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黑河流域表层土壤水分干化特征研究

高原气象 2023年第3期42卷 771-784页

作者：董世玉朱忠礼徐自为刘绍民柴琳娜北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

土壤水分干化是指降水发生后土壤逐渐变干的过程,此过程一般包括重力排水、大气需求限制的蒸发以及水分限制的蒸发三个阶段,此三阶段在表层土壤中表现最为明显。黑河流域发源于祁连山中段,上中下游具有十分明显的景观地带性,探讨该地区... 详细信息

土壤水分干化是指降水发生后土壤逐渐变干的过程,此过程一般包括重力排水、大气需求限制的蒸发以及水分限制的蒸发三个阶段,此三阶段在表层土壤中表现最为明显。黑河流域发源于祁连山中段,上中下游具有十分明显的景观地带性,探讨该地区表层土壤水分干化特征将为理解流域内不同环境下土壤蒸发的规律和影响因素提供理论支撑。本文基于2016-2020年黑河流域上中下游10个气象观测站点表层土壤水分、土壤温度、气温等资料,利用降水后的土壤干化事件分析了各区域土壤水分、潜在蒸散、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和土壤质地等因素与表层土壤干化速率的关系,并使用指数模型拟合干化事件,总结了各站点干化速率的季节间变化规律。2016-2020年黑河流域10个站点共识别出362个有效干化事件,分析结果表明:(1)土壤进入干化期后,干化速率随土壤含水率降低而逐渐减缓,约12天后,上游、中下游站点土壤干化速率皆趋于稳定,上游站点稳定在约0.04 cm^(3)·cm^(-3)·day^(-1),中下游则趋于0。(2)上中下游表层土壤90%的蒸发效率分别低于0.25、0.15和0.12,无法满足大气需求,但若考虑土壤剖面5 cm以下的蒸散,其蒸发效率将接近1。(3)黑河上游表层土壤水分较高,土壤干化过程主要为大气需求限制阶段,中下游表层土壤水分较低,土壤干化过程为水分限制阶段。而就表层土壤蒸发速率而言,上游主要受大气水分需求影响,土壤蒸发速率随潜在蒸散的增加而增大,但当土壤水分超过0.4 cm^(3)·cm^(-3)时,潜在蒸散和土壤水分的变化对干化速率无显著影响;中下游主要受水分供应影响,土壤蒸发速率随土壤水分的增加而逐渐增大,潜在蒸散对土壤蒸发速率的影响不显著。(4)植被对表层土壤水分干化速率的影响与下垫面植被类型及土壤干湿状态有关,而土壤质地对干化速率影响较小。(5)指数模型拟合的干化事件具有明显的季节性特征。夏季各站点的干化速率(τ)及干化幅度(A)最大,土壤水分下限(θ_(w))最低,而对于下垫面为荒漠的地区,θ_(w)易受降水的影响,其在夏季达到最大值;就流域整体而言,表层土壤水分的干化速率表现为夏季>春季>秋季,上中下游干化速率的季节间变异性随下垫面类型的变化(草甸、农田、灌木)逐渐增大。

关键词：土壤水分干化土壤蒸发原位观测黑河流域

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黑河流域生态系统服务空间协同与权衡变化

生态学杂志 2022年第3期41卷 580-588页

作者：胡秀芳赵军王蓓高超西北师范大学地理与环境科学学院兰州730070 南通大学地理科学学院江苏南通226007 兰州大学资源环境学院兰州730000 西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712199

黑河流域是西北地区重要的生态功能区,流域内生态系统服务变化对当地社会经济发展和流域生态安全具有重要影响,其社会-生态-环境问题一直受到高度关注,因此开展黑河流域生态系统服务评估及协同/权衡关系研究对该区域的可持续发展具有重... 详细信息

黑河流域是西北地区重要的生态功能区,流域内生态系统服务变化对当地社会经济发展和流域生态安全具有重要影响,其社会-生态-环境问题一直受到高度关注,因此开展黑河流域生态系统服务评估及协同/权衡关系研究对该区域的可持续发展具有重要意义。本文采用基于时间序列的双变量逐像元相关分析,对黑河流域1990—2015年的各项关键生态系统服务进行定量评估,并对服务之间的空间协同/权衡关系进行分析。结果表明:(1)全流域整体以协同关系为主。两两服务之间协同与权衡地区的面积比,协同>权衡的有19对:在产水、水源涵养、土壤保持、水质净化(N保持和P保持)、碳储存之间;协同=权衡的有6对:食物供给-产水/水源涵养/土壤保持、生物多样性-产水/水源涵养/P保持;权衡>协同有2对:生物多样性-土壤保持/N保持。(2)黑河流域生态系统服务的协同/权衡关系分布存在明显的区域差异性。30%的区域不存在协同与权衡关系;空间分布南北差异很大,南部协同/权衡明显,协同或权衡区呈东南-西北的长条状分布;北部没有明显的协同/权衡关系,协同或权衡区域呈多点零星分散分布;协同与权衡区域絮状交错分布,集聚性低。

