气候与土地利用变化对水文水资源的影响研究

水资源短缺和水患灾害已成为全球关心的重大问题。气候与土地利用变化对流域水资源和旱涝的影响以及由此产生的社会经济后果已引起人类社会的广泛关注。深入综合地开展这方面的研究对国民经济建设和可持续发展规划决策有重要的意义。通过分析总结已进行的有关研究工作 ,对该领域的研究进展作了简要回顾 ,讨论了现有工作的不足和今后的研究内容和方法。     

气候与土地利用变化对涟水流域径流的影响

以涟水流域为研究对象,选用1990年、2000年、2010年三期土地利用数据资料,将1985-2014年30 a气象条件相应划分为1985-1994年、1995-2004年、2005-2014年三段气象背景时期,并组合细分为7种模拟情景,应用SWAT分布式水文模型模拟不同情景下的径流量,探讨气候和土地利用变化对流域径流的影响。利用PSO粒子群优化算法,以克林效率系数KGE为目标函数,通过湘乡站实测径流数据校准模型参数。运用p-factor、r-factor评价模拟的不确定性,采用相关系数R²、纳什效率系数NS和偏差百分比PBIAS评价模型模拟效果,评价结果表明不同土地利用情景下,校准期和验证期的模拟效果均达到可信程度,模拟的不确定性较小。组合情景间模拟分析结果表明,1985-2014年30 a间,气候变化使涟水流域径流不断减少,土地利用变化使径流有所增加,年径流深总体呈现下降趋势。气候变化对涟水流域径流变化的影响贡献率在逐渐上升,从71.4%上升到了86.3%。土地利用变化对径流变化的影响贡献率则相应下降,从28.6%降低至13.7%。因此,在气候变化背景下,科学管理流域水资源还需要充分考虑流域土地资源空间配置结构和利用方式。     

石羊河流域中下游绿洲土地利用变化与水资源动态研究

根据1986年和2000年的TM影像数据,利用地理信息系统(GIS)技术通过景观斑块的转移矩阵计算,分析了石羊河流域凉州区和民勤两个典型绿洲近15年来的土地利用变化;并利用不同时期中下游绿洲水资源量和开发利用程度,结合种植业结构,分析了该区域水资源利用动态变化。结果表明,耕地大量增加,凉州区和民勤绿洲分别增加了6302 hm2和36434 hm2,民勤绿洲林地大面积减少,2000年林地面积仅为1986年的55%,绿洲面积减少了23365 hm2;而中游凉州区绿洲面积却增加了8167 hm2;上下游用水量之比从20世纪50年代的1.612急剧增大到90年代的8.33,用水矛盾日益突出,下游水库来水量40年来下降达63.1%;地下水开采强度日益增加,机井分布密集,地下水位大幅度下降;种植业结构不合理,耗水量较大的粮食作物所占的比例过大。     

土地利用变化对典型碳酸盐岩流域风化碳汇的影响——以云南小江岩溶流域研究为例

地球陆地岩石的风化过程要消耗大气或土壤中的CO2,成为大气CO2巨大的汇。以中国云南小江流域为例,研究了典型岩溶地区碳酸盐岩风化吸收CO2(碳汇)强度与土地利用变化之间的关系。选择了有代表性的12块土地及其利用变化的25个地下水监测点,分析了1982年、2003年这些监测点的600多组地下水化学监测数据。12块土地利用变化中,有4块为林地变耕地,3块未利用地变耕地,4块未利用地变林地,1块为林地变建设用地。研究结果表明:首先,土地利用变化后,地下水化学成分变化极大;第二,将风化过程中吸收大气或土壤中CO2的那部分C(用HCO3-表示)与整个风化过程中参与风化的全部C的百分比,定义为碳酸盐岩化学风化对土壤或大气CO2吸收强度(简写为CIS,%),推出了计算式子为CIS(%)=100×[1-(Ca2++Mg2+)total waters)/HCO3-total waters]。估算了4种土地利用类型从1982年到2003年22年间CIS的变化值。结果是,(1)林地的CIS比未利用地高,前者为48.84%,后者47.66%;(2)未利用地转变为耕地后,CIS平均减少了7.85%;林地转变为耕地后,CIS平均减少了8.59%;林地转变为建设用地后,CIS平均减少了1.66%,而未利用地转变为林地后,CIS平均增加了1.74%。(3)讨论了土地利用变化对CIS的影响机理,如未利用地或林地变为耕地后,(NH4)2PO4、CO(NH2)2、NH4NO3、(NH4)2SO4等氮肥的大量使用,硝化后产生的硝酸等干扰或抵消了碳酸对碳酸盐岩化学风化作用,导致了岩溶地下水中Ca2+,Mg2+离子的相对增多,HCO3-离子相对减少,促使CIS减小。     

