考虑土地利用/覆被变化的集总式流域水文模型及应用

为了定量评估土地利用／覆被变化的水文水资源效应，提出考虑土地利用／覆被变化的集总式流域水文模型。该模型基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型，将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型；在每一类土地利用及覆被变化面积上，分别考虑蒸发和下渗的差异，并利用蓄满一超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量；利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出El断面，从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数，前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得，而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用无定河流域1980-2000年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定与检验，率定期1986-2000年的水量平衡系数为0．999，年径流深合格率为100．0％；检验期1980-1985年的水量平衡系数为0．953，径流深合格率为83．3％，计算结果表明该模型在无定河流域具有良好的适应性。对模型产汇流参数进行合理性分析，得出无定河流域不同土地利用类型蒸发能力的相对大小关系为耕地〉林地〉草地〉未利用土地。     

基于InVEST模型的青海湖流域产水功能时空变化及驱动因素分析

以青海湖流域为研究区,基于1985—2020年8期土地利用图,结合地形、土壤和气象等数据,运用本地化修正后的InVEST模型及地理探测器方法,模拟流域产水服务、评估产水量空间分异特征、剖析其空间异质性归因。结果显示：青海湖流域1985—2020年产水量变化区间为11.68～81.52亿m³,变化趋势明显,表现为先下降后上升、再下降后上升的“W”型变化趋势;产水深度在空间分布上表现为东南高西北低,高值区均集中在海晏县内;垂直梯度上,产水能力随海拔增加而减弱;地理探测结果显示单因子对产水服务空间分异的解释能力存在显著差异,在不同分区中以气候类因子解释力最为显著;产水服务空间分异的影响程度由多因子共同决定,整体上以降水与实际蒸散量的交互作用解释力为主导因子。     

基于官厅水库流域产水和水质净化服务时空变化的生态补偿机制研究（英文）

官厅水库(GR)是北京及其周边地区最重要的水源地之一,曾因水质污染严重而被迫退出北京市饮用水供应系统,经过全面治理后于2007年恢复成为北京市备用水源地。为了从整体上定量分析官厅水库流域生态系统的产水和水质净化服务,基于In VEST模型,选择官厅水库退出北京市饮用水供应系统和恢复成为北京市备用水源地为时间节点,定量评估1995—2010年官厅水库流域生态系统的产水量和TN、TP输出量,分析其产水服务和水质净化服务的时空变化。结果表明:1995年至2010年,官厅水库的产水服务服务先减弱后增强,整体呈现减弱趋势,流域产水量从1995年的1.89×109 m3降至2010年的1.43×109 m3,产水服务减弱24.0%,水质净化服务表现为先减弱后增强,但整体呈增强趋势。TN产量从1995年的4028.7吨下降到2010年的3611.4吨,TP从1995年的379.7吨下降到2010年的354.0吨。TN和TP净化服务分别增加了10.4%和6.8%。研究显示,气候和土地利用的变化是导致官厅水库水利服务变化的主要因素,不同时期的水资源保护政策导向也与水质净化服务变化趋势相吻合。一方面,以上研究成果可以为确定官厅水库流域生态补偿的关键领域奠定基础,另一方面,通过设定退耕还林还草和生态保护的目标情景,在这个目标情景作为生态补偿标准的基础上,可以获得生态系统服务价值的增量。这种方法直接反映了自生态环境得到保护以来新增的生态系统服务价值,这与土地利用/覆盖类型视角下,基于区域生态系统服务价值的生态补偿标准相比,更具说服力和可行性,并且为官厅水库流域及其他地区的生态补偿提供了新的途径。     

皇甫川流域降水和人类活动对径流量变化的贡献率分析——累积量斜率变化率比较方法的提出及应用

随着全球或区域气候的变化,加上渐强的人类活动的影响,世界上一些河流的径流量发生了明显减小的变化趋势,这在干旱及半干旱地区的河流中尤其明显。在我国,北方干旱及半干旱地区河流的径流量的减小已经引起了严峻的生活及生态方面的问题。因此查明流域径流量的变化特征、趋势及分析其原因,是流域管理中面临的重要科学问题。该研究以黄河中游一级支流皇甫川流域为例,利用1960-2008 年的数据资料,采用累积距平方法、年际累积量方法,分析了该流域径流量和降水量的变化趋势,识别出径流量变化过程中1979 和1998 为其两个突变年份,而降水量变化过程中仅存在唯一的突变年份1979。利用统计分析法分别分析了1960-1979、1980-1997 和1998-2008 三个时期的累积径流量与年份之间的线性关系,以及1960-1979、1980-2008 两个时期累积降水量与年份之间的线性关系。采用本文提出的新的计算方法——累积量斜率变化率比较方法,以1960-1979 为基准期,在不考虑蒸散总量的影响时,计算得出皇甫川流域径流量减小的降水量和人类活动的相对贡献率在1980-1997 年间分别为36.43%和63.57%,在1998-2008 年间分别为16.81%和83.19%。该研究结果揭示了皇甫川流域近半个世纪以来径流量的变化趋势及其主要影响因素的贡献率,对于该流域未来水资源的开发利用具有重要指导作用。同时,所提出的定量研究方法可以应用在干旱—半干旱地区河流径流量变化及其影响因素的定量评估中。     

