基于CMIP6气候模式和两种水文模型综合集成预估的黄河源区未来40年流量变化

基于两个共享社会经济低碳路径(SSP1-2.6、SSP2-4.5)下的CMIP6中的8个GCMs气候模式进行黄河源区2021—2060年平均气温和降水量预估。在此基础上,利用CMIP6中的8个GCMs气候模式分别驱动HBV、SWAT水文模型综合集成预估了黄河源区2021—2060年流量的年代际变化。结果表明:SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下,2021—2060年黄河源区呈暖湿化趋势,平均气温较基准期(1995—2014年)分别上升1.3℃、1.6℃,年降水量分别增加11.6%、11.5%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下2021—2060年黄河源区年平均流量分别增多8.6%、8.5%;两种情景下黄河源区21世纪各年代际流量均增加,其中21世纪20年代和30年代流量增幅小于40年代、50年代流量增幅。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区2021—2060年6—8月流量减幅在1%以下,而3—5月和9—12月流量增幅为0.1%~2.1%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区蓄水期(9—11月)极端丰水流量增加2.5%~2.7%,SSP1-2.6情景下黄河源区2021—2060年汛期(6—8月)极端丰水流量总体增加0.1%,SSP2-4.5情景下黄河源区汛期极端丰水流量减少1.3%,SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区枯水期(12至次年5月)极端丰水流量减少0.7%~1.0%;黄河源区汛期(SSP1-2.6和SSP2-4.5情景)及枯水期(SSP1-2.6情景)极端枯水流量较基准期增加0.8%~1.9%,两种情景下黄河源区蓄水期极端枯水流量减少1.8%~2.3%。

黄河源区高寒退化草地空间分布特征

为了解黄河源地区“黑土滩”退化草地的空间分布规律和分布的关键地形特征,利用2019年黄河源区玛沁县、河南县、泽库县遥感影像解译数据,结合实地调查,分析高寒“黑土滩”型退化草地空间分布特征。结果表明:黄河源区“黑土滩”型退化草地海拔为3500~4000m,且在海拔3700~3800m时退化最严重;从坡向分析来看,“黑土滩”型退化草地主要发生于阳坡、半阳坡,从坡度分析来看,“黑土滩”型退化草地主要发生于缓坡地和滩地。聚类分析发现研究区草地类型为阳坡极度退化草地、半阳坡重度退化草地、阳坡-滩地轻度退化草地、半阳坡轻度退化草地、湿地轻度退化草地、阴坡未退化草地等6类。随着退化程度的加剧,植被盖度、地上生物量减少;同一土层的全氮、全磷、碱解氮、速效磷、有机质含量在湿地轻度退化草地和阴坡轻度退化草地中最高,阳坡极度退化草地最低,且差异显著(P<0.05);丰富度指数、多样性指数、均匀度指数以及土壤速效钾含量在重度、轻度退化草地较高,湿地轻度退化草地显著最低。阳坡极度退化草地全钾含量、鼠害破坏率和鼠洞数最高,湿地轻度退化草地全钾含量最低,与阳坡极度退化草地差异显著(P<0.05);湿地轻度退化草地和阴坡轻度退化草地均无鼠类活动。

黄河源高寒退化草地典型鼠丘土壤风蚀及养分流失规律研究

黄河源高寒草地啮齿动物活动区存在大量鼠丘,在干燥、大风等气候影响下极易产生土壤风蚀,为阐明鼠丘土壤风蚀侵蚀特征与规律,本研究以黄河源流域不同海拔与植被覆盖度下14个试验区的高原鼠兔和高原鼢鼠鼠丘为研究对象,采用野外模拟风力侵蚀试验装置,对不同风速下各区域鼠丘土壤流失量及其养分流失规律进行分析和讨论。结果表明:(1)鼠丘土壤风蚀量在各区域之间存在显著性差异(P<0.05),风速较小时,2种不同鼠丘土壤流失差异不显著,当风速增加到12 m·s^(-1)时,高原鼠兔鼠丘土壤流失量>高原鼢鼠鼠丘土壤流失量(P<0.05);风速从3 m·s^(-1)增大到12 m·s^(-1),2种鼠丘土壤流失的平均增幅分别为238.16%和146.31%。(2)各试验区鼠丘土壤风蚀率总体呈现先快后慢的递减趋势,植被盖度是低风速下影响鼠丘土壤流失的显著因子,且与海拔高度有关。(3)随草地退化程度加剧,土壤全氮含量、碱解氮、速效钾、有机质含量都有明显下降,而全磷、全钾、速效磷呈现上升的趋势。本研究表明黄河源不同区域鼠丘土壤风蚀作用的差异性与土壤含水率、颗粒大小、风速等密切相关。

