黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙计算方法研究

依靠20世纪后期遥感影像数据、过去近60a的实测水文和气象数据、黄河水沙变化现有研究成果等,引入产沙系数和基于遥感影像的林草植被覆盖率概念,提出基于遥感数据、可支持大空间尺度计算的黄土丘陵区林草植被减沙量评价模型,并给出模型应用中几个关键问题的处理方法。分析认为,在林草植被覆盖率小于35%~40%的范围内,改善林草的减沙效果非常明显;林草植被覆盖率达60%以后减沙效果趋于稳定,雨强对产沙的影响权重亦不再明显。     

黄土高原现状梯田和林草植被的减沙作用分析

2000年以来,黄河来沙明显减少。本文以黄土高原主要产沙区为对象,利用卫星遥感与实地调查相结合方法,获取2012年研究区各支流的梯田面积和质量信息,分析2010—2013年林草植被覆盖率及其较天然时期的变化;提出林草与梯田叠加作用地区的减沙量计算方法。基于流域尺度上构建的黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖率与产沙系数、梯田比与减沙幅度之间的响应关系,计算在多年平均降雨条件下黄河龙门、北洛河状头、汾河河津、渭河咸阳和泾河张家山等5站以上现状林草植被和梯田的减沙能力,其值为10.65亿t,占该区天然年均来沙量的60%。     

水循环多元综合模拟系统(HIMS)的研究进展

面向半湿润半干旱区水循环多要素、多过程、多尺度综合模拟的难题,通过多元水循环要素的理论分析,采用遥感定量反演、多过程集成,研发了水循环多元综合模拟技术系统HIMS(Hydro-Informatic Modeling System),包括水文函数子系统(HydroLib)和生态水文子系统(EcoHAT)等。本文分别介绍了HIMS系统的原理、结构、功能以及验证和应用,包括用于揭示气候变化、人类活动、土地利用变化与水文循环的相互作用,支撑与水相关的生态与环境问题研究;经与国外的水循环模拟技术相比,HIMS更适合我国现有的数据与环境条件,具有较高的模拟精度、计算速度,以及操作友好的图形化界面系统。HIMS可望为资料缺乏地区水文模拟提供技术支撑工具,并将为我国水文模拟领域的技术进步和半湿润半干旱区水资源管理的研究发展提供支持。     

基于关键功能组的河道内生态需水计算

河道内生态需水是目前生态学、水文学和水资源学研究的热点领域,现有计算方法中从生态系统功能完整性的角度出发计算生态需水的较少。首先利用Ecopath模型对小清河流域2014年5月、8月、11月生态系统内群落间营养关系进行了模拟,分析得到了小清河流域生态系统关键功能组;然后,利用栖息地适应性指数(HSI)确定了各关键鱼类生存和繁殖的适宜流速及水位;最后,耦合多物种的适宜流速及水位,利用改进后的AEHRA法计算生态需水量。结果显示,小清河流域鱼类非产卵期(1月-3月、8月-12月)上、中、下游生态需水量分别为4.28m3/s、0.74m3/s、3.47m3/s;产卵期上、中、下游生态需水量分别为23.52m3/s、5.96m3/s(8.65m3/s)、37.38m3/s。与Tennant法比较,本方法计算结果可以将生态系统健康状况维持在"一般"水平以上,即可以满足流域内大多数水生物需水量,同时,该方法计算结果显示出鱼类产卵期与非产卵期的生态需水量差异,为流域内跨季节调水提供依据。     

喀斯特石漠化典型区蓝水绿水转化模拟

由渗漏导致的降水大量流失是造成喀斯特石漠化地区地表水短缺的主要原因,将渗漏的难利用蓝水转化为可供植被生长利用的生态绿水是目前技术条件下提高水资源利用量的有益探索。基于蓝水绿水理论和土壤-植物-大气连续体(SPAC)原理,通过采用EcoHAT系统水循环模型模拟贵阳市非城镇地区的蓝水绿水转化,发现:(1)研究区绿水占降水的份额不到50%,远低于全球65%的平均水平,具有很大的转化利用潜力;(2)增加植被覆盖度和增厚土层均能实现将渗漏蓝水转化为生态绿水,增厚土层的转化效果更为显著;(3)增加植被覆盖度对减少渗漏的转化作用存在一个明显的阈值,当植被覆盖度增长到56%左右时,其减少渗漏的作用急遽减弱。鉴于研究区石漠化的典型性,本研究对类似地区提高水资源利用量具有一定参考意义。     

