Hydrological and water cycle processes of inland river basins in the arid region of Northwest China

The increasing shortage in water resources is a key factor affecting sustainable socio-economic development in the arid region of Northwest China(ARNC). Water shortages also affect the stability of the region's oasis ecosystem. This paper summarizes the hydrological processes and water cycle of inland river basins in the ARNC, focusing on the following aspects: the spatial-temporal features of water resources(including air water vapor resources, runoff, and glacial meltwater) and their driving forces; the characteristics of streamflow composition in the inland river basins; the characteristics and main controlling factors of baseflow in the inland rivers; and anticipated future changes in hydrological processes and water resources. The results indicate that:(1) although the runoff in most inland rivers in the ARNC showed a significant increasing trend, both the glaciated area and glacial ice reserves have been reduced in the mountains;(2) snow melt and glacier melt are extremely important hydrological processes in the ARNC, especially in the Kunlun and Tianshan mountains;(3) baseflow in the inland rivers of the ARNC is the result of climate change and human activities, with the main driving factors being the reduction in forest area and the over-exploitation and utilization of groundwater in the river basins; and(4) the contradictions among water resources, ecology and economy will further increase in the future. The findings of this study might also help strengthen the ecological, economic and social sustainable development in the study region.

Mutual optimization of water utilization structure and industrial structure in arid inland river basins of Northwest China

Water is a key restricting factor of the economic development and eco-environmental protection in arid inland river basins of Northwest China. Although water supplies are short, the water utilization structure and the corresponding industrial structure are unbalanced. We constructed a System Dynamic Model for mutual optimization based on the mechanism of their interaction. This model is applied to the Heihe River Basin where the share of limited water resources among ecosystem, production and human living is optimized. Results show that, by mutual optimization, the water utilization structure and the industrial structures fit in with each other. And the relationships between the upper, middle and lower reaches of the Heihe River Basin can be harmonized. Mutual benefits of ecology, society and economy can be reached, and a sustainable ecology-production-living system can be obtained. This study gives a new insight and method for the sustainable utilization of water resources in arid inland river basins.

Ecological Land Suitability for Arid Region at River Basin Scale:Framework and Application Based on Minmum Cumulative Resistance(MCR) Model

As an important and typical arid inland region in China,Shiyang River Basin plays an important role in maintaining the sustainable development of eco-environment,whose ecological land suitability restricts the development of the local human activities.Therefore,Shiyang River Basin was selected as the case study,the minimum cumulative resistance(MCR)model and GIS technique were integrated to create land suitability evaluation map.We calculated the MCR value of ecological source and living source,and divided the whole basin into five partitions according to the difference between ecological source and living source,and analyzed the patterns and characteristics of the ecological land suitability evaluation(ELSE)regions,respectively.The results showed that:1)The suitable ecological land includes prohibited development region and restricted development region,which accounts for 15.45%and 23.35%of the total land area of the Shiyang River Basin,respectively.These two regions mainly distributed high altitude region in the southern Qilian Mountain and low altitude region where had high density of rivers.2)The protection of ecological land requires not only conserving existing ecological land but also focusing on ecological buffer belts around ecological sources and improving ecological land service ability.3)Ecological networks should be constructed through artificial planting trees around the boundary of oasis and ecological restoration region.Buffer greenbelts should also be established between optimized development region and ecological restoration region.

内陆河流域水污染风险分区安全评价——以黑河流域为例

[目的]对内陆河流域开展水污染风险分区评估,分析内陆河流域水污染风险分布特征,为内陆河其他流域及全国其他流域水污染风险的评估提供参考。[方法]以2021年黑河流域环境统计数据、DEM数据、水质监测断面数据和基础地理数据等为数据基础,以1 km×1 km网格为基本单元,利用GIS空间分析精细化、可视化表征水污染风险程度和分布情况,采用环境风险场评估法对黑河流域开展水污染风险分区评估,分析该流域水污染风险分区分级分布特征。[结果]黑河流域只有极少区域处于高风险水平;污染严重水系主要集中在中下游区域,包括洪水河、讨赖河水系以及山丹瓷窑口到高台黑大板河、黑河干流、梨园河等多条河流,准确识别出了黑河流域水污染高风险“热点”区段19个,污染严重部分主要分布于水系周边的风险源以及沿河公路、跨河桥梁与水系的伴行段重叠交叉区域。整个黑河流域的水污染风险处于低风险水平,在可控范围之内。[结论]该评价指标体系能够从多维度、多空间来表征内陆河流域水污染风险的主要问题,帮助完善内陆河流域水污染风险评价指标体系,提升流域全过程风险管理水平。

Effects of drip irrigation on components of water cycle in arid inland areas: A case study of Manas river basin in northwestern China

