基于水文集成模型ParFlow的黑河流域下游地下水-地表水相互作用模拟研究

地下水-地表水相互作用是水文循环过程中的重要环节,研究地下水-地表水相互作用的机理过程及其对环境变化的响应对流域生态环境和可持续发展具有重要意义.利用基于三维物理过程的开源、大规模并行模拟计算软件ParFlow求解紧密耦合的地下水和地表水偏微分方程组,建立流域水文集成模型,从而精确解译土壤水分运移的动力学机制,最终实现...     

黑河流域生态环境恶化状况与治理建议

运用野外调查和地理信息系统相结合的方法,系统调查了黑河流域生态环境恶化的现状,分析其影响的原因,提出治理建议。指出,黑河水资源合理利用、土地资源适度开发,必要的水利工程和科学的上、中、下游分水方案是治理黑河流域生态环境恶化所必须采取的措施。      

利用CASA模型估算黑河流域净第一性生产力

陆地生态系统是维系生物圈乃至人类存在与发展的生命支持系统。该系统净第一性生产力估算研究有助于寻找陆地植被从大气中固定碳的数量及影响其时空分布的驱动因子。基于CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型,结合多光谱遥感数据和气候数据,模拟干旱半干旱典型区黑河流域1998~2002年净第一性生产力的时空分布,并分析和探讨了上、中、下游NPP的驱动因子。研究结果证明CASA模型适用于内陆河流域范围内NPP研究;通过分析黑河流域上、中、下游的NPP变化与气温、降水、太阳辐射和NDVI的相关关系,发现上游山区NPP与热量相关性显著,中游地区由于人工绿洲对水资源的截留用于作物灌溉,NPP相对稳定,下游的NPP受热量和水分因素共同复杂控制。     

流域系统动力学模型的全耦合问题研究进展

从系统分析的视角出发,对流域系统动力学建模过程、方法进行总结。综述了国内外系统动力学模型(简称SD模型)在社会经济发展与流域水资源承载力、流域水环境承载和流域水生态承载力耦合关系的研究。从简单的零维模型发展到复杂的社会经济综合模型和OO-SD模型(即Objective-Optimization SD模型),国内SD模型耦合关系研究主要集中在叶尔羌河、洱海、滇池等流域,SD模型在监测、数据共享和模型结构、参数选取和不确定性分析等方面还存在不足,有待改进。     

黑河流域磷迁移转化过程连续模拟研究

以西安市的主要供水水源黑河流域为例,在Matlab软件辅助下,使用蓄满产流模型、逆高斯分布汇流模型、水沙关系模型以及澳大利亚学者Viney所提出的营养物迁移转化模型对黑河流域1981～1990年磷的迁移转化过程进行了连续模拟,模拟了磷的输出情况,预测了黑河流域磷污染负荷量.结果表明:模拟结果符合磷素流失的一般规律,年径流量大的年份,从流域输出的磷素也较多,反之,则较小;对磷的连续模拟结果与实测插补延长后总磷年负荷量的相对误差基本上在±30%以内,结果较合理,由此表明该法可用于黑河流域磷素迁移转化的连续模拟.同时,本文模型只是流域非点源污染连续模拟的初步尝试,尚需进行进一步检验、改进和完善.     

SWAT模型在黑河中上游流域的改进与应用

基于物理机制的分布式水文模型是定量化研究人类活动影响下流域水文过程非常有效的工具。使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对黑河中上游流域2000—2009年的月平均径流过程进行模拟的结果表明,SWAT模型很好地模拟了黑河上游自然状态下的径流过程,但对中游地区冬季径流模拟明显偏低。分析表明,黑河中游地形和农业生产高强度、反复的地下水抽取灌溉—渗透—地下水补给过程可能是导致模拟偏低的主要原因。基于此机制,论文提出了增加地下水下渗过程的模型修改方案,来间接模拟黑河中游的这一特定过程。对比模型修改前后的黑河中游的径流过程模拟结果表明,验证期的模型效率系数ENS和决定系数R²分别从0.53、0.61提高到了0.70、0.75,取得了较好的模拟结果。结果还表明,加强对黑河中游人工灌溉过程的模拟研究对于研究黑河中游水资源管理和水循环过程至关重要。     

