特别选题:海河流域水环境演化机理与水污染防治基础 序

海河流域既在全国经济社会发展格局中占有十分重要的战略地位,也是我国水资源最为紧缺的地区,水资源供需矛盾异常突出,自然水循环受到社会水循环强烈干扰;湿地生态系统退化严重;水环境风险偏高。海河流域作为人类活动扰动强度较大和复杂的区域,流域水环境演化机理和水污染防治基础的研究具有重要的理论意义和应用价值。     

汾河流域水土保持措施水文水资源效应初析

应用具有物理机制的分布式水文模拟模型(W EP-L),模拟了不同下垫面条件情景下的水循环过程,在此基础上,定量分析了汾河流域水土保持措施的水文水资源效应。通过对比分析2种不同情景下的水资源量,初步得出:汾河流域水土保持措施影响了局部水循环和水资源量及其构成,加强了水循环的垂向过程,引起地表截留量、土壤入渗量、土壤蒸发量以及补给地下水量增加;削弱了水循环的水平过程,引起地表径流量和河川基流量减少,壤中流微弱增加;地表水资源量衰减,而地下与地表水资源不重复量增加,狭义水资源量减少,但有效蒸散(发)量增加,广义水资源量有一定幅度增加。研究成果对于研究大尺度流域水土保持措施的水文水资源效应具有参考价值。     

浑太河流域多尺度土地利用/景观格局与水质响应关系初步分析

选取浑太河流域为研究对象,采用GIS、相关性分析、多元线性回归分析等多种数理统计分析技术,从子流域和河岸缓冲区尺度分析了土地利用、景观格局对河流水质的影响。结果表明:农业用地面积比例在子流域和1000m河岸缓冲区尺度与NH4+-N、TN、BOD5和COND呈正相关;林地用地面积比例在子流域尺度和河岸缓冲区尺度均与CODMn呈负相关,在300m、400m、1000m河岸缓冲区尺度与TN呈负相关,在1000m河岸缓冲区尺度与COND呈负相关,在子流域与1000m河岸缓冲区尺度与NO3-呈正相关;草地在子流域尺度与NH4+-N、TN、TP、Chl、CODMn呈正相关;建设用地面积比例在子流域尺度与BOD5、COND、TN呈正相关。CONTAG在河岸带缓冲区尺度与COND、TN呈正相关,在子流域和河岸缓冲区尺度与均CODMn均呈正相关,在河岸缓冲区尺度与NO3-呈负相关;PD在子流域尺度上与TN呈正相关,ED在子流域尺度上与NO3-呈正相关,与NH4+呈负相关;SHDI在子流域与河岸缓冲区尺度与NO3-均呈负相关。相对于河岸缓冲区尺度,土地利用类型在子流域尺度上对水质的影响更为显著,表现在调整判定系数Adjusted R2更大。而景观格局指数中对水质影响最大的是CONTAG,相对于子流域尺度,CONTAG在缓冲区尺度上影响更为显著。     

利用累积NDVI估算黄河流域年蒸散量

地表蒸散的准确估算在流域水资源的评价、干旱监测及农作物产量模拟研究中很重要,论文通过建立年蒸散量与累积NDVI及相对湿润指数之间的关系,利用1982～2000年8km分辨率的AVHRRNDVI资料及月平均气温和月降水量资料,对黄河流域近20年来地表蒸散的时空分布进行了分析,并利用水文站径流观测资料对估算结果进行了检验。结果表明,黄河流域多年平均年蒸散量是389mm,年际间变化很大,空间分布格局是东南部蒸散量最大,其次是兰州以上区间,宁蒙河段及鄂尔多斯高原蒸散量最小;全流域平均蒸散估算误差比较小,吻合比较好。     