森林水文作用的流域尺度效应及其评价

森林植被覆盖对于地面水文过程的影响,随森林面积或流域尺度大小而不同,尺度效应的准确识别和定量评价比较困难.通过水文尺度效应的形成机理分析,对主要影响机制和变化特征进行了讨论,提出了分析评判中的主要因素,即从流域大小或森林覆被对能量平衡、潜在蒸散发、水源组成、汇流速度以及河槽调蓄能力的变化等方面来对流域尺度变化的效应大小进行评价.随着流域面积的增加,森林植被的影响降低而河槽调蓄的作用增大,流域尺度也会影响汇流的路径变化,大流域的地下水比重更大,对洪水形态和枯季径流量都有显著的影响.研究还提出基于投入产出原理的最佳森林覆被率的概念和建议比率,结果有助于区分森林本身和流域大小各自对径流特征的贡献,更加合理地评估森林水文效应.     

土地覆被对黄河中游流域泥沙产生的影响

本在黄河中游地区选择了近60个水测站流域，流域面积从500～2500km^2，分别代表6种不同自然地理类型。运用遥感方法和专题地图，结合野外实地调查，在流域泥沙及植被、地面物质等数据采集的基础上，利用数理统计方法，建立了流域产沙量与植被、地面物质之间的定量关系。结果表明，植被和地面物质对流域产沙量有着十分重要的影响。流域产沙量与植被之间呈现相当好的非线性负相关关系，而与地面物质呈明显的线性正相关关系。流域产沙量随植被变化存在着二个临界值，一是当流域植被覆盖度等于30％时，另一是当植被覆盖度等于70％时。这一现象以往只是在试验小区或试验流域见到，而本的研究表明，类似的现象在天然河流流域也存在。多元回归表明，在影响流域产沙量诸因素中，植被的影响是最重要的，其次是地面物质。     

长江流域侵蚀产沙尺度效应的区域分异

以长江流域水文站点的观测数据为依据,基于一定的分区原则,将整个长江流域分成了8个区域,对所有分区产沙模数的尺度效应进行了深入分析.研究表明,所有分区产沙模数的尺度效应可以概括为三类:产沙模数随流域面积的增大而减小,或先减小后基本保持不变的,主要包括长江中下游干流沿岸区域,岷江主体区域,洞庭湖流域和鄱阳湖流域;产沙模数随流域面积的增大基本保持不变的,包括嘉陵江主体区域和汉江流域;产沙模数随流域面积增大而增大,或先增大后基本保持不变的,包括长江上游干流沿岸的非泥石流区域和乌江流域.不同流域尺度效应的差异主要与流域土地利用方式有关.基于各分区校正方程,将所有站点进行了标准面积为100 km2,1 000 km2,10 000 km2的尺度校正,结果表明,当校正面积为100 km2,侵蚀最强烈的区域主要是岷江流域,其次是鄱阳湖和洞庭湖流域,校正面积为1 000 km2和10 000 km2,产沙模数图变化不显著,但明显区别于校正面积为100km2下的产沙模数图.侵蚀最强烈的区域主要是嘉陵江流域,其次是长江上游干流沿岸的部分区域和汉江流域的部分区域.不同校正面积下产沙模数图的变化,显示了不同流域侵蚀来源的差异.     

