黄土丘陵沟壑区退耕驱动下土地利用变化——以陕西省安塞县纸坊沟流域为例

随着1999年退耕还林的实施,黄土高原丘陵沟壑区土地利用发生了显著的变化,为探讨这种变化规律及其驱动机制,以安塞县纸坊沟流域1991年、2000年、2013年TM/ETM影像为数据源,结合地形图、外业调绘资料等,基于RS和GIS技术分析了纸坊沟流域退耕前后的土地利用/覆被变化规律,并以2013年的土地利用格局为基础,应用CA-Markov模型确定的转移概率矩阵对2023年土地利用变化进行了模拟预测。结果显示:退耕还林提高了纸坊沟流域土地利用的年变化率;改变了各类土地之间的流转关系,很多其他类型的土地都转为林地和果园;加快了纸坊沟流域土地利用转移速率,退耕前全流域土地利用转移率仅为0.15,退耕后土地利用转移率达0.37,是退耕前的2.47倍,其中林地面积转入最为明显,主要来自耕地、草地、盐碱地面积的转出,耕地面积转入转出并存,但是以耕地转出为总趋势。预测表明:2013—2023年间土地利用将继续保持退耕后的变化趋势,总体上表现为林地和果园面积的增加,而耕地、草地和其他用地面积减少,但是随着退耕还林工程的深入,这种变化趋势会减小,最终林地、草地、耕地等面积将基本稳定,处于动态平衡之中。本研究将为黄土丘陵沟壑区后退耕时期区域的可持续发展规划提供一定的依据和指导。     

黄土高原坡耕地苜蓿产量及水土流失地形分异模拟——以延安燕沟流域为例

退耕还林还草是目前黄土高原整治生态环境和控制水土流失的主体政策。为使生态退耕政策得到有效落实,本文基于WIN-YIELD软件,以延安燕沟流域为例,利用2006年延安站的逐日气象数据和燕沟流域地貌、土壤及土地利用等资料,模拟分析了不同地形高程、坡度和坡向条件下坡耕地种植苜蓿的秸秆干物质产量、水土流失量及其地形分异特征。结果表明:在黄土高原,地形坡度是影响苜蓿秸秆干物质产量和泥沙流失的重要因素,苜蓿秸秆产量模拟值随地形坡度的增大而减小,泥沙流失的模拟值随地形坡度的增大而增大;地形高程1000 m以下的地域种植苜蓿其产量明显高于1000 m以上的地域,坡耕地苜蓿产生径流和泥沙随地形高程的变化不显著;地形坡向对苜蓿秸秆产量和水土流失量的影响不大。     

黄土丘陵区沟谷发育及其稳定性评价

本研究选择黄土高原北部丘陵区无定河两个支流米脂河,金鸡河,在对其流域系统河道级数,冲沟和坳沟发育时期进行划分与判断的基础上,计算了各级沟谷及坳沟的“宽深比”,并对其进行了对比分析。研究表明黄土沟谷发育中冲沟发育阶段是沟谷稳定性最差的阶段,而坳沟阶段是沟谷发展的稳定阶段,稳定性的差异可由沟谷Ｗ／Ｄ值来定量化,据此可预测黄土丘陵区尚有数十万年的沟谷不稳定时期即强水土流失期。     

陇中黄土丘陵区农户收入对退耕还林(草)政策的响应——以龙滩小流域为例

退耕还林（草）政策的实施有效改善了陇中黄土丘陵区小流域生态环境、抑制了严重的水土流失，然而，对该区退耕还林（草）政策的实施和交通便利程度对小流域农户收入结构的耦合影响及互馈作用机制尚不清楚。本文选取定西市安定区巉口镇龙滩小流域为研究区，通过问卷调查获取3个区120个农户家庭土地利用情况、经营方式及收入数据，运用方差分析、回归分析和通径分析等方法定量分析交通便利程度和退耕还林比例对农户收入的影响与调控作用。结果表明：退耕还林比例影响了农田面积，进而影响了玉米和马铃薯的种植面积，由此增加了种植业收入，从而导致3个区低比例退耕还林农户收入均高于高比例退耕还林农户收入。同时退耕面积的增加也促使劳动力向非农产业的转移，而交通便利程度影响农户家庭打工人口比例，从而导致Ⅰ（交通便利）区农户的收入显著高于Ⅱ（交通欠发达）和Ⅲ（交通闭塞）区。交通便利程度和退耕还林比例通过农田面积、退耕还林地面积、玉米和马铃薯种植面积及打工人数等影响种植业、劳务输出和退耕还林政策性补助，进而影响流域内农户的收入水平。总之，退耕还林（草）政策的实施影响了陇中黄土丘陵区种植业和劳务输出产业的发展且存在区域差异，而对该区养殖业、林业及副业带动有限。因而，在新一轮退耕还林（草）政策实施之际，该区在加强交通等乡村基础条件建设的同时还需推动林下经济、特色养殖及副业发展，降低农户对种植业和退耕还林政策性补助的依赖，以此实现陇中黄土丘陵区生态和经济的可持续发展，提升农村绿色生产力。     