关于农业面源污染物入河系数测算技术路线与关键方法的探讨

入河系数的准确测算对于厘清农业面源污染物对水环境质量的影响具有重要的现实意义。目前,我国入河系数测算仅限于局部流域,未能覆盖全国各个典型流域。由于农业面源污染物传输过程的空间异质性强,不宜简单地将少量的小尺度精细化模拟或实测结果向大尺度区域或全国推广运用。本研究通过对国内外相关研究进行整理综述,可知采用"传输过程类型相似性外推"方法,以数值模拟为主,辅以必要的实地监测验证的技术方案开展全国尺度的入河系数测算工作,能够在一定程度上满足便捷、科学、准确计算全国尺度农业面源污染物入河系数的总体要求。主要包括以下三方面:(1)选取影响农业面源污染物陆面传输过程的降雨、地形、地表径流、地下蓄渗/地下径流以及植物截留五类关键因子对全国流域基本测算单元进行分区分类,运用规范的空间抽样方法,在每个类型区内选取适量"嵌套式"典型流域基本测算单元,作为其测算结果由小尺度流域向大尺度流域扩展,进而向全国范围内具有地带相似性的区域推广;(2)通过评估、筛选、集成已有相关参数测定成果,典型流域基本测算单元模型测算,必要的补充性、校验性的实地监测等多种方法,建立可视化的全国流域基本测算单元入河系数参数库;(3)运用GIS手段和水系网络分析方法将流域尺度获取的入河系数,与县域行政单元进行空间匹配,获取全国县域尺度的农业面源污染物入河系数。     

水资源安全的度量:水资源承载力的研究与挑战

水资源承载力是对水资源安全的一个基本度量,研究水资源承载力对于认识和建设水资源安全保障体系具有重要意义。基于水资源承载力的定义和水资源承载力系统关系,论文给出了水资源承载力的度量与计算方法,包括可利用水资源量、水资源需求量的计算,流域水资源承载力平衡指数、水资源承载力分量的测度等。西北干旱区是我国水资源极为短缺的地区,因此,论文就西北干旱区水资源承载力综合研究的一些关键问题,如变化环境下的流域水循环模拟研究、生态需水研究等进行了重点讨论,并认为水资源承载力的进一步研究应加强水文基础与水资源、社会经济学科的综合研究,促进RS、GIS等信息技术和现有模型方法的结合,并重视区域差异研究。     

基于METRIC模型的江汉平原蒸散量估算适应性分析

蒸散发是整个水文循环中的关键环节,现有传统测量方法虽具有较高的点位精度,但空间代表性不足,无法满足大空间尺度的遥感估算。以半湿润区为主的江汉平原为研究区域,以遥感蒸散模型为核心手段,首次引入METRIC模型,探讨METRIC模型在江汉平原蒸散量估算中的适用性,并应用METRIC模型和SEBAL模型对研究区域进行遥感蒸散量反演,同时利用世界粮农组织(FAO)提供的P-M模型参考蒸散量计算公式,计算了气象站点当日参考蒸散量并进行估算误差对比。结果表明:(1)4日中蒸散量较小的3日METRIC模型估算误差较SEBAL模型更小,平均估算误差降低约9%,仅蒸散量较大的1日SEBAL模型较METRIC模型具有更高的估算精度,这表明蒸散量较小的时间段内,METRIC模型在江汉平原表现出良好的适用性,估算误差较SEBAL模型更小,具有更好的应用价值,而蒸散量较大的时间段内,SEBAL模型能够提供较METRIC模型更高的估算精度,具有更好的应用价值;根据季节交替使用两模型能够有效提高区域遥感蒸散量的估算精度;(2)不同蒸散量时两模型出现估算精度差异的最大影响因素为冷热像元即干湿边界的选取原则,SEBAL模型干湿边界的选取原则以水体作为湿边界,适合土壤蒸发量及植被散发量较小的干旱地区,而METRIC模型干湿边界的选取原则以湿润、温度较低的植被覆盖区域作为湿边界,增加了对植被散发的权重考虑,避免了高植被覆盖区域水分胁迫带来的精度影响,并以DEM数据对区域高程、地形坡度加以修正,可降低高程差所带来的"冷却效应",这些改进使该模型在蒸散量较小的时间段内取得了更高的估算精度;但蒸散量较大时,水体蒸散在总蒸散量中的权重大幅增加,降低了植被散发等对最终估算结果的影响程度,此时SEBAL模型以温度较低水体作为湿边界的选取原则使水体蒸散发在总蒸散量估算中占据更大的权重,相较METRIC模型在蒸散量较大时能够提供更高的估算精度。     