Compared to either drip irrigation or mulching with plastic film,the two methods together can reduce water requirements of crops grown in arid areas by more than 30%.Such a combination deployed on a large scale(1)reduced the loss of soil water by 31.8%compared to that from drip irrigation alone;(2)narrowed the range of annual evapotranspiration from 1582.4-1780.3 mm,which is average for the basin,to 222.2-294.8 mm;and(3)increased the overall humidity in the central plain of the basin.However,the surrounding regions in which drip irrigation is not combined with mulching are getting more arid;thus,as a result of the water-saving technology,both oases and the desertification of the river basin are increasing at the same time.The results of the study further the understanding of the effects of drip irrigation combined with mulching on water cycles in the basin of the Manas river and suggest ways to protect the ecology and the environment of the basin.

黑河流域水资源合理开发利用研究

长期以来黑河流域水资源总量的不足 ,诱发了上下游之间、经济用水与生态和环境之间等一系列用水矛盾发生 .根据有关水文气象资料及前期研究成果对黑河流域水资源数量、特征、利用现状及供需平衡进行了分析研究 .结果表明 ,目前黑河流域水资源已呈现出严重不足 ,并且由此引起了流域内许多地方尤其是下游额济纳地区生态与环境的急剧恶化 .究其原因 ,固然与内陆地区气候干旱等先天不利条件有很大的关系 ,但最主要的原因还是人类对水资源的开发利用不当造成的 .因此 ,在区域社会经济的发展中 ,应充分考虑水资源的制约条件 ,从可持续发展的角度出发 。

干旱地区内陆河流域水文问题的研究实践与展望

过去,干旱地区内陆河流域水文研究主要偏重于山区水文,注重山区来水及径流分析,而很少涉及灌区问题和生态问题,对绿洲水文和荒漠水文的研究十分缺乏。以新疆为例,通过对干旱地区河流的基本特征和水文机理的分析研究,从径流形成、水资源开发利用、生态环境保护三位一体,即从全流域水文循环的角度出发,提出了以山区水文、绿洲水文、荒漠生态水文为三大构成要素的干旱地区内陆河流域水文系统的新概念,并基于干旱地区内陆河流域水文问题的研究实践,提出了各自领域的研究内容和方向,进一步拓宽了水文问题的研究领域,对水文学科的研究与发展提出了新的思路,注入了新的内容。

人类活动对干旱区内陆河流域景观格局的影响分析——以新疆和田河中游地区为例

通过对新疆和田河中游地区1959年及2000年景观格局的对比分析,结果表明,干旱区内陆河流域基本维持了原宏观景观格局。但在小尺度上,人类通过调控水资源在空间分布的格局,影响了水在景观格局发展中的生态作用,进而影响了区域景观格局。人工渠、水库、居民地、农耕区等人为景观的出现及增多越来越影响着区域内的景观格局。这说明人类活动虽不是区域内景观格局发展的主导因素,但它对干旱区内陆河流域景观格局的影响力度与影响范围却越来越大。

基于层次分析法的干旱内陆河流域生态环境需水评价——以新疆台兰河流域为例

干旱内陆河流域生态环境需水综合评价是一个多层次,多目标的综合决策问题,同时是干旱区水资源合理配置与管理,生态环境保护与建设中最为关键的科学问题之一。根据台兰河流域的实际情况和环境问题,构建评价干旱内陆河流域生态环境需水状况的指标体系;该指标体系由3个层次38个评估因子组成;通过分级量化指标,用层次分析法对指标进行权重分析,提出了内陆河流域生态环境需水状况评判标准和具体的评价方法。结果显示,水资源因素对台兰河流域生态环境需水的影响最大,生态环境因素和经济社会因素次之,影响最小的是自然因素。水资源因素、生态环境因素、经济社会因素和自然因素之间相互关联,共同作用导致流域生态环境需水综合状况。评价结果与实际情况基本相符,证明层次分析方法在评价干旱内陆河流域生态环境需水状况中具有一定的应用价值。

干旱区内陆河流域城乡聚落体系空间结构及影响模式研究——以石羊河流域为例

本研究以石羊河流域为研究区,选取2000、2006、2010年三期遥感影像为数据源,采用成本加权距离和城乡聚落体系潜能指数对传统的场强模型进行改进,综合利用扩张强度指数、扩张速度指数等分析研究石羊河流域内部城乡聚落体系空间结构分异。在此基础上,基于GIS技术并结合道路等级和长度计算流域内城乡聚落体系间最短时间距离来分析城乡聚落体系空间联系与空间相互作用,据此分析石羊河流域城乡聚落体系空间结构变化及影响模式。

