黑河流域下游自然资源与社会经济耦合协调响应机制研究——以阿拉善盟额济纳旗为例

为研究近40 a黑河流域下游自然资源经济系统耦合协调过程和规律,以黑河流域下游阿拉善盟额济纳旗为研究对象,根据《额济纳旗统计年鉴》(1990—2015年)自然资源和社会经济相关数据,建立指标体系,进行综合发展水平研究,通过耦合协调度模型对研究区自然资源和社会经济耦合协调度进行分析,并对2020—2030年两者的耦合协调度进行预测。结果表明: 额济纳旗自然资源综合发展水平从1990年的0.160 0提高到2015年的0.811 5,增长趋向明显; 社会经济综合发展水平从1990年的0.115 0提高到2015年的0.713 8,也呈不断上升的趋势; 二者的综合发展水平曲线变化整体相似。自然资源与社会经济耦合协调程度呈上升趋势,由1990年的“重度失调经济损益型”历经“拮抗”“发展”“磨合”阶段转变为2015年的“高度协调发展同步型”。通过灰色系统理论GM(1,1)模型,预测未来10 a两者耦合协调度将进一步提高。     

1990—2019年黑河流域植被覆盖度动态变化及气温对其影响

植被覆盖度的变化特征是流域生态监测的重要内容,能为流域综合管理决策提供基础信息。黑河流域是中国西北干旱-半干旱地区第二大的内陆河流域。为研究我国西北干旱-半干旱地区的生态状况,以黑河流域为研究区,根据1990—2019年Landsat NDVI数据,综合应用像元二分模型和一元线性回归方法,分析黑河流域植被覆盖度的动态变化并探讨气温对其影响。结果表明: 黑河流域植被覆盖度呈现由南向北递减的空间分布特征; 近30 a来,植被覆盖面积总体呈上升趋势,中高植被覆盖度增长速度最快; 流域大部分地区植被覆盖度保持不变,植被覆盖度增加的区域多于退化区域; 受全球变暖影响,整个流域气温呈升高趋势,中游气温上升最快,上游最慢,流域上游和中游气温的升高对植被覆盖度起到促进作用,下游气温的升高则抑制了植被生长。     

恢复额济纳旗生态系统的总经济价值——条件估值非参数估计方法的应用

条件估值方法是当前国际上流行的衡量环境物品非利用经济价值的方法, 通过调查居民针对不同环境状况变化的支付意愿,从而定量确定环境状况变化带来的经济效益和损失. 针对黑河流域额济纳旗生态系统恶化的现状,以投标支付卡的方法设计了700份调查问卷,调查了黑河流域居民恢复额济纳旗生态系统的支付意愿,并采用非参数分析方法对结果进行分析. 结果表明,用20 a的时间将额济纳旗的生态系统恢复到20世纪80年代初的水平,黑河流域总共有92.3%的居民家庭存在支付意愿,有支付意愿家庭的平均支付意愿为每年每户43.39元,同时采用列联表检验的方法辨明了被调查者的年龄、学历、收入、户籍和居住的地理区域等因素对支付意愿的影响. 最后在综合不同区域居民支付意愿差异的基础上,采用当前的市场利率将计算结果在时空尺度上加总,得到恢复黑河下游额济纳生态系统的总经济价值的现值为2.94×10+8元.     

近三十年黑河中下游盆地地下水资源变化特征与演变趋势分析

根据1980～2005年地下水观测资料,对黑河流域中游张临高盆地与下游额济纳绿洲地下水资源变化特征及未来演变趋势进行了分析和预测。结果显示,近几十年来黑河流域中下游盆地地下水资源的变化过程主要分两个阶段。2000年黑河实施调水之前,中游盆地地下水资源主要受地表径流和阶段性土地开发利用的影响,出山径流与地下水资源的关系相对稳定,下游盆地地下水资源受中游用水的影响十分明显;从2000年实施调水后,中游盆地地下水资源与出山径流的关系发生了变化,中游盆地地下水平均水位持续下降,地下水资源量呈减少趋势,而下游额济纳旗盆地由于流入地表水数量增加,相应对地下水的补给量也增大,地下水水位则有不同程度的上升。为此,建议在水资源的利用中,应当充分利用地表水、地下水多次转化过程,最大限度地提高水资源的总体利用率。     

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.     

