平原河网区水利工程调控下水文连通变化

在水利工程建设及其人为调度的影响下,平原河网水系连通程度发生了巨大变化。为此,针对平原河网区水文连通难以模拟的问题,在现有水系结构连通的基础上,将水利工程的运行纳入水文连通的评价体系,提出一种适用于平原河网区水利工程调控下的水文连通评价指数（SLCI）。该指数从水闸通过概率、水流分流能力及河网连通程度,从点—线—面分尺度逐步评价不同调度规则下汛期与非汛期水文连通的动态变化。并且,该指数以格网为评价单元,结合反映地理要素空间集聚性的Getis-Ord G_i^*指数,相比行政单元、水利片区等大尺度评价单元,能够更精细地描述水文连通空间上的分异性。太湖流域武澄锡虞区是一个典型的平原河网区,本指数在该区域进行了应用,得到以下结果：受到水闸调控的作用,武澄锡虞区非汛期时平均水文连通指数为0.66,汛期时平均水文连通指数则为0.50。另外,非汛期时水文连通集聚空间范围比汛期时高5%。其中,非汛期与汛期连通高值区SLCI值分别为0.93与0.87,低值区SLCI值分别为0.25与0.16。本文提出的水文连通评价指数可为有关部门开展长三角地区水系建设工作提供理论支撑,也为开展人为调控下平原河网区水文连通评价提供新思路。     

基于图论法对城市水系连通性表征及优化

基于景观生态学中“点–边”数量关系建立水系环度（α）、节点连接率（β）和网络连通度（γ）3种水系连通性评价指标,绘制出南昌市水系“节点–廊道”有向图,并以城市湖水体引流化污为切入点来优化城市水系连通性。研究表明：① 南昌市城区水系存在廊道空间分布不均匀,湖节点与其他水系节点连接的廊道较少等问题;② 优化后的城区水系相较于现在水系,其中水系环度（α）提高75%,节点连接率（β）提高14.88%,网络连接度（γ）提高14.63%。在城市水系连通性优化中,不应过分追求连通性而盲目增加湖泊廊道,应在连通性与湖泊连接的廊道数量之间保持一个平衡关系,以免水体污染物在湖泊中淤积。     

不同比例尺水系修正DEM的流域河网提取对比

选取三门峡至小浪底区间小流域为研究对象,以1∶5万和1∶25万两种尺度的数字化水系分别修正DEM,在此基础上运用ArcGIS水文分析模块(ArcHydro Tools)进行流域河网提取。研究表明,基于水系修正的DEM和ArcGIS水文分析模块提取的流域河网精度较高,1∶5万水系修正DEM得到的河网更接近自然水系;通过对两种水系修正DEM生成的河网套合差计算发现,二者河网吻合程度较好,在DEM数据精度较高或者地形起伏较大的地区,如果没有更高精度的水系数据,1∶25万水系可取代1∶5万水系用于修正DEM。     

太湖平原区河网结构变化对调蓄能力的影响

城镇化快速发展导致河网水系萎缩,连通性受阻,河网调蓄能力降低,加大了区域洪灾风险和洪涝损失.基于1960s,1980s,2010s的1:5万地形图水系及三个控制站的水位数据,选取河网密度(R_d),水面率(W_P),盒维数(D),水位Hurst指数(H),分析了近50年来太湖流域武澄锡虞地区的水系演变与河网调蓄能力变化;并借助代表性单元流域概念,以水位Hurst指数来表征河网调蓄能力,从河网调蓄的物理机理出发,探讨了河网调蓄与河网结构参数的关系.结果表明:① 受快速城镇化影响,1960s-2010s武澄锡虞地区河网密度,水面率及盒维数分别下降了18.87%,24.59%,7.60%,且1980s至2010s各水系指标的衰减率均高于1960s-1980s;② 1960-2010年,研究区年均及汛期的水位Hurst指数呈下降趋势,其所反映的河网调蓄能力与该地区河网水系各指标变化同步,这表明城镇化引起的河流水系衰减导致河网调蓄能力发生明显下降,非汛期水位Hurst指数先增加后降低,表现出一定的不确定性;③ 基于REW概念与水位Hurst指数值,初步构建了河网结构参数与调蓄能力的关系式,并对关系式进行了验证,基本可行,可在一定程度上揭示城镇化下水系变化对河网调蓄能力的影响,从而为评价平原水网区河网调蓄能力提供了一种相对简便的方法.     

