A simulation-based two-stage interval-stochastic programming model for water resources management in Kaidu-Konqi watershed,China

This study presented a simulation-based two-stage interval-stochastic programming （STIP） model to support water resources management in the Kaidu-Konqi watershed in Northwest China. The modeling system coupled a distributed hydrological model with an interval two-stage stochastic programing （ITSP）. The distributed hydrological model was used for establishing a rainfall-runoff forecast system, while random parameters were pro- vided by the statistical analysis of simulation outcomes water resources management planning in Kaidu-Konqi The developed STIP model was applied to a real case of watershed, where three scenarios with different water re- sources management policies were analyzed. The results indicated that water shortage mainly occurred in agri- culture, ecology and forestry sectors. In comparison, the water demand from municipality, industry and stock- breeding sectors can be satisfied due to their lower consumptions and higher economic values. Different policies for ecological water allocation can result in varied system benefits, and can help to identify desired water allocation plans with a maximum economic benefit and a minimum risk of system disruption under uncertainty.

面向生态系统服务供需的开都-孔雀河流域生态安全格局研究

构建干旱区生态安全格局有利于促进区域生态系统服务供应与需求之间的动态平衡。以干旱区开都-孔雀河流域为研究区,利用InVEST模型、RWEQ模型和Getis-Ord Gi*模型分析生态供给源地,以土地利用程度、地均GDP、人口密度和夜间灯光指数分析生态需求源地,并基于最小累积阻力模型确定供给源地与需求源地之间的生态廊道,从而构建研究区生态安全格局。研究结果表明:(1)开都-孔雀河流域生态供给源地14个,占研究区面积的21.46%,重点生态需求源地共9个斑块,占流域总面积4.63%;生态廊道126条,重要廊道17条,总长度654.68km;生态节点65个,重点生态节点24个。(2)开都-孔雀河流域生态系统服务供给与需求空间错位明显,高供给区域与高需求区域呈现出以城镇边界为分界线的明显特征。(3)结合研究区自然地理特征和景观生态系统服务流动性,运用阻力面模型,构建“两核心、两片区、三横四纵多节点”的开都-孔雀河流域生态安全格局可为保障区域生态系统服务功能和可持续发展政策的制定提供科学参考。

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。

天山中部典型流域冰川变化及对气候的响应

利用2000年的Landsat5遥感数据、1970年和2009年的冰川编目数据,对天山中段南坡开都河流域和北坡玛纳斯河流域的冰川变化进行了对比分析,并结合地面气象站点数据分析了冰川对气候变化的响应及南北坡冰川变化的差异性.研究表明:1970-2009年间,两流域冰川面积减少了494.33km2,占总面积的26.8%(0.8%·a-1);冰川储量减少了32.73 km3,占总储量的27.9%(0.8%·a-1).其中,2000-2009年冰川面积和冰储量年退缩率(1.3%·a-1)比1970-2000年(0.6%·a-1)大;冰储量减少的速率略大于面积缩小的速率,说明冰川面积缩小的同时,其厚度在迅速减薄.1970-2000年和2000-2009年间,玛纳斯河流域的冰川年均面积退缩率分别为0.5%·a-1和1.4%·a-1,开都河流域的冰川年均面积退缩率为0.9%·a-1和1.1%·a-1,显示出玛纳斯河流域冰川在2000年后呈加速萎缩趋势.影响研究区冰川变化的主因是气温,而夏季升温幅度及降水的不同是造成南北坡冰川差异性变化的重要原因.

