黄河源区基流变化及其植被响应研究

黄河源区是我国最大的自然保护区之一,但近年来存在一系列严重的生态环境退化现象。来自地下水的基流量的变化正是植被生长环境变化的直接反映,因此开展基流量变化研究对于高寒干旱区的生态环境变化规律认识与环境恢复都具有重要的科学价值。黄河源区地下水位变化对植被生长具有直接的影响,研究结果表明：1956-1998年来自地下水的基流量总体上呈现枯—丰—枯的变化规律,表明了源区地下水位呈现低—高—低的总体变化规律;源区的基流量与地表植被的生长之间具有良好的相关性,汛期降水之后,地下水对植被生长的影响逐渐增大。     

黄河源区气候对径流的影响分析

根据对降水响应速度的快慢,径流又可分为直接径流和基流。基流一般定义为河川径流中来自于地下蓄水或者其他延迟水源的成分,代表地下水出流;直接径流表示对降水事件的直接响应。从这一思路出发,文中在分析降水到总径流、直接径流和基流的转化率的基础上分析了气候变化对径流的影响。研究发现,黄河源区的径流系数随降水量的增加而增大,随气温升高而降低;径流随着降水的增加而增加。20世纪90年代降水减少和气温的大幅度升高是黄河源区径流减少的重要原因。区间子流域分析表明,不同的子流域气温和降水对径流的影响不同,在吉迈以上区间,年气温比较低,气温是影响径流系数的主要因子,径流随着气温的升高而降低,降水对径流的影响比较小;在吉迈—玛曲区间,直接径流量/降水量主要受降水的影响,总径流量/降水量、基流量/降水量随降水增加而升高,随气温升高而降低。总径流和基流随降水的增加而增大,随气温的升高而减少;在玛曲—唐乃亥区间,径流系数随着降水量的增加而增加,直接径流量/降水量随气温的升高而降低,降水是径流的主要影响因素。     

黄河源区气温变化特征及预估分析

利用黄河源区青海段9个代表性站点1961-2017年逐日气温资料和未来RCP4.5排放情景下的预估数据,分析和预估了黄河源区年平均、年平均最高、年平均最低和极端气温变化特征。结果表明：近57年来年平均最高、年平均、年平均最低气温均呈显著上升趋势且倾向率依次增大。年平均气温和年平均最高气温在1997年存在显著突变。通过分析1961-1997年、1998-2007年以及2008-2017年阶段性变化可知,年平均气温持续上升,年平均最高气温先上升后趋于稳定,而年平均最低气温升温速率在1998-2007年最大,2008-2017年升温速率较1998-2007年有所降低。暖昼日数持续增多,霜冻日数和冰封日数持续减少,冷夜日数在1998-2007年减少速率最低,近10年来减少速率增大。未来33年黄河源区年平均、年平均最高、年平均最低气温和极端暖事件均呈明显的增加趋势,极端冷事件呈减少趋势。对黄河源区过去和未来气温变化规律进行了探讨,将为该区域气温变化对策的制定与实施提供理论依据。     

黄河源区气候变化的季节特征与区域差异研究

基于黄河源区有关气象台站的观测数据,对该区黄河沿水文站以上、黄河沿水文站-吉迈水文站区间、吉迈水文站-玛曲水文站区间、玛曲水文站-唐乃亥水文站区间各区域及整个黄河源区1960-2014年期间气温、降水的季节变化特征及其区域差异进行了分析。结果表明：黄河源区气温变化与全球气温变化有着较好的一致性,各区年平均气温与各季气温的年际变化均呈波动状上升态势并明显高于过去50a全球与我国气温的升幅,且各气温系列升幅差异不大;而各区年平均气温与各季气温的年代际变化的上升态势较年际变化的更为显著,但不同区域各季气温升幅差异较大。各区气温均在1996年后出现一个跃动,跃动后各气温系列均值较跃动前有较大幅度的上升。由于区域地理环境的影响,黄河源区降水量的变化比较复杂,各区各季降水量的变化具有较大的差异。近50余年来,总体上整个河源区平均降水量的年际变化呈不明显的增长态势。其中河源区的上半部分,即黄河沿以上、黄河沿-吉迈之间等海拔较高的区域年降水量增长比较显著,而源区的下半部分,即吉迈-玛曲、玛曲-唐乃亥之间的区域,年降水呈减少态势,并且对全区平均降水量与产流量贡献最大的吉迈-玛曲之间的区域,年降水量的减少非常显著。各区冬春季和夏季降水量普遍呈增长态势,秋季是河源区各季节中降水唯一减少的季节,其中吉迈-玛曲之间的区间秋季降水量的减少最为显著。各区域各季降水量的年代际变化较其年际变化差异更大,但近十余年来大部分区域各季降水普遍偏多。各区域降水系列亦有突变发生,但突变时间并不像气温系列那样一致;年降水量与夏季降水量的突变大都发生在2005年,秋季降水量突变大都发生在1986年,春季和冬季降水量突变的时间杂乱无序;突变前后系列均值有增有减,且幅度大小不等。     

