基于PLUS模型的黄河流域生态系统服务评价及多情景预测——以陕西段为例

生态系统服务长期供给与最大化是社会可持续发展的重要前提,应准确掌握生态系统服务变化趋势。基于多源数据,借助InVEST模型和生态系统服务评估体系构建等方法理论,综合分析了2000—2020年黄河流域陕西段各类型生态系统服务的时空演变特征,并利用PLUS模型对2035年其土地利用及生态系统服务变化情况进行模拟预测。结果表明:(1)2000—2020年黄河流域陕西段综合生态系统服务值整体表现出“南高北低”的分布特征,各生态系统服务优势区域同样集中在研究区南部。(2)2000—2020年研究区内综合生态系统服务值表现为先降后升,且提升明显,高值区域由南到北不断扩大;除土壤保持服务外,其余类型生态系统服务值在研究时段内均有一定提升,且各生态系统服务间具有明显的空间分异性。(3)相较于自然发展情景,生态保护情景下林地面积提升显著,研究区中北部服务等级提升明显;建设优先情景下建设用地面积大幅增长,沿黄水系服务等级降低区域聚集明显;可持续发展情景下林地和建设用地均有扩张,研究区北部服务等级提升明显。研究结果能够为黄河流域生态综合整治及高质量发展提供科学参考。

渭河流域(陕西段)河流生境质量分布格局及驱动力分析

探究河流生境质量分布规律及其驱动力是管理河流生态环境,促进河流生态系统高质量发展的重要基础。以渭河流域(陕西段)的河流为研究对象,收集了2023年10月研究区42个调查断面的生境质量数据,构建了渭河流域河流生境质量评价体系,运用组合赋权法计算了渭河流域河流生境质量指数,探讨了渭河流域(陕西段)河流生境质量的分布特征。利用相关性分析、逐步回归模型和通径分析,揭示了渭河流域河流生境质量的驱动因素,并在此基础上提出了渭河流域河流生境质量的提升对策。结果表明,1)渭河流域河流生境质量总体良好,生境质量指数在1.93-3.81之间,其中,2.38%的调查断面生境优秀,35.7%的调查断面生境良好,50%的调查断面生境一般,11.9%的调查断面生境较差。河流水环境状况最好,河流形态与结构指标分异较大;河流生物得分最低,是制约渭河生境质量的主要因素。支流生境质量普遍好于干流,并均呈现出由上游到下游生境质量逐渐下降的空间变化特征。2)底质组成、河道蜿蜒度、岸坡稳定性、栖境复杂性及周边土地利用方式都是影响渭河流域(陕西段)河流生境质量的主要因素。3)河道蜿蜒度是对陕西段渭河流域河流生境质量直接影响最显著的因子,底质组成是间接影响作用最大的因子,两者都具有正向影响。研究结果可为河流生境质量驱动因子研究提供思路,同时为恢复渭河流域河流生境质量、完善河流生态环境保护政策、维护河流生态系统可持续发展等方面提供理论和现实依据。

汉江流域陕西段非点源污染特征解析

基于收集的汉江流域陕西段27个气象站点的逐日降雨数据、安康站水量水质数据及2017年流域内各区县统计年鉴数据,利用小波分析法、径流分割法、输出系数法及等标污染负荷法等方法分析降雨周期及空间分布、非点源污染负荷通量量化及农业源污染物负荷空间分布特性三方面内容。结果表明:1)研究区域降雨量有27 a的主周期,降雨量和降雨强度空间分布趋势不一致,但高值中心均位于镇巴县;2)汉江干流安康段2011—2017年的水文频率在5%~97%之间,非点源污染物TN、TP、COD、NH 3-N通量的多年均值分别为:4260.1 t、351.8 t、8.67万t和1987.6 t,其占比在41.4%~86.7%之间;3)等标污染负荷空间分布有较强的一致性,TN污染主要来源是农业用地,TP、NH 3-N污染主要来源是畜禽养殖,COD污染主要来源是农村生活。未来汉江流域陕西段非点源污染治理应根据各区县污染源情况制定因地制宜的方案,最大程度地减轻源头污染。

