2002年7月黑河流域上游降水以及产、汇流过程的模拟

运用包含土壤、植被陆面过程OSULSM的中尺度大气模式MM5, 将分布式水文模式DHSVM中汇流方案与其耦合, 成功地模拟了2002年7月黑河流域上游的洪水事件, 用数值方法再现了洪水的流动过程. 结果显示: 洪峰到达流经各点的时间不同, 遇到分岔路时, 水流按照地形坡降大小不同, 自动按比例分流, 较大部分从地势坡度大的方向流向低处, 也会有较少部分向坡度较小的方向流去. 坡面汇流方案的加入, 使得大气模式中实现了地表水的再分配.     

2000年以来天目湖流域茶园分布变化及趋势模拟

土地利用/土地覆被变化(LUCC)与区域的可持续发展密切相关,分析土地利用变化及其空间变量的关系,建立模拟模型来认识和揭示土地利用变化的特征和时空分布规律,为未来规划和政策的制定提供支持是LUCC研究的重点问题之一.本研究以太湖流域上游典型丘陵山区茶园开发作为重点研究对象,结合中高分辨率遥感影像信息、1:50000国家标准地形图数据和野外土壤采集分析数据获取2000年以来茶园及其它土地利用信息、研究区地形地貌数据和土壤数据,通过对2000年以来茶园及其新开茶园的区位分布分析,发现茶园的变化呈现快速增长的趋势,11年研究区茶园面积扩大了5倍,其中一半以上的面积是最后3年增长的;茶园在流域上不同分区的分布差异比较大,这些差异与分区自然条件、区位条件和开发条件有一定关系.根据Cramer V卡方检验结果值,比较不同的茶园区位影响因子对茶园分布的影响力,确定高程、坡度、水库、河流、村落、主干道路和茶园规模对茶园区位影响比较显著.用茶园区位影响显著性的7个因子通过迭代优化建立MLP神经网络模型,对研究区的未来茶园的分布区位进行模拟,并且用已开发茶园对模型进行验证,达到84%的区位预测精度.基于模型用现有茶园开发模式、2000年左右茶园开发模式和折中模式3种情景模拟未来茶园的分布,发现按现有的茶园开发速度,2020年茶园总面积将达到流域总面积的1/4,任何一种情景都改变不了茶园在重要功能区的增长趋势,因此迫切需要政府采取相应的措施对茶园面积的增长和区位的分布进行控制.     

流域水资源初始产权界定初探一以黑河流域中游为例

随着水资源短缺程度的加剧,可交易水权制度逐渐成为当今世界水资源管理制度发展的新方向.水资源初始产权是水资源管理的基础和前提.在干旱区内陆河流域,产权初始配置要在生态环境可持续的前提下,坚持公平、效益相结合的分配目标和配置原则.通过建立初始水权配置指标体系,对黑河流域进行实地问卷调查,在此基础上对用户调查结果进行专家判断修正,应用层次分析法研究了各分配指标的权重分布.以黑河流域张掖地区为例的界定结果表明,除上游的肃南县和山丹县外,其余各县市的实际用水量都超过了各自界定的初始水权,这种差别为水资源产权交易管理提供了现实依据,为开展流域上游的生态保护补偿提供了理论基础.     

祁连山—河西走廊黑河流域地貌特征及其构造意义

采用定量化的地貌因子研究区域构造活动及其演化已成为构造地貌学的一种常用手段。祁连山—河西走廊位于青藏高原东北部边缘,是高原向NE方向挤压扩展的前缘部位,该区河流水系的地貌发育过程记录了高原隆升与挤压扩展及其气候环境效应的重要信息。位于祁连山北部山前的黑河流域向N穿过河西走廊和北山地区,其河流地貌的发育与祁连山的构造隆升直接相关。基于诸多地貌因子(面积-高程积分、地貌信息熵以及河流纵剖面)的研究结果均显示黑河流域所涉及的祁连山东、西段的构造活动存在明显差异,具有西强东弱的特点,如西段流域的平均面积高程积分值(HI)为0.541而东段仅为0.4661;并且根据河流纵剖面分析得到的差异隆升值西段为754m,也远高于东段的219m;而降雨等气候因素则存在东强西弱的特点。综合对比分析发现,本区岩性与降水条件等对研究区地貌因子的影响有限;构造活动是地貌演化发育的主控因素,控制着该区现今的构造变形、地貌发育及其演化历史。     

