气候变化下西北地区农田水分平衡的模拟与分析

在全球变暖的背景下,系统分析气候变化及其对农田水分平衡的影响,对西北地区,乃至全国的生态环境和社会经济可持续发展具有重要的现实意义。论文从水分平衡的角度出发,以县域为基本单元,在10a尺度下,通过构建农田水分平衡模型,全面刻画了气候变化下近40年来西北地区天然状态下农田水分平衡的基本特征及演变态势。结果表明:水分亏缺是西北地区天然状态下农田水分平衡的主要特征,全区亏水量呈现由东南向西北、由高山向盆地递增的空间分布格局;40年来,西北地区农田水分平衡呈现西降东升的态势,新疆大部及河西走廊西部的部分县市,农田亏水量显著降低;西北中部及东部地区大部分县市,40年间农田亏水量呈"W"状波动,近10年亏水最为严重;河西走廊以及新疆大部分县域农田水分平衡年际间变幅较小,中东部地区变幅较大;西北地区降水与农田水分平衡呈显著的正相关,最高温度、最低温度与农田水分平衡的相关性不明显,蒸散量与农田水分平衡呈显著的负相关。     

西北地区水资源数量、质量及其分布规律

运用40年降雨、蒸发、径流的同步资料,计算了西北地区的降水总量为7981.9×10⁸m³,地表水资源总量为2164.8×10⁸m³;地下水资源量为1034.6×10⁸m³,扣除重复量后的水资源总量为2304.4×10⁸m³。分析了水资源的地区分布及年内、年际变化规律,评价了西北地区水资源质量,并总结了西北内陆河区径流主要形成于山区,散失于山前平原盆地等水资源六大特点。     

海河流域水量平衡与水资源安全问题研究

海河流域的水资源问题十分严重,但是水量平衡问题尚未很好地解决。水量平衡有三层含义,第一是降雨径流平衡;第二是水资源的供用耗排平衡;第三是水资源的供需平衡。目前海河流域水资源供用耗排平衡不明确的主要原因是非用水消耗量的定量不明确,论文对海河流域的现状水量平衡问题进行了分析和计算,得出了一般平水偏枯年份下的各平衡要素是定量值,其中海河流域年用水量为410×10⁸m³,入海水量为50×10⁸～100×10⁸m³,非用水消耗量为59×10⁸～71×10⁸m³,并对缺水量进行估算。论文还分析了近年来海河流域的用水特点,对水资源供需平衡进行研究和探讨,按照有关方法对过去几年中海河水安全状况进行评价,得出了1994～1996年海河流域供水安全而1997～2001年不安全的结论,并提出了今后要达到水资源供需平衡需要的条件以及应采取的对策和建议。     

黄河流域可供水量究竟有多少?

摘要:黄河是我国水资源最紧张的河流之一,但关于黄河流域可供水量,几个很权威的文献却差别很大,高的达到692×10⁸m³,低的低到580×10⁸m³。而20世纪90年代又出现了黄河流域天然径流大为减少的情况,平水年份下河川天然径流量比多年平均减少110×10⁸m³。所以,黄河流域的可供水量究竟有多少是急迫需要弄清的问题,因为它关系到黄河流域的水资源可持续利用战略决策。论文的研究结论是:在2010年水平年,在平水年条件下,黄河流域的可供水量只有550×10⁸～560×10⁸m³,其中地表水390×10⁸～400×10⁸m³,地下水160×10⁸m³。所以,黄河流域的可供水量比原来估算的最低数580×10⁸m³还低20×10⁸～30×10⁸m³,而比原来估计的最高数692×10⁸m³要低20%,差140×10⁸m³。这就给黄河流域的水资源供需平衡对策提出了更严峻的问题。     

开都河灌区灌溉引水对博斯腾湖面积影响的定量分析

开都河是注入博斯腾湖的最大河流,1958～2002年间平均入湖水量达23.62×10⁸m³,占博斯腾湖总补给量的80%以上。1958年以来开都河灌区灌溉引水量维持在8.17×10⁸m³～13.18×10⁸m³之间,其中20世纪60年代灌溉引水量平均为10.14×10⁸m³/a,占开都河径流量的31.1%;70年代引水量上升到12.15×10⁸m³/a,为开都河径流量的36.5%;80年代引水量下降到11.29×10⁸m³/a,但引水量仍占开都河径流量的36.5%;90年代灌溉引水量进一步降至9.85×10⁸m³/a,仅占径流量的27.1%。通过水量平衡分析和相关回归计算,得出开都河灌区灌溉引水对博斯腾湖面积影响的数值:20世纪60年代平均值为62.4km²;70年代平均值为80.8km²;80年代、90年代分别为90.4km²、76.7km²,2000年以来平均仅为41.3km²。由此可见,45年来开都河灌区灌溉引水对博斯腾湖面积的影响经历了弱→强→弱的变化过程。     