基于WEP-QTP模型的近65 a黄河源区径流演变分析

为研究黄河源区径流演变规律,以WEP-QTP(The Water and Energy transfer Processes in the Qinghai⁃Tibet Plateau)模型为基础构建基于水热耦合的黄河源区冻土水文模型。采用玛曲站2019—2021年冻融期逐日土壤温度及土壤液态含水率对模型进行验证,率定期及验证期决定系数(R2)均值为0.8左右,均方根误差(RMSE)均值分别为1.0℃及0.04左右;采用8个冻土监测点1971—2000年冻融期逐日冻土深度进行验证,决定系数(R2)均值为0.89,均方根误差(RMSE)均值为214.81 mm。模型模拟黄河源区1956—2020年逐月流量过程,效率系数(NSE)为0.8左右,相对误差(RE)为5%左右,表明模型能较好地模拟黄河源区径流过程。利用M-K趋势检验分析得到1956—2020年黄河源区径流呈不显著增加趋势,其变化趋势是降水与气温共同影响的结果。冻融期、非冻融期径流与全年趋势一致。降水增加、气候变暖及冻土退化使径流组分发生变化,地表径流及地下径流均呈增加趋势,但地下径流在全年及冻融期增加趋势更加显著。

黄河源区汛期降水径流序列多尺度小波分析

基于黄河源区15个地面站点日降水数据、唐乃亥水文站逐日径流数据以及小波分析方法,分析了黄河源区1961—2020年汛期降水和径流的周期规律、变化趋势及相关关系。结果表明,1)黄河源区近60 a汛期降水、径流均存在多时间尺度的变化特征,且不同时间尺度汛期降水、径流丰枯变化趋势均不同;2)汛期降水、径流序列均具有63 a左右、35 a左右特征时间尺度的主周期,两个时间尺度下的平均周期分别为41、25 a左右,汛期降水、汛期径流具有一定的正相关性;3)在63 a特征时间尺度可预测2020年之后未来5~10 a内黄河源区汛期降水、径流整体均呈减小趋势。

气候变化下长江黄河源区水循环变化及生态效应

长江黄河源区对中国的生态安全和区域发展有重要影响。当下该区域正在经历气候变化,受其影响源区的关键水循环要素也发生改变。气候变化和水循环要素变化下源区的生态出现了何种变化、水土涵养现状如何已成为普遍关注的问题。通过文献综述,总结梳理了气候变化下长江黄河源区关键水循环要素的基本变化情况及其产生的生态效应。研究结果表明:长江黄河源区气温升高显著,降水变化趋势存在区域差异;冰川积雪消融增加,冻土消融加剧;不同区域径流量变化趋势存在差异;源区植被覆盖度总体呈现上升趋势;沼泽草甸湿地和高寒泥炭湿地出现退化,而湖泊数量增多,面积增加显著;在多因子的综合作用下,源区河流输沙量平稳或是下降,水土涵养状况稳定或有所改善。未来气候变化的不确定性对源区生态的压力仍然存在,植被和湿地有退化风险;反映源区水土涵养状况的河流输沙系统驱动机制还不够明晰,相关研究还较少,与之相关的研究亟待进一步展开。