黄土丘陵区燕沟流域土地利用变化与优化调控

采用GIS空间分析技术，分析和概括了1966－2000年期间燕沟流域土地利用变化时空过程及其基本特征：解析了土地利用变化的主要成因；总结了1997年以来土地利用结构优化调控的主要特点；评价了土地利用结构优化调控后的生态环境效益、经济效益及其可持续发展性。籍此希望揭示出黄土丘陵区土地利用变化与优化调控所具有的一些共性特点和规律。     

黄土高原作物产量及水土流失地形分异模拟

退耕坡地是近年来黄土高原整治生态环境和控制水土流失的有效措施。基于WIN_YIELD 软件, 以延安燕沟流域为例,利用2005 年延安站的逐日气象数据和燕沟流域地貌、土壤及土地利用等资料, 模拟分析了不同地形高程、坡度和坡向条件下不同作物产量及水土流失的分异特征。结果表明： 在黄土高原, 地形坡度是影响作物产量、径流和泥沙的重要因素, 地形高程和坡向的影响普遍较微弱; 地形坡度越大, 作物产量越低, 高粱和玉米在坡度为25^o 时的产量模拟值分别较0^o 时下降15.44%和14.32%, 大豆、绿豆和马铃薯的下降幅度依次为5.26%、4.67%和3.84%; 产生径流和泥沙随地形坡度的增大而增大, 在坡度20^o左右存在一个高值区间; 不同作物的水土保持效益由高到低依次为大豆、绿豆(豆类)、马铃薯、玉米和高粱; 坡度小于5^o的坡耕地可以不进行梯田改造, 坡度大于15^o 的坡耕地应及早实现退耕还林还草。     

黄土高原沟道流域产沙过程的初步分析

黄土高原的主要产沙地区是河口镇至龙门黄河干流两侧和泾、洛、渭河中上游,产沙时间集中7—9月或一、二次暴雨期。流域产沙量与河道断面输沙量基本一致。产沙最与降雨量加径流深组合因子成正比相关,并随坡度增大而增加,坡度超过25—28度水流面蚀强度减弱。砂黄土的可蚀性最大,黄土其次,粘黄土最小。灌木林的防蚀效果最好。近三十年来黄土高原的产沙量进一步增加,其中由人类活动而增加的沙量约占黄河平均输沙量的23～35%。沟道流域的产沙过程具有垂直分带规律。沟间地以细沟侵蚀产沙为主,沟谷地是水力、重力和洞穴侵蚀综合作用的场所。黄土丘陵区沟谷地的产沙量此沟间地大59.0%左右;黄土塬区产生的泥沙绝大部来自沟谷地。     

黄土丘陵区雨强对水流含沙量的影响

以黄土丘陵区的3个典型小流域为重点对象,基于不同时期实测的1300多对雨强和含沙量数据,分析了不同空间尺度情况下的雨强—沙峰含沙量关系。结果表明：在峁坡尺度上,含沙量总体上随雨强的增大而增大;但在既有峁坡、也有沟坡的各级流域尺度上,无论流域层级高低或面积大小,雨强对含沙量的影响均存在明显的阈值现象,当雨强超过该阈值后,洪水含沙量不再随雨强增大而增大。雨强阈值随林草覆盖程度增大而增大,如研究区在1956-1969年下垫面情况下的雨强阈值为10~15 mm/h、1990-1997年为20 mm/h,目前估计达40 mm/h。由于流域尺度上雨强大于10~15 mm/h的降雨几乎每年都有发生、20世纪50-80年代的林草植被变化不大,加上黄土丘陵区产沙主要靠坡面水流对地表土壤的冲刷,而贴地表水流的流速不会随流量的增大而无限增加等原因,形成了20世纪90年代以前黄土区支流的年最大含沙量基本稳定的现象。     

