地下水-陆生植被系统研究评述

依赖于地下水的生态系统广泛分布,潜水含水层本身是个生态系统,地下水不仅维持许多水生生态系统,而且是干旱-半干旱地区陆生植被生存的重要水源。研究地下水与植被的相互联系是生态水文地质学的主要组成部分,重点介绍地下水-植被系统的研究方法。植被吸收的地下水量占总蒸腾量的比例是评价植被依赖地下水程度的一个定量指标,蒸腾量比例呈季节性与区域性变化,取决于植被类型、地下水位埋深与动态变化、土壤岩性与气候条件。植被总蒸腾量可以用涡流相关系统测量。地下水的蒸腾量可以用植物茎流计测量,或者用地下水位昼夜变化估算。用同位素混合模型也能估算地下水占总蒸腾量的比例。植被对地下水位下降的响应可能有两种形式,一种是线性比例响应,另一种是临界突变响应,只有通过长期系统观测植被长势与地下水位的变化才能利用统计分析建立两者响应关系。目前,植被-水文模型只能模拟植被冠层截流与蒸腾对土壤水与地下水的影响,或者模拟土壤水-地下水对植被生长的影响,地下水与植被相互作用与反馈的耦合模型还是个空白。     

中国西北地区额济纳绿洲植被盖度与黑河流量的滞后效应研究

干旱区植被生长与地下水的关系是生态水文地质学研究的热点之一。西北干旱地区,由于降水稀少,绿洲是当地人类生存和发展的主要依托。近年来,随着黑河流域中游地区用水量的逐年加大,下游来水量减少,使得下游额济纳绿洲的面积不断减小,湖泊干涸,沙漠化严重,生态环境恶化。由于绿洲植被的生长与水有极为密切的关系,因此,研究河流流量与绿洲植被生长之间的定量关系,对改善黑河流域生态环境、协调用水矛盾和合理配置水资源具有重要意义。将遥感数据与黑河径流量数据相结合,在区域尺度上定量研究额济纳绿洲植被生长与河流径流量的关系。结果表明,绿洲植被对黑河径流以及地下水有很强的依赖关系,而且黑河径流对额济纳绿洲的影响存在一年的滞后期,而地下水则通过这种滞后作用将两者联系起来。     

三工河流域柽柳耗水特征与生物排水探讨

利用三工河阜北潜水均衡试验场地中蒸渗仪种植柽柳（俗名红柳）试验分析得出,本区4年生柽柳在充分供水条件下柽柳有效蒸发蒸腾期4～10月的蒸发量（利用地下水量）与地下水埋深有关,柽柳蒸发蒸腾量随埋深的增加而减小,其蒸发蒸腾量与埋深呈“S”型函数模型。柽柳在0．5—2．0m埋深下的平均蒸发蒸腾量是同期E20水面蒸发量的1．6倍,柽柳整个生育期平均年蒸发蒸腾耗水量为2797mm,灌区大量种植柽柳利用生物排水调控地下水位具有一定的可行性。     

基于包气带水分运移数值模型的黄河三角洲蒸发量研究

蒸发是重要的水循环过程,在野外试验和室内分析的基础上,建立了黄河三角洲地下水浅埋区观测试验场土壤水分运移数值模拟模型,模型中对上边界条件处理采用了考虑气象因素、地表覆盖条件和表层土壤含水量的Penman Wilson公式。利用模型对试验点1999年、2000年、2002年的蒸发量进行了数值模拟计算,计算并分析了裸地、棉花地、芦苇地不同地表植被条件下,地表蒸发量(包括棵间裸地蒸发量和植物蒸腾量)的变化规律。从时间上看,黄河三角洲7、8月是蒸发量较高的时期, 1、2月是蒸发量最低时期,一般日蒸发量在0~8 mm/d。影响地面蒸发的主要因素除气象因素外,还有植被类型和覆盖程度、地下水位埋深等因素。植被覆盖程度越高、地下水位埋深越浅,则蒸发量越大,从而导致裸地蒸发量相对较小,农田年蒸发量稍大,而芦苇地蒸发量最大。研究表明,土壤水分运移模型是估算各种复杂条件下蒸发量的有效工具。     