WebGIS 与Mashup 在黑河流域信息化平台构建中的应用

随着eScience 的发展,大量的科研信息化。如何综合应用共享的信息资源,再次产生新的科研成果,为科研问题的解决提供决策支持,是信息化研究需解决的问题。本文设计了基于信息聚合与WebGIS 技术支持的黑河流域信息化平台,主要通过Mashup 与WebGIS 技术搭建该信息化平台,重点研究科研信息的聚合应用。基于WebGIS 与信息聚合的黑河流域信息化平台,能够实现黑河流域空间信息的聚合共享,以更直观快捷的方式实现科研信息化,数据与应用服务的共享与交换,使科研成果服务于大众,便于数据的共享与互操作,形成多学科交叉的新组织模式和协作环境。以地下水、土壤等数据的信息聚合应用为案例,基于ArcGIS 云平台,通过WebGIS 技术实现数据资源信息的聚合共享应用。     

基于SWAT模型的黑河流域不同土地利用情景的非点源污染研究

以卫星遥感影像为基础,运用GIS与环境模型(SWAT2000)相结合的技术手段和景观生态学的研究方法,探讨了黑河流域土地利用与非点源污染的关系;从土地利用恶化与改善出发,对模型进行水量、泥沙和营养负荷部分的参数率定和验证并分析其在黑河流域的适用性,在此基础上通过对不同土地利用情景下非点源污染负荷的定量化分析,研究了土地利用/土地覆被变化对黑河流域非点源污染的影响过程.结果表明,随着流域林地面积的增加,流域径流深逐渐减少,水土流失量逐渐减少.从而使得流域产沙量也相应减少.林地的非点源污染单位负荷为:氮0.67kg·hm-2·a-1,磷0.11 kg·hm-2·a-1;耕地的单位负荷为:氮8.85 kg·hm-2·a-1,磷4.2kg·hm-2·a-1;当流域全部为林地时.总氮与总磷的负荷量分别为99.001t和17.145t.在2000年土地利用情景下总氮与总磷的负荷量分别为173.334t和38.653t;随着对植被的破坏,即土地恶化,会导致流域非点源污染的急剧增加;反之,随着退耕还林、水源涵养林保护工程的实施,流域水环境会得到极大的改善.     

浑河流域地表水地下水水质耦合模拟

以浑河流域为研究区,在现场调查、动态监测和资料分析的基础上,根据浑河流域的具体实际条件,包括水文和水文地质条件,分别建立了浑河流域地表水地下水水流耦合模拟模型及水质耦合模拟模型.模拟对象包括地表水、包气带水和饱水带水.运用HydroGeoSphere（HGS）技术系统对地表水和地下水进行联立并行同步求解.根据浑河流域地表水地下水同步动态监测资料,分别对地表水地下水水流和水质耦合模拟模型进行了校正和检验.之后,根据设定的情景方案,应用所建立的模拟模型对浑河流域地表水地下水未来的水质污染状况进行了预报.结果表明：基于HGS技术系统的地表水地下水水流和水质耦合模拟模型能够刻画流域地表水地下水各自的运动规律以及二者之间的水力联系与相互转换关系.若地表水受到污染（如农田施肥）,不仅会影响到地表水,也会对地下水造成影响,反之亦然.     

黄河流域分布式水文模型开发和验证

研究目的是开发和验证大流域分布式水文模型,为黄河流域水资源评价和演化规律分析服务。在综合了分布式水文模型和陆面过程模型各自优点的基础上,开发出模拟对象为“天然-人工”二元水循环系统的WEP-L模型。该模型以“子流域内等高带”为计算单元,并用“马赛克”法考虑计算单元内土地覆被的多样性,避免了采用过粗网格单元产生的模拟失真问题。针对各水循环要素过程时间尺度不同的特点,计算时采用了1h至1d的“变时间步长”,既合理表述了水循环动力学机制又提高了计算效率。将全黄河流域划分为具有空间拓扑关系的8485个子流域和38720个等高带,采用45年(1956～2000年)水文气象系列数据及相应下垫面条件进行了模拟计算,并根据黄河流域主要水文站逐月和逐日径流系列进行了模型校验。验证结果表明,所构建的模型具有较高模拟精度,可应用于黄河流域二元水循环过程模拟和水资源演变规律分析。     

