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。

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。

近70年来不同地貌和植被类型区水沙特征演变及其对生态恢复的响应

黄土高原水土流失治理和退耕还林(草)等生态环境建设,对不同植被类型区和治理度下的水沙过程均产生了深刻的影响。以北洛河流域为例,基于1952—2019年实测水文数据,采用水文统计法,对比分析了上、中、下游等不同地貌和植被类型区生态恢复对水沙数量、径流调节、影响因素贡献等的影响及其差异。结果显示:(1)上、中、下游年均径流深分别为30、23、21 mm,产沙量为0.6、0.05、-0.02亿t。中游年均产流量占流域总水量的51%,上游年均产沙量占流域总沙量的90%以上。(2)上、中、下游径流深极显著减少,减少率分别为-0.28、-0.16、-0.43 mm/a;上游产沙量以0.02亿t/a速度极显著降低,中、下游产沙量不显著减少。(3)上、中、下游的削洪、补枯程度逐年代增加,与20世纪60年代比,21世纪10年代洪水期流量(Q5)分别减少了63%、45%、60%,上游枯水期流量(Q95)增加了68%,中游20世纪80年代枯水期开始产流。(4)与20世纪60年代比,上、中、下游21世纪10年代人类活动对产流量减少的贡献率分别为94.7%、26.7%、60.7%,而对产沙量减少的贡献率均大于85%。结果表明,植被盖度低但生态恢复程度大的上游,主要受人类活动因素影响,产流产沙量极显著减少,径流调节程度较高,产沙量越集中于暴雨过程;植被覆盖程度高但生态恢复程度小的中游,主要受气候因素主导,产流量明显减少,产沙量微弱降低,径流调节程度弱。水沙数量变化大小及径流调节功能程度,不仅受植被恢复程度的影响,还决定于区域植被盖度的大小。研究可为理解黄土高原的生态水文过程提供理论支撑。

人类活动和气候变化对北洛河径流变化的影响

【目的】研究气候变化和人类活动对北洛河径流变化的贡献,分析径流变化的主要驱动因子,为北洛河流域水资源的合理利用提供决策依据。【方法】以北洛河流域1956-2011年共56年的降水量以及实测、还原径流深序列为研究对象,采用Mann-Kendall法、径流系数法、降水-径流双累积曲线法进行变异点诊断,量化分析气候变化、下垫面变化和其他人类活动对径流变异的贡献率。【结果】北洛河流域1956-2011年降水量变化不明显,但还原径流深呈现出不显著增加趋势,变异点出现在1964和2001年。以变异点为分界点,将第一阶段(1956-1963年)作为下垫面Ⅰ,第二阶段(1964-2000年)作为下垫面Ⅱ建立降水-径流关系式,模拟在下垫面Ⅰ和下垫面Ⅱ情景下第三阶段(2001-2011年)的径流序列,模拟结果显示,建立的降水-径流关系式能够很好地反映不同下垫面径流的变化情况。下垫面Ⅱ与下垫面Ⅰ情况下模拟径流的变化量为-7.00mm,表明径流下垫面Ⅱ情况下的产流比下垫面Ⅰ大。定量分析下垫面变化、其他人类活动和气候变化对径流变异的贡献,发现气候变化的贡献率为40%;人类活动为主要影响因素,总贡献率为60%,其中下垫面变化的影响占19%,其他人类活动的影响占41%。【结论】人类活动是北洛河流域径流变异的关键驱动因子,下垫面变化的影响也不可忽视。

近20年来北洛河流域植被覆盖度随地形因子变化特征探究

基于1987年、1995年、2007年3期Landsat TM影像数据,以像元二分法估算了北洛河流域不同时期的植被覆盖度,结合DEM地形高程数据提取的地形因子,分析了植被覆盖度地形分异及动态变化特征,以期对流域生态建设和效益评价提供基础信息。结果表明：流域中9/10的面积为地形破碎的丘陵沟壑区和高塬沟壑区,2/3面积为8°～25°的斜坡地和陡坡地,各坡向面积相差不大。流域平均植被覆盖度从1987年的41.1%,1995年45.4%,增至2007年的63.4%。在各高程带、各坡度段和各坡向上,与1987年比,1995年虽有轻微增加,但其分布格局基本一致。2007年植被覆盖度在不同地形指标上均有显著增加,尤其在900～1 300m高程带、〈35°坡度段、阳向坡上植被改善程度显著。