近50年杭—嘉—湖平原水系时空变化

基于1960s、1980s和2000s地形图水系数据,采用河网密度、水面率、河网发育系数、干流面积长度比和盒维数等指标,对杭嘉湖地区近50年水系空间分布和时间演化进行了研究。结果表明:(1)杭嘉湖地区1960s-2000s期间水系长度和面积呈衰减趋势。近50年河流长度减少了11023.33 km,衰减了38.67%,水面积减小了151.58 km2,衰减了18.83%,且这种趋势在加剧;(2)支流发育系数呈下降的趋势,河网随着城市化的发展逐渐主干化。1960s二级支流发育系数为1.41,至1980s下降到1.35,下降了3.9%;1980s-2000s期间急剧下降至0.15,下降了88.6%;(3)水系变化的空间差异明显,河网密集的南部区水系衰减最为剧烈;(4)在不同下垫面条件下水系变化有各自特点。城市区水面率较小,约4.9%~9.4%,1960s以来水面率、河网密度呈减小的趋势,伴随城市化过程出现较重要的城市防洪疏浚、新挖河道工程。河网区河网密集,约2.1~5.3 km/km2,支流下降明显,干流有增加趋势以致河网主干化。典型湖区水面率较大,约17.8%~19.7%,水系格局变化相对不明显。     

基于DEM的数字流域特征提取研究进展

数字高程模型(DEM)是地表形态高程属性的数字化表达,利用流域DEM数据构建数字水系模型并提取流域水文特征,是分布式水文过程模拟的重要基础。DEM中闭合洼地和平坦区域的处理、流向的确定以及DEM分辨率的大小都直接影响着流域水系特征提取的质量与效率。针对当前基于DEM提取河网与流域特征的诸多问题,阐述了DEM数据提取流域水系特征的原理,回顾了数字水系模型与流域特征提取方法,评述了洼地和平地的处理方法及水流方向的确定方法的研究进展,介绍了当前基于不同DEM数据类型的提取方法研究,探讨了DEM尺度和分辨率对提取流域特征的影响,总结了平缓区域数字水系和河网提取的研究进展。     

干旱区灌丛形态对水文连通性的响应及生态效应

干旱区生态系统的水文连通性影响植被斑块形态的空间分异。植被形态对水文连通性的适应是一个复杂且长期的过程。研究植被与水文连通性，过去多基于群落以上尺度，不涉及微观尺度。从植株个体角度探讨植被斑块形态与水文连通性关系，有助于挖掘微观尺度上景观格局对生态过程的驱动机制。本研究以黄土高原丘陵沟壑区多年生灌丛作为研究对象，以高分辨率无人机航拍照片解译和野外定点观测为研究手段，量化植被斑块形态与水文连通性之间定量关系，分析二者对泥沙截留与土壤固碳等关键生态过程的影响。结果表明：(1)坡面灌丛斑块总体呈现横向生长趋势，灌丛斑块纵横比小于1;灌丛斑块纵横比从坡顶到坡底逐渐增大，分别为0.64、0.70、0.79、0.83;(2)灌丛方向与水流方向夹角从坡顶到坡底先减小再增大；坡面中部的坡度最大，灌丛方向最接近与水流垂直的方向；(3)灌丛的汇流累积量从坡顶到坡底逐渐增大，表明其水文连通度逐渐增大；水文连通度与灌丛斑块纵横比呈正相关关系；当水文连通度足够大时，灌丛在横纵方向上的生长没有倾向，形状近似为圆形；(4)泥沙拦截量和固碳效率随坡位下降而下降，二次曲线拟合表明泥沙拦截量和固碳效率随水文连通度增加呈增...     

水系连通变异下荆南三口河系水文干旱识别与特征分析

为揭示水系连通变异下荆南三口河系水文干旱演变特征,运用荆南三口河系五站1956-2016年的月径流量数据,采用游程理论识别该河系水文干旱特征变量,并运用Kolmogorow-Smirnov优度检验法选出干旱历时、干旱强度和峰值的概率分布函数,构建出水文干旱特征联合分布Copula函数,对水系连通变异下该河系水文干旱特征进行深入研究。结果表明：① 1989年为荆南三口河系（1956-2016年）水系连通变异分割点;② 该河系连通性变异前后水文干旱特征均发生显著变化,水文干旱事件发生的次数增多,干旱历时增长,干旱强度增大,峰值增高;③ 各站点的相同单变量重现期下二维联合重现期在水系连通变异前基本上均比水系连通变异后长,二维同现重现期在水系连通变异前均比水系连通变异后短;④ 水系连通变异后,该河系水文干旱历时、干旱强度和峰值呈现增加趋势,且在相同单变量重现期的情况下,干旱历时更长,干旱强度更大,峰值更高;⑤ 水系连通变异后水文干旱特征的变化幅度与变异前存在差异,不同河系其水文干旱特征的变化幅度不同。     