土地利用变化对流域生态需水的影响分析

人类对流域生态系统的干预,导致季节性淹没区减少,天然湿地丧失,生态环境的恶化和生物多样性锐减,土地利用方式发生了剧烈变化。以流域整体性理论、物种多样性理论、物种耐性理论和景观生态学理论为基础,分析了土地利用方式对生态需水的影响。结果表明,河岸天然植被生态系统通过削减洪峰、增补枯水和截留污染物的作用,来影响流域的水量分配和水质改善,使流域受水分不足威胁的程度降低,即在更大的时间与空间尺度上,保证了流域对生态水的需求。因此,为了流域生态系统的可持续发展,应采取保护湿地、河溪森林植被、水陆交错带等合理的土地利用方式。     

不同水资源情景下干旱区未来土地利用/覆盖变化模拟——以黑河中上游张掖市为例

应用回归分析方法确定对研究区土地利用/覆盖变化有重要贡献的10种驱动因子,用线性规划方法确定模型输入文件中模拟期间每年的各种土地利用类型面积.用ArcView空间分析的方法建立驱动力文件,利用SPSS13.0软件分析每种驱动力的权重(β值),建立Logistic方程,并将其作为模型输入文件.建立可利用水资源总量分别为18.0×10⁸m³,26.5×10⁸m³,35.0×10⁸m³的3种情景假设,应用CLUE-S模型模拟张掖市2001-2020年土地利用/覆盖变化变化.模拟结果显示:1)三种情景下,耕地的面积都在减少,耕地面积的减少量与可利用水资源总量呈负相关;2)林草地面积在3种情景下均增加,林草地面积的变化与可利用水资源总量呈正相关;3)在3种情景假设下,水域面积的变化都不明显;4)城镇用地面积变化与水量也呈正相关;5)未利用地面积持续减少.     

长江上游流域1961-2000年气候及径流变化趋势

以长江上游流域及周边113个气象站1961-2000年的气象数据以及干流屏山、宜昌水文站的径流数据为基础,对40 a来的气温、降水、参照蒸散量和径流进行了趋势分析.长江上游流域大部分地区年平均温度呈现上升趋势,尤以1990年代的升温幅度最为显著,其中冬季的增温对年增温的贡献最大,增温区主要分布在长江源区及金沙江流域.长江上游流域年和冬季降水显著增加,年降水的增加主要由于夏季极端降水事件频率的增大,降水显著增加的区域主要分布在长江源区及金沙江流域.长江上游流域参照蒸散量呈显著的下降趋势,尤其是夏季参照蒸散量下降趋势最为显著,主要分布在川江流域.屏山站径流量表现为微弱增加趋势,而宜昌站径流量呈微弱下降趋势,这除了受人类活动的影响外,川江流域年降水量的下降是宜昌站径流量减少的主要原因.     