基于Ecopath的小清河河流生态系统关键功能组分析

关键功能组对于维持生态系统结构完整、功能完善具有重要意义。为此,本研究引入国际惯用的营养通道模型—Ecopath,定量分析计算了水生态系统结构组成及营养关系,并通过生态系统内物质、能量流动的方向与数量确定了水生生态系统关键种,提出了一套关键功能组构建的方法。将该方法应用于小清河流域,结果显示小清河流域关键功能组成员随季节有很大变动:春季包括青鳉、鲫、水丝蚓、原生动物、隐藻;夏季变为青鳉、泥鳅(包括大鳞副泥鳅)、水丝蚓、原生动物、黄藻;秋季则为泥鳅(包括大鳞副泥鳅)、餐、秀丽白虾、轮虫、裸藻)。本方法可为水生态文明建设提供明确的水生态系统保护重点物种,为流域生态需水计算、水生态健康修复及水生态文明建设提供管理和决策依据。     

便携式生态水文实验与监测系统(Eco-monitors)的集成与应用

生态水文实验与监测装置的研制对生态水文过程模拟、参数获取与结果验证具有重要意义。在合理创新基础上,构建了便携式生态水文实验与监测系统(Eco-monitors)。Eco-monitors由植被覆盖度动态获取系统(VC-DAS)、便携式光合作用测量系统、便携式人工模拟降雨装置、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置等功能模块组成。Eco-monitors及其各功能模块的集成与设计重点突出便携性特点,既包括现有产品如便携式光合作用测量系统、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置;也包括自主创新部分如植被覆盖度动态获取系统(VC-DAS)采用摄像头方案代替传统的数码相机,便携式人工模拟降雨装置采用人工压力泵,克服了蓄电池或电力传动装置供电要求高且难以携带的限制。Eco-monitors在多项研究项目中得到了成功应用。     

基于SVAT模型的喀斯特地区水文过程尺度效应研究

水文模型尺度效应是水文学研究的前沿问题,为深入探索水文模型的空间尺度效应,本文采用耦合遥感数据的 SVAT 模型,分别在研究区—区县单元—小流域三个不同量级的空间尺度,基于蓝水绿水视角,对贵阳市非城镇地区的水文变化过程进行模拟,结果表明：在降水量保持不变的情况下,随着植被覆盖度的不断增加,三个不同空间尺度的生态绿水量均呈线性增长趋势;渗漏量在区县和小流域空间尺度,产生了少量异常值,但均为小数点第三位之后的微小波动;水文变化趋势总体上表现出良好的一致性;SVAT 模型对研究区水文变化过程的模拟,尺度效应影响较为有限。     

雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流域GDP数据空间化估算与分析

雅鲁藏布江-布拉马普特拉河是重要的国际河流,掌握该流域GDP数据空间分布状况及其变化信息,有助于制定合理的国际河流管理政策,维护区域稳定和发展。传统的GDP数据以行政区为统计单元,不便于国际河流相关信息的统计分析。以土地利用数据为基础,实现了雅江流域GDP数据空间化估算。结果表明,印度、孟加拉国在GDP总量方面均有一定优势,不丹和藏南的总量相对较小,但是增速最快,所有区域中第二产业所占比重均不大,说明全流域整体工业发展水平不高,而藏南主要经济来源是农业,其它产业比重较小。     

星-机一体的水力几何形态流量估算方法

河川径流变化的监测是水资源开发及生态建设的基础。但我国仍然存在大范围的水文资料匮乏地区,水资源储量及变化资料的缺失制约着区域社会经济发展。低空遥感及卫星遥感数据能快捷方便地获取河流信息,为此将卫星遥感数据与低空遥感数据相结合,依据水力几何形态理论,通过低空遥感数据建立表征河流水力几何形态的数字模型,在卫星遥感长序列数据的支持下进行流量估算研究,为水文资料匮乏区的中小河流流量监测提供一种新方法。选取位于新疆的玉龙喀什河为研究区,建立表征河流水力几何形态的数字模型,应用卫星遥感数据计算23次不同时期的流量。将计算结果与水文站实测数据对比验证,结果表明,当流量小于200 m³/s时,基于水面宽的水力几何形态流量估算方法效果较好,其中均方根误差结果为4.65 m³/s,对该地区进行精细化的水资源管理时具有较强的参考价值;当流量大于200 m³/s时,同时使用水深和水面宽的水力几何形态流量估算方法具有更好的精度评价结果,80%的流量估算结果在许可误差范围内,对该地区的洪水预报具有参考意义。