关键词：黑河流域生态系统服务空间协同与权衡

黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

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水文地质工程地质 2022年第3期49卷 29-43页

作者：祁晓凡李文鹏崔虎群康卫东刘振英邵新民中国地质环境监测院北京100081 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心河北保定071051 西北大学地质学系陕西西安710069 河北地质大学水资源与环境学院河北石家庄050031 浙江省地质环境监测中心浙江杭州310007

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型... 详细信息

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型和地表水地下水耦合数值模型,研究了长周期水文变化和人类活动双重影响下地表水与地下水转化机制,得到如下认识:(1)补给条件由以天然条件下河流渗漏为主的线状补给演变为以河流与引水渠道渗漏的线状补给和灌区田间入渗面状补给,排泄条件由以泉水溢出和天然湿地排泄演变为以泉水溢出与地下水开采为主的排泄。(2)张掖盆地黑河干流河道入渗段和溢出段大致以G312大桥为界,亦称为地表水与地下水转化的转折点。莺落峡—G312大桥段为悬河渗漏段,河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。其中,莺落峡—草滩庄段河道入渗补给率为28.20%;草滩庄—G312大桥段河道入渗补给量与河道过水量的关系可用分段函数表达,河道过水量大于或等于0.37×10^(8) m^(3)/mon时呈幂函数关系,小于则呈线性函数关系。G312大桥—正义峡段为地下水溢出段,其中G312大桥—平川大桥段地下水溢出量约占全部溢出量的70%,溢出峰值出现在高崖水文站下游约6 km处,其单长溢出量可达0.46 m^(3)/(s·km)。(3)研究区是一个相对完整的河流—含水层系统,近31年来经历了连枯和连丰的水文变化,地下水补给排泄条件及与地表水转化机制均发生了相应的变化。地表水与地下水转化最强烈的地区为张掖盆地中部的黑河—梨园河倾斜平原。1990—2001年连枯期,灌区引水量总体逐年减少,以河道入渗和渠系渗漏为主的补给量平均以0.06×10^(8) m^(3)/a速率减少,农田灌溉面积增加导致灌溉用水增加,地下水开采量显著增加,地下水水位逐年下降,储存量累计减少5.77×10^(8) m^(3),地下水溢出量平均减少0.16×10^(8) m^(3)/a;而2002—2020年连丰期,灌区引水量总体逐年减少,河道入渗量呈增加趋势,地下水总补给量平均增加0.15×10^(8) m^(3)/a,灌溉面积继续扩大,农灌开采量随之增加,以河道入渗量增加为主导,地下水水位持续上升,储存量累计增加5.45×10^(8) m^(3),地下水溢出量平均增加0.08×10^(8) m^(3)/a。总之,补给和排泄条件变化较大,地下水储存量先减后增,地下水溢出总量变化较为平缓,反映了该区巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。(4)位于张掖盆地东部的诸河倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于地表水开发过度,补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原地下水水位基本稳定。30多年来盐池盆地倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于移民开垦导致地下水过量开采。(5)内流盆地天然悬河入渗段是珍贵的地下水补给通道,无论连枯期还是连丰期,河道实际过水量是河道渗漏补给量的关键,保护上游天然河道和一定的河道实际过水量是内流盆地水资源可持续管理的关键。

关键词：水循环机制地表水与地下水转化水平衡地表水与地下水耦合数值模拟黑河流域

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黑河流域降水统计——动力降尺度问题研究

大气科学 2023年第3期47卷 642-654页

作者：苏海锋戴新刚熊喆延晓冬中国科学院大气物理研究所东亚气候与环境重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 北京师范大学未来地球研究院北京100875

依据区域气候模式RIEMS2.0输出的3 km高分辨率数据和站点降水记录分析了中国西北黑河流域降水的动力降尺度和统计—动力降尺度问题,检验了多种因子组合下多元线性回归(MLR)和贝叶斯模式平均(BMA)降尺度模型,评估了降尺度降水的均方根误... 详细信息

