研究成果有利于深入认识河水和地下水的相互作用机制,并为当地水资源利用提供基础依据。

鄂尔多斯盆地南部马莲河流域地下水中锶富集特征及成因分析

马莲河流域地处鄂尔多斯盆地南部黄土高原区,按储水介质和埋藏条件可将地下水分为黄土潜水、基岩潜水和基岩承压水三类,利用2015—2018年流域的295组地下水水化学数据,分析了地下水中锶(Sr^(2+))的质量浓度水平、垂向分布及沿流向分布的特征,并采用因子相关性研究地下水中Sr^(2+)的来源和富集成因。结果表明:马莲河流域地下水富锶现象显著,黄土潜水、基岩潜水和基岩承压水中锶的平均质量浓度分别为1.14 mg/l、1.39 mg/l和5.24 mg/l;地下水中锶富集成因主要是含锶矿物天然状态下的水-岩作用,黄土潜水、基岩潜水和基岩承压水三类地下水中Sr^(2+)的主要来源分别为碳酸盐岩与铝硅酸盐岩、碳酸盐岩与硫酸盐和碳酸盐矿物的溶滤作用;地下水中Sr^(2+)的质量浓度沿流向呈逐渐增大的趋势,在不同区域中随深度变化的趋势不一致。

马莲河流域洪涝灾害及洪水频率分析研究

通过搜集、整理和分析历史文献资料,对1368～2007年640年间马莲河流域洪涝灾害进行了研究。结果表明在640年间马莲河流域共发生洪涝灾害114次,平均5.61年发生1次,说明马莲河流域为洪涝灾害多发的区域,而且随着人类活动的加强和全球气候的暖干化,洪涝灾害发生的频率加快;同时结合历史调查和实测资料分析洪水频率表明,马莲河流域实测资料序列短,即使结合历史调查洪水资料,也难以精确获得百年一遇以外的洪峰流量,直接影响到大型水利水电工程的洪水设计精度,说明开展马莲河流域的古洪水水文学研究具有十分重要的意义。

马莲河下游河水与地下水转化的环境示踪

为深入了解马莲河下游河水与地下水转化关系,沿河采集河水与地下水样品各15组,利用水化学分析、数值模拟等方法揭示了地下水与马莲河水的转化趋势及空间变化,并评价了转化强度。结果表明,河水Cl-质量浓度、总溶解固体(TDS)和电导率均高于地下水,沿流向呈降低趋势。地下水以补给河水为主,补给强度为0~4.66m2/d,累计补给量为1.65m3/s。补给强度受岩性分布影响存在空间变异,R12~R13、R14~R15段为地下水强补给段,R04~R09段补给较弱。地下水样品的代表性、水均衡要素的完整性和采样密度可能影响环境示踪方法的评价精度。应采用多方法示踪对比、加强支流的调查监测及增加采样密度等手段降低评价的不确定性。研究成果可为水资源统筹利用提供参考。