土地利用变化对海河流域典型区域的径流影响

为研究海河流域径流对土地利用变化的响应,以阜平流域、匡门口流域和界河铺流域为研究区,利用1970—2011年的水文气象资料,分析了不同土地利用的时空转移特征,然后结合SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,设置4种土地利用情景,评价了土地利用变化对径流的影响。结果表明:模型能够较好地模拟全年及汛期月流量过程;多年径流量呈下降趋势,20世纪80年代到90年代中期呈波动性变化;不同的土地利用类型在时空上的转化呈现可逆性,主要是林地增加,草地减少,耕地略有增加;林地的增加和草地的减少会降低汛期径流量以及最大月径流量;汛期径流系数随着林地面积的增加而减小。合理地规划土地利用格局,对控制流域水文事件具有重要意义。     

黑河流域土地利用与覆被变化特征

在土地类型划分的基础上, 利用黑河流域1987年和2000年两期TM遥感数据, 从土地利用与覆被变化幅度、变化速率及动态度等角度, 定量分析了流域上、中、下游及全流域总体土地利用与覆被变化的特征并进行了对比.结果表明: 在变化幅度上, 全流域各类土地利用与覆被变化均十分强烈, 中游地区最为显著, 综合土地利用与覆被变化指数达到7.6%, 耕地、城镇建设用地、水域和草地等是全流域变化最为剧烈的利用类型; 在变化速度方面, 流域上游地区的耕地、城镇居民用地和沙漠化土地年平均递增速度最高, 中游地区明显小于上游和下游地区, 但沙漠化除外, 为全流域水平的4.7倍, 下游耕地、城镇用地、水域面积和其它难利用土地变化较快, 说明上、下游生态系统极不稳定, 变化剧烈. 对中游动态度的分析表明, 耕地、城镇居民用地和较难利用土地较稳定, 其它土地类型的利用与覆被动态变化都很活跃, 说明中游地区土地利用与覆被变化复杂而强烈, 具有变化的多向性和互动性, 从而为流域合理调整土地利用方式和环境改善提供了一定的科学依据.     

土地利用变化对全球气候影响的研究进展与方法初探

综合分析了土地利用与土地覆盖变化（LUCC）对全球气候影响研究的重要科学问题和国内外研究现状,在此基础上,考虑各学科的相互交叉、渗透和耦合等特点,提出并初步设计了土地利用变化对全球气候影响研究的星地一体化LUCC—气候—生态系统耦合研究技术方法体系,并就土地利用变化对全球气候影响的LUCC演变规律及动力学机制、LUCC...     

黄河中游水文变化趋势及其对气候变化的响应

黄河中游水资源匮乏,分析水文要素变化趋势对实现水资源的可持续开发利用具有重要意义。根据流域地貌特征及水文站控制情况,将黄河中游划分为3个区间,分别为:河-龙区间、龙-三区间和三-花区间,采用Mann-Kendall秩次相关检验法与线性回归方法,分析检验了各区间年径流量的历史变化趋势。采用设定情景与水文模拟相结合的途径,评估了不同区间河川径流量对气候变化的响应。根据1950-2005年资料分析,结果表明:黄河中游干流控制站实测径流量与区间径流量均具有显著的减少趋势。若气温升高1℃,年径流量将减少3.7%~6.6%;河川径流对降水变化更为敏感,若降水减少10%,河川径流量将减少17%~22%;近些年黄河中游气温升高和降水减少是河川径流减少的重要原因之一。     

气候变化对伊逊河流域水资源量的影响

海河流域作为中国水资源最为紧张的流域,其水资源对气候变化非常敏感.以海河流域中受人类活动影响较小的伊逊河流域为对象,基于海河流域未来气候变化研究成果构建了20种气候变化情景,应用具有物理机理的分布式流域水文模型模拟了不同气候变化情景下的流域水循环情景,对气候变化对伊逊河流域水资源量的影响进行了分析,结果表明气温升高1℃将使流域内3.8mm的径流转化为蒸散发,降水的增加将使流域的蒸发和径流都有所增加,其中新增降水50%转化为蒸发,30%转化为径流.同时径流和蒸散发对于高温和强降水更为敏感.未来气候变化的不确定性使未来水资源量的变化也有很大的不确定性,在以升温为主、降水变化存在很大不确定性的情况下,伊逊河流域天然径流量可能进一步衰减.     