依据区域气候模式RIEMS2.0输出的3 km高分辨率数据和站点降水记录分析了中国西北黑河流域降水的动力降尺度和统计—动力降尺度问题,检验了多种因子组合下多元线性回归(MLR)和贝叶斯模式平均(BMA)降尺度模型,评估了降尺度降水的均方根误差、相关系数、方差百分率及“负降水”偏差率等方面的统计特征。结果表明,动力降尺度降水相关系数最高,误差也最大,降水方差达到观测值的1.5~2倍;除相关系数外,统计—动力降尺度模型的几个统计特征均最优,纯统计模型次之。检验表明,仅用700 hPa位势高度场、经向风和比湿等构建的统计降尺度模型估计的站点降水相关系数较低,均方根误差也较大。当在统计降尺度模型中引入模式降水因子后站点降水的估计得到明显改善,其中MLR类模型的降水相关系数和方差百分率均明显高于BMA类模型,均方根误差二者相当,但前者“负降水”出现频次明显大于后者,“负降水”偏差主要出现在降水稀少的冬半年及黑河中、下游干旱或极端干旱区,上游出现频率较低,其中MLR类模型“负降水”出现频次明显高于BMA类模型,后者仅出现在黑河中、下游地区。包含模式降水因子的统计—动力降尺度模型能减少“负降水”出现的频次。此外,降尺度模型估计降水的统计特征随季节变化,其中7种降尺度模型估计的站点降水误差与站点气候降水量成比例,但相对误差与之相反。这些评估结果表明,即使用高分辨率动力降尺度估计干旱区站点降水也存在明显偏差,需要结合统计降尺度模型进一步降低站点降水估计的不确定性。

关键词：黑河流域极端干旱区站点降水估计区域气候模式统计—动力降尺度

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黑河流域自然资源要素综合观测网络构建

Journal of Resources and Ecology 2022年第5期13卷 946-954页

作者：裴小龙韩小龙杨瀚文高天胜张春龚伦王江玉龙中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心河北廊坊065000 中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心北京100032 中国地质调查局西宁自然资源综合调查中心西宁810000 中国地质调查局西安矿产资源调查中心西安710100

自然资源要素综合观测平台的建设,将为研究各种自然资源的动态变化提供数据支持,有效服务于全球变化下自然资源管理和生态文明建设。黑河流域作为西北地区第二大内陆河流域,处于丝绸之路经济带的核心地段,迫切需要在黑河流域开展试点研... 详细信息

自然资源要素综合观测平台的建设,将为研究各种自然资源的动态变化提供数据支持,有效服务于全球变化下自然资源管理和生态文明建设。黑河流域作为西北地区第二大内陆河流域,处于丝绸之路经济带的核心地段,迫切需要在黑河流域开展试点研究。本文依托黑河流域现有观测研究基础,采用融合共建、改建升级和空白添建三种方式,分流域、分级别布设观测台站13个,基本覆盖了黑河流域草原、森林、河流、湖泊、荒漠、湿地、农田等主要地表资源类型,初步构建起黑河流域自然资源要素综合观测网络。通过长期、连续、稳定的观测,获取资源间耦合作用过程、变化趋势和速度等关键数据,对提高黑河流域自然资源认知能力、科学管理和战略决策具有十分重要的意义,对其它流域开展自然资源观测研究也具有重要的借鉴和示范意义。

关键词：黑河流域自然资源流域观测系统观测台站综合观测网络

黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区

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中国沙漠 2023年第2期43卷 139-149页

作者：杜可心张福平冯起魏永芬杨嘉炜陕西师范大学地理科学与旅游学院陕西西安710119 中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室甘肃兰州730000 日本国立岐阜大学流域圈科学研究中心日本岐阜501-1193

黑河流域是中国西北地区生态安全重要屏障,厘清该地区生态系统服务的梯度效应对制定差异化生态保护政策具有重要意义。基于InVEST模型和CASA模型等方法,利用多源遥感数据量化2018年黑河流域典型生态系统服务,结合海拔、坡度、地形起伏... 详细信息

黑河流域是中国西北地区生态安全重要屏障,厘清该地区生态系统服务的梯度效应对制定差异化生态保护政策具有重要意义。基于InVEST模型和CASA模型等方法,利用多源遥感数据量化2018年黑河流域典型生态系统服务,结合海拔、坡度、地形起伏度和地形位指数因子分析各生态系统服务的梯度效应,根据地形分布指数划分生态分区。结果表明:(1)黑河流域产水、土壤保持、植被固碳和食物供给服务空间分布差异明显,高值区在上游祁连山区,低值区在下游荒漠区。(2)各生态系统服务在各地形梯度上存在明显层级分布,总体上随地形梯度等级的提升而呈先增加后下降的趋势。(3)流域多重生态系统服务重要区空间分布差异明显,生态系统服务重要性随着地形梯度等级的提升而提升。(4)基于地形分异规律,黑河流域可划分为核心生态保护区、山地生态提升区、可持续发展区和生态防护治理区。