开都河-孔雀河流域水资源承载力水平的综合评价与分析

以新疆开都河-孔雀河流域为例,利用熵值法分析原理建立了流域水资源承载力综合评价指标体系,对其进行了量化分析以及指标客观赋权,并得出研究区水资源承载力水平综合得分值.结果表明:开都河-孔雀河流域各县市的水资源承载力综合水平较低,且出现了下降趋势,而且空间差异显著.影响开都河-孔雀河流域水资源承载力水平变化的动力因子是开都河-孔雀河流域的产业结构和用水结构的双重不合理,并对水资源承载力产生较强的制动效应,用水效益的缓慢提升和水利设施建设投资的减少,也影响着流域水资源承载力水平的进一步提升.为了开都河-孔雀河流域水资源承载力水平提升和流域可持续管理,建议加强水源地和生态保护区建设,发展节水农业和高效用水灌溉技术,优化流域内产业结构和用水结构,提高用水效益,完善流域管理法规、法律条例,加大监督和执法力度,建设统一管理模式,建立科学而严格的管理机制.

新疆开都-孔雀河流域绿洲需水量与稳定性分析

水是绿洲存在和发展的核心,干旱区绿洲稳定性与水密切相关.根据2000-2009年资料,采用蒸发系数法和定额法估算开都-孔雀河流域绿洲自然生态系统和社会经济系统综合需水量,并对水资源约束条件下的绿洲稳定性进行初步探讨.结果表明:2000-2009年,绿洲年均总需水量理论值约为54.80×108 m3,其中开都河绿洲总需水量约为20.55×108 m3,孔雀河绿洲总需水量约为21.90×108m3,博斯腾湖区耗水量约为12.35×108 m3,与绿洲10a平均供水量相比,供需表现出极大地不平衡性.水资源可承载绿洲面积(不含博斯腾湖)约为3139.66km2,其中可承载灌溉地面积约为1395.41km2,与绿洲10a平均面积5 248km2相比,差别较大,绿洲处于不稳定状态,现状绿洲面积应适当收缩.最后,对博斯腾湖最低生态水位进行讨论,初步把大湖最低水位定为海拔1 045m,小湖最低生态水位定为海拔1 046.5m.

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。

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。

基于“质量-风险”的干旱区休耕空间布局及补偿策略

构建节水型休耕生态补偿机制是干旱地区农业可持续发展的必然选择,探讨符合干旱地区休耕地的空间布局方法是提高休耕生态补偿效率的关键。该研究以新疆开都-孔雀河流域为例,从土壤理化属性和耕作便利条件两方面建立耕地质量评价指标体系,利用综合评估法评估流域内耕地质量状况;基于MEDALUS-ESAs模型框架,从土壤、气候、植被和土地利用与管理4个方面评估全流域的土地退化风险;综合考虑耕地质量和土地退化风险,利用Z-score方法确定休耕空间布局,并提出不同分区的休耕补偿策略。结果表明:1)开都-孔雀河流域耕地质量“总体良好,局部较差”,土地退化风险呈现“北低南高”的空间分布格局;2)流域内优先休耕区内耕地面积为67814.60 hm^(2),次优先休耕区的耕地面积为71784.94 hm^(2),限制休耕区内耕地面积为80576.89 hm^(2),禁止休耕区内耕地面积为107358.03 hm^(2);3)优先休耕区耕地的约束条件为耕地质量,可将休耕与耕地质量提升相结合,实施中长期休耕,依据农业收益损失和土地改良成本确定休耕补偿标准;次优先休耕区耕地质量较好,可与农业节水相结合,基于水资源短缺状况对耕地进行季节性休耕,依据农业收益损失确定休耕补偿标准;限制休耕区受耕地质量和生态安全的双重约束,应将休耕与耕地质量提升、生态保护相结合,实施年度休耕,依据农业收益损失、土地改良成本和生态保护成本确定休耕补偿标准。

干旱区资料稀缺流域日径流过程模拟

选取具有物理基础的分布式水文模型MIKE SHE来模拟大尺度资料稀缺地区水文过程。以塔里木河主要源区之一开都河流域为研究区域,将流域内气象水文站点观测数据与遥感数据相结合,运用GIS空间分析方法修正数据输入。利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程和降雨等资料,研究大气、陆面、地表水和地下水的相互作用机理,通过模型敏感性分析确定了5个"自由"参数,并依据出山口水文站数据对模型进行率定和验证。结果表明,MIKE SHE能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,模型效率系数达到0.7以上,率定期与验证期水量平衡误差均小于3%,模拟径流与实测径流高度相关。