1990—2020年黄河源区林地面积与生态需水量的时空变化

【目的】探讨1990—2020年黄河源区林地面积与林地生态需水量的时空变化规律,为黄河源区林地生态需水量的合理调配提供依据。【方法】基于黄河源区1990—2020年的遥感影像数据和野外实测资料,通过目视解译确定黄河源区土地利用类型,通过计算得到林地面积和林地生态需水量数据;采用ArcGIS 10.8绘制林地面积与生态需水量的时空分布图,分别运用Canoco 5.0和SPSS 27作冗余分析和主成分分析。【结果】黄河源区1990—2020年的林地面积变化不大,林地主要分布于黄河源区中东部,以灌木林地为主;林地生态需水量的变化较小,总体上生态需水量表现为西多东少、北多南少。不同类型林地的生态需水量大小表现为灌木林地>有林地>疏林地>其他林地;影响源区生态需水量的最主要指标是斑块周长-面积比(mean perimeter-area ratio,PARA_MN),其次是斑块连通度指数(patch cohesion index,COHESION)。影响黄河源区生态需水量的主要因素为人口数量、经济水平、产业发展结构,自然环境因素的驱动力弱于社会环境因素。【结论】黄河源区1990—2020年林地面积呈小幅下降趋势,林地生态需水量变化不大;黄河源区景观水平多样性较低;黄河源区受人类活动的影响较大。

气候变暖影响下黄河源区潜在蒸发量预测不确定性研究

蒸发是连接地表能量平衡和水量平衡的重要纽带,高寒区蒸发量对气候变暖尤为敏感。然而,高寒区蒸发预测存在大量不确定因素,其造成流域水文循环变化规律分析、水资源管理面临严峻挑战。因此,以属于高寒区的黄河源区为例,利用5种物理机制不同的蒸发计算模型(P-M、Har、J-H、Mak和P-T)理清模型不确定性对流域潜在蒸发量预测结果的影响;通过耦合蒸发计算模型、GCMs模型、RCPs模型,探究多源不确定性对未来不同时期(近期、中期和远期)潜在蒸发量预测结果不确定性的影响,并利用方差分析方法量化评估各因素独立及交互作用对潜在蒸发量预测结果不确定性的贡献。结果表明:基于太阳辐射和气温的潜在蒸发量模型获得的潜在蒸发量明显大于基于物理机制P-M模型获得的潜在蒸发量,其差值约为150 mm;RCPs不确定性是导致蒸发预测结果不确定性的主导因素,占比高达65%,且多种不确定性因素的交互作用对蒸发预测结果不确定性的贡献在春、冬季节尤为突出。

基于Budyko假设的黄河源区径流演变与量化归因分析

近几十年,黄河源区径流量的减少引起了科学界的广泛关注。黄河源区水资源短缺及由此引发的水生态安全问题严重威胁着当地社会经济的可持续发展。根据黄河源区1956—2018年的气象、水文和植被指数NDVI数据,采用Mann-Kendall检验法和线性趋势法综合分析了各要素的变化趋势及突变现象;采用基于Budyko框架的弹性系数法研究了气候因素、流域下垫面条件和人类活动对径流变化的影响;通过线性拟合方法获得了下垫面参数n与植被指数NDVI的函数关系。结果表明:1956—2018年黄河源区径流量减少,降水量显著增加,径流在1991年前后发生突变;下垫面参数n与NDVI的函数关系为n=25.292NDVI-6.9894(p<0.05),同基准期(1956—1991年)相比,变化期(1992—2018年)气候因素、流域下垫面条件(包括植被变化)和人类活动对径流减少的贡献率分别为-26.21%、55.61%(植被变化占25.30%)、70.60%;人类活动是影响黄河源区径流变化的首要因素,而植被恢复可能会使其产流量和径流量进一步减少。

基于SSP情景的黄河源区未来径流模拟预估

受全球气候变化影响,黄河源区的水文情势发生了较大改变,预估气候变化情景下未来流域径流变化趋势对区域水资源利用具有重要意义。利用气候模式数据驱动长短期记忆网络(LSTM)模型,研究了未来近期(2030—2059年)和未来远期(2060—2099年)不同气候变化情景下黄河源区降水和气温的变化趋势,预估了相应径流过程的系统性变化趋势,并采用气候弹性系数法定量分析了气候变化对区域水资源的影响。结果表明:①LSTM模型在黄河源区径流模拟中具有良好的适用性,修正后的模型在训练期和验证期的纳什效率系数分别达到0.84和0.87。②2030—2099年黄河源区的气温呈持续升高态势,年均降水量呈轻微增长趋势,其中汛期降水量减少,非汛期降水量增加。③未来研究区年均径流量呈轻微减少趋势,其中非汛期径流量呈增长趋势,增长幅度大多在30%左右;汛期径流量呈减少趋势,减少幅度为30%~40%。④黄河源区水资源对降水和气温的弹性系数分别为0.392和-0.085,水资源量对降水变化的敏感性高于对气温变化的敏感性。预计降水量变化-15%~25%时,水资源量变化-5.87%~9.79%;气温升高1.0~3.0℃时,水资源量变化-7.29%~-2.42%。