半干旱区域高速公路绿化带建设对地下水循环的影响: 以京藏高速公路呼包段为例

高速公路绿化带能美化环境,吸尘减噪,保持水土,但在降水量少的干旱地区,高速公路绿化带主要依赖地下水补给,会对区域地下水资源分布产生一定影响。以土默川平原北部呼包高速绿化带为研究对象,利用3S技术将研究区的绿化带进行分类,同时,结合ET_0等相关公式计算绿化带的蒸腾耗水量。在收集区域水文地质资料的基础上,掌握研究区的地下水补径排特征,计算研究区侧向补给量,进而得出绿化带蒸腾耗水量与地下水补给量之间的关系,定量分析高速公路绿化带建设对区域地下水循环的影响。结果表明:研究区地下水补给主要来源于大青山山前侧向补给,主要排泄为地下水径流排泄及绿化带的蒸腾耗水; 2016-07—2017-06期间,研究区非植被区、植被覆盖区分别占总面积的17%和83%,绿化带年蒸散发量为1006.10 mm,蒸腾耗水量为2434.86×10~4m^3/a;山前侧向补给量为24372.16×10~4m^3/a;绿化带蒸腾耗水量约占山前侧向补给量的10%。由此可见,高速公路绿化带的建设对地下水资源分布有着重要的影响。     

黑河下游额济纳绿洲荒漠植被与地下水位埋深的 定量关系

干旱区植被生长与地下水的依存关系是生态水文地质学研究的热点之一。由于降水稀少,中国西北地区植被的生长发育与地下水的关系极为密切,从大尺度上研究地下水变化的生态效应问题对生态环境的保护和恢复具有重要的意义。借助遥感方法,结合地下水观测数据,在区域尺度上定量地研究了我国黑河下游额济纳绿洲荒漠植被发育与地下水埋深的关系。结果表明:适宜植被生长的地下水埋深范围约为2~5 m,当地下水埋深超过5.5 m时,由于植被根系缺水,不能维持冠层正常生长,几乎没有植被发育。     

甘肃省黑河流域土地沙漠化的水文学指征初探

黑河流域土地沙漠化及水资源合理利用一直是该流域研究的焦点问题。文章首先从土地沙漠化分布范围、种类、面积、沙漠化程度等方面，分析了黑河流域土地沙漠化的现状：土地沙漠化主要发生在流域的中下游地区，尤以额济纳绿洲沙漠化形势严峻；其次，从地表水、地下水之水质、水量方面分析了黑河流域水环境变化的状况：人类不合理的经济活动，导致黑河流域水资源环境恶化，具体表现在地下水、地表水水位下降、水质恶化。在此基础上，从黑河流域地表水及地下水着手，初步提出了黑河流域土地沙漠化的水文学指征体系：其中，地表水主要包括蒸发与蒸腾的消耗、径流和渗漏3个部分；径流部分又分为地表水流经区域及水量变化、干流水量的系列变化以及泥沙沉积3方面；地下水则主要有水质变化及水位的连续变化2方面。     

黑河流域水文特性

介绍了黑河流域基本概况,依据黑河流域多年水文资料,分析了黑河流域降水、蒸发、径流的年内分配、年际变化和地域分布。黑河流域降水稀少,蒸发量大,水资源短缺,植被稀疏,水土流失严重,生态环境极为脆弱。     

基于分布式大流域径流模型的中国西北黑河流域水文模拟

水资源短缺是中国西北干旱地区长期的问题,区域人口增加、城市化扩张,加之气候变化的影响进一步加剧了西北地区水资源短缺,也使生活用水、灌溉用水、工业用水和维持生态系统稳定的用水危险加剧.采用分布式大流域径流模型(DLBRM)模拟黑河流域水文(中国第二大内陆河,流域面积128 000 km2)来理解区域的冰川和积雪融化水、地下水、地表水、蒸散发等方面的分布,评估气候变化对水文的影响和冰川退缩对中游和下游来水量的影响.模拟结果表明,黑河流域的大部分产流那源于黑河上游地区的祁连山.模拟1990-2000年黑河河流日流量变化结果认为,黑河中游正义峡给下游的供水为10×108m3,其中地表径流占51%,层间流占49%.中游地区沙土具有较高的蒸腾发能力,近一半的地表水被蒸发掉.模拟实践证明,分布式大流域径流模型可以结合气候变化、水资源管理方面的成果,改进流域水文模拟的精度.     