黑河流域底栖动物群落结构及水质评价

为了解黑河流域上中游底栖动物群落结构特征及其与环境因子之间的关系,于2018年8月对研究区域17个采样点的底栖动物和水体理化指标进行调查研究.共鉴定出底栖动物43种,其中节肢动物34种（79.1%）,软体动物7种（16.3%）,环节动物2种（4.6%）;就整个研究区域而言,优势种为大蚊（Tipulidae）、豆娘幼虫（Damselfly）、水蜘蛛（Argyroneta）、耳萝卜螺（Radix auricularia）、琥珀螺（Suecinea sp.）、白旋螺（Gyraulusalbus）,干、支流优势种分布趋势为干流（6种）优于支流（5种）;底栖动物平均密度和平均生物量分别为77ind/m²和3.7423g/m²现存量存在显著空间差异,整体上干流（1032ind/m²、60.0963g/m²）大于支流（276ind/m²、3.5233g/m²）,物种数干流（36种）大于支流（15种）;单因素方差分析显示,Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数及Pielou均匀度指数分布特征为干流大于支流.黑河流域上游支流和中游干流不同河段底栖动物物种组成呈空间异质性,而多样性指数对物种组成依赖性强,但因黑河流域底栖动物物种组成受自然因素和人类活动双重影响程度差异较大,使得Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数及Pielou均匀度指数不适合黑河水质评价.依据BI指数和综合污染指数评价表明,黑河上游支流水质优于中游干流.根据底栖动物与环境因子之间的相关矩阵分析并结合RDA分析表明：BOD₅、水温（WT）、电导率（EC）、DO、溶解性总固体（TDS）、COD_Mn及盐度是影响底栖动物群落结构的主要环境因子.     

黑河流域中游地区生态环境变化特征及驱动力

多角度分析黑河流域中游地区植被覆盖度时空变化特征,并建立基于演变过程的生态系统灰色关联度模型,分析生态环境变化的驱动因子.研究表明:1)1999~2008年,平原旱地、低覆盖草地、有林地年最大归一化差异植被指数(NDVI)增幅较大,达0.1~0.2,疏林地2004年后保持高速增长,年最大NDVI增幅0.208,增长了77.6%; 2)张临高盆地年最大植被覆盖度线性拟合年均增幅0.0063,生长季节平均植被覆盖度在小幅波动中呈现稳定增长趋势,拟合优度达0.74;甘州区生态治理成效最显著,年增长幅度集中在0.03~0.3;临泽县和高台县以增长为主,但局部过渡带地区下降幅度达0.1~0.3; 3)植被7~10月覆盖度呈现明显增长趋势,峰值从6~7月延迟到7~8月,2007年达0.39;植被覆盖度分级结构呈现优化趋势,极低覆盖度植被逐渐转化为低覆盖度植被,2007年相比2000年降低25%以上,高覆盖度植被1998~2008年间增长约16%; 4)根据3种植被覆盖度变化与各驱动因子关联分析,气象水文因子主要包括降雨量、蒸发量、径流量,最大关联度分别为0.91、-0.83、0.76,社会经济因子主要包括农作物播种面积、第一产业产值、农业科技水平,最大关联度分别为-0.81、0.78、0.81.     

GPM卫星降水数据在黑河流域的适用性评价

论文分别从时间和空间两个角度对GPM卫星降水数据在黑河流域适用性进行评价。以TRMM卫星的降水产品和气象观测站点实测的降水数据作为参考,选用相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、相对误差（BIAS）、平均误差（ME）以及标准偏差（SD）多种统计分析指标进行精度评价。结果表明：1）GPM卫星降水数据具有与观测数据较好的一致性以及良好的时间模式;2）GPM卫星降水数据与观测数据之间有着较高的相关系数（R>0.72）以及较低的误差范围 （-0.59%~1.62%）;3）相比TRMM,GPM具有较低的均方根误差（RMSE<28.76）,尤其是对夏季降水,GPM具有相对更高的相关系数（R>0.76）和更小的相对误差（BIAS<1.14）;4）卫星估测降水量的精度与高程具有明显的相关性。总的来说,GPM卫星降水数据在地形复杂的干旱半干旱区域也能够具有较好的精度,能够较为准确地反映干旱半干旱地区的降水分布。     