关键词：生态系统服务地形梯度生态分区黑河流域

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黑河流域水沙通量多尺度变化特征及影响因素

泥沙研究 2023年第2期48卷 59-66,50页

作者：卢晗王昱李小宁周伟兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室甘肃兰州730050 酒泉天和建设工程有限公司甘肃酒泉735000

采用小波分析法和累积量斜率变化率法分析了黑河上中游水沙通量的周期性变化特征,定量计算了气候变化和人类活动对水沙通量变化的贡献率。研究结果表明:黑河上中游径流变化周期基本一致,上游输沙量变化周期也基本一致,但中游输沙量在1类... 详细信息

采用小波分析法和累积量斜率变化率法分析了黑河上中游水沙通量的周期性变化特征,定量计算了气候变化和人类活动对水沙通量变化的贡献率。研究结果表明:黑河上中游径流变化周期基本一致,上游输沙量变化周期也基本一致,但中游输沙量在1类和2类时间尺度的变化周期相差较大,且干流两个水文站的径流输沙突变时间存在差异。1981-1989年上游干流影响径流的主控因素为人类活动,但1990年以后主控因素逐渐变为降水,2003年以后主控因素又变为人类活动。影响输沙的主控因素在时间序列上均为人类活动,但影响程度略有不同。干流中游影响径流的主控因素在2005年以后逐渐变为降水影响,而人类活动一直是引起中游输沙变化的主要原因。

关键词：黑河流域水沙通量小波分析贡献率主控因素

黑河流域乡镇初始水权分配研究——以甘州区为例

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冰川冻土 2021年第4期43卷 1218-1227页

作者：王鹏龙宋晓谕王宝王肖波牛艺博中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

乡镇水权分配是乡镇水资源承载力研究的前提,是乡镇落实最严格的水资源管理和水权交易制度的基础,为新时期乡村振兴与美丽乡村建设提供物质保障。以最严格水资源管理制度确定的甘州区用水总量控制目标为可分配水权总量,在优先保障生活... 详细信息

乡镇水权分配是乡镇水资源承载力研究的前提,是乡镇落实最严格的水资源管理和水权交易制度的基础,为新时期乡村振兴与美丽乡村建设提供物质保障。以最严格水资源管理制度确定的甘州区用水总量控制目标为可分配水权总量,在优先保障生活和生态基本用水基础上,选取2017年为规划水平年,采用人口、面积、产值单指标和混合分配模式,以及综合指标分配模式5种方法,开展了乡镇尺度水权分配对比研究。结果表明:领域专家对水权分配的公平性的重视程度略大于效率性,区域水资源的管理者更注重水权分配的公平性,而研究学者更倾向于效率性。5种模式对同一乡镇的水权分配结果范围较为均衡,但不同模式因侧重点各异对具体乡镇的分配比例存在差异。各乡镇不同模式下最大水权分配比例处于10%以上,而最小比例不超过0.3%。基于AHP的综合指标模式的分配结果更为合理,更贴合各乡镇水资源利用现状与经济社会未来发展潜力,其分配结果为各乡镇水资源承载力研究奠定了基础。

关键词：水权分配单指标-混合模式层次分析法乡镇黑河流域

黑河流域植物物种多样性对土地利用变化的响应

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中国沙漠 2022年第6期42卷 221-232页

作者：王生棠盖迎春王少昆张晓龙杨映中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院乌拉特荒漠草原研究站甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 山西财经大学资源环境学院山西太原030006 甘肃洮河国家级自然保护区管理局甘肃合作747000

黑河流域土地利用变化严重影响植物物种多样性。为了解自然、社会经济因素对黑河流域土地利用变化影响下植物物种多样性的变化趋势,本研究使用Dyna-CLUE模型,预测2050年土地利用变化,揭示多因素影响下黑河流域土地利用变化,及土地利用... 详细信息

黑河流域土地利用变化严重影响植物物种多样性。为了解自然、社会经济因素对黑河流域土地利用变化影响下植物物种多样性的变化趋势,本研究使用Dyna-CLUE模型,预测2050年土地利用变化,揭示多因素影响下黑河流域土地利用变化,及土地利用变化与草本、灌木物种多样性间的关系。结果表明:降水、GDP、与自然村距离等因子共同驱动土地利用变化,2050年林地、草地和水域面积的增加和未利用地面积的减小,提高了灌木、草本植物的多样性,并使之均匀度更高,种间优势度减小。耕地面积的扩张和耕地集约化导致植物分布不均、多样性减少。将模拟结果和植物物种多样性发展趋势相结合能够对未来的土地利用规划、政策及生态保护决策提供依据。应针对不同区域土地利用变化情况,制定相应的生物多样性和生态环境保护政策,促进黑河流域生态环境的恢复并支持流域可持续发展。

关键词：土地利用变化 Dyna-CLUE模型物种多样性黑河流域