人类活动对北洛河流域水土流失治理的影响

北洛河流域人类活动对河流泥沙影响较为突出的项目有毁林开荒、陡坡开荒、修路、开矿等。根据典型调查情况及有关资料 ,对北洛河流域的水沙基本特性及人类活动对水土流失治理的影响进行了详细的计算和分析。结果表明 :北洛河流域人类活动新增水土流失量随年代有较大的增加 ,1990～ 1996年人类活动年均增沙 1768万t,分别是 70、80年代的 2 .3和 1.7倍 ;增沙量所占比例最大的项目是毁林开荒 ,其次为陡坡开荒。

基于MOD16的北洛河流域蒸散发空间格局演变研究

[目的]探究北洛河流域地表实际蒸散发年际和年内的时空变化特征,为该区域的生态基准与生态需水量研究、退耕还林效果研究提供理论依据。[方法]基于北洛河流域2000—2014年MOD16遥感数据、气象数据、水文数据和2011年土地利用数据,采用流域水量平衡法、均值法、标准差法和线性趋势法进行蒸散发(ET)时空变化特征分析。[结果]流域年蒸散量在波动中缓慢上升,波动范围为395.4~517.4mm/a,15aET均值为446.74mm/a,年内蒸散量呈单峰型分布,季节性变化特征明显,地表蒸散主要集中在5—9月,最高值出现在8月;经与北洛河流域的实测降水空间插值结果比较,MOD16-ET估算结果的相对误差均值为12.04%,相关系数达到0.81;流域内上游至下游的ET剖面线波动明显,呈不规则的"波动曲线"形态;流域内ET值年际变化空间分布特征明显,中游和上游地区以增加趋势为主,下游以减少趋势为主。[结论]近15a来北洛河流域蒸散发整体呈现增大趋势,主要驱动因素为人类活动,尤其是退耕还林和水土保持等工程的实施。

北洛河流域水沙特性与变化原因

在整理分析北洛河流域20世纪50年代以来至2012年降雨、径流、泥沙观测资料和水土保持资料的基础上,研究了北洛河流域的水沙特性和水沙变化情况,从定性和定量两个方面剖析了2000年以后水沙变化的原因。结果表明:北洛河流域水流含沙量大,水沙量年际变化大、年内分配不均,水沙异源,泥沙主要产自上游,径流主要产自中下游;2000年以来北洛河来水量大幅减小,来沙量减小更为显著,主要是降雨尤其是下垫面条件改善以及暴雨偏少导致的;与1959—1969年相比,2000—2012年北洛河流域来沙量减小8 554.0万t,其中受人类活动影响的减沙量占63.1%~69.2%,受降雨影响的减沙量占30.8%~36.9%。

自动基流分割法在北洛河流域的适宜性对比

基流是枯水季节河川径流的重要补给来源,河川基流量及其变化对流域生态健康和水资源合理利用具有重要作用。确定适宜流域生态环境特点的基流分割法,在基流研究中是十分关键的工作。以北洛河流域上游典型黄土丘陵沟壑区刘家河站的多年实测径流资料为基础,分析BFI,HYSEP、数字滤波等三类共9种基流分割法的适宜性,结果表明：BFI法和HYSEP法分割结果比较接近,所得基流指数在0.399 4~0.428 1。尤其修正BFI法估算的基流量及过程线,能够客观反映研究流域流量过程线退水段的物理规律。综合考虑变异性、稳定性、过程线吻合程度等方面,认为修正BFI法是黄土区水文研究中进行基流分割的适宜方法。

