黑河中游间作灌溉农田的能量平衡

利用布设在黑河流域中游的张掖绿洲区的一套自动气象观测系统在2004年作物生长期内的完整资料,分析了黑河中游春小麦和玉米间作农田生态系统的辐射收支,在此基础上选用波文比能量平衡法(BREB)进行了能量平衡计算.结果表明:间作作物-土壤系统截获的太阳短波辐射占太阳总辐射的比例从生长初期的0.81持续增加到生长末期的0.86;净辐射在生长初期较小,生长中期第一阶段增幅大,至第二阶段达到最大,生长末期降低;净辐射占太阳总辐射的比例与净辐射的变化相似.能量平衡中,净辐射的消耗以潜热为主,占70%左右,感热能量占20%,土壤热通量占净辐射总值的10%.不同生长阶段的能量平衡差异较大,能量平衡在不同生长阶段呈现出不同的日变化特征.     

黑河实验(HEIFE)能量平衡和水汽输送研究进展

It is a review about advance of research on energy budget and transportation of water vapour in the HEIFE area. A basic model, the cold island in oasis and the inverse humidity phenomenon in desert, about interaction of oasis with desert environment is established. The major disturbance of the oasis to observation in the desert is the latent heat flux that is an ignored value in the energy budget on ground surface in the desert. Consequently, it is representative of the arid region to have measured energy budget at the gobi station and desert station in the HEIFE area.     

黑河实验（HEIFE）能量平衡和水汽输送研究进展

总结了黑河实验中能量和水汽交换特征研究进展。建立了绿洲同包围它的沙漠环境相互作用基本模型，即绿洲的冷岛效应和沙漠的逆湿现象。绿洲对沙漠观测的主要干拢是沙漠能量平衡中的一个小量，即可以忽略不计的潜热通量。所以黑河实验沙漠和戈壁站能量平衡的基本特征对干旱地区有一定的代表性。     

黑河流域中游人工水循环系统在分水前后的变化

介绍了黑河流域中游人工水文循环过程及其中各系统之间的关系,目标是为黑河流域生态—水文过程模拟提供一套较准确的数据集。利用张掖市水利年报、莺落峡水文站资料以及张掖市水资源管理年报等调查数据分析了黑河分水前后,2000年和2010年黑河流域中游引水、输水和用水系统的变化过程,得出以下结论:①人工水文循环过程通过引水系统、输水系统、储水系统和用水系统来影响农业水资源在时空上的分配,它是人类活动影响下的中游水文循环过程的重要组成部分;②2010年比2000年引水口门减少了26处,渠道综合水利用率提高了3.6%;③与2000年相比,2010年地表水和地下水资源开发利用在空间上产生了很大变化,地表水引水量减少了1.05亿m3,地下水开采量增加了1.64亿m3。最后,从径流、地下水、大气水方面分析了人工水循环过程对自然水循环过程的影响。     

黑河实施分水后中游灌区地下水资源量的变化分析

黑河中游地下水是农业灌溉的重要水源之一,而黑河分水通过对地表水的影响,进而影响地下水资源.根据中游地下水观测数据,运用Kriging空间插值法,对分水前的20世纪90年代和分水后的2004-2005年间的地下水位和储量变化进行对比分析.结果表明:中游甘州区、临泽县和高台县地下水位不同程度上都在下降,其范围在1.3～2.7 m,地下水可开采储量也随之减少,估算减少总量约为8.23×108m3.究其原因,一方面是由于分水使得地表水转化为地下水的数量减少,占总减少量的45%;另一方面,河水供给的减少促使中游地区在农业灌溉中转而大量开采地下水所致.目前中游地区调整产业结构,减少农业用水是分水后保持当地各种环境稳定的重要措施.     

两千年来黑河流域水资源平衡估算与下游水环境演变驱动分析

利用地方史志、历史地理、树木年轮和近代器测记录相关的黑河流域历史时期人口变动、水土资源开发利用、下游湖泊变化、流域水资源和气候变化等资料, 通过对比上游出山水资源量、中游人类活动水资源利用量和下游湖泊面积变化, 在千年-百年时间尺度上对流域水资源平衡进行了估算, 并分析了历史时期各阶段下游湖泊水环境和天然绿洲演变过程和驱动机制. 研究结果表明: 在黑河流域, 气候变化条件下的上游山区水资源总量和中游走廊平原区绿洲人类活动用水后下泄的水资源量, 决定了下游水环境演变过程;在两千年来显现出不同历史阶段的流域水资源平衡模式和下游水环境演变特征, 以及气候变化和人类活动在不同历史时期的耦合驱动机制.     