四种河流水系阻力下的黄河三角洲湿地生态网络构建及对比研究

构建生态网络是增加景观连通性的有效途径,对提高生态系统整体性和保护关键生境具有重要意义。阻力面设定是生态网络构建的前提。以黄河三角洲天然湿地为研究对象,采用最小成本路径方法,设置4种河流水系阻力方案,即基础河流水系阻力、河流水系阻力减半、河流水系不设阻力和缩小阻力赋值区间,构建生态网络。并耦合网络分析方法和景观连通性指数,评价生态网络的连通性,探讨4种河流水系阻力设定对黄河三角洲湿地生态网络构建的影响。研究结果表明,不同的河流水系阻力赋值方案产生的湿地生态网络存在显著差异,阻力赋值大小与赋值区间对构建的生态网络结构产生重要影响;基础河流水系阻力产生的生态网络1和水系阻力减半构建的生态网络2的空间分布相对一致,节点、潜在廊道和长度总体变化不大;河流水系不设阻力时,生态网络3的空间分布发生较大改变,节点和潜在廊道长度增加,潜在廊道路径多与河流水系重叠,尤其是在黄河现行河道和黄河故道;缩小河流水系阻力的赋值区间,生态网络4的结构更为复杂,节点数、廊道数量和长度都显著增加。网络结构评估结果进一步表明,4种方案都能生成闭合的网络,当河流水系作为不适宜生境时,随着河流水系阻力的减小,网络闭合度(α指数)、线点率(β指数)、连接度(γ指数)、成本比(cost ratio)依次增大;缩小了阻力赋值区间,生态网络4的网络连接度、连接数和闭合度都相对最高。随着距离阈值的增大,生态网络的景观连通性提高;当距离阈值小于12 km时,4个生态网络的连通性小幅增加,当距离阈值大于12 km时,生态网络3的景观连通性明显高于其它3个网络。     

感潮河网地区水系结构特征及城市化响应

根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据,尝试以水利片作为河网地区流域水系结构的基本单元, 类似Strahler水系分级,采用上海水资源管理信息系统中的河道分级体系作为水系分级方案,探讨了感潮河网地区的水系结构特征及城市化响应。研究表明：(1) 非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现,反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化,不同等级水系的发育具有自相似特征。(2) 城市化是改变感潮河网地区水系结构的重要因素,在高度城市化的城区水利片,不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏,其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的削弱,即高度城市化地区河网水系结构趋于简单,非主干河道减少,河网水面率与城市化水平成反比,反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3) 河网水系的结构与功能参数之间具有显著的相关水平,说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱,指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义,在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。     

基于DEM的洪泛平原湿地数字水系提取研究

为了研究探索洪泛平原湿地区域基于DEM的地表水要素数字特征,采用ArcGIS9.0的Hydro Arc Tools模块,配合改进升值裂开算法编制的程序在三江平原洪河保护区1:1万比例尺的DEM基础上进行了数字水系提取研究,将研究区划分为6个数字集水区,提取出以沃绿兰河-浓江河为主的数字河网,以及大小82处泡沼和洼地。研究表明,在保持高精度DEM前提下,数字地表水系统可以通过基于DEM自动提取出来,但是存在河道偏移以及河网形态失真等问题,需要在进行数字提取前后进行多次修正。在DEM数字高程预处理过程中保持高程信息的水文特征不丢失,以及发展专业处理平坦区域和低洼地域的有效算法,将是进一步提高洪泛平原湿地区域数字水系提取效率和精度的关键。     

上海市城市景观生态网络连接度评价

城市是典型的人工景观系统,具有景观破碎化现象严重、高连通性低连接度等特征。本文运用景观生态网络连接度理论,探讨我国生态城市建设中景观生态连通性和连接度的内涵和特征,在城市景观生态网络构成分析的基础上,采用连接度指数、廊道密度和引入交通网络指数等建立起景观生态连接度评价方法和体系,对上海市城市景观生态网络中道路网络、绿地网络、水系网络及其形成的"三网合一"的复合网络连接度进行评价。目的在于为我国生态城市发展建设和城市景观生态网络规划提供理论基础。从评价结果来看,单个网络的连接度较高但特征各不相同。将水系网络、路网和绿地网络进行复合的一体化网络的连接度却急剧下降,揭示出上海城市景观生态网络存在分割多、连接少的网络平面化特征。     