黄土丘陵地貌形成模式与地貌演变

通过对陕西北部典型黄土丘陵区地貌调查,提出了黄土丘陵地貌形成模式,并对地貌演变进行了探讨。黄土高原原生黄土丘陵分布广泛,主要在下伏古丘陵基础上由黄土加积而成;次生黄土丘陵是黄土塬、黄土台塬等经沟谷侵蚀、改造而成。黄土丘陵区河流阶地和沟谷层状地貌反映了河流、沟谷的形成与演变。黄河一级支流形成于早更新世末;早中更新世末、晚中更新世初黄河一级支流和较大的二级支流形成了较完整的水系;中更新世末如韭园沟等较大的沟谷形成;晚更新世末河网、沟谷格局与现在已基本一致;尚未切入基岩的冲沟多形成于全新世;长度百米至数十米的切沟多是历史时期或近几十年来形成的。     

基于不同退耕模式的黄土丘陵区生态环境建设地域分异特征

退耕是目前国家关于黄土丘陵区生态环境建设的主体措施。在总结"赈济退耕25"、"赈济退耕15"和"梯田退耕"各模式基本特点的基础上,根据土地利用、耕地坡度分级数据、农业人口数据和不同模式生态环境建设标准,分别计算了黄土丘陵区各县(市、区)退耕25°和15°以上坡耕地、新建园地、新修梯田、林草植被恢复的面积以及相应的投资需求额度。在构建并采用生态环境建设指数、政策性补贴资金密度指数和投资需求密度指数等指标,对55个县(市、区)进行类型划分的基础上,分析了黄土丘陵区不同退耕模式下的生态环境建设规模及投资需求地域分异特征。     

黄土高原丘陵区小流域地下水补给特征

地下水补给量反映了含水层的可更新能力,是地下水资源管理与合理开发利用的关键参数之一。为定量研究黄土高原丘陵沟壑区小流域地下水的补给特征,基于岔巴沟流域上游、中游、下游3个水文站1959-1969年降水与日径流观测资料,通过退水分析法估算了流域地下水补给量,并分析了与降水量和基流量的关系及其在年内的补给变化过程。结果表明：岔巴沟流域年平均基流量为13.09 mm·a^-1,更新时间为124 d,补给量为11.46 mm·a^-1,降水入渗补给率为0.025,基流补给率为0.89。从上游到下游地下水补给量与入渗补给率逐渐增大,且上游与下游之间有显著差异（P<0.05）;基流补给率逐渐减小,各集水区之间差异均显著。地下水补给量与降水量呈线性正相关（R²>0.40）,在下游集水区内随降水量变化的增幅较大。基流量与降水量也呈正相关关系（R²>0.77）,干流基流80%以上源于降水补给转化。以5月份为节点可将地下水补给过程分为"一次补给"和"二次补给"2个主要阶段,其分别占全年总补给量约30%和70%,并且"二次补给"是造成岔巴沟流域不同集水区地下水补给量差异的主要阶段,并且为无资料地区小流域地下水资源的评价提供借鉴。     

巴丹吉林沙漠沙山区径流与地下水补给条件

在全球高差最大的巴丹吉林沙漠沙山斜坡上发现了沙漠区罕见的因大气降水而产生的地表超渗径流,地表径流侵蚀,缓渗径流及因地下径流出露而产生的地表径流--风沙混合物理沉积与化学沉积(次生盐).根据电镜观察,能谱分析,化学分析和粒度分析等资料,研究了径流化学沉积物的矿物和化学组成,风积沙和径流--风沙混合物理沉积物的粒度组成,径流类型及沙山区水分平衡,降水对地下水与湖水的补给机制.超渗径流的出现表明,虽然该区降水量少,但存在能够为地下水提供补给来源的较强有效降雨过程.径流,径流--风沙混合物理沉积和化学沉积等六项科学指标从深层次上充分证明,该区降水通过入渗至少达到了沙山的下部,完全能够对地下水构成有效补给.细粒层相对的隔水性是该区地下径流出露于地表的原因.沙山区确实存在令人惊奇的水分正平衡,即在大气降水在经过蒸发和蒸腾等消耗之后,每年还有约134648.4 t/km²水补给了地下水和湖水,成为湖水的重要补给来源之一.沙山区能够产生有效降水,植被稀少蒸腾量少,沙层入渗率高和沙层受蒸发影响深度很小是该区水分出现正平衡和大气降水能够补给地下水的四个条件,也是导致该沙漠区有众多湖泊发育的主要条件.     