北洛河上游基流分割适宜性方法及基流特征

退耕还林工程实施以来北洛河上游植被恢复效果显著,为探究该区域基流分割的适宜性方法及植被变化对基流量的影响,采用基流分割中的HYSEP法、数学滤波法、基流指数法3类方法(9种计算表达式)对吴旗水文站1971—2014年的实测径流数据进行了基流分割估算,同时采用Mann-Kendall法和Pettitt法对基流量变化特征进行了分析。结果表明:数字滤波中的F_1法较适宜于北洛河上游地区基流分割;北洛河上游1971—2014年基流指数呈显著增大趋势,突变年为2002年;退耕还林的水土保持效益对涵养水源有很大作用。

北洛河流域浮游动物群落结构时空特征及其与环境因子相关性

为了解北洛河流域浮游动物群落结构的现状及动态变化,分别于2017年丰水期(9—10月)和2018年枯水期(4—5月)在北洛河流域用浮游生物网对浮游动物进行调查。结果表明:经鉴定,北洛河流域浮游动物有60种,主要类群为轮虫和原生动物,占种类总数的86.7%;浮游动物全年优势种为螺形龟甲轮虫Keratella cochlearis、长肢多肢轮虫Polyarthra dolichopteria、污前翼轮虫Proaless ordida和无节幼体,不同水期优势种的变化明显,种类差异较大;浮游动物年平均密度和生物量分别为36.77 ind./L和46.341μg/L;密度聚类分析显示,浮游动物采样点枯水期聚类为3大类群,丰水期聚类为2大类群;北洛河流域枯水期和丰水期浮游动物Shannon-Wienerd多样性指数平均值为2.56~3.47,Pielou均匀度指数平均值为0.71~0.90,Margalef丰富度指数平均值为1.01~2.88;典范对应分析显示,海拔和pH是影响枯水期浮游动物群落的主要环境因子,总溶解性固体、水温、河宽和浮游植物丰度是影响丰水期浮游动物群落的主要环境因子。研究表明,北洛河流域浮游动物多样性较好,群落结构较稳定,水体整体处于中污染状态,本研究结果可为北洛河流域的环境治理及水资源开发提供参考。

基于GEE数据平台的北洛河流域1970-2019年土地利用结构变化特征

[目的]探究北洛河流域土地利用时空变化及其驱动力,为该区土地资源优化、环境质量改善和水沙生态要素变化分析等提供科学依据。[方法]基于GEE平台整理和处理北洛河流域1970—2019年间6期遥感影像数据,从时间变化、动态度、转移方向和空间分布等角度分析流域土地利用变化特征,并对其驱动因素进行探讨。[结果]研究时段内,北洛河流域土地利用类型以耕地、林地和草地为主,数量结构从2000年前的1∶1.1∶0.6变化到2000年后的1∶2.7∶0.7。1970—2019年研究区耕地、草地和水域的减少率分别为16.6%,6.7%和0.1%,林地和建设用地的面积增加率为19.9%和1.3%。流域耕地和草地斑块趋于分散且简单化,林地斑块趋于聚集和复杂化。土地利用转移主要以耕地转林地、耕地转建设用地和草地转林地为主。流域土地利用综合动态度先增后减,2000—2010年间达最大。流域中,上游丘陵沟壑区土地利用结构变化最为显著,其次为中游的甘泉、宜君、华池、合水等县。[结论]国家政策的演变、社会经济发展和人口增长决定了土地利用变化的方向和程度,自然因素为长期辅助影响因素。

北洛河流域TOPMODEL模型基流分割定量评估

为探究水文模拟结果对总径流、地表径流和地下径流(基流)的影响,首先采用Mann-Kendall检验方法识别出■头水文站水文序列突变点,然后构建北洛河流域TOPMODEL水文模型,最后采用数字滤波方法分别对模拟水文过程和实测水文过程进行基流分割,并定量分析水文模型模拟结果对地表径流和地下径流的影响。结果表明:①北洛河流域径流突变年份为1994年;②率定期和验证期纳什效率系数、可决系数和相对误差绝对值分别为0.69与0.63、0.87与0.82以及18.5%与13.4%;③率定期基流指数大于验证期且大于0.75,这意味着北洛河流域基流量对河川径流的补给作用显著;④模型在非汛期径流的模拟精度优于汛期的,能够为非汛期的基流分割提供依据;⑤不同时期基流量水文过程线起伏差异较大,但其形状基本与径流过程线保持一致。

