跨流域调水及其对陆地水循环及水资源安全影响

跨流域调水是解决我国区域水资源配置的重要手段与途径,也是21世纪全球水系统计划科学前沿和我国北方水资源安全保障关注的重点问题.本文研讨了与气候变化与跨流域调水联系的陆地水系统概念,分析了与环境变化问题联系的国际发展态势.以跨长江、黄河、海河流域的南水北调中线调水区和北京受水区为典型区域,论述我国南水北调重大调水工程实施对陆地水循环影响及水资源安全保障研究关键科学问题,提出该复杂性问题研究的若干重点、研究途径与方法.

水力侵蚀对土壤碳循环及土壤微生物多样性影响的研究进展

[目的]针对水力侵蚀对土壤碳循环“源汇”效应争议,综述水力侵蚀对土壤有机碳矿化作用和土壤微生物多样性的影响机制,提出未来定量研究的方向与注意事项。[方法]在提出水力侵蚀对土壤碳循环“源”“汇”效应概念和理论的基础上,分析现阶段研究中水力侵蚀对土壤碳循环“源汇”效应争议的核心问题,进而探讨水力侵蚀导致不同种类土壤微生物多样性变化的差异及其作用机制。[结果]水力侵蚀过程导致土壤有机碳矿化作用形成碳循环中的“源”效应,而沉积过程导致有机碳迁移至低洼处固存形成碳循环中的“汇”效应,微生物的呼吸和分解作用可能解释土壤碳循环中消失的碳“汇”问题;水力侵蚀过程削弱细菌群落结构复杂性,而沉积过程可增加细菌群落结构的复杂性,但侵蚀和沉积过程都可能降低土壤真菌的α多样性和群落结构复杂性;水力侵蚀过程通过影响土壤有机碳含量、植被覆盖度和土壤pH等因素间接影响土壤微生物多样性。[结论]未来研究应强化不同尺度水力侵蚀过程对土壤碳循环的影响机制、水力侵蚀过程与土壤微生物多样性的相互作用机制及水力侵蚀过程中土壤微生物对碳循环的影响机制相关量化研究。

中国东部季风区植被气候生产潜力的时空特征

以中国东部季风区为研究区域、植被气候生产潜力为研究对象,以英国东英格利亚大学气候研究所公布的气候变化数据库(CRU TS v.4.06)中0.5°×0.5°月尺度时空分辨率的降水和气温数据集的气象数据(时间尺度为1981—2021年)、中山大学陆-气相互作用研究组2013年开发的中国陆地表面土壤数据库的土壤数据为数据源,采用迈阿密模型(Miami)、桑斯威特纪念模型(Thomthwaite Memorial)分析1981—2021年中国东部季风区植被气候生产潜力的时空特征,采用冗余分析(RDA)法分析植被气候生产潜力与土壤理化性质相关性。结果表明:过去40a,中国东部季风区气温生产潜力、降水生产潜力、蒸散生产潜力的时间演变,均分为2个阶段,气温生产潜力的第Ⅰ阶段为1981—2001年、第Ⅱ阶段为2002—2021年,降水生产潜力的第Ⅰ阶段为1981—2014年、第Ⅱ阶段为2014—2021年,蒸散生产潜力的第Ⅰ阶段为1981—2013年、第Ⅱ阶段为2013—2021年,2个阶段均呈现出生产潜力增加趋势,其中第Ⅱ阶段生产潜力增加幅度显著高于第Ⅰ阶段。气温生产潜力、降水生产潜力和蒸散生产潜力均存在1个22 a的显著周期转变,敏感性分析显示气温和降水均对蒸散生产潜力有显著正相关影响。在空间上,气温生产潜力、降水生产潜力、蒸散生产潜力,都呈现出从华南地区往东北地区递减的趋势,且第Ⅱ阶段植被气候生产潜力的增速显著高于第Ⅰ阶段,第Ⅱ阶段增速显著的区域多出现在高值区。冗余分析结果显示,东部季风区土壤表层理化性质对降水生产潜力、蒸散生产潜力有显著抑制作用,对气温生产潜力有显著的促进作用。