低覆盖度治沙理论的核心水文原理概述

土壤水分的渗漏过程是陆地生态水文的3个最核心过程之一,降水向土壤深层渗漏或者补给地下水,关系到干旱沙区水平衡维持和植被稳定持续发育。多年的治沙实践和研究结果表明：（1）天然分布稳定的沙生植被,覆盖度一般低于30%,降水均能够渗漏到土壤深层或者补给地下水;（2）人工营造的固沙林,当林分的覆盖度大于40%后,林下土壤含水率逐步降低,降水不能够渗漏到土壤深层或者补给地下水,林木出现衰败或者死亡;（3）低覆盖度固沙林设计出了带间的土壤渗漏补给带,确保了降水能够渗漏到深层或者补给地下水,固沙林及其带间植被能够稳定持续发育;（4）在极端干旱区,基本上没有降水能够渗漏到2 m以下土层,灌溉才能确保林分的稳定持续;在干旱区,深层渗漏水量占年降雨量的1%—13%,半干旱地区的深层渗漏水量占年降雨量的11%—23%,半湿润干旱区的深层渗漏水量占年降雨量的15%—45%,能够确保沙区的水平衡和雨养植被的稳定持续发育。这也是低覆盖度治沙理论最基本的生态水文原理,为中国防沙治沙事业开拓了新领域、新方向和新思路,对推动中国今后的防沙治沙工作有着重要意义。     

IMPACTS OF URBANIZATION ON SURFACE HYDROLOGY,LITTLE EAGLE CREEK,INDIANA, AND ANALYSIS OF LTHIA MODEL SENSITIVITY TO DATA RESOLUTION

Land-use change in urbanizing areas can significantly alter the hydrology of a watershed and can have serious impacts on wetland water balances, downstream flooding, and groundwater recharge. Most currently available models used in determining the hydrologic impacts of urbanization are not well suited to long-term hydrologic analysis or are too complex and data intensive for widespread practical application. The Long-Term Hydrologic Impact Assessment (LTHIA) model run on a Geographic Information System (GIS) is a relatively simple, user-friendly model that uses the Curve Number method to estimate changes in surface runoff between different stages of development. Application of the model to a large, rapidly urbanizing watershed near Indianapolis, Indiana, suggests that average annual runoff depths increased by more than 60% from 1973 to 1991, with even greater increases for some individual sub-basins. These results are consistent with runoff changes estimated from historical stream flow data in the watershed. A sensitivity analysis to determine minimum data requirements shows that a precipitation record length of 15 years or more is required to produce consistent results with LTHIA and that the highest possible resolution land-use and soils data should be used. The LTHIA model is now available on the Internet at http://www.ecn.purdue.edu/runoff. [Key words: hydrology, urbanization, modeling, GIS.]     

Seasonal Variations of Hydrochemical Characteristics of Groundwater in Changping Plain,Beijing

Changping Plain, located in the northwest of Beijing, has become an important groundwater recharge area for the Beijing Plain and an important source for the urban water supply. In this study, groundwater samples were collected during the dry and wet seasons in 2015 from 24 monitoring wells distributed in Changping Plain. A Piper-Tri-linear diagram, a Schoeller diagram, a Gibbs diagram, and the isotope technique were used to investigate the temporal and spatial variations in the concentrations of groundwater hydrochemicals and the sources of groundwater recharge. The results indicated: 1) seasonal variations in the concentrations of HCO₃^-, Ca²⁺, and Na⁺ were significant; the spatial variations of these ions were more dramatic in the dry season than in the wet season due to the dilution effect of precipitation; 2) Most groundwater samples had a HCO₃-Ca-Mg based hydrochemical type and a few had a HCO₃-Na-K based hydrochemical type; the hydrochemical type tended to evolve from HCO₃-Ca-Mg based to HCO₃-Na-K based in some monitoring wells that showed distinct seasonal variation; 3) the groundwater in the study area originated mainly from atmospheric precipitation, and it is affected by evaporation and concentration processes.     