黄河源区河流阶地特征及源区黄河的形成

提要：本文通过对黄河源区河流阶地的系统测量和研究,认为黄河源区黄河阶地主要由堆积阶地组成,少量侵蚀阶地,阶地拔河高度低,阶面比较开阔平坦。黄河自源头至入扎陵湖段仅发育一级河流阶地,从鄂陵湖出水口至黄河乡段发育两级河流阶地,从黄河乡以下至久治县东段发育三级河流阶地。结合ESR测年结果,黄河源区河流阶地形成的时间主要为中更新世晚期—全新世,T1河流阶地的形成时代约为1万年;T2河流阶地的形成时代为5.8～1.9万年;T3河流阶地的形成时代为16.1～2.5万年。河流阶地研究表明,黄河在源区形成较晚,可能为晚更新世晚期。     

黄河源区白河基流分割方法适用性分析

基流是黄河径流的重要补给来源, 对源区水资源规划和生态环境建设具有重要作用。以黄河源区白河流域为研究区, 利用唐克水文站1981 - 2015年的实测日径流资料, 采用常用的5类12种数值模拟法, 进行基流分割并比较分析其适用性。结果表明： 12种方法估算的基流指数（Baseflow index, BFI）差异明显, Lyne-Hollick滤波法计算的BFI值最大, 为0.91; 加里宁法计算的BFI值最小, 为0.39; Eckhardt滤波法的标准差和极值比最小, 稳定性最好; 加里宁法的标准差和极值比最大, 稳定性最差; 对1992年（丰水年）日径流过程进行分割, Chapman滤波法、 Chapman-Maxwell滤波法和加里宁法的基流过程线平滑缓慢, 更符合实际情况; Boughton-Chapman滤波法、 BFI法和HYSEP法基流模拟效果较好, Nash-Sutcliffe效率系数高于0.87, 决定系数接近0.9, 平均相对误差小于10%。综合比较, 认为Boughton-Chapman滤波法、 BFI法是白河流域较为适宜的基流分割手段。     

黄河源区水环境变化及其生态环境地质效应

为揭示黄河源区生态环境恶化的地质原因,本文依据野外调查资料,通过综合分析,认为水环境变异是源区生态环境恶化的主要原因,人类工程经济活动为次要原因.提出的"控制水文网下蚀,提高侵蚀基准面,遏制冻结层上水水位下降,恢复湿地、植被"的生态地质环境治理及保护措施具一定的应用价值.     

黄河源区冻土对植被的影响

黄河源区由于近年来气候变化的影响,打破了高寒植被与冻土环境之间稳定的适应性关系,由此引发了一系列生态环境退化的现象.在黄河源区多年野外工作的基础上,定量分析了冻土与植被之间的关系.研究表明:多年冻土埋深通过影响浅层土壤含水量影响植被生长的,多年冻土的埋深与浅层土壤含水率和植被的覆盖率具有良好的相关性规律.冻土埋深<2 m时,冻土埋深决定浅层土壤含水率,成为影响植被的生长主要因素;埋深>2 m时,冻结层上水水位低、补给量少,冻结层上水水量小,毛细上升高度不能达到植被根系分布的浅层土壤中,植被生长环境干旱化,多数植被生长受限制,这时只有少量根系发达的耐旱植被存活,覆盖率小,一般不超过35%.因此,2 m的多年冻土埋深为“生态冻土埋深”.近20 a来,黄河源区地温长期处于增温状态,多年冻土出现表层融化,形成深埋的或少冰的冻土等现象;部分地带完全融化消失,连续多年冻土变成不连续冻土或岛状冻土.多年冻土退化后,土壤含水量减少,导致植被物种更替、“黑土滩”等退化现象.     

气候变暖对黄河源区生态环境的影响

黄河源区位于多年冻土区,严酷寒冷的气候条件和冻土共同构建成一种特殊的冻结水环境,使地下水类型和水文地质结构均发生变化,与非冻土区有显著的差别,形成特殊的水文地质区。近几十年来,由于全球性气候温变暖,出现大面积冻土退化,以及过度放牧、鼠害加剧等原因,造成草场退化,沙漠化趋势日渐明显,严重地冲击着黄河河源区的水源养涵功能,导致黄河在源头段多次出现断流。通过水平衡计算,探讨了气候变暖对黄河源区多年冻土退化的影响,并阐述了冻结层上水环境变化和人类活动对生态环境的影响。     