黑河流域浮游植物群落特征与环境因子的关系

分别于2009年夏季和2010年夏、秋季对黑河流域进行了2次全面调查,共选取76个采样断面进行水样采集,鉴定出浮游植物242种,隶属于8门11纲25目45科94属.其中硅藻门为优势类群,占物种总数的38.43%,绿藻门和蓝藻门次之;黑河流域优势种为尺骨针杆藻(Synedra ulna)、无常蓝纤维藻(Dactylococcopsis irregularis)和尖针杆藻(S.acus),优势度分别为0.060、0.031和0.021,出现频度分别为43.42%、43.42%和46.05%.生物多样性指数及相关指数分析表明,黑河流域中、下游浮游植物群落结构的复杂程度和稳定性均高于上游;同时,综合生物多样性指数及相关指数以及水质理化指标表明,黑河上游水质为无污染或轻度污染,中、下游水质为轻中度污染.浮游植物丰度与环境因子的相关性分析表明,上游浮游植物丰度与水体硬度呈显著正相关;中游浮游植物丰度则与各环境因子无显著相关性;下游浮游植物丰度与水体硬度呈显著负相关,而与总氮×总磷呈显著正相关;总溶解性固体、pH值和水体硬度与全流域浮游植物丰度呈显著正相关.黑河流域浮游植物的空间分布具有与河水水文分带相对应的垂直地带性和水平地带性分异特征.     

南四湖流域1980-2015年土地利用变化及其对流域生境质量的影响

生境质量在一定程度上决定了区域生物多样性维持能力的高低,评估区域生境质量对土地利用/覆被变化的响应,可以间接衡量区域生物多样性维持功能的时空变化,为生物多样性保护提供定量参考.本文以南四湖流域为例,运用InVEST-Habitat Quality模型模拟评价1980-2015年流域生境质量的时空变化,定量评估湖区退耕还湿还林和丘陵地区退耕还林2种政策情景对区域生境质量改善的效果.结果表明：35 a间流域耕地、林地和草地大量转化为建设用地,城市建设用地增长40.23%,湖泊面积减少35.56%,主要转化为渔业坑塘;南四湖流域整体生境质量处于较低水平,近35 a来快速发展的工农业生产和不断扩张的城市用地使得流域生境质量呈现降低趋势,当前平均生境质量为历年最低（0.20）.环境保护力度和人类活动剧烈程度的差异导致生境质量在空间上呈现出西部平原区（0.19） < 东部丘陵山区（0.44） < 南四湖湖区（0.81）的分布特征.近35 a来生境稀有度（即生境保存完整性指数）较高的区域主要是湖区主体和流域东部丘陵山区,但部分边缘湖区生境稀有度指数却极低,受人类活动干扰剧烈,主要原因在于沿湖渔业养殖和农业活动.定量评估湖区退耕还林还湿和流域丘陵旱地退耕还林2种政策情景对生境质量的改善效果,结果表明湖区退耕还湿还林能使湖区生境质量上升9.21%,而丘陵旱地退耕还林可使流域平均生境质量提高16.75%.     

