黄河中游植被恢复对流域侵蚀产沙的影响与治理前景

根据黄土高原不同自然带水环境和侵蚀环境的特点, 研究了黄河中游不同自然带植被类型的变化、林、草的分布界线及植被的恢复能力. 年降雨量530mm是黄河中游林、草分布的临界年降雨量. 在影响流域产沙的地带性、非地带性环境要素中, 悬移质泥沙中径(D₅₀,mm)、林木覆盖率(V,%)起主要作用, 其中, 林木覆盖率(V,%)对流域产沙的影响权重仅小于泥沙中径(D₅₀,mm)作用的3.4%, 近乎相等. 要有效的控制半干旱区、尤其是丘陵沟壑区的土壤侵蚀, 使输沙模数降到6000 t/km²以下, 仅靠林木自然恢复困难较大. 在退耕还林草建设中, 在坡面生物措施和沟壑工程措施治理基础上, 因地制宜的选好树种与人工造林(草), 重点县的流域林木覆盖率至少要达到30%以上. 与60年代以前降雨标准期相比随各期年降雨量的减少, 自然条件下的植物生产力都有不同程度的下降. 降雨量的减少是多年来造林草成活率低的重要原因. 根据年降雨量与自然植被生产力的回归模型, 可以分别得到目前或70年代以来任意时段, 恢复到标准期时所需的流域自然植被生产力和生态用水量的估测值. 从而为黄河中游林草恢复及治理前景提供了科学依据.     

坡面植被恢复对沟道侵蚀产沙的影响

根据黄土高原不同地理空间林、草分布的宏观格局, 从主要产沙区的环境背景分析了黄河中游宏观坡、沟治理关系, 及自然、人类活动因子在侵蚀产沙中的权重. 根据目前黄土高原小流域的综合治理现状和水土保持坡、沟措施配置方案, 探讨了植被恢复对沟道侵蚀产沙的影响及植被减沙的效益. 黄河中游多沙粗沙区产沙模数与自然和人类活动的侵蚀环境背景的综合影响密切相关, 暴雨、垦殖率、林木覆盖率是影响多沙粗沙区产沙模数的主要因子. 退耕还林、草, 减少垦殖率、增加林草植被是抑制多沙粗沙区侵蚀的关键. 小流域治理必须坚持坡、沟兼治、生物与工程措施相结合的治理方针. 工程措施在坡面植被恢复初期具有重要作用, 杨家沟的典型案例表明植被恢复可以使沟道侵蚀产沙减少75%以上.     

经验方法研究下垫面变化对洪水的影响

1980s以来,人类活动对下垫面的影响加剧,研究下垫面变化对流域产汇流规律的影响具有重要意义.通过对海河流域中紫荆关、阜平两个流域分别用经验方法进行洪水模拟演算,并把洪水资料按照年代不同分时段,建立P+Pa～Rs相关关系图,分析流域下垫面变化对降雨径流相关关系的影响.建立产流量R与洪峰Qm之间的相关关系,通过统计比较不同年代的趋势线发现,在产流量相同情况下,1980s后的洪峰流量较1980s前有所减少,说明海河流域的调蓄作用有增强的趋势.同时建立流域下垫面条件改变后产流量与洪峰变化幅度的相关关系,发现流域产流量变化与洪峰变化呈正相关关系.     

黄土高原大理河流域水沙耦合模型应用研究

水沙模型是定量描述水沙关系及水沙规律的重要工具,现阶段国内外对于水沙模型的研究大都为基于某个典型流域的经验统计模型或基于流域大量基础资料的物理模型,极大限制了其使用范围及模拟精度.本文建立了结构与参数均具有物理意义的流域水沙耦合物理概念模型,其优点是物理概念清楚,模拟精度高,实用性强,易于深入研究泥沙基本规律.该模型将概念性水文模型和泥沙模型耦合,提出水流挟沙能力和土壤抗侵蚀能力概念,用对数曲线近似描述流域土壤抗侵蚀能力的空间变异性,在拜格诺河道水流悬移质泥沙公式基础上建立概念性沟蚀产沙公式,参照水流汇集相似性建立泥沙汇集演算公式.选取黄河中游大理河流域4个不同流域尺度的实际流域对模型进行应用检验,模拟结果表明,该模型的水流泥沙两部分均有很高的模拟精度,可以很好地模拟黄河中游地区不同流域尺度和年际尺度上的洪水过程和泥沙产生及输移过程,充分证明了该模型结构、参数和计算方法的合理性,可用于定量分析流域内各项水保措施的减水减沙效益及水沙关系变化趋势,对该模型的推广应用可做进一步分析研究.     