基于水循环过程的水量水质联合评价

水量水质联合评价是我国水资源综合管理中一项基础性研究工作。但是如何摸清缺资料地区或者是未来变化环境下的水资源质与量的分布和变化特征,是目前水资源评价中的难点之一。论文将分布式水量水质耦合模型引入水资源评价中,提出了基于水循环过程的水量水质联合评价方法,有效解决了水量水质资料系列缺乏或不同步,以及未来环境变化对水量水质联合评价带来的束缚,最后成功应用在海河流域水污染严重地区之一--涉县。研究结果表明：涉县境内主要河流清漳河2004年水资源总量为2.46×10⁸m³,其中Ⅰ～Ⅲ类水仅占全年水资源量的28.0%;2006年水资源总量为2.36×10⁸m³;其中Ⅰ～Ⅲ类水占全年水资源量的55.4%。通过两年的水污染整治,清漳河可利用水资源量大幅度增加。该方法对现有水量水质联合评价方法有所补充,对解决资料缺乏地区以及未来变化环境下水资源评价提供了一种新的途径,为流域水资源综合规划、配置和管理的提供技术支撑。     

三江源区生态系统服务间接使用价值评估

论文利用替代成本法、机会成本法和影子工程法等经济学方法,对三江源区生态系统提供的间接使用价值进行了评估。研究结果表明:2008年三江源区生态系统的间接使用价值共计1.74×10¹¹元,其中水源涵养价值为1.07×10¹¹元,占61.38%,土壤保持价值为4.60×10¹⁰元,占26.50%,气候调节价值为2.01×10¹⁰元,占11.56%,空气质量调节价值为9.56×10⁸元,占0.55%。该结果突出反映了三江源区作为水源发源地在水量平衡、调节区域水分循环和改善水文状况等方面做出的贡献。     

黄河河口地区生态供水效益分析

流域生态需水是指流域生态系统为维持一定程度的生态系统健康所需要一定质量的水量,以保证流域生态系统结构和生态功能等为目标,实现流域生态系统健康。流域生态需水量的研究对于社会经济的可持续发展具有重要的战略意义。论文针对南水北调西线一期工程的供水规划,在提出配水效益计算方法的基础上,针对不同的配水量,计算了黄河河口地区的生态需水量、生态效益以及供水对减少断流所带来的生态效益,并进行了方案比较分析。主要结论是:当来水量分别为55×10⁸、122.8×10⁸或240×10⁸m³时,产生的湿地综合生态效益则为34.85×10⁸、47.18×10⁸或54.72×10⁸元。     

北京郊区农田生态系统服务功能价值的评估研究

由于耕地面积显著减少,京郊农田生态系统总服务价值由1996年的4513384.07×10⁴元下降到2002年的3426990.22×10⁴元,减少10⁸6393.85×10⁴元。其中粮食作物的各项服务功能价值在逐年降低,其它作物有不同程度的提高。6年间农业总服务价值平均值大约是其农业增加值的8倍,相当于8元服务价值产出1元经济生产力。6年间接价值平均为3461605.08×10⁴元,大约为直接价值的6倍。农民承担了保护耕地资源的责任,却没有获得相应收益。从构成来看,在京郊现有耕作制度下,提供农产品份额为12.41%;调节大气成分和净化环境价值占据绝对主体,两者之和占农田生态系统总服务价值的77%(净化环境占37.51%,调节大气成分占39.48%);土壤积累有机质价值为4.4%;农业观光游憩价值为3.8%;维持养分循环为1.27%;蓄水功能为2.21%;而保持土壤服务功能最低,仅占0.01%。     