基于MODIS的北洛河流域植被盖度变化研究

为揭示国家实施退耕还林还草政策以来北洛河流域植被盖度的时空变化特征,采用MODIS反演的2001-2017年植被覆盖数据,分析了北洛河流域2001-2017年光合植被覆盖度的时空变化特征。结果表明:①2001-2006年、2007-2012年、2013-2017年3个时段植被盖度均值分别为60.2%、63.2%和68.5%,植被覆盖状况空间差异明显,3个时段均表现出上游黄土丘陵沟壑区植被盖度最低、中游土石山林区植被盖度最高的特征;②2001-2017年北洛河流域植被盖度整体上表现为上升趋势,植被盖度上升面积占比为90.9%,其中显著上升、上升但不显著面积占比分别为44.3%、46.6%,黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、土石山林区植被盖度年均变率分别为1.18%、0.64%、0.42%;③对全流域植被盖度显著提高的主要贡献地区为黄土丘陵沟壑区,贡献率为46.3%,主要贡献县域志丹县、吴起县、富县、甘泉县的贡献率分别为23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

陕西省北洛河水质状况及供水能力分析

根据陕西省北洛河流域内2017年水质调查和监测数据及2018年流域内供水能力进行研究。评估结果表明:①陕西省北洛河流域水质污染严重,无水功能区达标,城市生活污水排放、企业综合污水排放及污水处理厂排放,是主要的水体污染源。②北洛河综合供水保证率处于亚健康状态,水库的供水能力还有待提高。建议严格落实入河污染物总量控制方案,加快流域重点城镇污水处理厂建设和提标改造力度,加强面污染源治理与控制等措施,确保流域重要水功能区水质达标。同时对流域内重点蓄水工程进行配套更新改造,提高供水能力。

北洛河流域地理信息服务示范研究

以北洛河流域作为地理信息服务河长制工作的示范研究区域,通过资料搜集、需求调研、信息采集相结合的方式,在全面了解北洛河干流沿线水资源、水污染、水环境、水生态、水域岸线现状,摸清北洛河流域管理和保护工作存在的主要问题和原因,明确省河长办公室以及省级河长在河长制管理工作中所重点关注要素的基础上,开展了北洛河流域的河长制地理信息服务示范工作,并编制了北洛河流域省级河长工作用图和专题系列用图,为省级河长的宏观管理、专项整治提供了多类型图件支持。

1976年以来北洛河流域土地利用变化对人类活动程度的响应

土地利用变化是反映人类活动程度的重要因子，分析土地利用时空变化规律，是揭示人类活动程度的有效方式。在遥感和地理信息系统技术的支持下，采用人机交互图像处理方法获取北洛河流域1976年、1998年和2010年土地利用数据；从土地利用变化速度、转移方向和土地利用程度方面，全面分析1976年以来北洛河流域人类活动作用下的土地利用时空变化规律。结果表明：①1976．1998年和1998-2010年间北洛河流域综合土地利用动态度从0．61增加到6．66；耕地和草地面积减少，减小速度分别从2．00％和2．69％增加到26．20％和23．33％，林地和城乡工矿居民用地面积增加，前者增加速度从5．93％增到59．68％，后者增加速度从6．59％减小到3．52％。②两个时段土地利用类型转移方向都呈现出耕地和草地主要转化为林地，少部分耕地转化为城乡工矿居民用地的特点；③流域各县土地利用程度综合变化指数从-2-1之间，扩大为．27～4之间。证明流域内人类活动对自然环境的影响逐渐增大；主要表现为耕地、草地、林地和城乡工矿居民用地的相互转化；影响区域主要分布在流域上游吴旗县、富县、甘泉、黄陵县和洛川县；而人类活动作用导致的林地面积增大程度远远大于耕地和草地面积减小和城乡工矿居民用地面积增加程度。