伊犁河跨界流域土地利用变化特征分析

土地利用变化引发的水资源问题往往成为跨界流域各国矛盾的焦点,如何充分考虑跨界流域的特殊性和复杂性,对土地利用变化研究提出了新的要求。本文利用 MODIS产品提取了伊犁河流域2001-2009年土地利用数据,划分流域的产水/耗水区,结合流域跨界特点分析其土地利用变化特征。研究时段内,伊犁河流域土地利用以农田和天然植被为主,农田总面积有所下降,天然植被面积基本稳定。其中上中游产水区林地出现萎缩,草地面积增幅较大;中游水库耗水区内农田大幅度转化为天然植被;下游三角洲耗水区土地利用开发受限,人类干预程度下降。产流区内中国农田面积相对境外持续增加,而天然植被面积相对境外则持续缩小。受制度影响,哈萨克斯坦境内土地利用变化波动明显,中国境内土地利用变化幅度相对稳定。     

流域生态水文模型研究进展

流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点.基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要...     

基于栅格数据的流域降雨径流模型

本文在研究降雨时空分布不均匀与下垫面自然地理参数空间分布不均匀，对降雨径流过程影响的基础上，提出了一种在地理信息系统支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟，能够获得流域上任意模拟时刻任意栅格的径流量。模型视栅格为水文一致性单元，水文参数在栅格内一致，在相邻栅格间变化，采用Ｈｏｌｔａｎ模型计算下渗率，水量平衡方程和线性水库的马斯京根法进行栅格产汇流演算，模     

红水河流域输沙量变化及其影响因素

红水河是珠江流域的主要泥沙来源,为了确定1955-2016年红水河流域输沙量变化特征及其影响因素,论文尝试采用有序聚类分析确定了流域输沙量变化的3个时期,并利用泥沙归因诊断分析计算了含沙量、径流系数和降雨因子在不同时期对输沙量变化的贡献程度,在此基础上进一步对影响输沙量变化的主要因素进行了分析。研究表明:1955-2016年间红水河流域输沙量存在1963和1991年2个突变点,在突变点前后输沙量存在明显变化,且这一变化主要受含沙量因子控制,人类活动是造成流域输沙量变化的根本原因。其中在1955-1991年间,红水河输沙量的上升主要由毁林开荒引起的流域水土流失面积增加所导致;而在1964-2016年间,水库修建使红水河流域输沙量减少了83.49%,而同时期植被覆盖度的增长贡献了输沙量减少的12.03%。将Wa TEM/SEDEM模型模拟结果与实测结果进行对比,同样发现1964-2016年输沙量变化的绝大部分(81.03%)由修建水库所贡献,而土地利用变化对输沙量减少的贡献相对较小(18.97%)。     

Alluvial Fans as Records of Holocene Sediment Yield in the Central Great Plains of Southwest Nebraska

Soils buried by alluvial fan deposits in southwest Nebraska record several intervals of increased sediment yield from small watersheds during the Holocene. These intervals, which began at ca. 9000, 5800, 4000, 3000, and 1000 ¹⁴C yrs. B.P., were probably caused by some sort of change in regional climatic conditions. Existing evidence of Holocene climate change suggests that increased sediment yields were caused by periodic shifts toward drier climatic conditions, except for the intervals that began at 5800 and 4000 ¹⁴C yrs. B.P. The cause of increased sediment yields at those times is unclear, although an increased frequency of large intense storms may have been a contributing factor. The record of soil burial exhibits considerable spatial variability both within individual fans and between fans. This is partly due to practical limitations on the number of buried soils that could be sampled on each fan. But it is also due to the inherent spatial variability of depositional processes and to differences in the geomorphic development of the four fans. Thus, researchers who use data from fans to reconstruct sediment-yield histories need to investigate several sites on several fans in order to obtain as complete a record as possible of changing sediment yields.     

人类活动对河湖水系连通的影响评估

河湖水系承载着人类赖以生存的水资源,也支撑着经济社会的可持续发展。在自然因素和人类活动双重影响下,河湖水系不断发生着改变,也影响着人类生存和发展。特别是在人类活动日益剧烈的背景下,研究人类活动对河湖水系连通的影响是一个非常重要的科研问题,也是河湖水系连通工程实践的一个关键问题。本文从自然和人工两个方面分析了河湖水系连通的影响因素,阐述了人类活动对河湖水系连通的影响过程,并从河湖水系连通关系、河湖水系功能（自然角度）、河湖水系连通功能（社会角度）三个方面归纳了人类活动的正负面影响;在此基础上,提出了有针对性的影响量化评估方法,便于宏观角度量化和分析人类活动对河湖水系连通的影响。本研究以人类活动剧烈的淮河流域为实例应用,分析了人类活动对淮河水系的影响评价结果。     