枯水年长江中下游江湖水交换作用分析

利用宜昌、汉口、大通、城陵矶、湖口等重要水文站的长时间序列水位、流量资料,着重分析了1978年和2006年典型枯水年长江中下游江湖水交换作用。论文建立了能表明江湖水交换作用的经验公式,以此为量化方法来表示江湖水交换作用的强度。结果表明:1978年代表三峡大坝建造之前典型枯水年的性质,2006年则已显示出三峡水库的运行对通江湖泊与干流水交换的积极作用。表现在江湖水交换系数上,1978年洞庭湖和鄱阳湖分别为0.57和0.56,洞庭湖和鄱阳湖与长江水交换处于稳定状态;2006年洞庭湖和鄱阳湖水交换系数分别为0.89和0.51,显示出2006年比1978年水交换作用强烈。洞庭湖和鄱阳湖与长江交换水量显示:1978年补给长江水量为分别为1 990×10⁸ m³和947×10⁸ m³,约占同期大通径流量的29%和14%;2006年补给长江水量分别为1 962×10⁸ m³和1 564×10⁸ m³,约占同期大通径流量的28%和23%。尤其是2006年鄱阳湖补水量比平水年还多5%,该年大通站流量全年维持在10 000 m³/s以上,以此保证了下游乃至河口地区水资源供给的安全。     

西北地区县域农业水资源平衡问题研究

水土资源不匹配和水资源时空分布不均的自然本底,加之人口大量增加和经济高速发展的驱动,使得西北地区农业水资源供需矛盾十分突出。论文系统分析了县域单元农业水资源平衡的两个层次及其计算方法,并对西北地区314个县域单元进行了实证研究。天然状态下农田水量平衡模型计算结果表明:西北地区各个县域单元降水均不能满足各种作物的水分需求,亏水为水量平衡的首要特征。就各省而言,新疆为亏水量最高的省份,其多年平均作物亏水量达628.02mm,陕西最小,其值为87.51mm。人工状态下水土资源平衡模型结果表明:受灌溉水平的影响,西北地区各个县域单元水量平衡差异明显。各省份中,新疆水土资源利用处于水少地多的超量承载状态,其它各省灌水量略有盈余,灌溉面积的扩大尚有一定潜力。     

华北平原的水土资源平衡研究

采用精确的水土资源平衡计算模型 ,辅以田间观测资料 ,分析计算了华北平原农业水资源量与作物需水量之间的平衡问题。结果显示 :在充分供水的条件下 ,本区农田 (884.8万hm₂)需水量为744.36亿m3,相应的作物亏水量为309.37亿m3,有效灌溉面积 (653.2万hm₂)上的亏水量为228.73亿m3;而1995年水利工程提供的农业总用水量已达261.78亿m3,但仍有116.16亿m3的亏水量 ;文中同时对评价区内农田的有效降水量、灌溉水的田间利用量、毛管上升水量等进行估算。指出 ,虽然冬小麦的平均水分满足率为82 % ,但关键期的水分满足率 (64 % )仍然制约粮食产量的增长 ,设想通过提高渠系利用系数和优化灌溉等措施 ,华北平原的农业可望达到水土资源平衡利用的状态     

气候变化对莱州湾地区水资源脆弱性的影响

论文首先分析了在现状年(1993年)供水能力和需水条件下,1960～1993年的气候波动对莱州湾地区水资源供需平衡和脆弱性的影响。然后根据未来气候情景分析了在2000规划年和2020规划年供水能力和需水要求下,未来气候变化(2000～2042年)对水资源供需平衡及脆弱性的影响。在农业需水保证率50%时,2000～2019年水资源供需基本平衡,但2020～2042年水资源短缺20～57亿m³。若考虑未来气温的上升,则水资源短缺进一步加大。因此,2020年以后需在调入56亿m³客水资源基础上,从区外调入更多稳定的水量以保证该地区社会经济的可持续发展。     

银川市PM2.5的输送路径及潜在源解析

基于2015~2017年银川市PM_2.5逐小时质量浓度和同期气象数据,采用气流后向轨迹聚类分析法、潜在来源贡献函数法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）研究银川市PM_2.5的输送路径及潜在源分布.结果表明：2013~2018年银川市大气PM_2.5质量浓度呈先升高后下降的趋势,其中2016年PM_2.5浓度年均值最高（54.25±20.91）μg/m³;在四季变化中,冬季PM_2.5浓度最高（75.11±29.21）μg/m³,夏季最低（31.83±7.09）μg/m³.聚类分析表明西北方向气流是银川市四季PM_2.5主要的输送路径,在春、秋、冬3季PM_2.5均为西北长距离输送路径;而在夏季,短距离输送气流是PM_2.5主要的输送方式.PSCF与CWT分析表明,冬季PM_2.5潜在源区范围最大,主要集中在西北-东南走向的潜在贡献源区带,包括新疆中东部、青海省北部、河西走廊地区、内蒙古西南部、甘肃省南部以及宁夏西北部;春、秋两季PM_2.5潜在源区主要位于新疆东部与甘肃省交界区域、甘肃省东南部、湖北北部、陕西西南部以及重庆北部;夏季的潜在源区范围最小,主要集中在新疆东部与甘肃交界区域.在PM_2.5重污染天气期间,其主要来源于西北方向气流,潜在源区主要分布在新疆东部与甘肃交界区域、内蒙古西南部与甘肃交界区域以及甘肃中南部地区.因此,在实施防风固沙的基础上,加强区域环境合作,实施大气污染联合防治,可以有效缓解银川乃至京津冀地区的大气污染.     