流域水文系统产水机制稳定性研究

流域水文系统受下垫面和气候条件的共同作用,研究其产水机制的变异规律,是合理制定变化环境下水资源管理措施、实现水安全保障的基础.本文基于Budyko框架和气候模式的历史及未来数据(CMIP6),利用Budyko全微分分解法探究了下垫面和气候变化对流域产水变异的补偿机制;基于泰勒展开式求解将Budyko各阶敏感系数(一阶到高阶项)表征流域产水率对下垫面与气候的敏感程度;根据流域外部基本特征(产水率、下垫面特征参数及干燥指数)和内部敏感系数,进一步结合联合概率函数和主成分分析方法探究了流域产水机制稳定性及其演变规律.结果表明:(1)在全球各气候分区中,下垫面和气候变化对流域产水率变异互相补偿,即气候与下垫面改变引起的产水率变化可以基本相抵,使未来流域产水率维持稳定.(2)各阶流域敏感系数表明,未来流域对下垫面敏感性增加,对气候的敏感性降低,其中干旱区流域对气候和下垫面敏感性均增加.(3)未来流域水文系统产水机制稳定性逐步下降,即从基准期(1901～1950年)到变化期(2051～2100年),稳定性系数从0.054下降到0.021;其在干旱区改变量最大,可达(-0.347±0.18),而在半...     

降雨动态系统响应曲线修正方法在黄土区域水沙模拟中的应用

采用水沙模型对流域水沙过程进行计算是目前分析和研究黄土地区水土流失、水沙锐减等问题的有效途径由于降雨的时段均化和缺测、漏测、误测等问题,导致水沙模型的重要输入项和动力因子——降雨资料存在误差,进而影响水流和泥沙过程模拟精度因此,本研究将降雨动态系统响应曲线的误差修正方法与概念性水沙模拟模型相结合以提高水沙过程模拟精度此方法将水沙模型的水流模拟部分看作响应系统,通过修正水沙模型的重要输入项——面平均雨量,利用修正之后的面平均雨量系列,通过模型重新计算以提高模型对产汇流和产汇沙过程的模拟精度通过理想案例验证该方法可行性后,选择黄土地区曹坪流域进行检验,结果表明修正后的水流和泥沙过程模拟精度均有显著提高,平均提高幅度分别为17.56%和15.86%.     

流域土地利用/覆被变化的水文效应及洪水响应

干旱与洪涝灾害已成为全球关心的重大问题.土地利用/覆被变化影响雨水的截留、下渗、蒸发等水文要素及其产汇流过程,并进而影响流域出口断面的流量过程,加大流域洪涝灾害发生的频率和强度.深入研究土地利用/覆被变化对洪涝灾害的影响,对于社会经济可持续发展具重要意义.通过分析和总结已进行的有关流域土地利用/覆被变化的水文效应及洪水响应研究工作进展,讨论了其研究内容、方法及现有工作的不足之处.     

南方红壤区长期水土流失综合治理显著减少河流输沙——以鄱阳湖流域赣江上游平江为例

长时间序列水沙数据分析有助于科学评价流域尺度水土保持减流减沙效应,为科学开展区域水土保持成效评估提供实现路径.本文选取南方红壤区水土保持工程最为集中、持续时间最长的典型流域——平江流域,基于1975-2014年的逐日降水量、流量、含沙量数据,综合应用预置白M-K检验法、Theil-Sen趋势度估计法、Pettitt检验法与累积量斜率变化率比较法,开展河流水沙变化特征及归因分析,揭示长期水土流失治理对河流水沙的影响.结果表明:(1)1975-2014年平江年输沙量、汛期输沙量和非汛期输沙量均存在显著减少趋势,年均减少率分别为2.38×10⁴、1.75×10⁴和0.44×10⁴t/a,汛期输沙量在流域开始实施系统水土流失治理时即发生突变,而年输沙量和非汛期输沙量在系列国家水土保持重点工程实施一段时间后方开始突变;(2)流域长期水土保持显著减少平江输沙,但对径流无显著影响,重点治理期、治理后期以水土保持为主的生态保护工程对输沙量减少的贡献均在94.0%以上,且生态保护工程对汛期输沙量减少的贡献较非汛期的更为突出;(3)以水土保持为主的长期生态保护工程导致平江全年、汛期、非汛期输沙量分别减少59.3%、60.7%和55.7%;(4)在剔除大型水利工程(尤其是大中型水库)建设影响后,南方红壤区可以基于长时间序列水沙数据分析科学评价流域尺度水土保持减流减沙效应.研究结果可以为南方红壤区流域尺度水土保持减流减沙效应评价提供参考,并有望为区域系列国家生态保护与建设工程的布局和管理提供科学依据.     