景观连通性理论在城市土地适宜性评价与优化方法中的应用

针对传统的土地适宜性分析方法忽略景观水平生态过程的问题,本文将景观连通性理论应用于土地适宜性评价方法的不同阶段,以达到优化城市生态系统的目标。首先选择影响生物水平流动的主要要素作为评价因子,应用于长沙市望城区滨江片区,确定案例区的土地适宜性评价结果,建构城市土地景观过程阻力评价体系。通过水文连通性分析方法及分布式水文模型确定案例区的潜在雨水生态廊道,将之与土地适宜性评价结果进行加权叠加,根据评估结果,提出案例城市土地适宜性评价的优化方案。结果表明:景观连通性方法适用于传统城市土地适宜性评价方法的改进以及评价结果的优化。     

20世纪30年代珠江三角洲平原河网结构重建及最大槽蓄容量

基于1954年美国陆军制图局编制的中国地形图、1930―1934年日军参谋本部所绘中国地形图、广东省水文志和研究区各县县志等历史文图资料,重建研究区20世纪30年代的河网模型,对传统农业末期平原河网水系进行高精度复原,计算其最大槽蓄容量并分析其区域特点。结果表明：1）20世纪30年代珠三角河网（除干流河道）的最大槽蓄容量为6.78亿~20.75亿m³,其极值为20.75亿m³,平均值为13.38万m³/km²。其中1级河道最大槽蓄容量占总量的33.5%~49.1%,对于整个河网的容蓄洪水能力及水资源调度能力影响更大。与现阶段不同,传统农业时代末期（20世纪30年代）珠三角河网的槽蓄容量与河网密度呈正相关,槽蓄容量的大小受河网密度的影响较为明显。2）20世纪30年代珠三角河网的形成与传统时期的农业开发有着密切的关系,当时的河网水系是自然发育与该时期围田业对其开发、围垦的共同结果,围田开发的兴修堤围、挑挖河道等活动对于河网的扩展及其最大槽蓄容量的增加具有客观上的促进作用。     

基于MCR和多因素评价的辽宁省农村居民点调控分区

农村居民点调控既要体现社会经济特征的差异,又要体现区位条件适宜性的差异。首先,通过运用最小累积阻力模型(MCR)评价农村居民点图斑的区位适宜性,通过适宜值加权求和汇总各县市单元微观区位适宜值。其次,运用多因素综合评价方法,从社会条件和经济条件等方面评价辽宁省各县市农村居民点调控的优先度,通过运用指标判别分析法,确定省域农村居民点分区调控方案。结果表明:(1)基于MCR模型的评价结果将农村居民点的适宜性划分为高度适宜类、较适宜类、一般适宜类和不适宜类,高适宜类主要集中在中部平原地区且较适宜类和一般适宜类围绕高度适宜类成带状或片状分布;(2)运用多因素综合评价模型,将优先度评价指标值按照1/3法分为强、中、弱3级,中部平原优先度条件好,东部沿海地区优先度条件也较好,西部山地丘陵区地区中有些县市由于农村居民点数量大,优先度也较高;(3)运用指标判别法综合考虑图斑层面的区位条件和宏观层面的社会经济状况,划分优先调控区、重点调控区、优化调控区和适度调控区。     

河湖水系连通理论基础与优先领域

河湖水系连通是中国正在推进的重大治水战略,是提高国家水资源统筹调配能力、水生态环境修复能力和河湖健康保障能力的重大举措,也是提高水旱灾害抵御能力的重要保障。目前河湖水系连通的知识比较零散,尚未形成系统的理论体系,河湖水系连通理论基础的研究,对理论体系的构建、战略的实施和持续推进具有重要意义。本文基于河湖水系连通的理论研究的特征,提出其理论框架体系,分析了可持续发展、水利科学、经济学、生态学、系统科学等基础理论与河湖水系连通理论体系之间的内在关系。从当前国家实施河湖水系连通战略和构建河湖水系连通理论体系的迫切需求出发,本文提出了河湖水系连通理论研究的优先领域,包括河湖水系连通性与功能评价理论与方法、河湖水系连通水体耦合机制与系统稳定性理论、水系连通协调性理论、水系连通—经济格局匹配性理论、水系连通—生态环境影响机理与评估理论、水系连通巨系统不确定性与适应性理论等,优先突破重点领域理论研究,逐步形成和完善河湖水系连通理论体系,以科学、完整的理论体系支撑河湖水系连通治水战略高效、顺利实施。     