疏勒河流域泥沙分布规律及水沙关系研究

泥沙是影响河流健康和水环境的重要因素之一,受气候变化和人类活动的影响,流域水文要素和下垫面条件发生了较大变化,尤其是实施大规模的水土保持措施后,部分河流的泥沙含量大幅减少,但在河西内陆河流域发源于祁连山西端的疏勒河流域,受降水条件和人类活动的影响,河流泥沙呈增加趋势。本文应用疏勒河流域实测长系列水文资料,采用水文统计法、差积曲线法、趋势检验法、突变检验法、非线性复相关模型法等方法,分析了流域泥沙时空分布规律及水沙关系,结果表明：疏勒河干流昌马堡站年输沙量为333.5×104 t,至下游潘家庄站减少到223.5×104 t;党河党城湾站年输沙量为76.56×104 t,至下游沙枣园站增加到121.3×104 t;疏勒河干流输沙量主要集中在汛期7～8月,占全年的81.9 %～84.0 %,党河流域输沙量主要集中在4-8月,占全年的92.3 %;流域泥沙变化总体呈增加趋势,突变点1998年以后,年输沙量增加了86.3 %～148.2 %。建立了潘家庄站降水～泥沙、径流～泥沙以及年输沙量～年径流量～年最大洪峰流量关系模型,相关关系较好,相关系数达到0.717～0.858。流域出山口以上对泥沙的影响因素主要是降水,出山口以下主要是修建水库、水电站、引水工程、河道采砂等人类活动影响。随着国家对内陆河流域祁连山和河西走廊的日益关注,以及全国河长制的推行,河流生态健康已经提上日程,研究疏勒河流域泥沙分布规律及水沙关系,对国家实施西部生态安全战略、区域生态环境修复治理、水资源可持续利用等具有重要意义。     

Stratigraphic inversion of siliciclastic basin fills: a note on the distinction between supply signals resulting from tectonic and climatic forcing

Rates of accommodation and sediment supply are the principal controls on stacking patterns in siliciclastic basin fills. Stratigraphic inversion is aimed at reconstruction of these controls from the detrital record. Efforts to ‘explain’ siliciclastic basin fills have been focused on analysis and numerical modelling of sequence geometry in response to changes in accommodation, whereas comparatively few studies have attempted to address the role of sediment supply. The compositional and textural properties of siliciclastic basin fills are linked with the evolution of drainage basins through the principle of climatic–physiographic control of sediment production and supply. Application of this principle leads to a method of compositional analysis for distinguishing sequences controlled by high-frequency changes in the rate of accommodation from sequences controlled by high-frequency variations in the rate of sediment supply (order of 10 kyr). This method does not require detailed time control. Changes in rate and type of sediment supplied to depositional systems in response to environmental perturbations in drainage basins are explored in greater detail by means of a numerical model of sediment production under various scenarios of climatic and tectonic forcing. Simulation experiments suggest that drainage basins respond differently to high-frequency tectonic and climatic perturbations. Synthetic time series of cyclically forced sediment production display different types of asymmetric variations in grain size, accumulation rate and residence time of sediments in response to tectonic and climatic forcing. The results also highlight the role of vegetation as the principal modulator of climate forcing, and show that the nonlinear response to climate change may frustrate any attempts at providing broad generalizations of the system's responses. The modelling results confirm the usefulness of a combined analysis of sediment composition and sequence geometry, and the mathematically rich behaviour of the system suggests that further development of this approach is likely to increase our ability to reconstruct forcing mechanisms and initial boundary conditions from the detrital record.     

Impact of recycling and lateral sediment input on grain size fining trends—Implications for reconstructing tectonic and climate forcings in ancient sedimentary systems

Grain size trends in basin stratigraphy are thought to preserve a rich record of the climatic and tectonic controls on landscape evolution. Stratigraphic models assume that over geological timescales, the downstream profile of sediment deposition is in dynamic equilibrium with the spatial distribution of tectonic subsidence in the basin, sea level and the flux and calibre of sediment supplied from mountain catchments. Here, we demonstrate that this approach in modelling stratigraphic responses to environmental change is missing a key ingredient: the dynamic geomorphology of the sediment routing system. For three large alluvial fans in the Iglesia basin, Argentine Andes we measured the grain size of modern river sediment from fan apex to toe and characterise the spatial distribution of differential subsidence for each fan by constructing a 3D model of basin stratigraphy from seismic data. We find, using a self‐similar grain size fining model, that the profile of grain size fining on all three fans cannot be reproduced given the subsidence profile measured and for any sediment supply scenario. However, by adapting the self‐similar model, we demonstrate that the grain size trends on each fan can be effectively reproduced when sediment is not only sourced from a single catchment at the apex of the system, but also laterally, from tributary catchments and through fan surface recycling. Without constraint on the dynamic geomorphology of these large alluvial systems, signals of tectonic and climate forcing in grain size data are masked and would be indecipherable in the geological record. This has significant implications for our ability to make sensitive, quantitative reconstructions of external boundary conditions from the sedimentary record.     