三川河流域水资源演变个例研究

以三川河流域为例,应用WEP-L分布式水文模型和集总式流域水资源调配模型偶合而成的二元水循环模型,模拟了不同情景下流域水循环过程.在此基础上,定量分析了降水、人工取用水以及下垫面条件这三个主要驱动因子对流域水资源演变的影响.在模型中保持其它条件不变,仅以改变降水、人工取用水及下垫面条件来模拟种不同情景的水循环:情景1,1956-1979年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景2,190-2000年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景3,1956-2000年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景4,1956-2000年降水系列、2000年下垫面、有人工取用水;情景5,1956-2000年降水系列、1956-2000年系列模拟下垫面、无人工取用水;情景6,1956-2000年降水系列、2000下垫面、无人工取用水;情景7,1956-1979年降水系列、1956-1979年系列模拟下垫面、无人工取用水;情景;190-2000年降水系列、2000年下垫面、有人工取用水.情景2和情境1比较,发现降水单项因子减少4.5%引起各种口径水资源量的减少,地表水资源量减少1.4%,地下与地表水资源不重复量15.%,狭义水资源量1.3%,有效蒸散发量2.1%,广义水资源量4.6%.情景4和情境3比较得出,在人工取用水单项因子作用下,地表水资源量减少4.6%,而地下与地表水资源不重复量增加113.5%,在狭义水资源量减少0.4%的同时,伴随有效蒸散发量增加0.9%,广义水资源量增加0.7%.情景6和情境5对比,发现在下垫面条件单项因子作用下,狭义水资源量及其构成地表水资源量和地下与地表水资源不重复量分别减少4.3%、4.3%和2.%,有效蒸散发量增加7.1%,广义水资源量增加5.3%.情景和情境7对比分析得出,三个因子对水资源量的综合影响是,地表水资源量减少30.6%,地下与地表水资源不重复量增加114.5%,狭义水资源量减少25.%,有效蒸散发量增加6.7%,广义水资源量增加1.1%.研究成果对于其它流域水资源演变规律研究具有参考价值.     

全球气候变化对地表水环境质量影响研究进展

全球气候变化对水文循环有着重要的影响,由气候变化所引起水资源量的时空分布和水质变化等问题已成为各国科学家和政府关注的热点。目前,气候变化对水资源的影响研究多集中于水量,而有关水质方面的影响研究相对较少。全球气候变化主要包括降水,气温,辐射和风速等气象因子的变化。本文综述了温度的升高、降水的增多或减少、风速和风型的变化、光照时间长短以及辐射增强等变化对地表水环境质量影响的研究进展;阐述了气候变化背景下,气象因子如何通过影响水体中污染物的来源、迁移转化方式、生化反应速率和生态效应等过程而直接或间接对地表水环境质量产生影响。并在对现有研究成果进行总结分析的基础上,从微观、中观和宏观的角度提出了气候变化对水环境质量影响的研究展望。     

神府东胜矿区煤炭开采对水资源的影响机制——以窟野河流域为例

研究神府东胜矿区煤炭开采对水资源的影响机制,对于保护当地水资源及脆弱的生态环境具有重要意义。以窟野河为例,分析了煤炭开采对该流域水资源量与水质的影响机制,并计算出吨煤开采的基流损失量约为2.038 m³(1997—2005年)。研究结果表明,煤炭开采时形成的裂隙将萨拉乌苏组含水层中的水导入矿坑中,导致潜水由水平径流、排泄为主转化为以垂向渗漏为主,引发地下水位大幅下降,河流基流量减少以及泉流量衰减甚至干枯;煤炭开采使含水层中的水进入到矿坑,在物理作用和化学作用下形成硬度更大、矿化度更高的矿坑水,矿坑水排入河流后对河流造成污染。     