黄河水源涵养区土地利用变化的区域分异特征及未来格局

解析黄河水源涵养区历史和未来的土地利用/覆盖变化(LUCC)对于保护黄河流域水土资源和维系生态系统服务功能等具有重要意义。在研究区及其三大子区(Ⅰ黄河上游水源区、Ⅱ渭河南山区、Ⅲ伊洛河区),基于1990—2020年的土地覆盖产品数据,采用转移矩阵、地理探测器、CA-Markov模型等方法,分析LUCC特征、探测驱动因素和预测未来期(2025年)空间格局。结果表明:自2000s以来,研究区及分区地类呈现退耕还林还草和建设用地快速增长的2条主线变化趋势,其中,全区LUCC主要受到粮食产量、高程和人口密度驱动,Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区LUCC的主导驱动因素分别是高程、人口密度和粮食产量。未来生态保护情景相对于自然发展情景,耕地和建设用地扩张将受到约束,能更好地保障生态用地面积以支撑水源涵养等生态服务功能。

地表水和地下水耦合模型研究进展

地表水和地下水的转换及其过程耦合模拟,是水资源开发利用和科学评价的基础。本文归纳了国内外16种地表水和地下水耦合模型,并根据耦合模型的特点和耦合方式,划分了三类耦合类型,即:紧密耦合型、半松散耦合型和松散耦合型。对其中比较典型的"四水"转化模型、SWATMOD、MIKE-SHE、MODBRANCH模型进行了对比分析,剖析了不同耦合模型的优缺点,为地表水和地下水耦合模拟研究提供了很好参考。

运用表观热惯量遥感地表蒸散--以河北省易县崇陵流域为例

现有遥感地表蒸散的方法是基于地表热量平衡方程,先求出地表净辐射通量、土壤热通量和显热通量,再用余项法求出潜热通量。地表净辐射通量和显热通量的计算需空气温度、风速和地表粗糙度等非遥感参数,并且涉及到空间插值问题,由此增加了估算的复杂性并降低了估算的精度。引入反映地物固有热特性的物理参数-表观热惯量,结合地表辐射温度,充分利用遥感较易获取的这两个参数来估算地表蒸散,可弥补上述不足。利用河北省易县崇陵流域卫星过境同步观测的地面资料,以2007年5月28日过境的LANDSAT/TM作为数据源,尝试利用表观热惯量来遥感地表蒸散的新途径。首先根据像元表观热惯量和地表辐射温度等遥感参数反演出像元的大气下行辐射,进而估算出地表净辐射通量;其次,利用表观热惯量估算出波文比,再根据波文比对地表净辐射通量进行切割,然后代入地表热量平衡方程中,直接估算出地表潜热通量;最后,计算出崇陵流域日地表蒸散量,并获取其空间分布图。这种方法避开了估算显热通量的中间环节,可操作性更强。

无定河流域不同地貌区水沙过程对比

为了查明人为影响程度较低时期无定河流域内不同地貌区的水沙过程及其变化规律，选取1970年以前一段时期该流域内风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的有关水文站的水文泥沙实测数据进行对比分析。结果表明，风沙区河流的流量变率较黄土丘陵沟壑区的小；风沙区河流的含沙量远小于黄土丘陵沟壑区河流的含沙量。黄土丘陵沟壑区河流具有极高的输沙率，而风沙区河流的输沙率微不足道。风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的产流模数基本相近，但产沙模数非常悬殊，前者的产沙模数很小，为118．58～725．38t／km^2·a，而后者的达到1879．36～25112．15t／km^2·a。显然，无定河流域黄土丘陵沟壑区的河流是侵蚀产沙的主要来源区，因而是水土保持工作的重点区域。

我国水资源管理与水系统科学发展的机遇与挑战

针对国家重大需求和国际科学前沿问题,综述了中国水资源管理与水系统科学发展面临的机遇与挑战。初步论述了聚焦在水资源的前瞻性、战略性和交叉性的研究的三个发展方向,指出了变化环境的水问题所涉及到水与气候、水与生态、水与环境、水与社会及其联系的复杂水系统问题,强调了水系统科学的发展及其在应对复杂水问题的科学基础支撑与管理的指导作用。建议加强水系统的科学基础理论研究与创新"、水与气候""水与生态""水与社会"应用问题的综合研究和水系统科学与水资源管理的交叉研究。