开都河流域融雪径流模拟研究

高山融雪是塔里木河源流区重要的产流方式,4个山区流域具有面积大、测站稀少、降雨与融雪混合补给径流和显著局部降雨等特征.以开都河流域为研究区,分析流域特征对SRM融雪径流模型参变量的影响,确定相应选取策略以提高融雪径流模拟预报精度,为相似流域融雪径流模拟提供参考.研究结果表明:(i)气温输入控制模拟径流的整体趋势,对模拟精度起决定性作用.但测站日均气温数据通常不能代表流域同高程的平均水平,直接作为输入会导致很大误差.基于遥感积雪图和模拟结果分析,开都河流域选择0.5倍巴音布鲁克站日最大气温作为流域平均气温较为合理.(ii)由于雨量站稀少和局部降雨特征显著,计算各高程分带平均降水并不现实.将测站降雨乘以放大系数,并借助参数"降雨径流系数"进行校正,可以满足模型对降雨输入的需求.(iii)根据融雪和降雨位置变化,调整参数"滞时"取值对提高局部洪峰过程的模拟精度非常重要.(iv)随气温升高,降雨增多,未能被有限测站完全监测,导致模拟精度逐步降低.     

开都河流域融雪径流模拟研究

高山融雪是塔里木河源流区重要的产流方式,4个山区流域具有面积大、测站稀少、降雨与融雪混合补给径流和显著局部降雨等特征.以开都河流域为研究区,分析流域特征对SRM融雪径流模型参变量的影响,确定相应选取策略以提高融雪径流模拟预报精度,为相似流域融雪径流模拟提供参考.研究结果表明(i)气温输入控制模拟径流的整体趋势,对模拟精度起决定性作用.但测站日均气温数据通常不能代表流域同高程的平均水平,直接作为输入会导致很大误差.基于遥感积雪图和模拟结果分析,开都河流域选择0.5倍巴音布鲁克站日最大气温作为流域平均气温较为合理.(ii)由于雨量站稀少和局部降雨特征显著,计算各高程分带平均降水并不现实.将测站降雨乘以放大系数,并借助参数"降雨径流系数"进行校正,可以满足模型对降雨输入的需求.(iii)根据融雪和降雨位置变化,调整参数"滞时"取值对提高局部洪峰过程的模拟精度非常重要.(iv)随气温升高,降雨增多,未能被有限测站完全监测,导致模拟精度逐步降低.     

基于Forward-Modeling方法的黑河流域水储量变化特征研究

黑河流域陆地水储量变化对流域下游等周边区域水资源的合理利用以及经济和社会发展等有着重要的意义.本文利用2003年1月至2013年12月的GRACE RL05数据反演了黑河流域陆地水储量长时间序列的变化,并针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题,采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号;将GRACE获得的泄漏信号恢复前后的黑河流域水储量变化结果与全球水文模型GLDAS和CPC进行比较分析,结果表明泄漏信号改正后的结果与水文模型结果的时间序列相关性均有明显提高,从其空间分布结果可以看出Forward-Modeling方法有效地恢复初始信号、增强被湮没的信号,泄漏信号误差减小;通过分析黑河流域水储量变化的长时间序列结果,发现其具有明显的阶段性变化特征,即2003—2006年呈明显下降趋势,约为-0.86 cm·a-1,在2007—2010年趋于平衡状态,而2011—2013年则呈现缓慢上升趋势约为0.14 cm·a-1;联合GRACE数据和GLDAS数据反演了黑河流域地下水储量变化,并与全球降雨数据GPCC进行了比较分析,两者相关性可达到0.88以上.     