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。

内陆河流域山区温度和冻土作用下的径流过程模拟

在我国西北干旱区以季节性积雪融水为重要补给源的山区流域,温度通过影响土壤冻融循环而间接对径流产生影响。为了更好地模拟以积雪融水为重要补给水源的高寒山区的径流过程,判断不同温度指标以及冻土对径流的影响,本研究以开都河流域为例,通过改进基于系统动力学原理构建的水文模型,分析了用正积温和平均温度估算融雪速率,以及是否考虑冻土影响条件下模型对径流的模拟能力,用相关系数、Nash-Sutcliffe效率系数、均方根误差和观测标准差等评价指标对不同方案下模型的模拟能力进行了评价。结果表明用正积温估算融雪速率同时考虑季节性冻土影响情况下模型的模拟能力最高,从而证实了正积温能够更好地计算积雪融水、模拟融雪径流,且在高寒山区季节性冻土广泛发育的地区,考虑冻土的影响十分必要。

基于相对资源承载力模型的区域可持续发展研究——以开都河-孔雀河为例

以干旱区小流域为例,利用改进的相对资源承载力模型,计算2000—2011年开都河-孔雀河流域的相对资源承载力,探讨开都河-孔雀河流域6个县市相对资源承载力的时空演变特征及差异。研究表明,改进的相对资源承载力模型在小流域具有一定的实践价值,对于拓宽相对资源承载力评价模型具有一定的现实意义。以新疆巴音郭楞蒙古自治州为参照区域,经济资源和土地资源是开都河-孔雀河流域的相对优势资源,而水资源则是制约开都河-孔雀河流域社会经济发展的相对劣势资源。近年来开都河-孔雀河流域相对资源人口承载状态为非常富余,经济承载状态由严重超载逐渐演变为超载,主要是受库尔勒市经济严重超载的影响。从时空关联角度分析,开都河-孔雀河流域6个县市的相对资源人口承载力差异显著,相对资源经济承载力的承载状态具有一定的稳定性。

新疆开都-孔雀河流域水功能区纳污能力计算研究

文中根据新疆开都-孔雀河流域主要水体水质现状,选取COD、NH3-N和矿化度作为控制参数,采用河流和湖泊纳污能力计算模型,分析计算了流域主要水体各水功能区的纳污能力,从而为开都-孔雀河流域水资源管理和污染控制规划提供科学依据,以实现流域水资源可持续利用。

气候变化和人类活动对开都河上游径流量的影响评价

开都河是新疆焉耆盆地内的重要河流,对维持焉耆盆地水土生态平衡具有极其重要的作用。近年来,开都河流域的水资源问题已经引发了较为严重的生态环境问题。根据流域内1960—2011年水文气象数据,采用小波分析法、累积距平法、累积量斜率变化率法,对开都河上游径流量和气候变化特征及趋势进行了分析,并定量评估了气候变化和人类活动对径流量变化的影响。结果表明:年降水量、蒸散发量和径流量总体均呈增加趋势;径流量的增加变幅为1.93亿m3/(10 a),具有16 a和28 a的准周期变化,且在1995年前后发生了突变;气候变化对开都河上游径流增加的贡献率达100%,人类活动对径流基本无扰动。

基于改进TOPSIS模型的人类活动对地下水位的影响评价

为量化人类活动对地下水水位的影响,本文以新疆开都-孔雀河流域为研究区,选取人口数量、机井数量等作为评价指标,采用改进的TOPSIS法构建评价模型。评价结果表明:机井数量、地下水灌溉面积、年地下水开采量与区域国民生产总值是影响地下水位的主要因素;焉耆县、博湖县与和静县人类活动对地下水水位的影响微弱,和硕县为中等,尉犁县为高,库尔勒市为严重,当地政府应当采取有效措施加以遏制。研究结果对于指导当地地下水资源的合理开发利用具有一定的参考作用。

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。

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。