基于系统动力学的巢湖流域水资源承载力动态预测与调控

湖泊流域水资源承载能力动态预测与调控是维护湖泊生态安全、保障社会经济健康持续发展的重要基础和手段.本文以巢湖流域为研究对象,提出基于系统动力学的湖泊流域水资源承载力动态预测技术和试验优化调控方法.首先以县(市)为基本单元构建水资源承载力系统动力学模拟与动态预测模型;再从空间上将各县(市)耦合为流域系统整体模型,并通过敏感性分析筛选量质要素调控指标;最后采用正交试验设计确定流域水资源承载力优化调控方案.结果表明:由于流域内产业规模的扩大以及城镇化率的提升,20172050年巢湖流域水资源承载状态值整体呈恶化趋势,并于2030年以后将长期处于超载状态,通过对影响要素针对性优化调控后,20172050年流域水资源承载状态均达到临界或可载.研究表明本文提出的方法对于促进区域社会经济环境协调发展和改善流域水资源承载力具有较好的实际应用价值.     

湍流相干结构在中蒙中区一次沙尘暴起沙中的作用

起沙机制是沙尘暴天气研究中一个重要问题.本文基于中蒙中区一次沙尘暴天气过程,通过提取沙尘源地涡动相关数据中的湍流相干结构（Coherent structure,简称为CS）,研究了CS在起沙中的作用.结果发现：（1）起沙期间存在CS,其典型特征表现为上扬—下扫循环,即暖空气的辐合上升与冷空气的辐散下沉相伴;（2）起沙期间,CS具有频次高、持续时间短、间歇性适中、连发频繁、速度切变大、水平尺度远大于垂直尺度和尺度变化比较大的特点;（3）CS是重要的起沙机制,它可起动粒径在0.1~156 μm之间的各种沙粒,起动最多的是粒径低于8 μm的粉粒与粘粒,但CS不是唯一的起沙机制;（4）CS的上扬与下扫两过程均可引起起沙,区别在于前者通过暖空气的上升将沙粒向上空输送,后者则是将上空高速冷空气拖带下来引起地表沙粒的起动;（5）CS起沙分为单起式和连发配合式两种形式.单起式是单发CS产生的起沙形式,连发配合式是连发的CS产生的跃移—上扬的配合起沙形式.其中,连发配合式为主要形式;（6）下扫过程对起沙的贡献是上扬过程的1.8~15倍,上扬过程可将下扫过程中起动沙粒的1/3左右向上输送到空中;（7）一般情况下,CS对起沙具有稳定的贡献,其贡献率为51%,当临界起沙风速大于13 m·s^-1时,其贡献急剧降低.     

流域综合管理方法与技术

流域作为一个具有明确边界的地理单元,流域以水为纽带,将上、中、下游组成一个普遍具有因果联系的复合生态系统,是实现资源和环境管理的最佳单元.流域综合管理已经被认为是实现资源利用和环境保护相协调的最佳途径.然而,由于流域综合管理涉及多学科,多部门,内容非常广泛.近年的流域管理还主要停留在一个目标.本文在流域模拟管理研究及实践的相关经验基础上,系统地讨论了流域综合管理实施方法、关键技术以及主要技术问题.     