黑河干流拟建水利工程对下游生态环境的影响分析

依据典型年份实际调查资料和以往研究成果, 采用地下水均衡方法, 定量对比分析了黑河拟建水利工程对下游地区地下水资源变化趋势, 并利用Visual Modflow三维地下水非稳定流软件系统模型对下游盆地未来20 a(2008—2028年)地下水位及其生态环境变化趋势进行了预测.结果表明: 在拟建工程实施20 a后黑河下游地下水位总体上处于下降趋势, 但下降幅度呈逐年减少状态直至趋于新的动态平衡.金塔-鼎新盆地地下水位下降幅度最大的地段是黑河沿岸为0.51~0.87 m, 但由于人工农业绿洲补充, 故生态环境不会有大的改变.额济纳盆地地下水位下降幅度最大的地段是古日乃及外围, 分别为1.0 m以上和0.5~1.0 m, 将引起植被的衰亡和种群的更替变化; 大部分地段地下水位下降幅度介于0.0~0.50 m之间, 对现有的生态与环境影响不显著; 桃来三达-额济纳旗以北地下水位呈现上升趋势, 上升幅度为0.10~0.87 m, 东居延海一带上升幅度大于0.87 m, 这一地区植被长势趋于良好, 植被覆盖率会有所增加, 将形成围绕海子的天然绿洲.     

黑河流域水资源承载力的生态经济研究

西北干旱内陆河流域水资源是联系生态系统和经济系统的纽带,从生态经济的角度,给出了水资源承载力的概念. 在总结水资源承载力的特点和研究方法的基础上,将水资源承载力的研究纳入了生态经济系统的背景下进行综合集成研究. 以黑河流域中游为例,提出了研究水资源承载力的多目标模型和纳入生态价值模块的途径和方法,从价值量的角度对流域生态系统和经济系统进行了初步的耦合研究,并根据模型的优化分析结果分析了未来20 a黑河流域张掖地区的水资源承载力.     

基于文献计量学的黑河流域研究进展分析

水资源是生态环境与社会经济发展之间的焦点和枢纽,流域是水文水资源研究的基本单元,在流域尺度上开展综合集成的水文水资源研究是当前水科学研究的热点。我国西北地区的黑河流域是国内第二大内陆河流域,由于其独特的水文与地理特性成为流域科学研究的重点流域之一。基于Web of Science核心合集数据库,从学科发展与问题聚焦相结合、时间演化与空间变化相结合的全新视角评价我国黑河流域研究取得的科学进展,并与世界其他流域科学研究进行对比分析。结果显示,黑河流域研究在遥感、蒸散发、水循环、干旱区水资源管理与利用、气候变化等方面的研究为流域科学相关研究做出了积极贡献。近30年来,特别是国家自然科学基金重大研究计划"黑河流域生态—水文过程集成研究"的实施和黑河生态水文遥感等大型野外观测试验的开展大力推进了黑河流域科学研究,黑河流域研究论文的数量在世界流域科学研究中的排名已经进入前20位。基于文献计量的数据挖掘和对比研究可以为流域科学研究提供借鉴。     

1879-2015年巴尔喀什湖水位变化及其主要影响因素分析

近年来因气候变暖和人类活动影响,巴尔喀什湖水位下降,造成了湖泊及周边区域的生态危机,引起了国际关注.基于巴尔喀什湖流域1879-2015年的湖泊水位、河川径流、降水、气温和土地利用等数据,采用趋势分析、突变检验、周期分析和相关性分析等方法,定量解析了流域湖泊水位、气候和土地利用等变化特征,综合探讨了巴尔喀什湖水位的影响因素.结果表明:1879-2015年,巴尔喀什湖水位在340～344 m呈明显丰枯周期性的变化,变化周期为48～52年;1988-2015年,水位呈现显著上升趋势,增速约为6.91 cm/a.巴尔喀什湖流域主要河流的入湖水量均呈减少趋势,东部主要支流甚至出现断流现象,使得伊犁河入湖水量占比约80％,且不断增大;中国伊犁河流入哈萨克斯坦境内的水量呈增加趋势,但由于普恰盖水库截流蓄水,导致伊犁河下游水量急剧减少.巴尔喀什湖流域农业用地从1928年左右开始到现在经历了"增加—减少—增加—平稳"的变化过程,伊犁河中下游哈萨克斯坦的农业用地扩张和水利工程建设造成了伊犁河入湖水量减少,是巴尔喀什湖水位下降的根本原因.研究结果可为中哈跨境流域水资源合理利用、生态环境保护等提供一定参考.     