2000-2019年黄河流域陕西段植被NDVI时空变化及其驱动因素分析

植被是陆地生态系统的重要构成,研究植被变化规律及影响因素有助于加强区域植被生态保护和可持续发展。基于SPOT NDVI和气象数据,采用趋势分析、偏相关分析和残差分析等方法对2000—2019年黄河流域陕西段植被NDVI时空变化特征及其驱动因素进行了分析。结果表明:(1) 2000—2019年黄河流域陕西段植被NDVI总体以0.008 6/a的速率呈极显著增加趋势,不同地域NDVI增速为陕北(0.010 9/a)>关中(0.005 3/a),不同土地利用类型NDVI增速为草地(0.011/a)>耕地(0.008 1/a)>林地(0.007 8/a)。(2)植被NDVI呈增加趋势的面积占比为86.19%,其中显著增加的面积比例为81.90%,陕北(91.87%)>关中(66.91%),林地(97.48%)>草地(90.38%)>耕地(69.78%)。(3)偏相关分析发现90.24%的区域植被NDVI与年降水量以正相关关系为主,66.3%的区域植被NDVI与年均温呈正相关关系。(4)研究区植被NDVI变化受到气候变化、人类活动以及二者共同作用的影响,占比分别为5.65%,73.11%,21.24%,人类活动面积占比陕北(79.88%)>关中(55.49%),草地(85.2%)>耕地(73%)>林地(59.67%)。总体上,2000—2019年黄河流域陕西段植被活动明显增强,降水相比温度对研究区植被影响更大,人类活动是研究区植被变化的主要驱动力,这为研究区生态建设和植被恢复提供了重要参考。

水循环模拟与水资源配置云模型服务平台构建与应用

水利云模型研究仍处于起步阶段,缺乏水循环模拟、水资源配置云模型服务平台。该研究构建水循环模型、水资源多目标优化配置模型,采用模块化建模方式,以模型库为核心,基于B/S开发架构,设计研发多模型云服务平台,实现两个模型的双向耦合,并以渭河流域陕西段为例,构建渭河流域陕西段水循环模拟与水资源多目标配置云模型服务平台,模拟分析研究区水循环演变规律,开展规划水平年水资源多目标优化配置研究。结果表明:1)状头以上率定期和验证期的相对误差分别为−4.32%和−1.62%,月平均径流Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.80和0.82,林家村—咸阳率定期和验证期的相对误差分别为−4.96%和−1.71%,月平均径流Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.79和0.81,云模型服务平台的水循环模型较好地刻画了径流变化过程;2)调用云模型服务平台的水资源配置模型,利用遗传算法(NSGA)-Ⅲ、群体多属性决策模型筛选出渭河流域水资源合理配置方案,2025年需水量63.35亿m^(3),供水量为58.30亿m^(3),缺水5.05亿m^(3),缺水率为7.97%。研究成果可为渭河流域智慧水利建设、水资源精细化配置提供技术参考和借鉴。

基于时空演变的渭河流域陕西段生态服务价值及区间补偿关系研究

[目的]对渭河流域陕西段生态服务价值及区间补偿关系进行研究,为促进区域生态经济协同发展及生态环境建设提供理论指导。[方法]基于渭河流域陕西段土地利用数据,通过土地利用动态度、当量因子法和重心模型法对生态系统服务价值(ESV)及其空间分布和时空演变情况进行研究,并结合优先级进行补偿关系分析。[结果]①在退耕还林工程和城市化快速推进的影响下,空间数量上耕地的减少与建设用地的增加比较明显,其中建设用地单一动态度达到了5.94%,表现最为活跃;演变程度上草地、水体和其他用地更加剧烈。②渭河流域陕西段ESV从562.07亿元减少为516.21亿元,下降幅度超过8%,其中水资源供给和水文调节等功能服务价值降低,林地的增加使气候调节和土壤保持等功能服务价值上升;空间分布上ESV呈现“中间低四周高”的格局;建设用地重心迁移和标准差椭圆体现出其具有东北方向移动趋势且区域范围持续扩大。[结论]周至县和太白县为优先受偿区,蓝田县、陇县和凤县为次级受偿区,应及时获得补偿来保证生态质量;雁塔区等11个地区为补偿区,应提供补偿资金来以维持整体生态建设。