黑河中游绿洲典型灌区地下水资源总均衡估算

根据对研究区多年的水文地质观测资料的分析和研究,建立了黑河中游典型灌区地下水水资源总均衡模型,选取了黑河干流具有代表性的平川、板桥、鸭暖和蓼泉灌区,对地下水均衡模型中的补给项及排泄项的主要变量分别进行了估算,结果表明:各灌区均衡期内地下水动态资料计算的均衡期始末地下水储存量变化与模型计算的均衡差基本相近,其相对误差为-17.6%,说明均衡模型对于估算内陆绿洲灌区地下水资源均衡是比较准确的.     

基于能量平衡的分布式融雪径流模型

采用MODIS影像数据提取的积雪特征及T639L60气象预报场数据在WRF模式中的运行结果作为驱动,构造了一个以能量平衡为基础的融雪径流模型,将该融雪模型应用在天山北坡军塘湖河流域,对2010年径流模拟预报结果和实际观测数据分析显示:模型对雪深、雪水当量及融雪径流的模拟具有较好的拟合度,对提高融雪水资源管理效率及对融雪洪水预警具有一定的参考价值。     

基于能量平衡对额尔齐斯河流域融雪过程的研究

为定量描述额尔齐斯河流域积雪的消融过程,建立了利用基于能量平衡的积雪模型,对流域内库威积雪站2014年1月4日-3月28日积雪的积累和消融过程进行了模拟.结果表明:模型能够很好的模拟出融雪期净辐射能量的变化过程,对雪水当量的模拟结果也非常好,雪水当量的观测值和模拟值之间的Nash系数达到了0.989.在积雪的积累期,雪表的净辐射、感热、潜热通量的绝对值以及地表热通量明显低于积雪的消融期.在积累期,感热和潜热通量以及土壤热通量受到雪层厚度的影响.当雪水当量小于10 mm时,感热和潜热通量的绝对值偏高,土壤热通量的波动性也偏大.在积累期积雪的物质损失全部为升华损失,升华量为2.74 mm;在消融期,积雪的融化量为66.26 mm,升华量为2.04 mm.净辐射对积雪物质损失的贡献达到了83.1%,湍流通量对积雪物质损失的贡献达到16.9%.由于在融化期土壤热通量为正值,因此土壤热通量对融雪没有贡献.     

黑河中游盆地南部山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算

山区地下水对平原区的侧向径流补给量是一个长期争议且悬而未决的难题,这个量在西北内陆干旱盆地,被估算得或很小或很大。在总结前人研究的基础上,采用地质水文地质调查、物探、钻探、抽水试验、地下水动态观测、水化学测试、盆地地下水水位统测和综合研究等技术方法,查明了黑河中游盆地南部山盆交接带的地质构造接触关系、地层岩性接触关系及梨园河口白垩系风化壳含水层结构和水文地质参数。通过山区不同流域等级的地表水与地下水转化关系分析,将山区地下水对平原区侧向径流补给带划分为大中型河流河谷补给段和小微型河流或冲沟群流域构成的浅山带补给段。河谷补给段勘探资料较为丰富,多用达西断面流方法计算;针对浅山带补给段极为缺乏勘探资料的实际,以梨园河口断面径流量为参照,构建了浅山带岩性、汇水区面积、降水量等3 个变量的山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算方法。估算出黑河中游盆地南部山区浅山带地下水对平原的侧向径流补给量为0.40×108 m3/a,河谷段基岩侧向补给量为0.07×108 m3/a;推算出河谷段第四系地下水补给量为0.30×108 m3/a;3 项补给量之和为0.77×108 m3/a,占盆地地下水资源量的3.0%。该研究为西北内陆干旱盆地山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算提供了一个可供借鉴的实例。     

黑河流域中游盆地水文地球化学演化规律研究

黑河是我国第二大内流河,研究其水化学演化规律,对于区域水资源科学利用与管理、保障饮水安全和下游生态安全都具有重要作用。本文利用2014—2018年在黑河流域开展1∶50 000水文地质调查所获取的资料,研究了黑河干流和丰乐河两个典型剖面的水化学和同位素变化规律。结果表明,黑河中游盆地地下水主要来源于祁连山区大气降水补给,黑河干流区地下水氘氧同位素比丰乐河流域更为富集,反映了氘氧同位素的高程效应。在丰乐河流域排泄区发现了非现代气候条件下形成的古水,说明现在的盐湖盆地早期就是地下水滞留区。山前戈壁带含水层经长期淋滤作用,地下水溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)较低,水化学类型以重碳酸型为主。溢出带以北下游地区TDS逐步增高,地下水类型以硫酸型、硫酸-氯型为主,具有两种地下水化学背景和演化模式:一种是石膏溶解-碳酸盐沉淀析出-氯化物溶解-缓慢的硅酸盐非完全溶解和阳离子交换反应模式;另一种在此基础上增加硫酸钠溶解演化模式。流域补给区和径流区地下水TDS升高的主要原因是溶滤作用。丰乐河排泄区地下水TDS升高的主要原因仍是溶滤作用,溶滤盐分的来源是表层的盐分,以石盐为主。黑河干流排泄区由于含水层较薄,水位埋深较浅,蒸发对地下水咸化的影响更大。     

黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发分割

通过对黑河上游排露沟流域海拔2 700 m和2 900 m处青海云杉森林生态系统不同季节的土壤水、 植物水和大气水汽等不同水体稳定氧同位素组成（δ¹⁸O）的测定, 运用Craig-Gordon模型、 同位素稳态假设和Keeling Plot模型分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和蒸散发的δ¹⁸O, 结合多元线性混合模型将生态系统蒸散发分割为土壤蒸发和植物蒸腾。结果表明： 土壤蒸发水汽的δ¹⁸O_E、 植物蒸腾水汽的δ¹⁸O_T及蒸散发水汽的δ¹⁸O_ET分别介于-35.9‰ ~ -25.2‰、 -9.0‰ ~ -4.2‰和-18.5‰ ~ -10.2‰之间, 三者顺序为δ¹⁸O_T > δ¹⁸O_ET > δ¹⁸O_E, 满足同位素稳态假设。植物蒸腾对蒸散发的贡献率（f_T）在52.2% ~ 88.4%之间变化, 土壤蒸发对蒸散发的贡献率（f_E）在11.6% ~ 47.8%之间变化, f_T远大于f_E, 说明生态系统蒸散发大部分来自于植物蒸腾, 即植物蒸腾是青海云杉森林生态系统蒸散发的重要组成部分。f_T与气温呈负相关, 而与相对湿度呈正相关, 说明气温对f_T起抑制作用, 相对湿度对f_T起促进作用, 但是相关系数不高, 说明f_T在自然环境下还可能受除气温和相对湿度外的多种环境因素和生物因素综合影响, 具体影响机理有待进一步探究。本研究结果可为进一步研究黑河流域区域内循环和流域尺度水循环研究提供理论依据。     

黑河流域走廊平原地下水补给源组成及其变化

通过环境同位素、水文分割法和相关分析研究表明,祁连山区降水、冰川雪融水和基岩裂隙水通过出山口地表径流补给构成黑河流域走廊平原地下水主要补给源,具有年际和年内丰枯动态变化规律,与祁连山区降水量和气温的关联度分别为0.97和0.79,与平原张掖站降水量和气温的关联度分别为0.43和0.60。在自然径流条件下,祁连山区降水量变化是改变走廊平原地下水补给的主导因素,约占91%权重;气温变化是重要影响因素,约占9%权重。20世纪80年代以来祁连山区各补给源处于偏丰期。因此,近年来走廊平原地下水补给量相对50年代减少27.1%,人类活动是重要影响因素,急需加强科学调控。     

黑河干流上中游径流变化及其原因分析

根据黑河干流出山径流控制站莺落峡、中游的高崖和正义峡等水文站的径流和区域内的气象资料,以及中游的地下水位资料,对黑河上中游来水的年际变化和年内分配,径流沿程变化规律及其影响因素进行分析研究。结果表明： ①黑河干流出山径流自1945年以来整体上呈小幅增加趋势,其年内最大径流月份在进入21世纪后,由7月份推后至8月份,主要受降水的影响; ②高崖和正义峡断面的水量自1977年以来呈微弱增加趋势,前者增幅略大于后者;由于中游社会经济发展引起用水增加,莺落峡至高崖区间的耗水量以每年近850×10⁴ m³的增量变化,而高崖至正义峡区间灌溉回归水和地下水补给河道的水量与区间灌溉引水和其他耗水量基本持平; ③地下水的超量开采一定程度上减缓了黑河干流统一调度的压力,但不利于流域水资源的可持续利用。该研究成果对于今后黑河水资源科学配置、合理调度具有一定的参考和指导作用。     

Use of oxygen-18 isotope to quantify flows in the upriver and middle reaches of the Heihe River,Northwestern China

In recharge areas, the Heihe River flow was separated into components of ice-snowmelt and precipitation according to 14 gauging stations and to monthly hydrograph using oxygen-18. As shown by the result of the two-component mixing model, on average, 19.8% of the runoff comes from ice-snowmelt. At three stations which are closer to glaciers and with headstream of ice-snow melted water, the ice-snowmelt runoff is larger than 28% of stream water. In addition, because most of the ice-snowmelt infiltrates the groundwater, which later discharges into the river at mountain outlets, the ice-snowmelt percentage in runoff is lower than average at these stations with the elevation higher than 3,600 m. According to monthly hydrograph, the lowest percentage of ice-snowmelt in runoff is in July (6.46%), whereas during November it is the largest (26.1%). In the middle basin, the fraction of groundwater in runoff had a marked increase from 23.57% near Zhangye City to 60.28% near Gaotai City, and then a dramatic drop to 13.61% near Zhengyixia Station because of agricultural flood irrigation in Zhangye Basin.     