基于地表水-地下水耦合模型的未来气候变化对西北干旱区水资源影响研究——以黑河中游为例

基于物理过程的地表-地下水耦合模型能全面、系统地刻画流域水循环过程,并为水资源管理提供详细信息。同时,未来水资源的变化趋势受到气候变化的影响显著,在未来气候情景下水资源如何变化将影响水资源管理措施。本文以黑河中游盆地为例,基于地表水-地下水耦合模型GSFLOW,评估区域水资源对气候变化的响应,预测未来气候情景(CMIP5)下区域水资源变化趋势,为西北干旱区水资源管理提供参考。研究表明:(1)GSFLOW模型能很好地模拟黑河中游盆地复杂的水循环过程。(2)在中等排放强度(RCP4.5)下,平均每年降水上升0.6 mm,温度上升0.03℃,地下水储量减少0.38亿m3;在高排放强度(RCP8.5)下,降水上升0.8 mm,温度上升0.06℃,地下水储量减少0.34亿m3。     

黄河流域水资源调控方案评价与优选模型

在明确黄河流域水资源调控目标的基础上,结合黄河流域的水资源利用特点,从水资源利用效果和可持续发展两个方面,提出了体现水资源调控目标的指标体系;将效用理论、人工神经网络理论和理想点技术结合,建立了调控方案水资源利用效果评价模型;从可持续发展的内涵和流域水资源利用的角度,提出了流域水资源调控方案可持续发展评价的准则和量化评价方法。用黄河流域水资源调控方案验证了模型和方法是合理可行的。     

气候变化下水资源脆弱性的适应性管理新认识

气候变化下的水资源脆弱性和适应性管理研究成为全球和国家应对气候变化和保障水资源安全重点关注的问题,也是中国可持续发展面对的重大战略问题。介绍了水资源脆弱性和适应性管理的国内外最新研究进展;针对国家重大需求和国际科学前沿问题,综述了气候变化下水资源脆弱性和适应性管理存在的问题与挑战。提出了气候变化下水资源脆弱性与适应性管理理论与方法研究以应对气候变化的无悔为准则,与社会经济可持续发展、成本效益分析、利益相关者的多信息源的分析与综合决策相结合为原则,对适应性管理与脆弱性组成的互联互动系统及其风险与不确定性进行分析的新认识。     

水资源承载力动态预测与调控 ——以黄河流域为例

为准确预测区域水资源承载力的变化趋势和制定优化的调控方案,从"经济社会-水资源-生态环境"系统互馈机理出发,建立水资源承载力水量、水质、水域空间、水流的全要素诊断体系,识别关键驱动指标;采用支持向量机、系统动力学等多种方法,建立水资源承载力定量动态预测模型,同时制定调控目标,结合分析驱动指标的实现难易程度和代价,采用正交试验方法,优选承载力提升和减负方案。应用于黄河流域水量要素承载力的诊断、预测与调控,结果表明,南水北调西线工程等调水工程运行前各规划水平年黄河流域、上游区、中游区、下游区均处于超载或严重超载状态,运行后均处于临界超载或超载状态,选择非常规水利用、入海水量、亩均灌溉用水量、灌溉面积、万元工业增加值用水量、工业增加值等6个关键驱动指标,进行正交试验,得到了各水平年水量承载力均不超载的最优调控方案,可为黄河流域水资源管理工作提供指导。     

河西走廊疏勒河流域水资源管理问题分析

从水资源管理体制、配置程序、市场化管理等方面探讨了河西走廊疏勒河流域水资源管理及存在的问题。目前流域已建成较健全的用水者协会体系,水价和水权在不断调整以适应水资源管理的需求。其管理存在以下问题：受地方行政、企业等多方权力博弈的影响,地表水和地下水处于双线管理状态,未能实现流域水资源的全面统一管理;用水者协会的职能未得到充分发挥,公众参与水资源管理不积极;流域内水价、水权制度不完善。建议如下：应在甘肃省水利厅和酒泉市政府之间形成协调机制,以协调各相关方的权益,完善流域管理局和地方政府统一协调的水资源管理体系,实现流域水资源的集成管理;加强流域机构立法,实现流域水资源的统一管理与调配;将协会的职责和义务融入到村委会的职务中,并完善水价制度,建立水权交易市场,以调动公众的自我管理和实现水资源的高效利用。