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基于CMIP6气候情景的泾河流域水文模拟及预测

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水利水电技术(中英文) 2024年

作者：龙鸿元王丽霞张珈玮刘招杨耘长安大学地质工程与测绘学院长安大学地球科学与资源学院长安大学水利与环境学院

【目的】气候变化和人类活动引发的土地利用变化为水资源调控与管理带来了挑战，使得探究在两者影响下的水文模拟过程并进行定量预测和分析成为了目前的研究需要。【方法】基于CMIP6的三种气候模式ACCESS-CM2、BCC-CSM2-MR、NorESM2-LM... 详细信息

【目的】气候变化和人类活动引发的土地利用变化为水资源调控与管理带来了挑战，使得探究在两者影响下的水文模拟过程并进行定量预测和分析成为了目前的研究需要。【方法】基于CMIP6的三种气候模式ACCESS-CM2、BCC-CSM2-MR、NorESM2-LM的两种浓度情景SSP245、SSP585，通过偏差订正后模拟出泾河流域在未来时期（2022—2044年）的降水、最低气温和最高气温；基于2005年和2015年流域土地利用数据，利用CA-markov模型预测流域2025年土地利用空间分布，并结合气候模式数据，驱动SWAT分布式水文模型，预测泾河流域未来时期的径流变化，并分析两种因素对径流变化率的影响。【结果】研究结果表明：（1）未来时期（2022—2044年）SSP245和SSP585情景下，年平均降水相对于基准期（2006—2012年）分别上升0.3%和1.41%，最低气温分别上升0.9℃和1.11℃，最高气温分别上升0.28℃和0.07℃。（2）2025年建设用地和耕地面积相较于2005年分别增加了34.97%和3.15% ，而草地和林地面积减少了4.30%和1.59%。（3）基准期径流模拟值与实测值在率定期和验证期的R2和NSE值分别为0.86和0.7、0.76和0.71，R2均大于0.7，NSE均大于0.65。（4）S45＿LUC05、S85＿LUC05、S45＿LUC25、S85＿LUC25四种情景年平均径流模拟值分别为387m3/s，387.87m3/s、419.17m3/s、422.94m3/s 【结论】（1）未来时期（2022—2044）泾河流域年均降水和年均气温呈整体上升趋势。（2）未来时期（2025）年泾河流域建设用地面积将显著增加，草地和林地面积呈减少趋势（3）SWAT模型在泾河流域水文模拟中适用性较好（4）四种情景驱动下未来径流呈上升趋势，气候与土地利用变化共同影响了径流变化，土地利用变化对径流影响程度大于气候因素。

关键词： CMIP6 SWAT模型土地利用径流模拟泾河流域

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秦岭地区生态系统服务权衡/协同及预测

地球科学与环境学报 2024年第5期46卷 584-594页

作者：王丽霞潘飞燕张晶杨耘刘招长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 陕西地建房地产开发集团有限责任公司陕西西安710054 长安大学水利与环境学院陕西西安710054

识别和评估秦岭地区生态系统所提供的主要服务,可深入理解生态系统服务及可持续发展等相关理论,并对区域生态管控具有重要指导意义。基于多源数据集,耦合CASA、InVEST、RUSLE和CA-Markov等模型,模拟及预测秦岭地区2004~2034年植被净初... 详细信息

识别和评估秦岭地区生态系统所提供的主要服务,可深入理解生态系统服务及可持续发展等相关理论,并对区域生态管控具有重要指导意义。基于多源数据集,耦合CASA、InVEST、RUSLE和CA-Markov等模型,模拟及预测秦岭地区2004~2034年植被净初级生产力(NPP)、土壤保持(SC)和生境质量(HQ)等主导生态服务的时空分布特征,并采用相关系数法分别从静态和动态的角度识别权衡/协同关系。结果表明:①在时间尺度上,植被净初级生产力、土壤保持年际变化整体呈波动上升趋势,而生境质量呈波动下降趋势;在空间尺度上,3种生态系统服务均呈现北高南低、西高东低的特征,与植被生长状况具有较好的响应。②从静态角度来看,3种生态系统服务对均呈现显著的协同关系;从动态角度来看,3种生态系统服务对的关系均以权衡为主;不同角度得出的结果不尽相同。③时空模拟验证表明,CA-Markov模型在该区域具有较好的适用性;根据预测结果,3种生态系统服务的高值区域未来将不断扩张,其发展趋于优化。