黄河源区冻土特征及退化趋势

黄河源区位于青藏高原多年冻土区东北部边缘地带,是季节冻土、岛状多年冻土和在大片连续多年冻土并存地带.多年冻土层在垂向分布上有衔接状和不衔接状两大类.不衔接状又可分为浅埋藏(8m)、深埋藏(8m)和双层多年冻土等形式.从20世纪80年代以来,源区气温以0.02℃.a-1增温率持续上升,人类经济活动日益增强,导致冻土呈区域性退化.多年冻土下界普遍升高50～80m,最大季节冻深平均减少了0.12m,浅层地下水温度上升0.5～0.7℃.冻土退化总体趋势是由大片状分布逐渐变为岛状、斑状分布,多年冻土层变薄,冻土面积缩小,融区范围扩大.部分多年冻土岛完全消失变为季节冻土.     

长江-黄河源寒区径流时空变化特征对比

长江源区比黄河源区寒冷而干燥, 年径流量仅为黄河源区的60%, 径流年内分配较黄河源区均匀性差, 丰水年与枯水年比例基本相当, 而黄河源区枯水年占较大优势. 近40 a来长江源区径流量总体上呈明显的递减趋势, 黄河源区径流量则呈现略微增长趋势. 长江源区径流量以8～9 a的周期变化较为显著, 黄河源区径流量则以7～8 a周期比较显著. 对寒区径流变化的主要影响因子分析表明, 长江源区温度因子对径流年际变化影响大于黄河源区, 而降水因子影响相对较小, 长江源区寒区水文环境对径流影响较大是造成长江、黄河源区径流差异形成的主要原因.     

黄河源区多年冻土退化及其环境反映

基于黄河源区多年冻土退化引起的生态环境地质问题与效应的实际资料, 明确了多年冻土的生态环境功能和多年冻土退化引起的危害. 提出多年冻土退化使赋存于高寒草地和维系高寒草地生长发育的多年冻土表部的冻结层地下水水位持续下降或消失, 从而引发和加剧了高寒草地的"三化"(草地退化、沙漠化和盐渍化)和水环境变异, 是导致黄河源区占主导地位的高寒草甸失水向沙漠化草地和"黑土滩"型次生裸地退化的主要地质原因.     

黄河源区降水与径流过程对ENSO事件的响应特征

根据最新季分辨率ENSO指数序列所确认的近40年多来所发生的20次ENSO事件，并确定了每次ENSO事件强度及其影响年，通过对相应年份黄河源区降水与径流距平变化值的对比，分析了降水与径流过程对ENSO事件响应的统计规律；ENSO事件与黄河源区降水与径流年际波动变化有很好的相关性，这种相关性与ENSO事件的性质强弱，发生季节以及持续时间等有关。一般夏秋季暖事件无论强弱均使影响年降水减少，发生于春季的中等强度暖事件使发生年降水呈负距平，影响年降水呈增加趋势，冷事件与暖事件对降水的影响正好相反；暖事件对应年份黄河源区径流量减少，而冷事件则使其增加，随着20世纪90年代以来暖事件发生频率的增加，径流呈现持续减少。     

黄河河源区径流对气候变化的敏感性分析

利用黄河源区有关水文、气象台站观测资料,对河源区各分区气候变化特征及各分区径流深对气候变化的敏感性进行了分析.结果表明:有器测资料以来的近50a间,河源区气温与全球变暖有着较好的对应关系,各区平均气温均呈不同程度的波动上升态势;而降水量的变化比较复杂,区域性差异较大;河源区径流的变化与降水量、气温的变化之间存在较显著的非线性关系.由于气温的持续上升与主要产流区降水的持续减少,区域径流量呈持续减少的趋势.总体上,河源区各分区径流对降水变化的敏感程度要强于气温,但吉迈以上区域径流对气温变化的敏感性要强于其下游其它两个区域.     

黄河源生态环境变化与成因分析

以７０年代、８０年代和９０年代３个时期的卫星影像资料为基础,结合野外调查,对７０年代以来黄河源区生态环境演变过程及趋势进行了对比分析,并依据时期的气候变化、人为活动强度分析,对该区域生态环境变化的产生原因进行探讨,研究结果表明,与７０年代相比,８０年代和９０年代以高寒沼泽草甸、高寒草罗和高山草原化草甸为代表的主要生态体系均呈明显退化,尤其９０年代中期以来,高寒草原与高寒草甸植被退化剧烈,荒漠化发展     