黑河上中游潜在蒸散发模拟及变化特征分析

基于多源遥感数据产品,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型估算了黑河上中游流域2000—2010年潜在蒸散发(potential evapotranspiration,ET_P),并考虑不同土地覆被类型,分析了ET_P的时空变化特征及影响要素,分别利用ET_P和ET₀驱动水文模型,比较径流模拟精度.结果表明:① 基于高精度遥感数据,S-W模型可模拟区域ET_P.黑河上中游流域,夏季ET_P对年值的贡献最大,各土地覆被类型的ET_P年内变化趋势一致.总体而言,植被条件越好,ET_P越小;② 在研究区内,相对湿度对ET_P变化的影响最大,叶面积指数(LAI)对ET_P变化的影响与辐射相近.植被越稀疏,ET_P对气象要素及LAI的敏感性越强;③ 与ET₀相比,ET_P能够更好地描述陆面蒸散发能力,相同条件下使用ET_P驱动水文模型模拟精度更高.     

“蒸发悖论”在黑河流域的探讨

利用黑河流域12个气象站点1960-2010年的气象资料,运用FAO Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量,采用旋转经验正交函数、Mann-Kendall检验等方法系统分析了过去51 a间潜在蒸散量及气温的变化趋势,重点对"蒸发悖论"在黑河流域的规律进行分析.结果表明:根据潜在蒸散量的旋转经验正交函数分区结果,黑河流域可以划分为4个子区."蒸发悖论"仅于1960-1993年存在于黑河流域河西走廊区(Ⅱ区、Ⅲ区);其它各区无"蒸发悖论".1994-2010年由于潜在蒸散量的显著上升,河西走廊区"蒸发悖论"消失.1993年是黑河流域潜在蒸散量变化趋势的一个转折点,1994-2010年黑河流域的潜在蒸散量表现为统计显著的上升趋势.风速的变化是影响黑河流域河西走廊区"蒸发悖论"出现和消失的重要因素.     

1985-2013年黑河中游流域地下水位动态变化特征

在气候变化和人类活动的影响下, 黑河流域地表水和地下水的时空分布特征发生了很大变化. 研究水系统演化及其驱动机制对流域水资源可持续管理非常关键. 基于甘肃河西黑河中游流域地下水位动态、水文气象、土地利用和灌溉统计数据, 研究了1985-2013年黑河中游流域地下水位时空变化. 结果表明: 地表水的不合理分配和耕地的扩展导致了地下水的过量开采和地下水位的剧烈变化. 1985-2004年区域地下水位以下降为主; 2005-2013年呈现下降和回升两极发展趋势, 冲洪积扇群带地下水最大下降达17.41 m, 而黑河干流沿岸地下水位最大回升了3.3 m, 地下水埋深普遍增加了1.0~3.0 m. 尽管地下水位在2005-2013年表现出回升趋势, 但干流中游盆地地下水系统处于严重负均衡状态, 制定合理的“生态分水”方案和水资源综合管理规划非常紧迫.     

基于涡动相关仪验证的SEBS模型对黑河中游地表蒸散发的估算研究

在我国西北干旱和半干旱地区, 农业收获主要依靠灌溉保证, 灌溉绿洲的蒸散发(ET)是当地水资源的主要消耗. 通过遥感估算区域灌溉绿洲的ET对于地区合理利用水资源极其重要, 利用MODIS/Terra 影像, 基于物理过程的地表能量平衡模型(SEBS), 结合WRF模式输出的气候驱动数据和地面观测数据来估算黑河中游地区的地表通量和日蒸散发(ET_daily). 估算的ET用不同下垫面的涡动相关仪观测数据进行验证, 结果显示: SEBS模型估算的不同下垫面的ET_daily具有很好的拟合效果(R²=0.96, P<0.001), 在灌溉绿洲估算的ET_daily比实测值偏高, 说明干旱、半干旱地区灌溉绿洲土壤水分胁迫是影响ET的主要因素. 模型估算绿洲作物生长期间的ET_daily和实测的ET_daily平均相对误差为12.5%, 精度在观测的能量不闭合误差以内且精度比戈壁和沙漠地区高.