内陆河流域水文过程研究的一些科学问题

水科学研究的发展,对水文科学提出了新的挑战,即如何在流域、区域和全球尺度进行学科交叉、综合集成和协同研究,从而更全面地认识水在地球资源和环境变化中的作用,认识水圈及其与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用。为了解内陆河流域水文循环和水量平衡各分量之间的变化和转化关系及其与生态和环境之间的相互作用,以及对全球变化和人类活动的响应和反馈,基于内陆河流域上游山区径流形成区、中游人工绿洲水资源开发利用区和下游荒漠绿洲径流散失区的流域水文循环特征,从能水通量、生态和生物地球化学过程讨论了山区水文过程;从生态水文、尺度转换、阈值和反馈讨论了水文和植被的相互作用;从国外提出的关键作用带的概念讨论了内陆河流域地下水—土壤—植被作用层的水文过程。提出了开展内陆河流域水文过程观测和研究的基本框架。

西北干旱区水资源转化与开发利用模型

干旱地区的内陆河发源于山区，在山前平原地区受干旱气候、地质地貌结构和岩性的影响，地表水与地下水之间具有大数量转化的特点。根据水量平衡原理，通过对西北干旱区内陆河流域山前平原地区河水、地下水、泉水相互转化机制的研究和分析，建立了模拟与计算相结合，兼有预测性质的水资源转化与开发利用模型。模型概念明确，形式简单，所需资料容易获得。在新疆乌鲁木齐河流域实际应用结果表明，模拟的流域最大可能引水量和水资源净可利用量，都远比现状实际引水量和水资源净利用量小得多，水资源开发利用明显过度，每年超采地下水１．２×１０８ｍ３，与当地水文地质部门计算结果非常一致，效果较好。另外，模型预测结果还表明，对于处在完成地表水与地下水联合开发利用阶段的，类似乌鲁木齐河流域的内陆河流域来说，可用水资源的开发已达到极限，再采用传统的提高地表渠系利用率的方法，已不可能增加流域的可用水资源量。这不仅从理论上解决了，水利和水文地质部门长期以来有关地表水和地下水到底如何开发才算合理的争论；也证实了，这样做的结果不但在经济上得不偿失，而且将破坏流域已建有的地下水开采和供水系统，有可能造成更大的经济、社会和生态损失。

干旱内陆河流域平原区生态环境需水分析——以新疆自治区台兰河流域为例

从干旱区台兰河流域存在的环境问题出发,在确定流域平原区生态环境需水类型的基础上,构建了台兰河流域平原区生态环境需水定量模型,估算了流域平原区生态环境的规模。计算结果表明,台兰河平原区最大生态环境需水量为4.146×108m3,最小生态环境需水量为2.372×108m3,最适生态环境需水量为2.983×108m3,分别占台兰河平原区水资源总量(8.121×108m3)的51.05%,29.21%和36.73%。在不考虑河流输沙需水量的情况下,台兰河河流生态环境需水量平均为1.440×108m3。在考虑输沙需水量的情况下,河流生态环境需水量平均为2.604×108m3。明确了在确定流域生态环境需水量时,必须考虑研究区环境状况和生态保护目标,从而在不同区域和用水部门间进行调配,并针对流域不同的生态系统状况和对应生态系统类型确定了面向生态的水资源合理配置方案。

干旱区内陆河流域生态脆弱性评价──以新疆塔里木河流域为例

Great changes of ecological environment have taken place in Tarim River Basin of continental river basin in arid zone since last 5 decades.As a result, a series of characteristics that are not stability appeared.With regard to the natural conditions and artificial interference, 20 complex factors of water resource system, land source system, vegetation resource system and environment system (esp.desertification state) are chosen to analyze the ecological fragility.Through establishment of indicator system of ecological fragility assessment and classification standard, based on the arithmetic logarithm processing, ecological fragility index (EFI) is built up.The results are as follows: the EFI values of source stream area including Aksu River Basin, Yerkant River Basin, Hetian River Basin and main stream including upper reaches, middle reaches and lower reaches of Tarim River Basin are 0.08, 0.23, 0.32, 0.25, 0.53 and 0.87 respectively.The degrees of ecological fragility belong to slight fragility, medium fragility and extreme fragility in Aksu River Basin, middle and lower reaches of Tarim River respectively in addition to general fragility in other three sections.

