大凌河流域土地利用/覆被变化及其对气候变化的响应研究

基于Landsat遥感影像提取大凌河流域1986~2014年7期土地利用/覆被变化信息,并结合1986~2014年流域气候变化情况,发现大凌河流域土地利用变化对流域气候变化具有负面影响。研究表明：① 近30 a大凌河流域土地利用/覆被变化情况表现为：建设用地和农林用地的大幅度扩张,面积分别增加了322.30 km²和1 504.94 km²,并伴随着水域和旱地及其他未利用地面积的显著减少,面积分别减少了102.42 km²和1 724.61 km²;② 大凌河流域近30 a来土地利用变化导致流域平均年降水量、平均相对湿度及平均风速小幅度下降,分别减少了14.94 mm、0.2%和0.04 m/s,平均气温缓慢上升,增长了0.1℃;③ 退耕还林还草及成立凌河保护区等工作能提高流域植被覆盖面积、使流域水域面积得以回升,从而可以缓解城市热岛效应带来的温度升高,提高流域生态环境质量。     

1961-2016年渭河流域极端降水事件研究

基于1961-2016 年渭河流域26 个气象站点的逐日降水数据,选取与极端降水事件密切相关的9 个指数,利用线性趋势法、Mann-Kendall突变点检验和方差分析等方法,揭示渭河流域极端降水事件的变化趋势、突变情况以及渭河流域上、中、下游降水情况的差异特征,对研究区未来极端降水事件提供科学预测和理论参考。结果表明：① 渭河流域上、中、下游地区及整个流域的年总降水量分别以16.588 mm/10a、8.319 mm/10a、6.703 mm/10a和9.544 mm/10a的速率下降,表明渭河流域56 a来降水总量存在逐年减少的趋势,整个渭河流域地区呈现变干的趋势。② 降水强度(SDII)、强降水总量(R95PTOT)和极端降水总量(R99PTOT)在整体上均呈现上升趋势,极端降水总量的上升趋势高于强降水总量,上游地区的上升趋势高于中下游地区,表明渭河流域极端降水强度有所增强,极端降水事件发生频率有所增大。③ 渭河流域出现极端降水事件的年份集中在20世纪90年代和21世纪初期,且降水情况的年际差异较大,中游地区的变化更为明显。④ 相关分析显示中下游地区对整个流域极端降水事件的发生情况起到较大的贡献。     

基于土地利用变化的中国省域碳排放时空差异及碳补偿研究

选择中国30个省级行政区为研究单元,基于土地利用和能源消耗等数据,采用碳排放系数法,对2003~2016年中国土地利用碳源/汇进行计算,探究中国省域土地利用碳排放和碳吸收时空演变,并以碳盈亏时空分析为基础,通过生态补偿系数和经济贡献系数分析碳排放的差异性,以净碳排放量作为基准值进行碳补偿价值的研究。结果表明:① 研究期间碳排放总量和净碳排放量除在2015年出现小幅度下降现象,其余年度均呈现不断增加趋势;碳吸收总量呈现稳中有升的趋势。②土地利用碳吸收的主要载体是耕地和林地,碳汇资源空间差异明显,基本呈现西高东低的分布特征,多数省份在研究期内基本保持一致的碳吸收类型。③ 碳排放总量分布空间差异显著,且主要来自建设用地。④ 依据净碳排放量的区域差异,将其划分为高碳排放区、一般碳排放区、低碳排放区、碳汇区4种类型。⑤ 由于各省域碳补偿标准和净碳排放量的差异导致碳补偿价值区域差异明显。     

1960~2014年淮河流域极端气温和降水时空变化特征

基于淮河流域33个气象站点1960~2014年逐日气温和降水数据,利用Mann-Kendall检验和克里金插值法分析了极端气温、降水指数的时空变化规律。结果表明：① 近55 a来,冷极值呈显著下降趋势,暖极值表现为波动上升趋势;日较差（DTR）呈显著下降趋势,这与最低气温的增加幅度比最高气温大有关;② 总降水量（PRCPTOT）和强降水日数（R10,R20）表现为缓慢下降趋势,1 d最大降水量（RX1day）、连续5 d最大降水（RX5day）以及降水强度（SDII）呈缓慢上升趋势,但变化趋势均不显著;③ 空间变化上来看,霜冻日数（FD0）、冷夜日数（TN10p）、热夜日数（TR20）和暖夜日数（TN90p）在流域大部分地区变化趋势显著,而降水极值在全流域未表现出一致上升或下降趋势,且变化趋势在全流域均不显著;④ 基于流域当前气象站点数据,极端气温、降水指数变化趋势未表现出高程相依性;⑤ 流域大部分极端气温、降水指数变化趋势介于中国南北方流域之间,表现出一定的南北过渡带特色。     