气候变化对黄土高原黑河流域水资源影响的评估与调控

气候变化将对水资源产生重要影响, 评估其潜在影响可为区域可持续发展提供重要的依据. 本研究的目标是评估2010~2039年气候变化对黄土高原黑河流域水资源的可能影响并进而探讨适应性对策. 基于4种全球环流模式(CCSR/NIES, CGCM2, CSIRO-Mk2和HadCM3)的各3种排放情景(A2, B2和GGa), 使用比例法预估了降水、最高和最低温度的未来变化; 使用SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型模拟气候变化的水文响应; 基于元胞自动机-马尔可夫模型(CA-Markov)建立未来土地利用情景. 结果表明, 与目前气候相比, 全球环流模式预测年均降水变化-2.3%~7.8%, 年均最高和最低温度分别增长0.7~2.2和1.2~2.8℃. 不考虑土地利用变化时, SWAT预测2010~2039年的年均径流变化-19.8%~37.0%, 土壤水分含量变化-5.5%~17.2%, 蒸散量普遍增长0.1%~5.9%. 尽管水文气象变量的变化复杂, 但增长的概率较大; 且水文过程将发生变化, 如冬季径流减少等. 考虑土地利用变化时, 较2000年土地利用, 建立的2015土地利用情景将分别增加土壤水分和径流4.0%和5.7%而减少蒸散0.6%. 这表明调整土地利用模式可以有效调控水资源, 可被用来减缓气候变化的不利影响.     

梯级筑坝对黑河水质时空分布特征的影响

为探究梯级大坝建设对河流水质变化规律的影响,将黑河上中游划分为坝上河段、坝下河段及自然河段,于2017年12月-2018年8月选取了24个主要控制断面进行水质调查,并采用多元统计的方法对比分析了不同时空尺度上的水质分布特征.结果表明:黑河上中游水质时空变化的主要影响因子为水温(WT)、pH值、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总氮(TN)、总磷(TP)和五日生化需氧量(BOD_5).空间尺度上,WT、EC、BOD_5、高锰酸盐指数(CODMn)、TN等指标具有显著性差异,其中坝上河段受BOD_5、CODMn影响较大,自然河段WT、EC和TN为关键指标,而各个因子对坝下河段水质影响较小.时间尺度上,WT、EC、BOD_5、氨氮与季节变化存在明显相关性,是不同河段水质时间变化的控制因子,且大多数水质因子在非汛期变化最明显.降水、温度、水文条件等季节性影响因素和梯级水库联合运用模式是该区域水质时间差异的主要原因;空间差异主要受祁连、张掖地区外源性污染物排放以及筑坝环境下水动力条件改变而产生的沉积滞留效应和沿程累积效应影响.研究表明,外源性污染源依然是导致水质变差的主要因素,梯级筑坝则是导致水质变差的间接因素.因此控制该区域人类活动所造成的外源性污染源,并针对不同种类污染物的季节变化特征实施合理的水库运行方式是改善水电梯级开发河段水质状况的关键.     

筑坝拦截对黑河河道沉积物粒度空间分布的影响

河流沉积物对流域环境变化具有敏感响应,其粒度参数能反映沉积环境中物质来源和水动力环境.本文以黑河流域上中游为研究区域,探究河流沉积物粒度对流域环境变化的响应.从黑河上中游干流22个主要控制断面采集河床沉积物样品,采用筛分法和吸管法对沉积物样品粒度参数进行测定,并分析其空间分布规律对筑坝拦截为主的环境改变响应.研究结果表明：受梯级水库建设影响,黑河上中游泥沙粒径大小差异显著.干流库区泥沙粒径较自然河段明显减小,分选很好,呈正偏或极正偏尖锐分布,而且在库区不同沉积高度上表现出分层沉积特征;坝下游河段因遭受强烈冲刷,较自然河段泥沙粒径粗化显著,分选变差,偏态趋向极正偏,峰态尖锐化;水库回水区受水库壅水及下泄清水的双重制约,泥沙粒度参数介于自然河段和坝下游河段之间,整体分选中等,呈极正偏尖锐分布;沉积环境分析表明,上游支流河段沉积物粒度特征受泥沙供给和物源特征的影响较水动力条件显著,干流河段沉积物粒度特征主要受水动力条件控制.研究结果既符合河流上中游沉积物粒度分布规律,也反映了河流环境变化对沉积物粒度组成的影响.     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