平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响

平原河网地区是河流高度发育并受到城市化深刻影响的区域。本文以上海为例,基于上海及周边城市普遍采用的河流分类和水利片管理系统,分析不同城市化水平地区河流结构的共同特征及其差异性,探讨河流结构对河网调蓄能力的可能影响,提出估算河网调蓄能力的方法。研究表明,平原河网地区河流结构指标反映了该地区河流数量、长度以及低等级河流高度发育的自然地理特征,城市化在达到一定程度后即会干扰河流结构的自身发育规律,并表现为河流发育能力的下降;河流结构在城市化影响下表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势;河网调蓄能力受低等级河流数量及结构的影响更大,并随着城市化水平的提高而下降;就整体而言,城市化对河网调蓄能力的影响大于对河流结构的影响;以水面数量和河流结构两项指标作为参数能够更准确地估算河网调蓄能力。     

中国沿海陆地自然保护区景观连接度评价

人类社会发展进入人新世时期,以人类活动为主导的高频率干扰和自然资源的高强度开发对生态环境造成严重威胁,提升自然保护区的景观连接度是缓解和应对外界干扰的关键手段之一。传统意义上景观连接度研究侧重于景观基质对物种迁徙的累积负向阻碍作用,评价体系中忽略了生物多样性对物种迁徙的正向支持作用。本文以中国沿海省份作为研究区域,将生物多样性空间分布作为生态系统关键功能的表征,并将其纳入景观连接度评价体系,构建了生态廊道的连通适宜性及生态支持力二维评价新方法,进一步分析人类活动干扰和物种空间分布对自然保护区景观连接度的影响。研究结果表明沿海地区人类活动对景观连接度的影响存在明显的边缘效应,即自然保护区边缘地带的人类干扰范围（46.46%）明显高于其内部区域,人类活动干扰使保护区面积减少约720.25 km²,且造成廊道起点和终点位置的改变。自然保护区边缘地带人类干扰导致了研究区域内95条廊道的连通适宜性下降;78条廊道的生态支持力有明显提升,“一降一升”的评价结果能有效地衡量景观基质对物种迁移的支持能力变化。基于景观基质阻碍和促进作用的二维评价可为中国未来自然保护区连通性和生物多样性保护提供更为全面的时空格局动态变化模拟,为优化自然保护区空间布局提供更为完善的景观连接度评估新方法。     

基于地形指数的格陵兰冰面水系建模与评价

每年消融期,冰面融水通过冰面水系输送至冰盖边缘,造成格陵兰冰盖物质损失。冰面水系的动态变化决定了冰面融水输送的方式与效率,显著影响格陵兰冰盖物质平衡。作为决定冰面水系动态变化的关键因素之一,冰面地形对冰面水系动态变化的控制程度有待研究。本研究选取格陵兰冰盖西南部典型区域(～1800km~2)作为研究区,以32m空间分辨率ArcticDEM作为实验数据,利用地形湿度指数(Topographic Wetness Index, TWI)和最邻近河网高差指数(Height Above the Nearest Drainage, HAND)两种地形指数模拟冰面水系分布,结合2016—2019年消融期29景10 m空间分辨率Sentinel-2和30 m空间分辨率Landsat-8影像提取冰面水系作为验证数据,通过模糊比较揭示了地形指数建模冰面水系的精度。研究结果表明:地形指数能够较好地建模冰面水系分布(总体精度72%),冰面水系分布主要受地形因素控制,将地形指数引入冰面水文的研究,有助于加强对于冰面水文过程的理解。     

微地貌制约下江汉平原土地利用分异特征及变化方向

江汉平原大平小不平,具有平原湖区、平缓岗地区和起伏丘陵区3种微地貌单元。以江汉平原为研究区,研究分析微地貌格局下土地利用的特征。将江汉平原土地利用图层(1990,2010年)与微地貌单元图进行叠置,提取不同地貌单元下两期土地利用类型图斑的周长、面积等信息;分析验证了江汉平原微地貌单元下各土地利用类型存在分形关系,采用分维数等指标定量分析了不同微地貌单元下各土地利用类型的特征和变化方向。结果表明:(1)各微地貌单元土地利用类型结构差异明显,平原湖区和起伏丘陵区耕地占绝对主导地位,而平缓岗地区林地占绝对主导地位。(2)各土地利用类型斑块的连片性在不同微地貌单元呈现出很大差异。1990—2010年平原湖区耕地、水域、建设用地和未利用地的连片性均很好,而起伏丘陵区仅有林地和草地表现出最好的连片性。(3)1990—2010年平原湖区各地类分维数呈下降趋势,稳定性增加;各微地貌区土地利用类型的分维数和稳定性指数值及其变化在一定程度上反映了地形地貌、自然环境及人类干扰对土地利用变化的影响。