采煤对海流兔流域大气降水-地表水-地下水-矿井水转化关系的影响北大核心CSCD

煤矿开采使流域水文地质条件发生改变,研究采煤影响下流域降水-地表水-地下水-矿井水转化关系对揭示区域水循环过程意义重大。以海流兔流域为研究区,利用数理统计法、Piper三线图和氢氧同位素关系图等方法,分析采煤影响下降水-地表水-地下水-矿井水的转化关系。结果表明:在煤矿开采影响下采矿区地表水中SO_(4)^(2-)、Na^(+)、Mg^(2+)等含量增幅较大;流域降水、地表水与地下水转化关系以地表水下渗补给地下水为主,平均贡献率为56.7%;矿区及以下流域海流兔与纳林河不同水体间的转化关系仍以地表水补给地下水为主,与上游天然流域相比平均贡献率分别增至69.3%和59.4%;矿井水主要来源为上覆萨拉乌苏组地下水,补给比率为72.4%,煤矿开采使上覆含水层地下水向采空区汇流速度增大。     

应用环境同位素技术研究华北典型流域水循环机理的展望

华北水问题日益严重,而水循环机理研究尚显得薄弱。环境同位素水文学是研究流域水循环过程变化的新的技术途径。它利用水中水分子所含的同位素含量的变化,可以判断大气降水的水蒸气的来源;定量分析坡地的产汇流产生机制,进而研究"大气降水—地表水—土壤水—地下水"的相互作用关系;彻底查明流域"四水"转化关系,创新和发展水循环模式。本文主要介绍同位素技术的原理及其在日本、斯里兰卡、河北平原等地应用实例,最后,对应用此技术研究华北典型流域水循环,从"大气—土壤—植被"界面水循环机理、坡地径流的产汇流机制、流域水循环机理等方面进行了展望。     

天桥泉域与黄河河段的补径排关系变化及其对河川径流的影响

1973年以来,黄河中游河口镇至吴堡之间未控区的实测径流量大幅减少,甚至1/4年份出现负值;基于1956-1972年的降雨--径流关系,1973-2014年降雨条件的径流量偏少84%.分析认为,1973年以后,黄河该河段干流水库蓄水运行导致天桥泉域与黄河之间的补径排关系发生了变化,此变化不仅大幅减少了左岸泉水对黄河的补给量,而且增加了黄河向右岸岩溶含水层的渗漏量,是河口镇至吴堡之间未控区的实测径流大幅偏少的主要原因.本文通过不同时期的降雨径流关系对比,以及林草植被,梯田,用水和坝库水面蒸发等其他下垫面因素减水作用分析,推算出因泉水--河水补给关系变化而产生的黄河径流减少量,平均每年约6~8亿m³.     

青海湖沙柳河流域浅层地下水不同时期补给特征

地下水稳定同位素组成的时空变化特征可以反映不同时期、不同区域地下水补给来源的差异。通过青海湖沙柳河流域浅层地下水氢氧稳定同位素组成的时空变化特征以及地下水、河水与降雨之间的补给关系的分析，结果显示：季风时期，地下水主要受降雨入渗和河流侧向补给为主，在补给过程中蒸发作用是影响地下水稳定同位素值的主要因素；非季风期，冰雪融水对低值区的地下水影响显著，同时降水的快速入渗则是该时期高值区地下水的主要补给方式之一。地下水同位素高值区，地下水与河水间补给作用较弱，补给时间超过5个月；地下水同位素低值区，地下水与河水补给关系较为密切，补给时间在1~4个月间。本文所得结论可初步反映干旱半干旱内陆流域地下水稳定同位素特征以及补给方式的基本规律，在一定程度上可为流域地下水及其他水体间的转换研究提供科学依据，并为地下水资源管理和水环境治理提供一定理论指导。     

A HYDROLOGICAL BUDGET FOR THE OKEFENOKEE SWAMP WATERSHED, 1981-82

Previous hydrological models of the Okefenokee Swamp watershed were developed without the benefit of accurate empirical data on surface runoff into and out of the swamp, and without data on direct ground water flow into the swamp. Data from a network of ground water observation wells during 1981-82 have revealed that ground water amounted to only 1.3% of total swamp inputs. This figure is much lower than had been expected and confirms that the swamp portion of the Okefenokee watershed is predominantly a surface-water system. A simple conceptual model of the watershed hydrology with upland and swamp compartments, and upland wetland, upland terrestrial, swamp prairie-marsh, and swamp forest-shrub subcompartments, indicates that in 1981-82 actual evapotranspiration from uplands and swamp was 78% and 84% of precipitation, respectively, and that upland surface runoff contributed only 13% of swamp inputs. Significant differences between the long-term and 1981-82 hydrological budgets emphasize that the Okefenokee Swamp is a dynamic hydrological system.