汉江源土壤流失状况及生态效益测评

在通用土壤流失方程的基础上,提出了土壤侵蚀系数和土壤保持系数的概念和计算方法,用其对南水北调中线工程水源区土壤侵蚀状况及生态效益进行了测评,结果表明:(1)自然条件影响下,研究区潜在土壤侵蚀量大且空间分布差异显著,中高山区远大于河谷盆地区。(2)研究区实际土壤侵蚀量较小,但土壤侵蚀系数较大且空间分布规律性强。人类水土保持措施与土地利用方式对土壤侵蚀贡献率高,低山丘陵区土壤侵蚀系数最大,局部可达0.6,中高山及盆地区相对较小。(3)中高山区水土保持效益略有增加;河谷盆地及低山丘陵区明显减小。(4)低山丘陵区应成为今后水土保护工作的重点监控和治理区,也是应重点考虑的生态补偿区。     

汉江流域1960~2014年降雨极值时空变化特征

深入研究降雨极值的时空变化规律和特点,有助于提高应对极端灾害的能力。通过构建PDS/GP模型,并引入降雨极值变化指标,结合统计检验分析汉江流域15个气象站点1960~2014年春、夏、秋季以及全年月降雨超定量系列的年际变化特征;利用复杂网络理论的聚类系数和节点度,结合各站点在典型年份春、夏和秋季的降雨极值变化指标,分析月降雨极值的空间分布特征。分析结果表明：从时间上看,汉江流域月降雨极值年际变化的季节性差异较大,近55 a没有明显的一致性变化趋势。受季风气候影响,夏季的月降雨极值年际变化与春、秋季相反,而秋季的变异指标年际波动最大。从空间上看,受季风气候、下垫面条件和人类活动等多种因素的综合作用,中下游月降雨极值变化的差异性要高于上游。随着相关阈值的增大,流域站网总体关联度有所降低。相同阈值下的结果表明空间上相邻的站点其关联性差异较大,部分相距较远的站点具有更大的关联性,分析结果可为降雨极值的空间插值提供参考。     

基于HEC-RAS模型的汉江上游旬阳西段超长尺度古水文演化重建

通过对汉江上游河谷开展广泛细致的野外考察,在汉江上游旬阳西段全新世黄土-土壤剖面发现四层典型的古洪水滞流沉积物。对于系统采集的样品,进行粒度成分、磁化率分析,从沉积学角度证明了它们是典型的古洪水滞流沉积物。这些古洪水滞流沉积层夹在全新世风成黄土-土壤地层序列中,其每一层古洪水滞流沉积物记录了一期古洪水事件。根据OSL测年数据,并结合考古年代学和典型剖面地层对比,确定了这四期古洪水事件分别发生在8 500~8 400 a B.P.、4 200~4 000 a B.P.、3 200~2 800 a B.P.和1 800~1 700 a B.P.。利用古洪水SWD尖灭点高程法,恢复了这四期古洪水洪峰水位,介于233.0~239.2 m之间;进而基于HEC-RAS模型重建了四期古洪水洪峰流量,介于26 500~46 800 m3/s之间。将古洪水研究成果加入后,得到了远超过实测洪水和历史洪水重现期的稀遇洪水的水文信息,延长了汉江上游安康-旬阳段流域洪水的数据序列至万年尺度,使洪峰流量-频率曲线的稀遇洪水部分有了点据控制,百年和千年一遇的洪水洪峰流量的计算由外延变为内插,提高了设计洪水的精度。并且通过古洪水水文计算得到,该河段万年一遇洪水洪峰流量为46 900 m~3/s,千年一遇洪水洪峰流量为37 800 m3/s,百年一遇洪水洪峰流量为28 900 m~3/s。这对于汉江上游水利工程、防洪工程和城镇建设的洪水设计提供了十分重要基础数据。     

汉江流域产水量时空格局及影响因素研究

汉江流域是南水北调中线工程重要的水源涵养区和生态屏障区,研究其生态系统产水服务功能的时空变化及影响因素对实现汉江流域高质量持续调水和生态环境保护具有重要意义。基于Google Earth Engine云平台多源异构数据以及气象、土壤等资料作为输入,采用InVEST模型产水模块和情景分析法估算和阐明了2001～2019年汉江流域产水量及其时空变化特征,并探讨了降水和土地利用变化对汉江流域产水量的影响。结果表明:(1)2001～2019年,汉江流域产水量先增加后减少,不同时期流域产水深度空间格局基本一致,呈中北部低、西南部及东南部高的空间分异特征;全流域产水深度以增加为主,增加区域集中于丹江口以上流域,减少区域主要在唐白河流域。(2)子流域尺度上,丹江口以上流域对全流域产水量的贡献最高,是汉江流域主要产水区,唐白河流域的贡献最低。(3)城镇与建成区、裸地和草地平均产水深度最大;稀疏森林、农田和郁闭森林是流域产水的主要贡献地类,三者提供了汉江流域产水总量的90%;平原区产水深度最高,较低中山区产水深度最低。(4)2001～2019年,降水变化和土地利用变化对产水量变化的贡献率分别为94%和6...     