从水质水量相结合的角度评价黄河的水资源

论文建立了流域水资源数量与质量联合评价的方法,提出了水资源功能容量与水资源功能亏缺的概念。根据黄河流域1997～1999年间主要水文站点逐月的水质监测数据、水文数据及各取水口逐月的取水量数据,对黄河流域的水资源进行了水质水量综合评价。结果表明,1997、1998和1999年,黄河具备水资源功能的总水量分别为210.99×108m3、288.04×108m3和292.43×108m3,分别占总天然径流量的66.3％、65.6％和67.4％,从3年平均来看,黄河具备水资源功能的总水量只占实际需求水资源量的53％,其中,大约47％的水资源短缺是由水体污染所导致,剩余的53％是由水量短缺所导致。黄河的水资源功能容量和水资源功能亏缺均较大,且前者大于后者,说明在大部分情况下,黄河实际的水质要优于达到水资源功能所要求的水质。     

1980—2009年三峡库区空中水资源变化特征

利用1980—2009年三峡库区及周边15个气象探空站的高空资料,分析了三峡库区空中水资源的变化特征,结果表明:三峡库区上空整层水汽含量分布从东北到西南逐渐增加。三峡库区的水汽主要来自西南水汽输送,夏季西南风水汽输送强度最大。三峡库区上空水汽多以辐合为主,尤其在库区西北部和东南部的辐合特征更为明显。三峡库区的水汽主要从南边界流入,而主要从东边界流出。三峡库区各月的净水汽通量都为正值,呈单峰型变化,在7月达到最大值。近30 a,三峡库区净水汽通量经历了明显的先上升后下降的抛物线型年代际变化,春季和冬季的平均净水汽通量整体呈减少趋势,而夏季、 秋季和年平均的净水汽通量呈增加趋势。     

黄河流域水分亏缺时空格局变化研究

针对黄河流域水资源匮乏日益严重的状况,根据国家气象局整编的1957~2001年(45a)黄河流域93个气象站点气象资料,应用1998年FAO最新推荐的Penman-Monteith法计算潜在蒸散量,研究黄河流域水分变化特点,尤其是水分亏缺时空格局。 同时,应用克里格(Kriging)插值法生成黄河流域区域的水分亏缺分布图。研究结果显示黄河流域水分亏缺的空间分布格局变化十分复杂,受气候、地形和地貌等多种因素影响,具有明显的地域特点。总体上,水分亏缺由北向南逐步递减,流域北部水分亏缺由西北向东南依次递减;流域水分亏缺在年际间的变幅具有增大趋势,在年内也表现出明显的季节变化特点,春季、夏季的亏缺量比较大,而冬季和秋季的亏缺量比较小,且在不同区域之间存在明显差别。     

横断山区季风期水分盈亏量时空变化特征及其与若干气候指数的相关性分析

基于横断山区27 个气象台站1961-2012 年的实测数据,应用Penman-Monteith 模型、气候倾向率空间插值、交叉小波和相干小波变换等方法分析横断山区季风期水分盈亏量的时空变化趋势及其与若干气候指数之间的相互关系。结果表明:近52 a 来,横断山区季风期水分盈亏量在波动中呈增加趋势,其增加速率为5.87 mm/10 a;且在整个时段内,横断山区季风期水分盈亏量均呈盈余状态。该区季风期水分盈亏量空间差异也较为明显,水分盈亏量从南到北逐渐降低,但其增加趋势却从南到北逐渐增大。季风期水分盈亏量与海拔呈现负相关,即水分盈亏量随着海拔的升高而降低;在海拔相对较低的区域,水分盈亏量较高;反之,水分盈亏量较低。此外,该区域季风期水分盈亏量与北极涛动(AO)、太平洋年代际振荡(PDO)和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)气候指数等存在多尺度的显著相关性。