关键词：生态系统服务植被净初级生产力土壤保持生境质量权衡协同 CA-Markov模型秦岭地区

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贝叶斯决策优化水库分期抗旱调度策略研究

水力发电学报 2023年第7期42卷 96-107页

作者：李杰刘招毛钦男余玉聪杨舟王舒民长安大学水利与环境学院西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054 浙江水利水电学院水利与环境工程学院杭州310018 四川华能宝兴河水电有限责任公司四川雅安625000

受全球气候变化和日益增强的人类活动的影响,频繁发生的干旱对社会经济发展带来极大冲击。研究水库分期抗旱调度策略对水资源高效利用和抗旱减灾有着显著的作用。以供水保证率最大和供水破坏深度最小为目标函数,在最小风险贝叶斯决策的... 详细信息

受全球气候变化和日益增强的人类活动的影响,频繁发生的干旱对社会经济发展带来极大冲击。研究水库分期抗旱调度策略对水资源高效利用和抗旱减灾有着显著的作用。以供水保证率最大和供水破坏深度最小为目标函数,在最小风险贝叶斯决策的多年可供水量组合情景下,采用蜂群算法和逆序递推法确定最优的水库抗旱调度策略。以黑河金盆水库为实例,基于贝叶斯联合逆序递推抗旱调度策略与常规调度、传统逆序递推和优化逆序递推的抗旱调度策略进行对比分析,前者既减少了极端干旱条件下极端缺水的几率,又提高了供水保证率、降低了供水破坏深度。说明贝叶斯联合逆序递推的抗旱调度策略提高了水库的抵御极端干旱的能力,为抗旱调度提供了理论依据。

关键词：分期抗旱调度贝叶斯理论蜂群算法逆序递推抗旱调度策略

基于RSEI的延河流域生态环境质量监测与预估

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干旱区研究 2022年第3期39卷 943-954页

作者：王丽霞赵蕊刘招张双成孔金玲杨耘长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 长安大学水利与环境学院陕西西安710054

利用延河流域1998年、2004年、2010年和2016年4期的Landsat遥感影像,计算遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI),对流域生态环境质量的时空变化进行分析和评价,利用CA-Markov模型对2022年和2028年的生态环境进行模拟和预... 详细信息

利用延河流域1998年、2004年、2010年和2016年4期的Landsat遥感影像,计算遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI),对流域生态环境质量的时空变化进行分析和评价,利用CA-Markov模型对2022年和2028年的生态环境进行模拟和预测。结果表明:(1)RSEI评价指数在延河流域具有较好的适用性,可用于监测和评价流域生态环境的时空变化特征。(2)时间尺度上,RSEI均值从1998年的0.392变化为2016年的0.530,呈逐年上升趋势,空间尺度上,RSEI从东南向西北逐渐增大。以0.2为间隔划分RSEI等级,发现流域生态环境质量等级以较差和中等为主,占总面积的62.4%,主要分布于流域的山谷地带,优良等级的面积占比最小,约为8.1%,主要分布于流域南部的山区地带。(3)自然和人为因素对流域生态环境质量变化的影响存在较大空间差异性。其中海拔在1200~1800 m的区域,生态环境质量变化主要受自然因素影响;而海拔低于1200 m的区域,则主要受人类活动影响。(4)预测到2028年,流域生态环境质量会持续提升,良好和优良等级的面积占比将达到66%,但是流域西北部由于生态环境本底脆弱,仍存在较大的问题。

关键词：延河流域 RSEI 生态环境质量主成分分析 CA-Markov模型

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一种净初级生产力格局模拟及预测耦合模型

武汉大学学报（信息科学版） 2021年第11期46卷 1756-1765页

作者：王丽霞张海旭刘招张双成孔金玲高俪倩长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054

净初级生产力(net primary productivity,NPP)不仅直接反映了植被群落的生产能力,而且是判定生态系统碳源与碳汇和调节生态过程的主要因子。提出一种耦合CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型与CA-Markov模型的方法,以渭河流域为... 详细信息