黄河、长江源区降水变化的水汽输送和环流特征

利用黄河、长江源区气象站的降水资料和NCEP/NCAR再分析气候资料,分析了黄河、长江源区降水的年际变化,对黄河、长江源区典型多雨年与少雨年的500 hPa位势高度和风场、600 hPa流场、大气水汽含量和水汽输送进行了合成和对比分析.结果表明:黄河和长江源区的降水在近50 a的长期变化趋势都不明显,但在最近10 a黄河源区的降水有明显的减少趋势.而长江源区的降水则有明显的增加趋势;江河源区在多雨与少雨年有明显的环流差异特征,在多/少雨年,500 hPa蒙古低压减弱/加强,西风风速减弱/增强,600 hPa高原辐合线偏北/南,江河源区大气水汽含量增加/减少,西南季风的偏南水汽输送增加/减少.使得江河源区有较多/少的水汽来源,从而降水增多/减少;黄河和长江源区有相似的多雨与少雨年环流差异特征,只是差异程度不同,长江源区多雨与少雨年环流特征差异的强度不及黄河源区.     

基流分割法在黄河流域地下水研究中的应用

为研究黄河流域地下水可再生能力变化规律和制定黄河流域水资源管理方案,应用基流指数法(BFI)和直线平割法的原理与方法,计算了黄河流域干流13个水文断面与20条主要支流31个水文断面的基流量,并分析了基流量的形成机理、地下水对黄河水的贡献、基流变化过程、流域地下水资源的构成及地下水资源总量.研究结果表明:花园口断面的基流量占多年平均径流量的44%,流域内河水与地下水存在极其密切的转化关系,地下水对黄河水的贡献很大.黄河的径流量与基流量主要来自兰州以上的源区,兰州断面的年径流量与基流量分别占花园口断面径流量的59%和60%;而兰州以下到花园口之间的上、中游地区,地下水对黄河水的贡献很小.1990年前后,黄河干流与支流河段的基流量发生了很大变化.除玛多以上的源头段基流量衰减率较大外(衰减率为0.38),兰州以上的干流河段基流量衰减率较小(0.08～0.20),而兰州以下的黄河干流基流量衰减率都很大(0.22～0.31).基流量的剧烈衰减是天然和人类活动(如地下水开采)共同作用下地下水资源量减少的结果.从流域水循环的观点考虑,黄河流域的区域地下水资源由参与黄河水循环的地下水资源、未参与黄河水循环的地下水资源和流域地下水的开采等3大部分构成.1990年6月-2000年6月近10年黄河流域地下水天然资源量平均值为353.9 亿m~3/a,比多年地下水资源量平均值减少了15 % .     

黄河源区地表湿润指数及与气象因素的敏感性分析

应用Penman-Monteith模型计算了黄河源区地表潜在蒸散,分析了区域1961-2009年49 a来地表湿润指数的变化特征和趋势,并进行影响地表湿润指数的气象因素敏感性分析.结果表明:49 a来黄河源区年地表湿润指数呈减小趋势,其中20世纪60年代相对湿冷,70年代半湿冷,80年代为弱暖湿型,90年代暖干化明显.但进入21世纪初,特别是2003年以来,黄河源区降水增多,湿润指数上升,表现为暖湿型的气候特征.不同季节湿润指数变化略有不同,比较而言,49 a来地表湿润指数在冬春季呈增加趋势,夏秋季呈减小.湿润指数对降水量、日照时数和相对湿度的响应最为敏感.     

2009/2010年黄河源区高寒草甸下垫面能量平衡特征分析

以青藏高原黄河源玛多为实验区, 基于TRM-ZS1气象生态环境监测仪2009年11月1日至2010年10月31日辐射及能量通量观测数据, 采用波文比能量平衡法, 进行了该区域潜热和感热通量的估算, 分析了黄河源区高寒草甸下垫面辐射收支, 潜热、 感热和土壤热通量在不同季节的分配, 对该区域冬季地面加热场强度的变化进行了研究.结果表明: 该区域总辐射、 净辐射较强, 总辐射平均日积分值为18.06 MJ·m^-2·d^-1, 净辐射平均日积分值5.95 MJ·m^-2·d^-1, 曾观测到高达979.5 W·m^-2的净辐射通量.全年地表平均反射率为0.30, 接近于荒漠和半荒漠下垫面的反射率.植物生长季土壤湿度和冬、 春季地面积雪是影响该区域地表反射率的两个最主要因素.该区域感热通量年积分值为742.68 MJ·m^-2·a^-1, 潜热通量年积分值为1 388.58 MJ·m²·a^-1, 全年中地表以潜热方式传递热量为主.分季节分析, 冬季感热潜热强度相当, 春季以感热为主, 夏秋季则以潜热为主.土壤热通量年积分值为38.06 MJ·m^-2·a^-1, 全年热通量在热量平衡中约占1.8%, 但季节分配不平衡, 在冬季, 有|G|>H+LE, 土壤热通量是热平衡最大的分量.该区域地表全年向大气释放热量, 地表对大气而言是热源.