黑河流域草地承载力研究

应用RS和GIS技术,从研究区植被类型、土壤侵蚀、坡度、距水源距离、生物多样性和生态系统保护等方面,确定了黑河流域不适合和适合放牧的区域。在适合放牧的区域,根据草地类型估测产草量。在牧草分配方面,从避免土壤侵蚀和遭遇干旱时保证植被群落弹性和再生的需要以及满足昆虫和土壤无脊椎动物及野生动物需要两个方面考虑了满足生态需要的牧草生物量。在确定放牧强度时,从坡度和距离水源远近两个方面考虑了载畜量的减少比例。在此基础上,计算出满足生态保护需要的草地承载力。研究结果表明,黑河流域适合放牧的区域仅占总面积的17.693%,在适合放牧的区域,天然草地的承载力为0.009～2.055只羊单位/hm²。     

Temporal variations of CO2 concentration near land surface and its response to meteorological variables in Heihe River Basin, northwest China

Atmospheric CO2 concentration (CC) near land surface and meteorological variables have been measured at four sites,named Yeniugou (alpine meadow and permafrost), Xishui (mountainous forest), Linze (oasis edge) and Ejina (lower desert),respectively, in Heihe River Basin, northwest China. The results showed that, the half hourly CC at night was larger than in daytime,and the daily averaged CC was the largest in winter. The averaged CC of 932 d at the Linze was about 418 ppm, was about 366 ppm in the 762 d at the Ejina. In the same period from September 23 to November 9, 2004, the averaged CC was about 625,334, 436 and 353 ppm, at Yeniugou, Xishui, Linze and Ejina, respectively. The linear relationship between daily averaged CC and air temperature T was negative, between CC and relative humidity (RH) was positive. The linear CC-atmospheric pressure (A P) relationship was negative at the Linze and Yeniugou, was positive at the Ejina. The relationship between CC and global radiation R was exponent, and soil temperature Ts was negative linear, and soil water content was complex. The correlation between CC and wind speed was not existent.Using meteorological variables together to simulate CC, could give good results.     

秃尾河流域径流衰减驱动力因子分析

掌握流域径流演变规律,探讨其影响因子,对流域水资源合理开发利用和科学管理具有重要的意义。论文依据秃尾河流域1956—2010年径流、降水资料以及榆林站1956—2010年气温资料,采用高桥浩一郎公式计算了流域蒸散发量,利用Kendall秩次检验法分析了流域降雨、径流和蒸发的趋势演变特性;采用主成分分析法研究了多因子对流域径流衰减的影响;建立了径流衰减量与主要影响因子之间的统计模型。结果表明：1）流域径流量呈显著减少趋势,而蒸发量和降水量减少趋势不显著;2）在径流衰减驱动力因子中,人类活动因子权重为71.1%,而气候因子权重为28.9%,各驱动力因子对径流衰减的贡献率由大到小依次为：林草>梯田>坝地>流域用水量>年降水量>年蒸发量;3）径流衰减量与林草、梯田的指数回归模型能较好地反映径流衰减量与驱动力因子之间的定量关系,可以为流域治理和水资源开发利用提供科学依据。     

Temporal variations of C2 concentration near land surface and its response to meteorological variables in Heihe River Basin, northwest China

Atmospheric CO2 concentration （CC） near land surface and meteorological variables have been measured at four sites, named Yeniugou （alpine meadow and permafrost）, Xishui （mountainous forest）, Linze （oasis edge） and Ejina （lower desert）, respectively, in Heihe River Basin, northwest China. The results showed that, the half hourly CC at night was larger than in daytime, and the daily averaged CC was the largest in winter. The averaged CC of 932 d at the Linze was about 418 ppm, was about 366 ppm in the 762 d at the Ejina. In the same period from September 23 to November 9, 2004, the averaged CC was about 625,334, 436 and 353 ppm, at Yeniugou, Xishui, Linze and Ejina, respectively. The linear relationship between daily averaged CC and air temperature T was negative, between CC and relative humidity （RH） was positive. The linear CC-atmospheric pressure （A P） relationship was negative at the Linze and Yeniugou, was positive at the Ejina. The relationship between CC and global radiation R was exponent, and soil temperature Ts was negative linear, and soil water content was complex. The correlation between CC and wind speed was not existent. Using meteorological variables together to simulate CC, could give good results.     

黑河流域生态承载力估测

以黑河流域为例,探讨了生态承载力的概念和估测的方法,笔者认为利用自然植被的净第一生产力数据可以反映自然体系的生产能力 和受内外干扰后的恢复能力,是自然体系生态完整性维护的指示。      

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。