基于MOD16的汉江流域地表蒸散发时空特征

基于MOD16遥感产品,在数据精度验证的基础上,运用GIS统计法、线性趋势法等研究了2000~2014年汉江流域蒸散发的年际和年内变化规律及不同土地覆被类型下的蒸散发特征。结果表明：① 2000~2014年,潜在蒸散发(PET)多年平均值为1 476 mm,呈东南向西北递减态势;实际蒸散发(ET)多年平均值约654 mm,ET呈东低西高,南高北低态势。不同土地覆被类型下年均PET和ET大小顺序相反。② PET年际变化率为13.63 mm/a,呈弱增加趋势;ET年际变化率为-2.3 mm/a,呈弱减少趋势,表明汉江流域水资源呈减少趋势。PET空间上呈东增西减趋势,ET呈东减西增趋势,东北部具有干旱化倾向。③ 年内PET和ET呈单峰型。PET在6月最大,ET在7月最大,二者均在12月最小。二者在4~6月差距最大,形成春旱。不同土地覆被类型下PET和ET呈单峰型,植被生长季节ET差距大,林地增长速度最快。④ PET和ET具有较强的季节性。ET季节性空间差异非常显著,在于林地的植被蒸腾作用对全年ET贡献较大。流域西部山地ET季际增加趋势明显而东部呈减少趋势,整体上冬季年际变化最明显,春季最弱。     

基于RUSLE的卧虎山水库流域土壤侵蚀特征分析

通过RUSLE模型对卧虎山水库流域土壤侵蚀进行全面评价验证和总结。结果表明：① 水库流域平均侵蚀模数为462 t/(km²·a),该数值与通过水库淤积等资料推算评估结果基本一致,表明本研究结果具有较高的可信度;水库流域年均侵蚀量达到2.6×10⁶t,其中高于容许土壤流失量的面积为176 km²,占到流域总面积的31.51%。从不同侵蚀级别来看,占流域面积27.77%的轻度侵蚀,对流域侵蚀总量的贡献率为54.64%; 面积占比3.74%的中度及以上侵蚀,侵蚀量贡献率达到30.94%。② 流域内土壤侵蚀空间差异较大,回归分析发现地形因子是导致各子流域土壤侵蚀模数差异的主要因素;就土地利用类型而言,旱地和农村居民点是流域内的主要侵蚀土地利用类型;流域内土壤侵蚀模数随着坡度增加呈现相应增大趋势,8°~25°坡度段面积比例不仅最大,而且侵蚀量占比最高,是水库流域的主要侵蚀坡度段。     

辽宁省潜在蒸散发量及其敏感性规律分析

采用Penman-Monteith法和敏感系数法对辽宁省1965~2014年潜在蒸散发量及影响潜在蒸散发的气象因子敏感性进行分析,探讨气候变化下影响辽宁省潜在蒸散发量变化的主导因子及潜在蒸散发对气候变化的定量响应。结果表明：① 近50 a辽宁省潜在蒸散发呈现显著减少趋势,在空间上由西向东递减;② 潜在蒸散发对气象因子的敏感性在年尺度上表现为,水汽压最为敏感,其次为太阳辐射、风速、平均气温;在季节尺度上,春季和秋季对平均气温最不敏感,夏季对风速最不敏感,冬季对太阳辐射最不敏感;③ 空间分布上,气象因素的敏感系数与气象因子空间变化规律相吻合,潜在蒸散发对气温的敏感性由北部向南部递增,对水汽压、太阳辐射的敏感性由东部向西部递减,而风速与之变化趋势相反。④ 风速的显著降低是辽宁省潜在蒸散发量下降的主要原因,太阳辐射的下降及水汽压的升高也促使了潜在蒸散发量的下降。     

咸海流域陆地水储量时空变化研究

采用2002—2016年GRACE(Gravity recovery and climate experiment)重力卫星JPL-RL06M数据分析咸海流域陆地水储量变化(Terrestrial water storage change, TWSC)时空变化特征,并结合CRU TS4.03气象数据、GLDAS-Noah地表蒸散发数据和高精度土地利用数据探究气候变化与人类活动对陆地水储量的影响。结果表明:(1)2002—2016年咸海流域陆地水储量变化呈现-3.20 mm·a~(-1)下降趋势,春、夏季陆地水储量呈盈余态势,秋、冬季呈现亏损状态;水储量变化在空间上表现为中部和东部盈余,周边亏损的特征。(2)2002—2016年咸海流域降水量呈-1.14 mm·a~(-1)下降趋势,地表温度呈0.11℃·a~(-1)上升趋势;相比气温,水储量变化与降水量相关性更强。(3)2000—2015年,咸海流域耕地面积小幅增加1.65×10~4km~2,水域面积减少;农作物耗水和灌溉需水的增加加剧了咸海流域水量支出,咸海流域蒸散发呈21.63×10~8m~3·a~(-1)增加态势,在空间上与陆地水储量变化的相关系数最高达0.74,是影响陆地水储量变化的主要因素之一。     