人类活动对长江上游近期输沙变化的影响

利用1956-2007年径流—输沙序列,分期定量研究了长江上游近期主要干支流输沙变化及其原因,结果显示:①长江上游1994-2002年输沙量减少1.43亿t/a,人为减沙占91.2%,主要来自嘉陵江措施减沙;2003-2007年减沙4.50亿t/a,径流减沙占14.1%,前期持续的人类活动减沙占39.8%,三峡水库蓄水拦沙、金沙江措施减沙等新增人为减沙占46.2%。②金沙江1983-2000年输沙量增加0.48亿t/a,人为增沙占74.7%,主要是工程增沙;2001-2007年输沙量减小1.183亿t/a,全部为人为减沙,包括二滩等各型水库拦沙、水保减沙和工程增沙减少。③嘉陵江1985-1993年输沙减少0.827亿t/a,人为减沙占81.4%,主要人为减沙包括农村社会经济因素变化导致的土壤减蚀和水库拦沙;1994-2007年输沙量减少1.285亿t/a,其中自然径流减沙占29.6%,前期持续人类活动减沙占42.1%,宝珠寺等新增水库拦沙和水保减沙占23.4%,另有4.9%的人为减水减沙。     

长江上游重点产沙区产沙量对人类活动的响应

对金沙江屏山站、嘉陵江北碚站、宜昌站20世纪50年代以来的输沙量和含沙量进行分析。结果表明,在年径流量相同的情况下,由于大规模矿山、钢铁工业、交通建设增加水土流失,屏山站1976~1996年年产沙量要高于1954~1976年。与此相反,由于修筑水库、塘坝拦沙,修建梯田、恢复植被减少侵蚀,北碚站1983~1996年年产沙量要大大低于1954~1982年;宜昌站1985~1996年年产沙量也低于1954~1984年。北碚、宜昌两站都存在一个使水利、水土保持减沙量为0的年径流量临界值,北碚站和宜昌站这一临界值分别为1142×10⁸m³和4800×10⁸m³。     

Comparison of conceptual landscape metrics to define hillslope-scale sediment delivery ratio

The aim of this study was to evaluate four metrics to define the spatially variable (regionalised) hillslope sediment delivery ratio (HSDR). A catchment model that accounted for gully and streambank erosion and floodplain deposition was used to isolate the effects of hillslope gross erosion and hillslope delivery from other landscape processes. The analysis was carried out at the subcatchment (~ 40 km²) and the cell scale (400 m²) in the Avon-Richardson catchment (3300 km²), south-east Australia. The four landscape metrics selected for the study were based on sediment travel time, sediment transport capacity, flux connectivity, and residence time. Model configurations with spatially-constant or regionalised HSDR were calibrated against sediment yield measured at five gauging stations. The impact of using regionalised HSDR was evaluated in terms of improved model performance against measured sediment yields in a nested monitoring network, the complexity and data requirements of the metric, and the resulting spatial relationship between hillslope erosion and landscape factors in the catchment and along hillslope transects. The introduction of a regionalised HSDR generally improved model predictions of specific sediment yields at the subcatchment scale, increasing model efficiency from 0.48 to > 0.6 in the best cases. However, the introduction of regionalised HSDR metrics at the cell scale did not improve model performance. The flux connectivity was the most promising metric because it showed the largest improvement in predicting specific sediment yields, was easy to implement, was scale-independent and its formulation was consistent with sedimentological connectivity concepts. These properties make the flux connectivity metric preferable for applications to catchments where climatic conditions can be considered homogeneous, i.e. in small-medium sized basins (up to approximately 3000 km² for Australian conditions, with the Avon-Richardson catchment being at the upper boundary). The residence time metric improved model assessment of sediment yields and enabled accounting for climatic variability on sediment delivery, but at the cost of greater complexity and data requirements; this metric might be more suitable for application in catchments with important climatic gradients, i.e. large basins and at the regional scale. The application of a regionalised HSDR metric did not increase data or computational requirements substantially, and is recommended to improve assessment of hillslope erosion in empirical, semi-lumped erosion modelling applications. However, more research is needed to assess the quality of spatial patterns of erosion depicted by the different landscape metrics.