汾河流域景观破碎化时空演变特征

以1990年、2000年、2015年遥感影像解译数据为基础,利用Fragstats 4.2软件分别采取标准法和移动窗口法获取最佳分析尺度;在此基础上探索各景观指数空间分异特征,揭示流域景观破碎化时空演变过程;采用空间自回归模型分析景观破碎化的影响因子。结果表明：随着粒度和幅度的改变,部分景观指数呈现一定规律性,90 m栅格大小、900 m方形窗口尺寸为研究区最佳分析尺度;斑块密度、蔓延度、有效网格大小、香农多样性指数在三个时期均存在空间集聚效应,且空间集聚类型分布形态具有较强的相似性;1990-2015年汾河流域景观破碎化空间分布格局发生明显变化,破碎化集聚区域呈现碎斑化;坡度、高程、距建设用地距离是影响三个时期流域景观破碎化的主要影响因素。     

黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙方程的尺度适应性

黄土丘陵沟壑区大空间尺度植被减沙方程是分析黄土高原植被变化产沙效应的有效工具,其在不同空间尺度的适应性对于黄河水沙情势变化研究十分重要。运用数值试验方法,研究黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙方程在小流域、子流域和栅格等3种空间尺度的适应性。结果显示,黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙方程在各空间尺度的总体估算偏差（D）由小到大排序为小流域（D=52.26%）<子流域（D=60.07%）<栅格（D=92.17%）,纳什效率系数（NSE）由大到小排序为小流域（0.21）>子流域（-0.31）>栅格（-0.80）。可见,黄土丘陵沟壑区大空间尺度植被减沙方程在约500 km²以上的流域单元较为适用,在500 km²以下的子流域和栅格单元不适用。该研究成果可为黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙方程的推广应用提供参考。     

气候变化条件下海河流域日降水统计降尺度研究

在气候变化对水资源影响评价研究中,统计降尺度方法通常用来解决空间尺度不匹配问题。在本文中,预报量采用海河流域上典型区域的11个气象站点1961~2000共40年的日降水资料,预报因子选自NCEP/NCAR的再分析资料,以及英国Hadlay 中心GCM模型在a2情景和b2情景下的大气变量,主要采用Statistical Down-Scaling Model（SDSM模型）进行海河流域日降水的降尺度研究。结果表明：①使用逐步线性回归方法(SMLR),可以在广阔的空间范围内优选出具有一定物理意义的预报因子;②使用统计降尺度方法SDSM,采用不同的GCM资料,都可以较准确模拟降水的季节变化特征;③使用NCEP/NCAR再分析资料的降尺度结果优于Hadlay中心a2和b2情景下的,观测和模拟降水的相关系数分别可以达到93%和85%左右;④与现状年(1984~1993年)相比,未来(2011~2040年)的年降水总量大约会减少4％;降水峰值略滞后;降水时间更加集中;极端降水事件的强度加大;最大干天持续天数也变长。图3表5参32     

黄河中游砒砂岩地区长川流域生态用水分析

在野外实地观测的基础上,利用GIS和情景分析方法,对地处典型黄河中游砒砂岩地区的内蒙古长川流域不同水土流失综合治理和退耕还林(草)情景下的生态用水特征进行分析。结果表明:长川流域平均蒸散量和平均生态用水量分别为274.3mm和370.7mm,植被蒸散的水分消耗较大,但流域降雨量基本能满足植被的蒸散耗水需求,流域的整体生态用水量处于较适宜水平。研究区水土保持生物措施情景(B2方案)的生态用水量小于适宜生态用水阈值(411.3mm),但其植被蒸散量大于有效降雨量(279.0mm),从长远角度看,B2方案还是受水分(降雨)条件的限制;而4种退耕还林(草)情景的生态用水量和植被蒸散量均小于适宜生态用水阈值和有效降雨量,不受降雨条件的限制。     