净初级生产力(net primary productivity,NPP)不仅直接反映了植被群落的生产能力,而且是判定生态系统碳源与碳汇和调节生态过程的主要因子。提出一种耦合CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型与CA-Markov模型的方法,以渭河流域为例,基于CASA模型对NPP估算结果进行数值区间划分,以区间划分类型作为CA-Markov模型迁移演算的基础,对NPP在像元尺度上进行模拟及预测,反映其时空演化特征和机理,并预测现有模式下的生产力发展模型,为植被生态安全提供参考。结果表明,实验区内,CASA模型与CA-Markov模型的耦合具有较好的适用性,Kappa系数达到0.8776,该耦合模型适用于探究现有环境驱动模式下的NPP时空演变。

关键词：净初级生产力 CASA模型 CA-Markov模型模拟预测

基于Landsat 8数据反演地表发射率的几种不同算法对比分析

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西安科技大学学报 2019年第2期39卷 327-333页

作者：王丽霞孙津花刘招张双成杨耘长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室陕西西安710075 长安大学地球科学与资源学院陕西西安710054 长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054

为了分析研究不同地表发射率反演算法的精度和适用性,文中选取西安市的遥感影像Landsat 8为基础数据,运用ENVI,ArcGIS等软件,首先对Landsat 8数据进行预处理,提取西安市的NDVI影像;然后,建立决策树模型得到西安市地表分类影像,并基于像... 详细信息

为了分析研究不同地表发射率反演算法的精度和适用性,文中选取西安市的遥感影像Landsat 8为基础数据,运用ENVI,ArcGIS等软件,首先对Landsat 8数据进行预处理,提取西安市的NDVI影像;然后,建立决策树模型得到西安市地表分类影像,并基于像元二分模型反演得到植被覆盖度,基于NDVI得到4种不同算法的地表发射率;最后,以精度0. 01的MODIS LSE产品为标准数据,从像元尺度上对比分析了4种算法的精度,并依据回归决策树方法的分类结果,对比分析了不同算法在各类地表覆盖类型上的发射率反演差异。结果表明:在像元尺度上,植被指数混合模型法与NDVI^(TEM)改进算法精度较高且较为接近;从不同下垫面的反演差异来看,在植被区域4种算法之间的差异较小,而对于水体区域,4种算法之间的差异较大;从反演方法的适用性而言,植被指数混合模型法与NDVI^(TEM)改进算法较为适合本研究区。

关键词：地表发射率遥感反演归一化植被指数 Landsat 8数据

基于MRSEDI与CA Markov的延河流域生态环境质量评价及预测

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人民黄河 2023年第1期45卷 123-127,139页

作者：王丽霞郝晶刘招张双成孔金玲杨耘长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 长安大学地球科学与资源学院陕西西安710054 长安大学水利与环境学院陕西西安710054

为探索快速准确评价和预测生态环境质量的普适方法,以延河流域为例,采用1998年、2004年、2010年、2016年6—9月的LandsatTM/OLI遥感影像数据,选取土壤侵蚀指数SEI、建筑裸土指数NDSI、湿度指数WI、植被指数NDVI计算改进型遥感生态距离指... 详细信息

为探索快速准确评价和预测生态环境质量的普适方法,以延河流域为例,采用1998年、2004年、2010年、2016年6—9月的LandsatTM/OLI遥感影像数据,选取土壤侵蚀指数SEI、建筑裸土指数NDSI、湿度指数WI、植被指数NDVI计算改进型遥感生态距离指数MRSEDI,对1998—2016年生态环境质量进行评价,并采用CA-Markov模型对生态环境质量进行模拟预测。结果表明:①改进型遥感生态距离指数MRSEDI能够综合多指标信息、较为准确地反映延河流域生态环境状况,可作为生态环境质量评价的指标;CA-Markov模型兼具CA模型模拟复杂系统空间变化的能力和Markov模型长期预测的功能,可用于模拟预测流域生态环境质量。②延河流域生态环境质量在空间上具有西北低、东南高的特征,1998—2016年负向指标SEI和NDSI均呈下降趋势、正向指标WI和NDVI均呈上升趋势,MRSEDI流域均值从0.873提高到1.376,流域生态环境质量整体上明显上升,但存在局部生态环境质量退化现象。③未来延河流域生态环境质量将整体持续上升,但流域北部和中部生态环境极度脆弱区生态环境质量仍然较差,因此生态建设尤其石油、天然气、煤炭开采区的生态恢复须长期坚持。