黑河流域地表反照率估算及其时空特征分析

基于不同空间尺度、长时间序列的地表反照率产品探究黑河流域2000—2012年的反照率时空变化特征。首先基于角度格网化(AB)算法对黑河流域30 m环境卫星一号HJ-1/CCD大气层顶方向反射率进行了地表反照率估算,作为高空间分辨率的地表反照率产品;选择同种算法计算的1 km空间分辨率的Global LAnd Surface Satellite(GLASS)反照率产品作为低空间分辨率反照率产品。结果表明:1利用AB算法反演的HJ卫星反照率具有较高精度,满足流域尺度反照率时空特征分析的精度要求;2黑河流域地表反照率空间分布差异显著,流域上游植被覆盖区域反照率较低,中下游荒漠地表反照率较高;3流域地表反照率的年内变化与季节性降雪和作物物候周期性变化一致。从季节变化角度,黑河流域反照率月平均值的年变化呈"U"字型,其中,冬季反照率最高,春季和秋季次之,夏季最低。从年际变化角度,黑河下游反照率呈上升趋势,上游和整个流域呈下降趋势。     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

黑河流域可持续发展的生态经济学研究

黑河流域生态环境脆弱,经济发展相对落后,水资源短缺已成为制约流域可持续发展的主要限制因素,从生态经济系统的角度研究黑河流域的诸多生态经济问题具有很强的现实和理论意义. 黑河流域的水资源不仅是流域社会经济环境可持续发展最主要的限制因子,而且是联系流域生态系统和经济系统的纽带. 在系统总结国际上关于流域尺度生态经济研究状况、进展和黑河流域相关研究的基础上,提出了以水资源可持续利用研究为纽带的黑河流域生态经济综合研究框架,具体研究内容主要包括: 1)生态过程模拟模型的研究; 2)宏观经济水资源模拟模型的研究; 3)环境变化条件下流域水资源可持续利用研究; 4)水资源可持续利用管理研究; 5)决策支持系统的研制. 最后, 根据现有的基础和条件,指出了在黑河流域生态经济综合研究中需要解决的关键问题.     

黑河流域生态水文样带调查

样带研究是研究全球变化与陆地生态系统关系最有效的途径之一。通过在黑河流域上、中、下游分别确定具有代表性的流域样带和空间网格,系统调查植被、土壤、水文、地貌和气候特征及人类活动和社会经济特征,建立相应的数据库。完善流域整体概念的野外观测试验研究网络,形成以流域为单元、科学问题为导向的生态—水文过程的数据—模拟研究平台,使我国流域生态水文研究进入国际先进行列。     

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.     

“蒸发悖论”在黑河流域的探讨

利用黑河流域12个气象站点1960-2010年的气象资料,运用FAO Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量,采用旋转经验正交函数、Mann-Kendall检验等方法系统分析了过去51 a间潜在蒸散量及气温的变化趋势,重点对"蒸发悖论"在黑河流域的规律进行分析.结果表明:根据潜在蒸散量的旋转经验正交函数分区结果,黑河流域可以划分为4个子区."蒸发悖论"仅于1960-1993年存在于黑河流域河西走廊区(Ⅱ区、Ⅲ区);其它各区无"蒸发悖论".1994-2010年由于潜在蒸散量的显著上升,河西走廊区"蒸发悖论"消失.1993年是黑河流域潜在蒸散量变化趋势的一个转折点,1994-2010年黑河流域的潜在蒸散量表现为统计显著的上升趋势.风速的变化是影响黑河流域河西走廊区"蒸发悖论"出现和消失的重要因素.     