1961—2019年黄土高原植被潜在蒸散及影响因子

研究潜在蒸散对于深刻了解区域的生态环境问题及水文循环过程具有重要的理论与现实意义.该研究基于Penman-Monteith模型对1961—2019年黄土高原潜在蒸散的时空变化特征进行了分析,再结合土地利用数据探究了各植被类型潜在蒸散的差异及其影响因素.结果表明:①1961—2019年黄土高原区域呈暖干化趋势,其中平均最高温度、平均最低温度与平均温度均呈显著增加趋势;平均相对湿度、平均风速、日照时数均呈显著降低趋势;降水量非显著减少.②在空间分布格局上,黄土高原区域年均、生长季、春季、夏季和秋季潜在蒸散均呈南北高、东西低的分布特征;1961—2019年春季潜在蒸散以0.41 mm/a的速率显著增加(P < 0.05).③1981—2019年黄土高原区域潜在蒸散平均变化趋势为1.35 mm/a,其中62.98%的区域呈显著增加趋势(P < 0.05),多分布在东部和西部地区.④1961—2019年黄土高原区域各植被类型潜在蒸散变化均表现为不显著上升趋势,多年平均潜在蒸散大小表现为草原>农田>针叶林>草甸>阔叶林>灌丛,其中,1981—2019年各植被类型潜在蒸散增加趋势大小表现为阔叶林>针叶林>灌丛>农田>草甸>草原.⑤影响黄土高原区域各植被类型潜在蒸散的主要气象因子为平均风速与平均相对湿度,其次为日照时数.潜在蒸散随着平均风速和日照时数的增加而增加,随着平均相对湿度的增加而减小.研究显示,各植被类型潜在蒸散的增加与区域降水的减少可能会加剧水资源短缺态势,建议黄土高原地区在开展植被恢复工作时,应优先考虑耗水较少的树种,优化群落植被结构,充分利用光水热资源,修建蓄水设施,支撑区域生态环境的可持续发展.      

降水产流同位素径流分割研究进展与展望

降水产流是陆地水循环中大气降水补给地表水的重要环节。氢氧稳定同位素的指纹效应能够有效示踪径流的补给来源、路径和地理区域。同位素径流分割模型已从二元分割逐渐发展到三元乃至多元分割模型,多学科交叉也逐渐丰富了径流分割研究的方法体系。本文对同位素径流分割在降水产流中的应用进展作了总结分析,介绍了环境同位素（²H和¹⁸O）在降水产流研究中的应用现状、存在的不确定性以及处理误差的方法和应用特点。最后对环境同位素在径流分割领域的应用前景进行了论述,提出环境同位素结合GIS、InSAR、ERT等地球物理方法,将进一步深化流域水文要素时空变化的研究。     

不同土地利用/覆盖情景下东北沟流域植被生态需水量及其对产流影响

针对京津水源区上游生态环境建设需水与向下游多输水的矛盾现实,基于气象、土壤、土地利用/覆盖(1990年和2009年)数据,应用Penman-Monteith公式估算潜在蒸散量,再用土壤和植被信息对其进行修正,计算了水源区东北沟流域1990年、2009年及其他5种不同土地利用/覆盖情景下的最小生态需水量和适宜生态需水量。结果表明:2005-2009年4-10月潜在蒸散量是715.04 mm;2009年流域植被适宜生态需水量是399.42 mm,最小生态需水量是339.68 mm,比1990年的适宜和最小量分别多122.5 mm、144.5 mm;平水年的降雨均可满足各种情景生态需水要求,其中需水量较大的是情景Ⅲ(草地转化为林地),其适宜需水量达784.69×10⁴ m³,情景Ⅱ(林地转化为草地)的需水量最小,适宜需水量是687.27×10⁴ m³,该情景较适合向下游输水为目的的生态建设,但该情景实施的前提是建立下游向上游的生态补偿机制。     