渭河流域陕西段城镇污水处理厂提标改造状况调查与问题分析

在渭河流域陕西段60家城镇污水处理厂现场调查与资料收集基础上,通过对13家污水处理厂年达标率的计算与分析,最后认为在提标改造中应将重点放在SS与TP的去除2个方面。此外,还对该区域现有污水处理工艺提标改造措施(低碳源、低SS达标率、低温以及强化脱氮除磷的采取措施)进行了归纳总结与深入分析。针对调研发现问题,提出了相应建议。

1971-2018年汉江流域陕西段降水时空特征分析

基于1971-2018年汉江流域陕西段27个气象站点的逐日降水数据,选择了年降水量、降水强度、最大日降水量、年降水日数、中雨日数和大雨日数6个降水指数分析其降水时空特征,分析方法包括线性估计法、小波分析法、滑动均值法、IDW空间插值法及Mann-Kendall检验法。结果表明:在研究时段内,汉江流域陕西段降水强度有缓慢增加趋势,其余5个降水指数均呈缓慢减小趋势,且6个降水指数的变化趋势均不显著;研究区域仅年降水日数无突变点,且在1995年后呈现显著减小趋势,其余降水指数均有突变点;年降水量有7 a的副周期和27 a左右的主周期,主周期有3个循环交替,且丰、枯交替突变点在1983和2000年。汛期降水量与年降水量周期基本一致,而非汛期有4和16 a两个副周期和1个28 a的主周期;年降水量空间分布呈现由北到南逐渐增大的趋势,除了年降水日数的高值中心在宁强县外,其余5个降水指数的高值中心均在镇巴县,而低值中心除了降水强度在太白县外其余的均在商县。在研究时段内各年代际降水指数的比较中,1971-2018年的年降水量、降水强度和年降水日数均仅次于最大值,预计未来极端降水事件可能更加频繁,严重的情况下会影响水生态、水环境、水安全等的健康发展。

黄河流域陕西段重要生态系统保护策略

基于黄河流域陕西段重要生态系统现状提出其保护策略思路,以“一带”、“三屏”、“三区”的总体布局,打造黄河流域陕西段重要生态系统绿色屏障,并重点阐述其主要内容、范围、规模及主攻方向,主要任务包括生态保护、生态修复、生态富民、生态服务、生态安全等内容,其重点工程有退耕还林还草工程、林草资源保护工程、重点防护林工程、乡村绿化美化工程、绿色廊道工程、湿地保护修复工程等,构建山水林田湖草一体化建设新格局。

渭河关中段生态基流保障的水质水量响应关系研究

以渭河关中段为研究对象,结合渭河关中段的水文和水质特征,建立了渭河关中段水质水量响应关系计算程序.设置现状年(2007年)生态基流调控方案,通过渭河关中段生态基流保障调控模型计算渭河关中段各断面调控后的流量.将调控后的各断面流量输入渭河关中段水量水质响应关系的Visual Basic程序中,计算得到各断面水质与枯水期平均流量、最小流量及90%基流保证率流量的响应关系.结果表明,林家村断面至常兴桥断面水质相对较好,且优于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准,兴平断面至新丰镇桥断面之间水质相对较差.本文可为渭河关中段枯水期生态基流保障及水质改善提供技术支持.

渭河陕西段流域洪水淹没状况拟合研究

以渭河陕西段流域为研究区,利用2001年至2018年的水文和气象观测数据,计算出该流域十年一遇、五十年一遇和百年一遇降水量的致洪面雨量,采用水文动力学方法和分布函数,利用地理信息系统技术,拟合出该流域被十年一遇、五十年一遇和百年一遇降水量导致的洪水的淹没深度、淹没范围和淹没面积。研究结果表明,十年一遇降水量导致的洪水淹没的极高风险区(洪水淹没深度大于2.0 m)分布在渭河干流宝鸡段下游、沣河、泾河、石川河下游和渭河下游南山支流流域,其面积为42.92 km^(2);五十年一遇降水量导致的洪水淹没的极高风险区分布在泾河干流、千河下游、渭河干流宝鸡段、沣河、石川河下游、北洛河下游及渭河下游南山支流流域,其面积为115.95 km^(2);百年一遇降水量导致的洪水淹没的极高风险区集中分布在渭河干流宝鸡段、沣河、泾河干流、石川河、北洛河下游和渭河下游南山支流流域,其面积为183.27 km^(2)。