多年冻土退化对冻结层上水变化的影响研究-以黄河源区为例

冻结层上水是支撑寒区生态系统的重要水源和维持寒区水热循环过程的重要纽带,科学认识冻土退化对冻结层上水的影响作用,对气候变化加剧下高寒地区水资源及生态保护具有重要意义。针对黄河源区多年冻土退化的水文效应,基于典型监测点冻土地温、含水率监测数据和黄河沿水文站断面径流变化数据,分析黄河源区多年冻土退化特征,探讨冻结层上水水位埋深和补给过程对多年冻土退化的响应。结果表明:2010—2020年监测点0~2.4 m剖面上平均升温0.42℃,多年冻土上界面埋深由2.1 m降至2.5 m,平均下降速率4 cm/a;以2018年为时间节点,冻结层上水埋深由0.9 m以浅降至0.9~1.8 m之间;冻土退化引起活动层融化期(5—10月)的径流过程提前、径流极值比降低、1月份径流过程线更加凸出。地温是控制冻结层上水变化的核心要素,在暖湿化的气候变化条件下,多年冻土退化将改变冻结层上水的动态特征及其与地表水之间的水力联系,进一步影响黄河源区的水文生态过程。

围栏封育对黄河源区斑块化退化高寒草甸碳交换及其组分的影响

为明确围栏封育对斑块化退化高寒草甸净生态系统碳交换(NEE)不同组分的影响,本研究选取青藏高原黄河源区斑块化退化高寒草甸进行围封试验,设置4个围封年限(1、2、5、11 a)和1个正常放牧对照,研究NEE及组分对不同围封年限的响应。结果表明,围封5 a退化高寒草甸总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)显著大于正常放牧、围封1 a、2 a和11 a,围封2 a和5 a退化高寒草甸NEE显著小于正常放牧、围封1 a和11 a样地(P<0.01),其他NEE组分对不同围封年限的响应情况不一致。植被自养呼吸(Ra)、根系呼吸(Rr)和土壤异养呼吸(Rh)占ER的比例在不同围封年限间差异显著(P<0.01)。此外,土壤温度与NEE呈二次曲线的关系,与ER以及除Rh以外的其他呼吸组分呈指数关系,土壤含水量与NEE、GPP、ER、土壤呼吸(Rs)、Ra、Rr呈线性关系(P<0.05)。全氮、全磷、生物量和NEE及组分存在显著的相关关系。说明围封5 a能显著提高退化草地的土壤养分和固碳功能,并能维持草地生产力,无需进行长期围封。

黄河源区生态环境系统格局与服务功能演变

基于2017年以来的水质监测数据、1980—2020年土地利用类型数据以及1956—2020年的水文数据,对黄河源区水资源、水环境、水生态和生态系统格局及服务功能等生态环境全要素演变特征进行了分析研究。结果表明:黄河源区1956—2020年唐乃亥站年径流量呈现不显著波动增加趋势,在整个65 a的研究尺度上,源区径流存在2次较大尺度的丰枯交替变化,即枯(1956—1965年)—长丰(1966—1989年)—长枯(1990—2005年)—偏丰(2006—2020年);近10 a黄河源区水质整体呈良好状况,底栖动物多样性总体表现为α多样性低、β多样性高的特征;黄河源区河流演变丰富了底栖动物栖息地类型,提高了底栖动物的丰度、密度和生物量,且黄河源区河流生态系统处于长期变化的动态平衡状态;1980—2020年黄河源区综合土地利用动态变化幅度较小,景观生态格局总体表现为异质性增强,破碎化程度上升,连通度下降;1980—2020年黄河源区生态系统服务功能整体向好,其水源涵养功能、碳储功能、生境质量和洪水调蓄功能均在稳步提升。