基于SWAT-FLUS的采煤沉陷区水文过程情景模拟

采煤区沉陷不仅会影响地表结构,还会显著改变流域水文循环,从而影响区域水资源供给。以淮南西淝河流域为研究对象,利用SWAT-FLUS集成模型模拟流域水文过程及未来情景。结果表明:1)该集成模型能准确模拟由土地利用变化带来的水文情势演变过程,并用于情景预测。2)对未来不同塌陷速率情景模拟结果显示,各情景下流域蒸散发均呈增加趋势,其中无修复模式主要为水面蒸散增加,2种修复模式主要为陆面蒸散增加;无修复模式增加了流域入渗量,2种修复模式则相反。3)从典型水文年内径流分布来看,无修复模式显著影响了地表径流的年内分布规律及径流峰值,普通修复及生态修复模式则无明显影响。4)从年际间水文变化来看,若无修复措施,流域内水文关系将在2020-2022年发生根本性转变;至2030年,地表径流将减少27.1%,普通修复模式下地表径流将减少2.5%,而生态修复可使流域地表径流增加4.4%。     

基于SEBAL模型的赤峰市植被修复下林草蒸散耗水特征

水是制约干旱半干旱地区实现可持续发展的关键因素,维持降水与蒸散发的平衡是开展植被修复工程时需要着重考量的因素.利用陆面地表平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land,SEBAL）模型反演了2000年、2008年、2016年赤峰市全域及森林与草地生态系统的实际蒸散发,通过参考蒸散比不变法与日气象数据将反演结果扩展至日尺度,累加得到月际与生长季尺度的实际蒸散发;结合降水变化,分析植被修复工程开展后赤峰市实际蒸散发的时空变化特征与水分盈亏状况.结果表明:①2000年、2008年、2016年赤峰市生长季的实际蒸散量分别为440.86、452.76、474.34 mm,呈增加趋势,蒸散发高值区（>400 mm）由北向南扩增.②2016年生长季森林分布区的耗水量比2000年增加了27.69×108 t,水分亏缺量增加了8.03×108 t,表明过度造林会使森林生态系统遭受严重的干旱胁迫.③一个生长季内,草地生态系统蒸散量的增幅远低于森林生态系统,1 m2草地生态系统的耗水量比森林生态系统少0.18 t.研究显示,在降水量低于300 mm的区域,草地生态系统面临较轻的干旱,且部分区域可以实现水分平衡.为了维持区域水资源存量,建议赤峰市在今后的植被修复工作中,对于降水量低于300 mm的区域以草本修复为主.      

中中新世气候适宜期西北内陆干旱区气候演化特征

中中新世气候适宜期是距离现今最近的一个未受人类活动影响的气候适宜阶段,现有记录大多显示全球在中中新世气候适宜期期间气候以暖湿为特征。我国西北内陆干旱区作为北半球中纬度面积最大的干旱带的重要组成部分,其气候如何响应全球中中新世气候适宜期的气候变化对预测全球变暖背景下西北内陆干旱区气候变化趋势及实现生态建设具有重要的指导意义。本文总结了西北内陆干旱区具有年代控制的15个剖面的孢粉、同位素、磁化率等19项记录,并选取各记录中指示意义明确的气候代用指标进行集成、分析,发现多数剖面在中中新世气候适宜期的不同时段出现了湿润化特征,但湿润化的出现、结束时间不同,自西向东,湿润事件结束(或适宜期后干旱化增强事件出现)的时间变晚。推测西北内陆干旱区中中新世气候适宜期的气候演化主要受全球气候变化影响,但湿润事件结束或适宜期后干旱化增强事件出现及其呈现出的时空差异则受区域构造活动及气候系统等因素控制。     