黄河下游河道断面形态参数变化及其水沙过程响应

基于1965—2015年黄河下游花园口、高村、泺口站的逐年水文和汛前河道断面的实测资料,分析了河道断面形态参数(河道断面面积,河道宽深比等)的变化,以及对河道断面形态与来水来沙间的关系做出定量化分析。结果表明:主槽断面形态参数与水沙搭配以及前期断面形态密切相关,沿程3个断面形态参数调整方式存在显著差异。河宽调整幅度沿程减小,辫状河段变幅最大,尤其在1986—1999年,辫状河段萎缩程度最为严重,其次为弯曲河段,顺直河段横向调整幅度最小。受到前期断面形态的影响,辫状河段河道断面调整方式既有横向展宽(萎缩)又有垂直加深(淤积);弯曲河段河道宽深比与流量呈较弱的正相关关系,具有横向和垂向的调整方式;而顺直河段的宽深比与流量呈负相关关系,与来沙系数呈正相关关系,河道以垂直加深(淤积)为主。

1982—2019年中国陆地蒸散发变化的归因分析

蒸散发(ET)是水循环的关键变量之一,其长期变化直接影响区域水资源的时空分布格局。近几十年来,中国气候和下垫面特征发生了显著变化,但这些变化如何影响ET的时空分布仍缺乏清晰的认识。本文基于Penman-Monteith-Leuning模型和驱动要素去趋势实验定量揭示了降水、净辐射、水汽压差、风速和叶面积指数对中国陆地ET变化的贡献。研究结果表明,1982—2019年中国陆地ET呈显著增加(p<0.05)趋势,趋势值为1.25 mm a^(-1)。水汽压差、降水和叶面积指数主导了中国陆地ET变化,三者对ET趋势的贡献度分别为44%(0.54 mm a^(-1))、29%(0.36 mm a^(-1))和25%(0.31 mm a^(-1))。ET变化的主导因素具有明显的区域分异规律,西北地区(干旱和半干旱区)ET变化受降水主导,长江大部以及东北北部(湿润区)受水汽压差主导,而黄土高原、华北平原和东北部分地区受叶面积指数主导。本文研究结果可为气候变化背景下中国水资源的差异化管理和规划提供参考。

无定河流域土地覆被空间分异机制及相关水碳变量变化

无定河流域是黄土高原生态恢复工程实施的重点区,探究其土地覆被的空间分异机制及相关水碳变量的变化特征,对支撑区域水土资源保护与规划以及服务区域生态文明建设等工作具有重要作用。本文使用线性倾向法、Mann-Kendall趋势检验、Pettitt突变检验、地理探测器等方法分析无定河流域土地覆被时空变化特征及空间分异驱动因素,并从地-水-碳耦合的角度探析流域总初级生产力(GPP)、实际蒸散发(ET)和水分利用效率(WUE)等关键水碳变量的变化特征。研究表明:(1)1990—2019年期间,流域整体草地、林地、建设用地显著增加,耕地、荒地显著减少,其中林草面积增加区域主要集中在流域下游及无定河沿岸地区;(2)人口密度、降水、气温等对流域土地覆被空间格局具有重要影响,整体而言社会经济因素的影响大于自然因素,但以降水、气温为代表的自然因素的影响在增强;(3)流域水碳变量的变化与土地覆被变化具有较好的对应关系,空间上,以耕地、林地、草地为主要覆被的流域东南部的GPP、ET、WUE相对偏高,以草地、荒地为主要覆被的流域西北部的GPP、ET、WUE相对偏低,时间上,2001—2019年间,流域整体GPP、ET、WUE均呈增加趋势,其中GPP、WUE在流域绝大部分区域均显著增加,而ET主要在流域中下游地区显著增加。在退耕还林还草生态恢复工程的实施与气候变化背景下,无定河流域林草得到恢复,生态环境转好。