太湖1889洪水年的流域水文模拟

由于受到水文观测资料时间短的限制,目前难以认识百年遇机率的极端洪水.为此,本文根据19世纪末历史文献的洪水灾害记录,利用流域水文模型,对太湖1889洪水年的流域产流、入湖汇流等水文特征和过程进行模拟.本研究设计了三套模拟实验:首先在现代气候控制实验基础上对1988-2002年时间系列和特大洪水年进行水文模拟和模型率定校验;其次,采用长江下游19世纪末的气候观测资料驱动,对极端年份1889年逐日洪水过程模拟;最后,为减少1 a洪水年模拟的不确定性,还采用蒙特卡罗Bootstrap法模拟了15 a的流域气候场,在5475 d样本下进行特征年份的水文模拟.模拟结果表明,1889年洪水期间产流在当年6月底达到最大,1%频率的径流深达8.6 mm/d,95%CI的误差在-2.94～3.26 mm/d之间.汇入太湖径流同期达到最大,1%频率的洪水流量达到1286.9 m3/s,95%CI的误差在-128.3～165.7 m3/s之间.根据洪水Log-Normal概率分布,计算1889洪水年的重现期为149 a.经Bootstrap法对误差置信区的模拟,95%CI检验在70～175 a间的重现期可信.该研究为延长20世纪洪水序列、拓展对百年时间尺度的特大洪水的认识提供了动力学模拟方面的科学依据.     

太湖西苕溪流域径流过程的模拟

西苕溪是太湖集水域的一个主要流域,研究西苕溪流域径流过程及污染物产出对了解太湖水文水质变化以及开展周围其它流域研究工作具有重要意义．作为研究的第一步,采用集总式模型LASCAM建立了西苕溪流域径流模型．以流域内2个水文观测站1968-1988年日径流观测数据对模型作了率定．率定效果满意,模拟日、年径流量与观测值吻合良好．在流域资料不够充分的情况下,模型能获得较为理想的模拟效果,说明所采用的模型适用于数据不足区域．模拟还揭示,西苕溪流域径流产生可能以饱和地面径流机制为主．近河道浅层饱和土体的水位与降雨量相关性好,呈现出明显的日波动周期;而深层地下水位呈年波动周期,在旱季和雨季,水位呈明显的降落和上升趋势．这些发现为进一步细化径流模型以及建立污染物输移模型奠定了基础．     

鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟

本文以鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,鉴于该湖泊流域系统尺度较大,下垫面自然属性呈现高度空间异质性且具有流域-平原区-湖泊不同机制的水文水动力过程,为了真实描述湖泊流域间的水文水动力联系及反映不同过程间的作用机制,构建了鄱阳湖湖泊流域联合模拟模型.该模型基于自主研发的流域分布式水文模型WATLAC和湖滨平原区产流模型以及水动力模型MIKE 21 3个不同功能子模型的连接来实现该复杂系统的模拟.模型的联合采用输入-输出驱动及子模型的顺序执行进程,即将五大子流域与平原区入湖径流量作为输入条件来驱动湖泊水动力模型,模拟湖泊水位对流域入湖径流量的响应.以2000-2005年鄱阳湖流域6个水文站点的河道径流量、流域基流指数以及湖泊4个站点的水位资料来率定模型,其中各站点日径流量拟合的纳希效率系数E_ns为0.71~0.84,确定性系数R²介于0.70~0.88之间,而湖泊各站点水位拟合的纳希效率系数E_ns变化为0.88~0.98,确定性系数R²为0.96~0.98,均取得令人满意的率定结果.本文提出的鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟模型能较为理想再现湖泊水位对流域降雨-径流过程的响应.水位模拟结果进一步表明,该联合模型能用来获取重要的水动力空间变化特征.该模型可作为有效工具定量揭示湖泊流域系统水文水动力过程对气候变化和流域人类活动的响应.     