黑河下游水环境变化对生态环境的影响

黑河下游地区深处内陆腹地,气候极度干旱,冬春季节多大风,生态环境恶劣,黑河进入下游地区的水量是维系区内生态的主要水源。20世纪80年代以来,由于中游地区过量开采,流入下游的水量大幅减少,导致东、西居延海相继干涸,绿洲草场大面积沙化,沙尘暴肆虐,生态环境恶化。2002年以后,由于执行国务院有关黑河分水方案,东、西居延海相继恢复湖面,绿洲区生机盎然,生态环境得到恢复。黑河下游地区地下水储存量达到3000×108m3以上,水质较好。黑河沿途渗漏是地下水的主要补给来源,不同河段渗漏的水量通过古河道网络迳流、排泄,维系着额济纳绿洲和古日乃荒漠绿洲植被生态。目前,正在修建旨在防止河床渗漏的甘蒙引水渠,遗弃原有河道,将会切断地下水的补给,导致依靠地下水滋养的古日乃荒漠绿洲植被消失,形成新的规模巨大的沙尘暴源区。     

黑河流域下游额济纳绿洲与水资源的关系

简要介绍了黑河流域下游额济纳绿洲自然概况,分析了黑河下游地表水、地下水近20年的变化趋势,进而对额济纳绿洲植被生长、植物种群演替、植被覆盖度以及绿洲的存亡与当地地下水埋深的关系作了剖析,并对规划年绿洲变化作了预测.指出了水资源是黑河下游额济纳经济社会可持续发展和生态环境建设的依托,如何稳定绿洲和使绿洲有适度规模发展,是生态保护的核心问题,具有重要的战略意义.     

用同位素方法研究额济纳盆地承压含水层地下水的补给

本文通过环境同位素、温度、电导率和人工示踪等方法研究了黑河下游古日乃和额济纳盆地深部承压水的补给源 ,初步揭示了额济纳盆地承压水来自于祁连山的降水 ,是部分祁连山西端雪水直接渗入山前的深大断裂 ,在玉门宽滩山一带注入与之相交的阿尔金断裂 ,然后继续向东补给至巴丹吉林沙漠 ,并顺着古日乃断层补给到额济纳盆地。通过蒸发量计算得到的补给量为 5× 10 8m3/a。黑河流域承压水中的 T(氚 )为 17.8～ 0 .1TU ,地下水的年龄与取样孔的位置有关 ,靠近强渗漏带附近的地下水的年龄只有 2 0～ 30 a。古日乃、拐子湖的湖泊、泉、沼泽等消失的主要原因是由于 5 0 a来温度升高、蒸发量增加和下游抽水量增大的原因。该项研究对于重新认识额济纳盆地、古日乃、巴丹吉林沙漠的地下水补给与黑河下游水资源调度、开发与利用具有十分重大的意义     

三江平原典型沼泽湿地能量平衡和蒸散发研究

基于涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地的水热通量进行了连续观测,研究沼泽湿地能量平衡和蒸散发的季节变化,确定观测期内沼泽湿地总蒸散量,并通过逐步回归方程估算沼泽湿地水面蒸发和植被蒸腾。结果表明,沼泽湿地的能量平衡具有明显的季节变化特征,总体看来,潜热通量是湿地的主要能量支出项,占净辐射的45.5%,感热通量和存储热通量分别占净辐射的27.9%和26.7%。2006年5~10月份沼泽湿地总蒸散量为310.6mm,月均日蒸散量最高值出现在7月。观测期内沼泽湿地水面蒸发量约为221mm,占总蒸散量的71%左右,植被蒸腾量则约占总蒸散量的29%,湿地蒸散发以水面蒸发为主。     

青藏三江源区蒸发量遥感估算及对湖泊湿地的响应

青藏三江源区湖泊湿地变化一直以来备受关注,气候因素被认为是湖泊湿地变化的主要影响因素.与温度和降水资料相比,气象站获取蒸发量数据比较困难,而遥感技术却为估算区域地表蒸发量提供了一条新的途径.基于地表能量平衡原理,结合MODIS卫星数据和研究区气象资料,建立三江源区蒸发量估算模型,分析研究区内蒸发分布规律,并探讨温度、降水量、风速和蒸发量之间的相关关系,最后分析蒸发量对源区湖泊湿地变化的响应.研究结果表明:三江源蒸发量呈增加趋势,区域蒸发量随水热、植被覆盖和海拔高度差异而变化;研究区蒸发量受温度和降水量影响较大;蒸发量增大是三江源区湖泊萎缩和湿地退化的主要影响因素.     