河岸陡峭度对冲积河流平衡河道形态的影响

河岸抗冲性对河流横断面形态影响显著。以水力半径分割方法为基础,采用等腰梯形过水断面,以河岸陡峭度代表河岸的抗冲性,利用变分方法研究冲积河流达到平衡状态时,河岸抗冲性对河道横断面形态以及输沙能力的影响。研究结果表明:河岸陡峭程度减缓时,平衡河道形态变得宽浅,相反变得窄深;河岸陡峭度变化对水力几何形态关系式中的相关变量指数几乎没有影响,仅仅影响水力几何形态关系式中的系数。随着河岸陡峭度增加,河流达到平衡状态时横断面形态变得窄深,河道最大输沙率增大。

超孔隙水压力的形成及其对滑坡泥石流起动和演进的影响

滑坡泥石流是山区常见的地质灾害,突发性强、危害严重,对其发生机理的研究是滑坡泥石流预防预报预警的基础。在系统梳理土体孔隙水压力研究已有成果的基础上,分析坡体超孔隙水压力形成和变化的物理图景及其对滑坡泥石流起动和演进的影响,并探讨了依据孔隙水压力动态变化来预测滑坡泥石流起动的可能性以及目前存在的主要困难。研究表明,坡体孔隙水压力特别是超孔隙水压力的产生及维持与坡体失稳滑坡、滑坡体液化、泥石流的形成及运动密切相关,坡体失稳滑坡及土力类泥石流的暴发过程通常伴随着孔隙水压力的急剧变化,超孔隙水压力的产生是土体变形即土体颗粒位置错动的结果而非诱因,但超孔隙水压力的产生又会进一步促进坡体失稳;超孔隙水压力形成的关键在于土体孔隙体积变化与孔隙水压力消散的相对速率,孔隙体积变化主要受土体变形影响,而孔隙水压力消散主要受土体粒度分布和细颗粒含量的影响。目前,孔隙水压力及超孔隙水压力与滑坡泥石流起动和演进过程关系的研究已取得不少成果,但依据孔隙水压力预报预警滑坡泥石流起动仍有难度,主要难点在于不易有效监测并及时预报自然坡体孔隙水压力的动态变化,这是未来值得进一步研究的重要内容。

气候变化下水资源脆弱性的适应性管理新认识

气候变化下的水资源脆弱性和适应性管理研究成为全球和国家应对气候变化和保障水资源安全重点关注的问题,也是中国可持续发展面对的重大战略问题。介绍了水资源脆弱性和适应性管理的国内外最新研究进展;针对国家重大需求和国际科学前沿问题,综述了气候变化下水资源脆弱性和适应性管理存在的问题与挑战。提出了气候变化下水资源脆弱性与适应性管理理论与方法研究以应对气候变化的无悔为准则,与社会经济可持续发展、成本效益分析、利益相关者的多信息源的分析与综合决策相结合为原则,对适应性管理与脆弱性组成的互联互动系统及其风险与不确定性进行分析的新认识。

城市化地区水资源承载力研究

本文探讨了城市化地区水资源承载力的内涵和特性。通过分析城市化对地区水循环、社会经济和生态与环境的影响,以“自然-人工”水循环为基础,以可持续发展作为控制目标,采用目标综合分析与多级灰关联评价相结合的方法,建立了一个城市化地区水资源承载力模型。通过对北京市通州区实例研究表明,该方法可为解决城市化地区水资源和生态与环境问题、指导水资源合理配置,对可持续发展战略的实施提供理论依据和技术支持。

淮河流域闸坝联合调度对河流水质影响分析

以淮河流域SWAT水文模型和相邻闸坝间的水量水质模型为基础,以淮河流域污染最严重的支流沙颍河为例,研究分析了沙颍河闸坝开启污水下泄对淮河干流下游水质的影响.针对污水下泄对淮河干流水质造成的污染,设计了沙颍河源头水库开闸放水和淮河流域王蚌区间南部山区水库开闸放水不同的情景.结果表明:现状年沙颍河闸坝开启,沙颍河阜阳闸水质浓度将削减61%,但淮河干流下游蚌埠闸水质浓度将提高近30%.为减轻污水团下泄引起的污染,应加强沙颍河闸坝与源头水库、南部山区水库群的联合调度.

涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响

涡度相关法被认为是测定农田蒸散量的标准方法。然而,能量不闭合现象在涡度相关测量中普遍存在。分析能量不闭合对涡度相关观测的影响,对于提高涡度相关观测精度具有重要意义。以蒸渗仪法为参照,探讨涡度相关观测的能量闭合状况对农田蒸散测定的影响,在导致涡度相关观测能量不闭合的诸多因素中,寻找对蒸散测定有影响的因素。结果表明:涡度相关观测的白天能量平衡比率(EBR)呈秋冬高、春夏低的变化特征,麦季日均EBR范围在0.26—2.84之间,平均1.15;玉米季日均EBR范围在0.19—2.59之间,平均0.78。无论麦季或玉米季,涡度相关法测定的平均蒸散量(ETec)均明显低于蒸渗仪法观测值(ETL),但两者显著相关(P<0.01),并有相似的季节变化。平均蒸散比(ETec/ETL)麦季约为0.61,玉米季约为0.50。在冬小麦田和夏玉米田,ETec/ETL均与EBR显著相关(P<0.01)。麦田种植密度大,下垫面较均匀,蒸散比与EBR成正比(P<0.01),且不受叶面积指数(LAI)大小影响;反之,玉米田种植密度小,只有当LAI>1,下垫面变得较均匀后,蒸散比与EBR的关系才变得显著(P<0.01)。风速小时ETec/ETL与EBR显著相关,风速增加时二者相关性减弱。尤其在玉米田,当摩擦风速(u*)大于0.3 m/s时,ETec/ETL与EBR的相关性不再显著。风速小时,大气湍流微弱,湍流的涡旋较大。在有限的观测时段(0.5h)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,所测湍流能量偏低,导致能量不闭合。以上结果为应用能量平衡比率校正农田蒸散提供了可能途径。

黑土区基准坡长和LS算法对地形因子的影响

该文结合小区实测坡长资料及Mc Cool数据,对地形因子算法中涉及的基准坡长影响和不同算法计算值的特征进行了讨论。研究表明,在坡长较小的情况下,20和22.13 m基准坡长计算得到的坡长因子相差不大,但随着坡度增加,在坡长指数的复合影响下,两者的差异渐趋增大。理论分析表明,坡长指数采用与坡度相关的变值更为合理。通过与实测数据对比发现,修正版通用土壤侵蚀模型(RUSLE)算法中的坡长因子与其更为接近,结合与Mc Cool数据的对比分析表明,研究区坡长指数更适合细沟和细沟间侵蚀比率中等的情形,或者采用RUSLE模型算法计算得到。同时研究发现,张宪奎算法、Moore算法、Desmet算法和B?hner算法计算得到的LS因子值都要比参照值小,而且4种算法与参照值的接近程度依次降低。空间分布特征而言,栅格累计算法总体较为破碎,并在平直坡面出现较多平行分布条带,而含有面积指标的其他3种算法则总体呈现光滑连续特性,但有无数据区域的存在。该结果对于研究区土壤侵蚀模型地形因子算法选择具有一定的现实意义。

中国生态水文学发展趋势与重点方向

生态水文学是一门新兴的交叉学科,发展和完善其理论体系和技术方法等对促进中国山水林田湖草系统保护与修复,推进生态文明建设和绿色发展具有重要理论和实践意义。本文阐述了生态水文学发展历程和挑战性问题;结合学科前沿和国家需求,提出了生态水文学在中国的发展战略,主要包括:生态水文综合观测的新技术新方法、生态水文学机理和基础理论、以陆地和水生生态水文过程为核心的多尺度多要素综合模拟与集成、以及生态水文与社会科学的融合等;在此基础上,也提出了中国生态水文学具体发展方向,如多源信息融合与综合观测网络、关键要素的时空格局及其演变特征、综合模型与不确定性、多学科交融研究等;最后提出了中国生态水文学在山水林田湖草及城市等共同体修复和保护中的应用前景。