中国干旱内陆流域水体N、P负荷特征与动态变化——以黑河流域为例

以黑河流域中游地区为研究区域 ,通过 11年在不同河流断面的长期监测和区域内各类水体如地下水、泉水、水库和河流的空间选点取样分析 ,研究了干旱内陆流域水体N、P等植物营养元素的负荷与时空分布及动态变化特征。浅层地下水与河水中NO3 N含量普遍较高 ,含量超过 1.1mg/L ,大部分平原水库水中NH4 N含量超过 0 .3mg/L ;河水与浅层地下水TP、NH4 N与NO3 N含量均呈现沿流域从出山口至下游的显著递增变化 ,同时还具有明显的随时间递增趋势 ,其中NH4 N含量在河流出山口及下游断面平均年增加幅度分别为 0 .11mg/L和 0 .114mg/L ;流域水体N、P含量的季节变化明显 ,黑河流域春季及春夏之交的枯水期大部分河段NH4 N、NO3 N和TP等要素含量为全年最高并出现水质超标污染。控制干旱内陆流域水域尤其是枯水期的N、P污染 。

西北干旱内陆河流域城镇化与水资源环境系统耦合机理

水资源是西北干旱内陆河流域经济社会可持续发展最基本的约束条件,城镇化是实现可持续发展的重要环节,水资源的高效合理利用和城镇化的健康有序发展均是影响该区域可持续发展的关键因素。剖析了城镇化与水资源环境系统之间存在的耦合机理以及不同发展阶段的耦合作用强度,阐述了内陆河流域水资源利用时空转移下的城镇发展演变机理。

干旱内陆河流域生态系统服务空间权衡与协同作用分析

为了测度生态系统服务的空间权衡/协同关系,该文以干旱内陆河流域典型地区嘉峪关-酒泉地区为研究区,对其2000年和2010年食物供给、碳储存、水源涵养和土壤保持4种生态系统服务物质量进行定量测算。利用相关分析法和空间热点制图等方法,分析了生态系统服务时空变化,从县域尺度和区域尺度上分析了生态系统服务之间的权衡协同关系,识别了某种服务的物质量或价值量极高的热点区。结果表明:研究区单位面积食物供给的高值区分布在中东部的肃州区及嘉峪关市,碳储存表现为东部及南部较高的分布格局;土壤保持在2000年和2010年变化不大,呈现出从西到东逐渐增大的分布趋势;单位面积水源涵养值由2000年的0.40 mm/(m2·a)提高到2010年的0.99 mm/(m2·a)。县域尺度上,各种生态系统服务之间大多为协同关系,其中食物-碳和水源-碳之间的协同程度较高;区域尺度上,食物供给和土壤保持、水源涵养和土壤保持生态系统服务间存在此消彼长的权衡关系。4种生态系统服务的值均未超过各自平均值的0类服务区和只有1种生态系统服务的值超过其所对应平均值的1类服务区分别占总面积的58.50%和25.20%。该研究结果可为制定差别化的区域发展与生态保护双赢政策提供科学参考。

西部干旱区内陆河流域脆弱生态环境研究进展——以新疆塔里木河流域为例

干旱区内陆河流域的脆弱生态环境是在长期的演变过程中形成的。人类对自然资源 ,特别是水资源的不合理利用 ,加剧了脆弱生态环境的演变过程 ,影响了干旱区的生态安全。从国内外脆弱生态环境研究进展状况以及以塔里木河流域为典型代表的干旱区内陆河流域自然地理特征分析中 ,揭示了脆弱生态环境的特征及演变规律。近一个世纪以来 ,人们针对内陆河流域的人与环境问题、水资源问题 (包括水文地质、水资源变化特征、水环境变化特征 )、气候以及自然地理学领域做了大量的研究工作。随着国家西部发展战略的逐步实施 ,干旱区内陆河流域将成为西部地区重要的资源开发与经济发展潜力巨大的地区。

基于胡杨年轮的塔里木河下游地下水埋深历史重建

【目的】采用树木年轮技术重建塔里木河下游地下水历史变化动态过程,以期弥补塔里木河下游地下水埋深历史数据资料的不足,为干旱区内陆河流域地下水埋深重建研究提供一个新方法。【方法】以荒漠河岸林建群植物胡杨为对象,于2015年9月在塔里木河下游英苏断面共钻取胡杨年轮样芯58个,经Cofecha交叉定年程序和Arstan软件,选用48个样芯建立胡杨年轮宽度年表。采用滑动t-检验、M-K趋势检验、累积曲线分析胡杨轮宽指数和地下水埋深变化趋势,采用频率分布、方差分析、相关分析和线性回归,分析轮宽指数与气温、降水量、径流和地下水埋深关系。【结果】塔里木河下游英苏断面的胡杨树龄为40~80年,超过60年的树木均有不同程度的心腐现象,未发现100年以上木质部保存完好的胡杨;塔里木河下游胡杨年表突变时间分别为1957,1967,1975和2000年;区域气温和降水量对胡杨年轮宽影响并不显著;采用胡杨年轮宽度重建了塔里木河下游英苏断面近83年来的地下水埋深历史变化,其重建结果与区域水文记录基本一致。【结论】塔里木河下游胡杨年轮的形成受气温和降水量的影响不显著;胡杨年轮可作为研究塔里木河下游地下水位变化过程的一个新生态指标。