利用GRACE重力卫星数据反演黑河流域地下水变化

干旱区地表水资源有限, 地下水资源被超采利用, 黑河流域是西北干旱区典型内陆河流域, 有同样的地下水资源利用问题. 然而由于监测地下水变化的测井数目有限且分布不均, 难以从流域尺度上把握地下水资源的时空变化. 利用GRACE重力测量卫星数据反演黑河流域2003-2008年间的地下水时空变化, 为合理分配利用水资源提供科学依据, 为掌握无资料区域地下水水资源及其变化趋势提供了计算方法. 为验证GRACE反演结果的可靠性, 首先将计算出的黑河中上游地下水的变化, 与该区域实测地下水变化数据进行对比分析, 结果显示二者之间相关性较好, 在一定程度上表明GRACE数据具备反演整个黑河流域水储量变化及其各个组分的能力. 此后, 利用GRACE数据反演了全黑河流域的地下水变化, 对其时空变化进行了分析和讨论. 结果表明: 黑河流域2003-2004年间地下水减少的幅度越来越少, 2005年夏季期间地下水资源量增加量最多, 自此地下水增加幅度逐渐减少, 至2008年趋于平衡. 空间上流域局部变化波动较大, 2003-2004年间黑河上游地下水资源量处于减少状态, 2005年相对于6 a地下水平均含量有轻微增加趋势, 2006年处于6 a平均值状态, 2007-2008年有稍微上升趋势; 中游在2005年有略微的上升, 之后3 a下降; 下游地下水含量在6 a中整体呈上升趋势.     

干旱区植被盖度增加对降水入渗补给地下水的影响——试验研究与数值模拟

随着西北旱区生态恢复工程的实施,该区生态环境持续改善,植被盖度不断增加。但植被冠层截留与蒸腾耗水加剧了包气带水分的亏空程度,减小了降雨对地下水的补给。采用原位试验方法,分析了植被覆盖区和裸土区不同深度土壤水势的变化规律。结果表明,受蒸发和蒸腾的共同作用,植被覆盖区平均土壤水势(-74k Pa)远低于裸土区(-16k Pa),且变化剧烈,土壤水以向上运动为主。而裸土区土壤水势高,变化小,40cm以下土壤水向下运移,因此可以持续补给地下水。采用Hydrus-1D软件进行了长序列土壤水数值模拟,定量分析了植被盖度增加与地下水补给的关系。数值模拟结果表明,在裸土条件下,降雨对地下水的补给量介于82~333mm/a之间,平均值为197mm/a,平均降水入渗补给系数为0.53。而在植被覆盖的情况下,地下水的补给量几乎为0。最后,从植被蒸腾耗水和冠层降水截留2个方面讨论了旱区植被盖度增加对降雨入渗补给地下水的影响,提出了旱区水与生态和谐发展的建议。     

黑河流域中游盆地地下水动态特征及其调蓄能力分析

40 多年来,我国西北地区大规模的地下水开发利用造成了部分地区地下水水位持续下降甚至泉水干涸,部分地区地下水仍能维持动态稳定,判断这类地区水资源开发利用是否具有可持续性是必须解决的重大科学问题。以黑河流域中游盆地作为研究对象,采用MK检验和连续小波分析等方法,分析长时间序列地下水水位数据的变化特点,研究区域地下水动态特征;结合区域水文地质条件,综合划分黑河流域中游盆地地下水补排平衡区与非平衡区;利用克里金插值法估算1990—2020 年盆地含水层对水资源的调节水量,并评价不同动态平衡区的调蓄能力。结果显示,黑河流域中游盆地地下水水位动态类型有:水文型、水文-开采型、开采型和蒸发-开采型4种长周期动态稳定型,过量开采型或上游过度引用地表水型2 种长周期持续下降型。黑河-梨园河倾斜平原、酒泉盆地和黑河中游下段侵蚀堆积平原的大厚度含水层是黑河流域中游盆地的地下水补排平衡区,其在1990—2001 年共输出地下水12.06×108 m3,2001—2020年共储存地下水9.06×108 m3。大厚度含水层为地下水的长周期调蓄提供了充足的空间,在合理控制开采量的前提下,该类含水层的天然调蓄能力可满足生产生活和下游生态用水需要。盆地地下水补排非平衡区,如黑河以东诸河倾斜平原、盐池盆地和榆木山山前诸小河流域等地区,目前的地下水开发利用方式和强度是不可持续的,应适当减少地下水开采量,调节盆地上游的引水量和开采量,抑制地下水资源枯竭。本研究成果可为西北干旱内陆地区水资源管理和持续开发利用提供参考。     