黄河源区六种草本植物根系抗拔力特征及其影响因素研究

为探讨黄河源区高寒草地植物根系抗拔力特性,本研究选取青海河南县高寒草地6种优势草本为研究对象,通过原位拉拔、单根拉伸、根-土复合体直接剪切等试验,分析6种植物根系抗拔力特性,探讨植物根径、根数、根长和土体密度、含水率、紧实度、含根量及单根抗拉强度、根-土复合体黏聚力等9种因素对植物根系抗拔力的综合影响。结果表明:6种草本根系抗拔力以矮嵩草(Kobresia humilis K.)最大(46.50 N),高山嵩草(Kobresia pygmaea C.B.Clarke.)次之(37.50 N),冷地早熟禾(Poa crymophila Keng.)最小(16.45 N);根系抗拔力与根径、根数、根长间呈显著正相关(P<0.05),相关系数(R)为0.881,0.727,0.969,与土体密度、紧实度、含根量、根-土复合体黏聚力间呈正相关,与含水率呈负相关。研究结果对探讨黄河源区高寒草地退化力学机理具有理论指导作用,为有效防治区内草地退化、水土流失等地表浅层灾害发生提供理论依据和实际指导。

基于非平稳GEV模型的黄河源区枯季径流演变特征分析

为剖析气候变化对水文极值非平稳性的影响,采用5 a滑动平均和Mann-Kendall突变检验法对黄河唐乃亥水文站1957—2018年最枯多日平均流量进行非平稳检验;根据Kendall等级相关分析法优选气候指数,以时间和气候指数为协变量构建非平稳广义极值分布(generalized extreme value,GEV)模型,并进行参数估计与模型优选,对比平稳与非平稳GEV模型在枯季径流模拟中的应用效果。研究结果表明:黄河源区枯季径流呈现明显的非平稳特征;平稳GEV模型的模拟值偏高,以西太平洋指数为协变量的非平稳GEV模型对极值的拟合效果较好,且能较好地解释极端枯水事件的波动性。

黄河源高寒草甸退化秃斑地土壤基本特征及其风蚀规律

[目的]阐明高寒草甸不同类型退化秃斑地的土壤基本特征及其风蚀规律,揭示土壤物理力学特性与土壤风蚀之间的交互影响作用,进而为黄河源区生态植被的修复和保护提供理论依据。[方法]以黄河源7种草甸退化秃斑地及高原鼢鼠鼠丘为研究对象,结合野外调查和原位试验,对不同秃斑地土壤物理力学特征、土壤风蚀规律的差异性及土壤风蚀量与可蚀性因子间的关联度和相关性等进行了分析和讨论。[结果](1)不同退化秃斑地土壤基本物理力学特性指标差异较显著,7种秃斑地的平均土壤含水率、密度、紧实度和黏聚力分别是高原鼢鼠鼠丘的1.3倍、2.6倍、14.2倍和5.0倍,秃斑地中风毛菊的恢复生长对土壤的保水固土能力最强,香薷草和臭蒿相对较弱。(2)风蚀60 min后高原鼢鼠鼠丘土壤的总流失量是退化秃斑地的1.3~4.4倍;风蚀量的增加幅度随风蚀时间呈先增后减的趋势,风蚀作用的前5~10 min是土壤风蚀的敏感期;不同退化秃斑地土壤风蚀量与植被恢复类型有关,且与土壤物理力学指标值之间呈反比例关系。(3)退化秃斑地土壤风蚀量与植被覆盖度、土壤含水率和土壤紧实度之间均呈线性负相关关系,与土壤黏聚力间呈指数函数负相关关系;土壤风蚀量与覆盖度、含水率、紧实度和黏聚力间存在极显著负相关,与土壤密度和土壤平均粒径分别存在显著负相关和显著正相关。[结论]不同类型的退化秃斑地均可通过提升土壤基本物理力学特性,从而对土壤风蚀产生抑制效应,其中风毛菊抑制效果最佳、香薷草和臭蒿相对较弱。