流域水热条件和植被状况对青海湖水位的影响

湖泊是陆地水资源的重要组成部分，也是局地气候和全球环境变化的敏感指示器之一。湖泊面积增加和水位的变化直接反映了流域内水量平衡变化过程，对区域和全球的气候变化的反映较为敏感。利用线性趋势法对青海湖流域长时间序列气象、水文资料以及流域水热条件和植被生长状况进行分析研究，利用皮尔逊相关系数法计算了各因素与湖水位的相关关系，旨在定量评估区域气象、水文、植被等要素的变化对和湖泊水位变化过程的贡献，开展细致的青海湖水位变化特征的影响因子探讨与分析。结果表明：该流域气候呈现显著的暖湿化趋势，其中流域年降水量总体上呈现弱的增加态势，气候倾向率为10.8 mm·（10 a）^-1；流域年平均气温呈显著的升高趋势（P <0.01）。流域年可能蒸散率和年实际蒸散波动较大，年实际蒸散虽有波动但增加趋势非常明显（P <0.01）。流域净第一性生产力（P）平均值为2.86 t DM·hm^-2·a^-1，呈现显著的增加趋势（P <0.01）。从1961年开始湖水位呈现逐年波动下降的趋势，到2004年水位最低（P<0.01）；2004—2015年的近10 a连续上升，上升速率达14.4 m·（10 a）^-1（P <0.01）。流域气温升高、降水量增加，流域气候呈显著的暖湿化特征，入湖河流径流量也呈现出弱的增加态势；气候暖湿化特征导致流域生物温度增加，植被生长状况得到改善，[WTBX]NPP[WTBZ]显著增加。年降水量增多，河流径流量增大，湖水位抬升；前一年的降水量、≥0 ℃积温、温度、径流量、NPP和蒸发量对湖水位的影响更大；NDVI和NPP的增加反映流域植被生长状况得到好转，从而增加了流域植被水土保持和水源涵养能力，对湖水位产生间接的影响。降水量、≥0 ℃积温、温度、径流量和NPP对青海湖水位起到正反馈效应，而蒸发量对湖水位主要起负反馈效应，年降水量和年径流量是湖水位变化的最直接的影响因子。     

商洛市水源涵养服务功能空间格局与影响因素

以商洛市为例,利用InVEST产水量模型和多年平均涵养水量模型,以参数本地化、实地率定和结果验证,对该区水源涵养功能的空间格局分异规律及其影响因素进行分析。结果表明：① 商洛市水源涵养总量为27.48×10⁸m3/a,水源涵养能力为324.85 mm。五大流域水源涵养功能依次为旬河>乾佑河>金钱河>丹江>洛河。② 气候因素对产水能力空间格局影响最大,10 a土地利用变化和下垫面植被、土壤因素则对水源涵养空间异质性影响显著。③ 子流域单元产水能力相关性强的因子为多年平均降水、实际蒸散发和植物可利用水,水源涵养功能关键驱动因子是潜在蒸散量、土壤饱和导水率与森林覆盖率。     

基于小波多尺度变换的渭河水沙演变规律研究

关中平原地区是推动陕西省经济社会发展的引擎,其生产总值占陕西省的70%以上,但是水资源短缺、时空分布不均、河流含沙量高等问题严重制约其经济社会的发展。运用小波变换、滑动t检验、累积距平以及Yamamoto、Mann-Kendall等方法系统分析了1935-2011年渭河水沙序列演变规律。研究结果显示：77 a间除20世纪70年代、80年代外,其它年代渭河华县站水沙变化波动下降的匹配趋势均一致,其中径流量减流速度大于输沙量减沙速度;渭河水沙序列周期变化不一,径流量变化的主周期依次为38 a、14 a、4 a,输沙量变化的主周期依次为15 a、49 a、43 a、4 a;除输沙量49 a变化周期外,其他水沙变化周期大致相近;由于渭河输沙量变化所受气候及人类活动的影响远较径流量复杂,加之水沙异源,所以渭河华县站输沙量周期变化及突变点分布情况比径流量变化复杂,且其第一主周期变化呈现独特的变化态势。     