降雨径流过程驱动因子的室内模拟实验研究

降雨径流过程的驱动作用可以归结为两个方面: 第一是降雨过程的影响, 第二是下垫面变化的影响. 通过179场室内降雨径流模拟实验发现, 无论是降雨历时还是降雨强度都会影响汇流的滞时, 这与传统的假设有明显的矛盾. 尤其是在降雨历时小于全面汇流时间和较小的降雨强度下这种非线性关系的影响十分明显. 由此可以推定, 单位线用于南方湿润地区的降雨径流过程模拟更为合理, 而在北方的干旱、半干旱地区, 由于降雨强度变化快, 降雨历时短, 所以使用时要特别注意降水条件. 这也说明了过去的水文模型在北方地区的产汇流效果不好的原因. 降水历时较小时, 流域的汇流特性有较为剧烈的变化, 因为此时流域未达到全流域汇流, 这反映了实际北方降雨径流情况, 因此单位线使用时必须进行适当的非线性校正. 当降雨历时大于流域的全面汇流时间以后整个流域达到蓄泄平衡, 适用于南方长时间降雨径流关系和产汇流的基础理论研究. 在充分降雨条件下, 洪峰流量、降雨强度呈线性关系, 而与下垫面无关, 降雨强度与峰现时间成负线性关系. 流域的调蓄量与降雨强度和洪峰流量呈线性关系, 受下垫面影响和作物截留作用十分明显, 而与作物截留的位置关系不大.     

黄河中游多沙粗沙区的风水两相侵蚀产沙过程

以黄河中游各支流的资料为基础,提出了风水两相侵蚀产沙的概念,并建立了风水两相侵蚀产沙模式,从而为这一地区强烈的侵蚀产沙过程提出了新的解释.风力作用与水力作用在时间上是相异的,前者为高含沙水流搬运作用准备了大量粗颗粒泥沙,存贮在坡面、沟道和河道中;后者则形成了富含细颗粒的暴雨径流,为粗颗粒泥沙的搬运提供了动力条件.由此形成了高含沙水流,导致了这一地区高强度的侵蚀产沙过程.     

太湖流域土地利用变化的水文响应模拟

以城市化快速发展的太湖流域为研究对象,采用1985、1995和2000年TM/ETM土地利用解译资料,应用区域尺度单元格网分布式水文模型,进行长序列水文模拟,定量评估太湖流域土地利用变化及其水文响应特征,为流域用地规划、水资源管理以及灾害防治提供决策参数.研究显示,自1985年到2000年,太湖流域城镇面积扩展了40.38%,增加量占太湖流域总面积的3.88%.在1980-2000年的雨情下,全流域土地利用变化导致产流量平均增加4.11%,约为7.56×108 m3,最高值为11.76%,约为10.0×108 m3.受土地利用变化空间差异影响,产流量增加具有较大区域差异,城镇快速扩展的苏锡常地区和浦东浦西地区,土地利用变化导致产流量平均增加为10.07%和7.03%,最高增量达20%-30%.     

澜沧江梯级水库浮游植物群落结构特征及其关键驱动因子

筑坝改变河流生源要素迁移转化过程及浮游植物群落分布特征,影响河流生态系统结构与功能。为探究梯级筑坝河流浮游植物群落结构特征及其关键驱动因子,2016年丰水期、2018和2021年丰、枯水期在澜沧江开展了浮游植物群落及相关环境要素的调研。本文重点对比分析了丰水期自然河道段和水库浮游植物间的差异,基于广义相加模型(GAM)建立浮游植物与环境要素间的关系,研究发现:丰水期浮游植物生物量显著高于枯水期,丰、枯水期浮游植物群落结构均呈现上游以硅藻门为主,中下游以绿藻门、蓝藻门为主的变化特征。营养盐和水库的水力停留时间(HRT)是导致上、下游浮游植物生物量差异的关键环境要素;总磷、水温和HRT是影响浮游植物群落多样性指数的主要环境要素;总磷、氨氮是影响丰富度指数的关键环境要素。本研究结果有助于深化理解梯级筑坝河流生态环境效应。     

流域生态学与太湖流域防洪、治污及可持续发展

在评述流域生态学中的水文、湖沼、生态系统、景观、生态经济和生态管理等主要研究内容和复合生态系统、河流连续统、生态交错带、等级系统、格局－尺度－过程、信息系统等概念理论以及流域自然过程、生物功能、系统结构、生态环境、流域生态管理等流域生态学热点问题的基础上,总结分析了太湖流域防洪、治污及可持续发展与流域生态学的关系,指出流域生态学在太湖流域的流域开发、环境治理、区域可持续发展等实践方面起着越来越重要的指导作用,有必要开发深入研究。     