汉江上游罗家滩剖面晚更新世以来沉积物粒度端元分析

通过对汉江上游旬阳段开展野外考察,在罗家滩(LJT)发现夹有古洪水滞流沉积层(slackwater deposits,SWD)的风成黄土-古土壤剖面。对采集的沉积学样品进行粒度分析,利用Gen.Weibull函数分布的参数化端元模型反演得出4个端元,结合吸湿水等环境替代指标分析,探讨了各个端元所指示的不同沉积动力环境和物质来源。结果表明:在黄土层和土壤层中,EM1代表的主要是沉积物沉积后在亚洲夏季风影响下,经历强烈风化成壤作用形成的次生黏土矿物组分;EM2代表高空西风和东亚冬季风翻越秦岭而搬运的远源细粉砂组分;EM3代表山谷风从河谷中分布的河流沉积物和坡积碎屑物中以低空短距离形式搬运而来的粉尘物质,并且受到后期气候变化控制下的淋溶作用影响;EM4则代表山谷风从近源的河流沉积物和坡积碎屑物中搬运而来的粗颗粒物质。在古洪水SWD层中,EM1、EM2和EM3主要来源于汉江上游暴雨洪水侵蚀搬运的河谷两岸分布的表层沉积物;而EM4则明确代表河流特大/大洪水环境下搬运沉积的粗颗粒悬移质泥沙。该成果能够为区域环境变化研究提供指导和借鉴。     

汉江中下游干流水质状况时空分布特征及变化规律

汉江是南水北调中线工程的水源区,其中下游水质状况是国家和湖北省政府重点关注的饮用水安全问题.研究南水北调中线工程影响区汉江中下游干流的水质状况和特征,为进一步分析工程运行对汉江中下游水质的影响奠定基础.收集了汉江中下游干流11个水质监测站2011—2014年pH、ρ（DO）、ρ（COD_Mn）、ρ（BOD₅）、ρ（NH₃-N）、ρ（TP）、ρ（TN）等7项水质指标,应用水污染指数法和层次聚类分析法,综合辨识2011—2014年汉江中下游干流的水环境时空变化特征.结果表明:①2011—2014年汉江中下游干流水质整体上为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅳ类~劣Ⅴ类水体,超标指标为ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（BOD₅）,其中ρ（TN）超标最严重.②为深入辨识TN负荷对研究区域水质的影响,通过情景分析发现控制ρ（TN）可有效改善汉江中下游干流水质状况.③汉江中下游干流水质状况层次聚类分析表明,在时间上将研究时段分为2类,基本对应于汉江中下游的汛期和非汛期;在空间上将水质监测断面（沈湾、泽口、新沟、宗关、转斗、皇庄、汉南村、石剅、白家湾、余家湖、罗汉闸）分为3类,其中第3类可细分为3个子类,各子类所对应的水质监测断面与其空间分布基本对应.④汉江中下游干流富营养化严重,其中ρ（TP）和ρ（TN）在非汛期分别呈显著降低和增加趋势,汛期无明显变化.研究显示,江汉中下游污染严重,营养盐尤其丰富且ρ（TN）为主要影响因素.      

基于GIS的汉江中下游农业面源氮磷负荷研究

根据汉江中下游农业面源污染治理决策的需求，在大量实地观测资料区域地理与农业环境数据基础上，开发并建立了汉江中下游农业面源动态监测信息系统。以此为技术支持，运用数学模型及其与GIS相结合的技术，研究了汉江中下游农业面源污染的负荷及分布规律。     

近60年汉江流域侵蚀性降雨的时空变化特征

汉江流域是水土流失与洪涝灾害严重的地区。侵蚀性降雨是剧烈土壤水蚀的原动力,是洪涝灾害的直接致灾因子,因此对汉江流域侵蚀性降雨特征的研究具有重要的实践意义。利用汉江流域及其附近地区47个站点逐日降雨观测资料,采用常规统计学方法计算研究区逐年年降雨量、侵蚀性降雨量以及暴雨量平均值,进而得到降雨特征值逐年距平百分率及变异系数(Cv),分析了这3个将于特征值之间的相互关系,揭示了汉江流域降雨的时间变化特征。借助于地理信息系统技术,将汉江流域逐年降雨特征值在ARCGIS里采用Kriging方法进行空间插值,得到年均降雨特征值的空间分布,分析了研究区3个降雨特征值的空间分布特征。研究结果表明:1951-2012年汉江流域多年平均降雨量为886 mm,日降雨量≥12 mm的侵蚀性降雨量为614.1 mm,日降雨量≥50 mm的暴雨量为167.6 mm。研究期间内,3个降雨指标均在波动中下降,但下降趋势不显著,没有表现出显著的干湿趋势;年侵蚀性降雨量和年降雨量变化具有显著的一致性,但侵蚀性降雨的变化幅度大于降雨量的变化幅度;年暴雨量的变化特征与年降雨量的变化特征亦相似,但年暴雨量的波动幅度较年侵蚀性降雨量、年降雨量更大。1951-2012年汉江流域年均降雨量、侵蚀性降雨量及年暴雨量在空间上均从东南向西北递减,降雨的异常程度很高。研究结果可增进对汉江流域降雨变化规律的认识,为汉江上游植被生态恢复及中下游的防洪减灾提供参考意见。     

汉江富营养化动态模型研究

针对汉江富营养化问题，建立水体富营养化动态模型，其特点是不仅能够较好地模拟浮游植物的变化过程，而且能够提供发生水华的原因和生态机理的解释。最后汉江武汉段1998年发生的水华事件为实例进行模拟，结果表明模型合理可信。     

南水北调中线工程对汉江中下游水华的影响及对策研究(Ⅱ)——汉江水华发生的概率分析与防治对策

为了评估南水北调中线工程对汉江中下游水华的影响,根据汉江水华发生的成因和关键因子的分析结果,对汉江水华发生的概率进行了定性分析;应用水动力学模型和富营养化动力学模型以及随机模拟法对汉江水华发生的概率进行了定量计算,并提出了相应的防治对策。结果表明熏南水北调中线工程145×108m3方案实施后将增加汉江水华发生的概率,而引江济汉工程的兴建将极大地减少汉江水华发生的概率。汉江自身的水污染治理是减少水华发生概率的最根本措施。丹江口水库增加枯水期下泄流量和三峡电站减少枯水期下泄流量的联合调度将减小汉江水华发生的概率。