黄河源区不同禁牧年限对垂穗披碱草单根及其根-土复合体力学强度特征的影响

为研究黄河源区不同禁牧年限高寒草地植物根系力学特性及根系增强土体抗剪强度贡献特征,本研究以黄河源区河南县地区未禁牧、1 a禁牧、4 a禁牧、10 a禁牧4种工况下的高寒草地植物垂穗披碱草为研究对象,在野外调查、取样及室内单根拉伸试验和根-土复合体直剪试验的基础上,探讨了垂穗披碱草在不同禁牧年限下,单根抗拉力和根-土复合体抗剪强度指标变化特征及其影响因素。结果表明:1~4 a短期禁牧增加了垂穗披碱草生长量指标,而10 a长期禁牧其生长量指标则呈降低的变化特征。随着禁牧年限增加,垂穗披碱草单根抗拉力呈先增大后降低的变化规律,1和4 a禁牧单根抗拉力较未禁牧增幅分别为15.9%、14.8%;垂穗披碱草单根抗拉强度、根-土复合体黏聚力均呈降低趋势,其中10 a禁牧垂穗披碱草单根抗拉强度、根-土复合体黏聚力相对于未禁牧降低幅度最大,分别为57.3%、63.5%。进一步研究表明,根-土复合体黏聚力c值与根径、土体密度之间呈显著正相关关系,与含水率之间则呈显著负相关关系,且黏聚力c值随含根量的增加呈先增大后减小的变化规律。研究结果可为高寒地区开展草地退化、水土流失等灾害的有效防治提供理论支撑和实际指导。

气候与土地利用变化下黄河源区蓝绿水量的时空响应研究

基于黄河源区1961—2017年逐月气象数据和两期(1980、2015年)土地利用数据集,通过设定多种变化情景,耦合SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,探明流域内气候和土地利用变化与蓝绿水的时空响应关系。结果表明:时间上,气候变化情景下,流域内蓝水量减少了16.74 mm/a,绿水量增加了19.52 mm/a;土地利用变化情景下,流域内蓝水量减少了1.9 mm/a,绿水量增加了3.46 mm/a;在气候变化和土地利用变化共同作用下,流域内蓝水量减少了10.09 mm/a,绿水量增加了13.39 mm/a;同时,气候变化对蓝/绿水的贡献率均超过140%,是流域蓝绿水量变化的主导因素;空间上,流域内多种变化情景下,蓝/绿水量在流域内自西北至东南逐渐增加。研究结果将为黄河源区流域水资源调度计划制定提供科学参考。

黄河源区水文预报的关键科学问题

黄河源区水文预报对龙羊峡、刘家峡等黄河上游梯级水库群的洪水资源化调度乃至整个黄河流域的水旱灾害防御都起着举足轻重的作用。然而,由于降水的地面观测严重匮乏、且缺少适用于高寒山区的专用水文模型,源区水文预报成为长期困扰黄河洪水/径流业务预报的难题。在回顾国内外相关研究的基础上,从高海拔缺资料地区的降水观测与降水预报、寒区水文模型构建与气象水文耦合系统集成、高原降水发生的气象成因与形成机制3个方面,评价了黄河源区水文预报的当前现状与技术水平,提出了黄河源区水文预报面临的关键科学问题;指出新一代多源降水信息融合与同化、高寒区特殊产汇流模型构建、无缝隙气象水文集合预报、强降水与连阴雨的多影响天气系统解析等,是当前黄河源区水文预报的研究重点与发展方向。

黄河源区积雪时空变化特征

黄河源区积雪量丰富,积雪变化对黄河水文及生态影响深远。利用国家青藏高原科学数据中心逐日中国雪深长时间序列数据集,对1988—2017年黄河源区平均积雪深度、积雪天数、积雪初日、积雪终日进行了时空变化分析。结果表明:黄河源区积雪变化与海拔相关,海拔越高积雪深度、积雪天数越大,积雪初日越早、积雪终日越晚;平均积雪深度以-0.187 cm/(10 a)的速率在0.01水平呈显著减小趋势,1997年最大(2.7 cm)、2003年最小(0.3 cm);积雪天数以-9.763 d/(10 a)的速率在0.01水平呈显著减小趋势,1992年达到最大值158.8 d、2003年达到最小值62.9 d;积雪初日以1.745 d/(10 a)的速率在0.1水平呈延后趋势,最早出现日期为1992年8月12日,最晚出现日期为2003年11月16日;积雪终日以5.006 d/(10 a)的速率在0.05水平呈明显提前趋势,最早出现日期为2009年3月18日,最晚出现日期为1992年5月2日。