基于地下水陆面过程耦合模型的黑河干流中游耗水分析

耗水分析能够直接揭示水资源利用的本质, 蒸散发是流域尺度耗水的主体. 将一个典型的陆面过程模型和一个地下水模型紧密耦合, 从而在地下水模型中增加具有物理机理的蒸散发描述, 同时改进陆面过程模型中地下水的动力过程, 由此在发挥这两类模型各自优势的基础上, 构建了一个地下水-陆面过程耦合模型. 利用该模型模拟了黑河干流中游2008年逐小时的蒸散发过程. 结果表明: 黑河干流中游2008年总耗水量约为35.7×10⁸ m³, 耗水最大的地表类型是农作物为19.3×10⁸ m³、 裸地和戈壁为7.2×10⁸ m³、 草地为6.0×10⁸ m³、 稀疏植被为3.1×10⁸ m³, 其中, 不同地表类型的年蒸腾量分别为8.8×10⁸ m³、 0.02×10⁸ m³、 2.2×10⁸ m³以及0.4×10⁸ m³, 对应它们的年蒸散发强度分别为: 580 mm、 117 mm、 331 mm以及202 mm. 通过耗水平衡分析也得到2008年黑河干流中游地下水呈负平衡状态, 全年地下水超采约0.9×10⁸ m³, 其中区内地下水储量在7—11月间呈增加趋势, 其他各月呈减少趋势.     

植被生态对气候变化和人类活动的响应 ——以陕西省榆林能源化工基地为例

全球气候变化和人类活动双重作用对生态环境的影响是当今研究的热点问题.本文以国家级榆林能源化工基地为研究区,以MODIS遥感数据为依据,以归一化差值植被指数NDVI为参数,研究了植被生态的时空分布规律,分析了植被生态与降水、地貌、地下水、包气带岩性等自然条件的关系,揭示了人类活动对植被生态正负两方面的影响.研究结果表明,自然条件控制着植被生态的格局,植被生态具有明显的水平分带性,由东南向西北,随着降水量的减少、蒸发量和干燥度的增加,植被状况由好变差;2000年以来区内植被状况总体呈现好转的趋势,其中71.22％的区域好转,28.43％的区域基本维持不变,0.35％的区域退化.植被生态对气候变化尤其是降水量的年际变化具有敏感的响应,煤炭和地下水资源开采等人类活动对植被生态总体上造成负面影响,退耕还林(草)、限耕禁牧政策的实施是研究区植被生态总体呈现好转趋势的根本原因.     

黑河流域山前绿洲灌溉农田蒸散发模拟研究

基于Penman-Monteith蒸散公式, 应用土壤-植被-大气系统水分和能量传输理论对Shuttleworth-Wallace蒸散模型的参数进行改进, 得出解析计算农田作物蒸腾和土壤蒸发的双源模型. 对黑河流域山前绿洲农田春小麦生长期土壤蒸发、作物蒸腾以及总蒸散过程进行了模拟研究. 对模型的计算结果以田间观测和水量平衡方法进行验证, 误差目标NSE=0.98, 说明该模型用于农田蒸发和蒸腾的计算是合理的. 对影响蒸发和蒸腾的主导因子净辐射、叶面积指数、土壤含水量进行了相关性分析, 得出三者的变化对土壤蒸发、作物蒸腾的影响. 通过不同时期日蒸散发量变化特征的分析, 表明土壤、冠层两个界面对能量和水汽传输的交互影响效应显著.