洮儿河流域中上游水循环要素变化及其原因

选取洮儿河流域中上游地区为研究区,分析1961～2000年期间径流、降水、气温等水文气象要素的演化趋势.采用特征参数时间序列法,初步探讨了气候变化与土地利用/覆被变化的径流效应,并通过洮南站40年天然径流与实测径流的比较,定量分析水资源开发利用对径流的影响.结果表明:降水、气温均呈一定的上升趋势,径流表现出先减少、后增加、再减少的趋势;年降水、年气温分别与天然年径流呈正相关和负相关的关系,然而这种影响随着时间序列的延长均有所减弱;近30年间,植被覆盖度降低可能是天然年径流增加的主要原因;水资源的开发利用导致1986～2000年期间的年径流减少5.8亿m3,占天然年径流量多年均值的37.1%.     

气候变化对不同气候区流域年径流影响的识别

气候变化对流域径流的影响显著,但不同流域径流对各气候因子敏感性不同,具有明显的空间分异性。本文以位于半湿润、湿润地区的松花江、子牙河以及西苕溪流域为例,基于Budyko 水热平衡经验模型,采用归因分析方法分离了气象要素趋势性变化对年径流和潜在蒸发变化率的贡献与差异性。结果表明:1960-2008年,在上述3个流域中,降水趋势性变化对年径流变化的贡献比潜在蒸发大。松花江和子牙河流域各气象要素趋势性变化对潜在蒸发变化率的贡献排序为:温度>风速>水汽压>日照时数,而西苕溪流域为:温度>日照时数>风速>水汽压。在气候要素共同作用下,松花江和子牙河流域平均年径流分别以0.48和1.51 mm a^-2的速率减少,而西苕溪流域年径流则以1.42 mm a^-2的速率增加。所得结果加深了气候变化对径流影响机制和程度的认识,可作为流域水资源适应性管理的科学依据。     

基于GRACE数据的黄河流域地下水储量变化与人口暴露研究

近年来黄河流域人与水资源矛盾愈发突出,尤其是地下水储量的过度消耗已成为限制该区域人与自然和谐发展的主要矛盾之一。基于重力反演与气候实验卫星数据和全球陆面数据同化系数数据,根据流域水循环与水量平衡原理,测算2003—2016年黄河流域地下水储量的变化情况,在探究其时空变化特征的基础上,识别了地下水储量下降明显区域的人口暴露度。结果表明：（1） 空间分布上,黄河流域地下水储量西多东少,由西向东下降程度不断加剧,且下降区域呈现由下游向中上游扩散的态势。下降区域主要集中在中东部地区,变化等级以较剧烈减少和剧烈减少为主。（2） 时间变化上,2003—2016年黄河流域地下水储量整体呈下降趋势,年均降幅为5.93 mm·a^-1。其中,2004—2016年为连续下降,2015—2016年的下降幅度最大;另外,地下水储量时间变化存在季节效应,地下水储量下降幅度春季最大、冬季次之、秋季再次之、夏季最小。（3） 地下水暴露风险状态下的地级市人口密度在空间上呈东高西低、中部交错分布的状态,暴露风险人口密度最大地级市共16个;地下水储量下降人口累积百分比呈现明显上升的趋势,在2016年达到最大值。研究结果以期为黄河流域地下水资源可持续利用提供科学参考。     

黄河流域气候变化研究综述

黄河流域从西到东跨越多省,地形复杂,作为中国生态安全战略格局的重要组成部分,是中国气候变化敏感区和生态环境脆弱区。本文主要综述了在气候变暖背景下,黄河流域气候变化特征、影响以及成因和对策建议的最新研究进展：（1）近60年黄河流域气温呈上升趋势,平均升温速率为0.30 ℃/10a,上游升温速率最大,下游次之,冬季升温趋势最显著,夏季最小,降水量上游地区增多,中下游地区减少,蒸散量呈减少趋势。（2）在气候变化和人类活动影响下,黄河流域径流量整体呈下降趋势,源区冰川积雪消融加剧,冻土严重退化,流域植被覆盖整体呈好转趋势,上游脆弱区和中游产沙区水土流失加重,对农业影响利弊皆存,流域病虫害加剧;流域气候变暖,极端天气气候事件增多,对文化遗产安全保存带来巨大挑战。（3）黄河流域气候系统随时间演变的过程不仅受自身内部的动力、热力影响,也受大气环流、海温、青藏高原等外部强迫因子的影响,人类活动造成的大气成分和土地利用覆盖的变化是影响黄河流域局地气候的重要因子。（4）未来黄河流域气温持续上升,降水波动增加,极端天气事件将更加频繁。应对气候变化,重点在于加强黄河流域气候变化科学研究,提升极端天气气候事件的预报预警能力,联合多部门建立气象、水文、生态与数值预报及防控一体化的灾害预报预警系统,同时加强流域水资源的管理调配和有效利用,加强流域生态环境保护,制定科学合理的农业发展战略,推动黄河流域高质量发展。     