基于DEM的大别-皖南山区平均洪峰滞时定量分析

以皖南山区及大别山区27个中小流域为研究对象,基于数字高程模型DEM提取流域地貌信息,并计算流域平均洪峰滞时.通过建立多元线性回归及通径分析数学模型,探讨地貌因子对流域洪水响应过程的影响.结果表明:在流域系统水平,形状系数、圆度比、流域相对高差、河道分支频率以及森林覆盖率是影响流域平均洪峰滞时的主要指标,其中流域相对高差是相关系数最高的解释变量;各地貌因子间相互作用复杂,其多元线性回归模型对平均洪峰滞时的方差解释量为73.4%,其通径分析模型分别从直接作用及间接作用角度进一步合理阐述各变量对流域平均洪峰滞时的影响.本文可为皖南山区无资料地区分析洪水响应过程提供重要参考,对防洪减灾有显著意义.     

近30年来南四湖流域城市化进程中的水系变化分析

城市化对水系演化影响的研究国内目前多集中在快速、高速城市化地区,而对大流域、城市化发展较缓地区的研究比较薄弱.以南四湖流域为研究区,基于1987、2000和2014年3期遥感影像,分析了流域城市化进程中的下垫面变化特征;选取流域1980s、2003和2014年的地形图进行水系提取,从数量参数、结构参数和连通性参数3个角度分析近30年城市化进程中水系结构的时空变化特征.结果表明:(1)近30年来流域建设用地增加了1568.06 km~2,2000年以后城市建设用地扩张显著,2012年流域人口城市化率为32%;(2)1980s—2010s流域总河流长度、面积和河网密度均呈现出持续减少趋势,分别减少了135.46 km、2.75 km~2和0.49 km/km~2,各级河流表现出不同的变化特点,较低等级河流受到的影响较大;而流域水面率持续增加,近30年共增加了59.79%;(3)流域水系总体上还保持着自然状态下的空间格局,但结构特征发生了较大改变,河网结构稳定度减少了4.30%,连接率和实际结合度分别减少了21.82%和21.62%;子流域内部距湖区越远的空间城市扩展强度指数值越大,城市化对水系的影响越显著.该研究将补充对不同空间尺度、不同城市化水平地区河网水系演化影响的案例,并为研究区河网水系的保护提供支持与参考.     

太湖北岸湖滨带观测场水生植物群落特征及其影响因素分析

研究了鄱阳湖流域在1955-2002年间的径流系数的变化,重点分析了它与水循环的两个基本要素:降水量和蒸发量的关系,同时对其原因进行了初步的探讨.经分析,在鄱阳湖流域中,径流系数较大的是饶河流域和信江流域,较小的是抚河流域;在年内变化上,4-6月为五河流域径流系数比较大的月份,这与鄱阳湖流域降水集中期相对应.在空间上,4-6月仍然以饶河流域和信江流域相对较大,而抚河流域较小,特别是8月份的径流系数远小于其他四河;年代际变化上,1990s径流系数增加较为显著.尽管鄱阳湖流域的径流系数除了受气候因子的影响外,还受到水土流失和地形等因素的影响,但是降水量的增加,特别是暴雨频率的增加仍然是其主要影响因素,蒸发量的减小对径流系数的增加也有一定程度的影响.径流系数与气温并无明显的线性相关关系.     

气候变化和人类活动对鄱阳湖流域赣江径流影响的定量分析

气候变化和人类活动对流域径流影响的定量研究是当前研究的热点,赣江作为鄱阳湖流域最大的子流域,径流变化对鄱阳湖湿地水生态系统具有重要的影响.利用Mann-Kendall突变检验分析了赣江流域径流1955—2010年间演变趋势,再分别应用统计方法和IHACRES集总式模型分析气候要素和人类活动对径流的影响.研究表明IHACRES能够较好地模拟赣江流域径流,适用于中亚热带湿润季风气候区.Mann-Kendall突变检验表明赣江流域径流在1979年发生突变,可划分为1955—1979年和1980—2010年两个时段.降水是影响赣江流域径流年际变化的主要因素,而土地利用等人类活动的影响并不明显.水库建设显著影响赣江径流的季节分配,1980—2010年间人类活动影响更加显著,其中45%的年份秋季径流增加50%以上,26%的年份秋季径流增加超过100%,其中1989年的秋季径流增加幅度达到320%.