甘肃西北部黑河流域水资源对下游生态环境变化的影响阈

从流域尺度水资源承载能力及其有限性、可变性和上下游关联性的角度,探讨了黑河流域下游区生态环境变化的影响阈,阐明了不同水文年中游区的安全引水量和不同目标下下游区的生态环境修复对水资源的需求阈.基于多年平均地表径流量37.8×108m3/a的安全引水量为13.97×108m3/a和枯水年份(95%保证率)的安全引水量为10.14×108m3/a,下游区初步改善生态环境的生态需水量为8.01×108m3/a.提出了中游区经济社会可持续发展的水资源保障阈,即未来20年生产生活安全需水量介于22×108～23×108m3/a之间.在此基础上,阐明了在中游区经济社会稳定持续发展目标约束下确保黑河流域下游区生态环境不断改善的流域水资源优化配置模式及对策.     

两千年来黑河流域水资源平衡估算与下游水环境演变驱动分析

利用地方史志、历史地理、树木年轮和近代器测记录相关的黑河流域历史时期人口变动、水土资源开发利用、下游湖泊变化、流域水资源和气候变化等资料, 通过对比上游出山水资源量、中游人类活动水资源利用量和下游湖泊面积变化, 在千年-百年时间尺度上对流域水资源平衡进行了估算, 并分析了历史时期各阶段下游湖泊水环境和天然绿洲演变过程和驱动机制. 研究结果表明: 在黑河流域, 气候变化条件下的上游山区水资源总量和中游走廊平原区绿洲人类活动用水后下泄的水资源量, 决定了下游水环境演变过程;在两千年来显现出不同历史阶段的流域水资源平衡模式和下游水环境演变特征, 以及气候变化和人类活动在不同历史时期的耦合驱动机制.     

1980-2010年石羊河流域生态服务类型变化与分析

根据石羊河流域1980年、1990年和2010年三期遥感影像数据,基于GIS技术方法,分析了石羊河流域各县市的土地利用方式变化情况。评估了流域主要生态系统生态服务价值量,分析了30 a来流域生态系统服务价值在时间和空间上的变化。结果表明：过去30 a来,石羊河流域的土地利用变化主要以耕地、草地、未利用土地的变化为主。石羊河流域生态系统服务的总价值呈减少趋势,生态服务价值在空间分布上表现为下游呈增加趋势、中上游表现为减少趋势。流域下游生态服务价值增加的主要原因是流域生态保护与恢复措施取得了显著成效。     

甘肃西北部黑河流域水资源对下游生态环境变化的影响阈

从流域尺度水资源承载能力及其有限性、可变性和上下游关联性的角度,探讨了黑河流域下游区生态环境变化的影响阈,阐明了不同水文年中游区的安全引水量和不同目标下下游区的生态环境修复对水资源的需求阈。基于多年平均地表径流量37.8×108m3/a的安全引水量为13.97×108m3/a和枯水年份(95%保证率)的安全引水量为10.14×108m3/a,下游区初步改善生态环境的生态需水量为8.01×108m3/a。提出了中游区经济社会可持续发展的水资源保障阈,即未来20年生产生活安全需水量介于22×108～23×108m3/a之间。在此基础上,阐明了在中游区经济社会稳定持续发展目标约束下确保黑河流域下游区生态环境不断改善的流域水资源优化配置模式及对策。     

黑河流域年冻融指数及其时空变化特征分析

利用黑河流域气象站点的逐日平均温度数据计算空气及地表冻融指数,并分析其变化趋势以及空间分布。结果表明,黑河流域空气冻结指数、空气融化指数、地表冻结指数和地表融化指数变化范围依次为:673~2 135℃·d,1 028~4 177℃·d,682~1 702℃·d,1 956~5 278℃·d;黑河流域冻结指数出现明显的下降趋势,其中空气冻结指数(1951—2007年)下降速率为56.0℃·d/10a,地表冻结指数(1954—2005年)下降速率为35.4℃·d/10a;融化指数表现为上升,其中空气融化指数(1951—2008年)整体以每年47.8℃·d/10a的速率上升,地表融化指数在1954—1975年以135.9℃·d/10a的速率下降,在1976—2006年以185.3℃·d/10a的速率上升;黑河流域各站点冻结指数受海拔及纬度双重影响,而融化指数则主要受海拔影响;年平均气温与冻融指数有非常强的线性关系。