基于机器学习的长江流域农田氮径流流失负荷估算

定量解析长江流域农田氮径流流失特征是实现长江及其河口氮污染有效控制的关键科学基础.基于收集的长江流域570个旱地和434个水田田间氮径流流失数据组,采用相关性分析、结构方程模型、方差分解和机器学习方法,探究了影响旱地和水田总氮径流流失强度的主要因素,建立了基于机器学习的长江流域旱地和水田总氮径流流失强度预测模型,量化了长江流域农田总氮径流流失负荷.结果表明,径流深、施氮量和土壤氮含量是影响旱地总氮径流流失强度的主要因素;径流深和施氮量是水田总氮径流流失强度的主要影响因素.与分类与回归树、多元线性回归和增强回归树方法相比,采用随机森林算法构建的长江流域旱地和水田总氮径流流失强度预测模型具有更高的精度（R²为0.65~0.94）.基于随机森林算法的预测模型估算的2013年长江流域农田总氮径流流失负荷（以N计）为0.47 Tg ·a^-1（旱地：0.25 Tg ·a^-1;水田：0.22 Tg ·a^-1）,中下游地区贡献了58%的流失负荷.模型预测5种防治情景下的长江流域农田氮流失负荷可削减2.4%~9.3%,其中减少径流量的削减效果最为显著.长江流域农田氮面源污染防治必须协同加强氮肥精准管理、减少农田径流量和提高土壤氮利用,且应将重点放在中下游地区.所发展的基于机器学习建模方法克服了氮径流流失强度与影响因素之间函数关系难以确定的问题,为估算区域或流域农田氮流失负荷提供了简便且可靠的方法.     

许家窑-侯家窑遗址年代学研究进展

人类的起源与演化一直是考古学及其他学科研究的重点。泥河湾盆地,是我国古人类文化的重要组成部分,在泥河湾盆地的许家窑-侯家窑遗址,正处于现代人起源、扩散的关键时期,为解决我国甚至东亚的现代人起源问题具有举足轻重的作用。前人对遗址进行过多次系统挖掘,开展了一系列不同方法的年代学工作,然而其文化层年代却有较大的争议。本文对许家窑-侯家窑遗址文化层的年代进行系统总结,通过对前人用不同测年方法获得年代进行综合对比。结果表明：不同方法测定的许家窑-侯家窑遗址文化层的年代差距过大,难以确定文化层的年代。许家窑-侯家窑遗址文化层的年代的不确定,严重影响了众多学者对于我国现代人起源的进一步研究。年代测量方法虽然众多,但是不同测年方法,有着不同的测年区间,因此后期需要根据许家窑-侯家窑遗址的年代区间来选择适合的测量方法,并使用不同材料来进行对比分析获得最为准确的年代。     

基于自组织映射与随机森林耦合模型的流域水质空间差异性评估

流域水环境质量空间分布特征分析是推进流域精细化管理的基础.本研究基于流域特征指标与水质的关联性,以子流域为分析单元,利用自组织映射人工神经网络模型（SOM）对苕溪流域水质数据聚类分析为3类后与随机森林模型（RF）进行耦合,对全流域水质进行了空间差异性评估.研究结果显示,上游山地区域水质较好,而平原河网人口集聚区的COD_Mn、NH₃-N及TP浓度较高,山地与平原过渡地带水质则主要受到COD_Mn和TN的影响.采用自然环境、社会经济及土地利用/覆盖指标作为流域特征进行水质分级模式识别,SOM与RF模型耦合模型的准确率稳定在80%左右;在对强相关性特征进行筛选识别后,将蒸发蒸腾量、坡度、人口密度、大于10℃积温、旱地占比、城镇用地占比及景观多样性指数为作为输入特征,准确率可达83%,可以有效地开展全流域水质分级评估.