基于MOD16数据的渭河流域地表实际蒸散发时空特征

基于流域水量平衡法,利用水文数据和气象数据对渭河流域MOD16-ET(实际蒸散发)数据进行精度验证; 利用2000-2012年MOD16-ET数据和GIS技术定量分析了渭河流域(分为干流、泾河、北洛河3个子流域)地表实际蒸散发年际和年内的时空变化特征。结果表明:(1) 3个子流域的实测降水空间插值结果与MOD16-ET估算结果比较,相对误差平均值为8.36%,渭河干流误差较小,其他2个子流域误差相对较大; (2) 3个子流域上游至下游的ET剖面线变化不同,明显受地表覆盖类型影响; (3) ET值年内分布大致呈单峰型格局,季节变化特征为夏季(177.14 mm)> 秋季(105.22 mm)> 春季(92.97 mm)> 冬季(77.50 mm); (4) 基于栅格尺度的ET值年际变化特征空间分布,各子流域下游以降低趋势为主,渭河中游和上游以升高趋势为主,北洛河、泾河中游和上游以基本不变趋势为主,具体影响因素的定量分析仍需MODIS资料的时间累积。     

基于分布式水文模型（SWAT）的土地利用和气候变化对洮河流域水文影响特征

土地利用和气候变化是流域水资源发生变化的重要原因。以洮河流域为研究区,通过模型率定得到适宜于洮河流域的分布式水文模型（SWAT）,在综合考虑流域土地利用和气候变化特征的基础上构建多种情景模式,并对不同情景模式下的水文特征进行模拟,得到以下结论：（1）校准后的SWAT模型,R²、R_e和E_ns分别达到0.83、-8%和0.68,说明该模型在洮河流域径流模拟中具有较好的适用性。（2）与1976-1995年相比,气候变化使流域产水量增加1.30 mm,土地利用变化使流域产水量减少0.77 mm。土地利用变化对水文特征的影响小于气候变化,但土地利用变化对流域管理的作用却是不可忽视的。从极端土地利用变化情景可知,与1985年土地利用情景相比,林地、草地和耕地情景中产水量分别变化了18.1%、-7.4%和-10.1%。从气候变化情景可知,当降水量不变,温度分别变化2 ℃、1 ℃、-1 ℃和-2 ℃时,流域产水量的变化量分别为-4.23%、-2.56%、3.08%和6.70%;当温度不变,降水量分别变化20%、10%、-10%和-20%时,流域产水量的变化量分别为56.32%、30.88%、-23.66%和-45.94%。（3）在土地利用和气候变化共同作用下,地表径流增加的区域主要位于下游的广河县、和政县和康乐县以及上游的碌曲县和夏河县等地,地表径流增加地区的面积约占流域总面积的39%。     

Impacts of climate change and agricultural activities on water quality in the Lower Kaidu River Basin,China

In the context of climate change and over-exploitation of water resources, water shortage and water pollution in arid regions have become major constraints to local sustainable development. In this study, we established a Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model for simulating non-point source (NPS) pollution in the irrigation area of the lower reaches of the Kaidu River Basin, based on spatial and attribute data (2010–2014). Four climate change scenarios (2040–2044) and two agricultural management scenarios were input into the SWAT model to quantify the effects of climate change and agricultural management on solvents and solutes of pollutants in the study area. The simulation results show that compared to the reference period (2010–2014), with a decline in streamflow from the Kaidu River, the average annual irrigation water consumption is expected to decrease by 3.84x10⁸ m³ or 8.87% during the period of 2040–2044. Meanwhile, the average annual total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in agricultural drainage canals will also increase by 10.50% and 30.06%, respectively. Through the implementation of agricultural management measures, the TN and TP in farmland drainage can be reduced by 14.49% and 16.03%, respectively, reaching 661.56 t and 12.99 t, accordingly, and the increasing water efficiency can save irrigation water consumption by 4.41 x10⁸ m³ or 4.77%. The results indicate that although the water environment in the irrigation area in the lower reaches of the Kaidu River Basin is deteriorating, the situation can be improved by implementing appropriate agricultural production methods. The quantitative analysis results of NPS pollutants in the irrigation area under different scenarios provide a scientific basis for water environmental management in the Kaidu River Basin.