日本琵琶湖流域大气边界层的三维数值模拟

本文在地形坐标下引入一种水平导数差分近似方法,建立一个适合日本琵琶湖复杂地形、满足静力平衡条件的三维非定常大气边界层数值模式。在弱的背景风场下,模式加入了琵琶湖流域的实际地形,计算结果表明:模式运行十分稳定,且占机内存小,节省计算时间,同时模式还做了流域地形、湖泊本身存在与否等因子对边界层风场影响的数值试验。在强的背景风场下,模式加入了经过适当平滑的琵琶湖流域地形,得出了一些有益的看法。     

基于越冬水鸟生境模拟的拟建鄱阳湖水利枢纽生态控制水位探讨

长江及鄱阳湖水系上游水库群运用后鄱阳湖枯季水文节律出现新的变化,为应对新的枯水情势,鄱阳湖水利枢纽作为一个选项被提出,如何确定其适宜的调控水位才能维持鄱阳湖湿地生态系统健康是其中的重点与难点.本文选择鹤类、小天鹅、鸿雁等食植物块茎水鸟作为鄱阳湖湿地生态系统的指示物种,基于EFDC水动力学模型和生境适宜度曲线构建了鄱阳湖越冬水鸟生境数值模拟模型;从食物资源与取食可及性两个方面,分苦草(Vallisneria natans)生长期和水鸟越冬期两个时段,以水深作为关键生境因子,对近10年鄱阳湖苦草及水鸟取食潜在生境面积变化进行了连续模拟;揭示了鄱阳湖苦草及水鸟取食潜在生境面积随水位的变化规律并构建了定量响应函数:苦草潜在生境面积随水位呈单峰型变化,在星子站水位为14.8 m时达到最大,约为1703 km2;越冬水鸟取食潜在生境面积随水位呈三段式变化,最大和最小面积分别约为564和476 km2,相应星子站水位分别为11.73和9.56 m.在此基础上,针对拟建的鄱阳湖水利枢纽工程,基于不同调度分期内生境保护目标的差异确定了符合天然水位波动特征的生态水位动态调控方案:下闸蓄水期内水位宜控制在16 m以下,后续根据越冬水鸟迁入情况逐步下降以增加取食生境面积,在12月次年1月的越冬水鸟数量峰值期水位宜控制在12.5 m以下,后续根据来水情况逐步过渡至江湖连通期的自然状态.成果从保护越冬水鸟食物资源与取食可及性两个方面提出了鄱阳湖水利枢纽生态水位的动态调控阈值,为江湖新水沙条件下鄱阳湖湿地生态系统保育提供了量化依据.     

鄱阳湖营养水平关键指标时空分布特征及适宜控制标准

本文研究2018—2020年鄱阳湖水质及营养水平关键指标——叶绿素a、总磷、总氮浓度时空特征,采用分位值法与压力-响应关系法等研究氮磷基准和适宜的控制标准。结果表明,2018—2020年鄱阳湖水质以Ⅳ类为主,超标污染物为总磷和总氮。近3年鄱阳湖处于“中偏富”营养水平,叶绿素a浓度均值为7.6μg/L,总磷浓度均值为0.070 mg/L,总氮浓度均值为1.30 mg/L。所有水域在年内皆会出现富营养时段;年内各月份皆有水域处于富营养水平。总磷、总氮浓度枯水期高于丰水期;8月总磷浓度最低,8—9月总氮浓度最低。叶绿素a浓度较高的季节为秋季,尤以9月最高,9月全湖叶绿素a浓度均值和中位值分别为16和12μg/L,皆超中-富营养界限值10μg/L,原因在于9月“五河”退水与仍处汛期的长江干流顶托导致流速减缓。叶绿素a浓度较高的水域为入湖河流尾闾水域、浅水湖湾、碟形湖(如南湖村、金溪咀、南矶山、蚌湖等)。鄱阳湖平均N/P比为52,相对于藻类繁殖需求而言,氮、磷皆处于过量状态,总磷宜作为首要控制因子,总氮控制亦应考虑。鄱阳湖总磷基准范围为0.029～0.054 mg/L,总氮基准范围为0.50～0...