关键词：生态环境质量遥感生态距离指数土壤侵蚀指数建筑裸土指数湿度指数植被指数 CA Markov模型延河流域

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渭河流域生态功能区划

干旱区研究 2020年第1期37卷 236-243页

作者：王丽霞张茗爽隋立春张双成杨耘长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 长安大学地球科学与资源学院陕西西安710054 地理国情监测国家测绘地理信息局工程技术研究中心陕西西安710054

以渭河流域为研究对象,根据流域生态环境现状,建立合理的指标体系,结合GIS与RS技术对研究区进行区划,并针对各功能区的主导生态功能或主要生态问题制定相应生态环境保护与建设重点。结果表明:渭河流域可被划分为7个生态功能区:①防旱抗... 详细信息

以渭河流域为研究对象,根据流域生态环境现状,建立合理的指标体系,结合GIS与RS技术对研究区进行区划,并针对各功能区的主导生态功能或主要生态问题制定相应生态环境保护与建设重点。结果表明:渭河流域可被划分为7个生态功能区:①防旱抗旱区;②农业种植区;③牧业发展区;④水源涵养区;⑤防风固沙区;⑥植被保护区;⑦土壤侵蚀控制区。本研究为区域有效开发利用资源,合理制定生态环境保护措施提供科学依据。

关键词：生态功能区划原则指标体系空间分析渭河流域

基于CASA模型探究泾河流域植被NPP时空动态及其对气候变化的响应

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水土保持研究 2022年第1期29卷 190-196页

作者：王丽霞丁慧兰刘招张双成孔金玲长安大学地质工程与测绘学院西安710054 长安大学水利与环境学院西安710054

植被NPP是判定生态系统碳源/碳汇及调节生态过程的主要因子,基于CASA模型估算NPP,探究时空尺度NPP的变化及其对气候变化的响应状况,可了解泾河流域植被恢复状况并为流域生态环境改善提供科学参考及建议。以泾河流域为研究区域,基于2000... 详细信息

植被NPP是判定生态系统碳源/碳汇及调节生态过程的主要因子,基于CASA模型估算NPP,探究时空尺度NPP的变化及其对气候变化的响应状况,可了解泾河流域植被恢复状况并为流域生态环境改善提供科学参考及建议。以泾河流域为研究区域,基于2000年、2009年、2018年MODIS NDVI数据、气象数据与植被分布数据等,运用CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford approach,CASA)对2000年、2009年及2018年流域NPP进行了估算,探究流域内NPP时空动态及其对气候变化的响应,并分析了各植被类型下NPP分布规律。结果表明:(1)时间尺度上,2000年、2009年及2018年泾河流域NPP均值分别为521.81 gC/(m^(2)·a),664.77 gC/(m^(2)·a),719.78 gC/(m^(2)·a),年际变化呈增长趋势;月际变化曲线呈单峰型,4—8月呈较强上升趋势,8月后逐渐下降;各季节的NPP均值由高到低依次为夏季>秋季>春季>冬季。(2)空间尺度上,NPP分布存在一定的地域差异性,水平方向呈“南高北低”的特点;垂直方向上,NPP值随海拔高度的升高呈先下降后上升的趋势。(3)不同植被类型下NPP均值存在明显差异,其中常绿阔叶林年均NPP值最高,为1544.50 gC/(m^(2)·a)。(4)气候变化背景下,NPP主要受气温与降水的影响,且降水为主导因素。研究结果表明泾河流域NPP呈增加趋势,即植被覆盖情况在逐步改善;流域北部植被覆盖状况仍有待改善,建议加大退耕还林政策实施力度,加大果树、茶树等防护型林地的种植;且该流域NPP对降水的响应强于气温,故可加大植树造林恢复植被的力度,也可修建水库和水利工程,退田还湖,并加大湿地保护,从而保证空气湿度,增加降水,改善植被覆盖,实现人与自然和谐共生。

关键词： CASA模型 NPP模拟时空动态气候变化泾河流域

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