雪冰中黑碳的研究进展

黑碳气溶胶是大气气溶胶的一种重要成分,沉降在雪冰中可减小雪冰表面的反照率,影响雪冰的融化过程,导致全球和区域气候变化。黑碳气溶胶沉降在雪冰中产生的辐射强迫效应值得关注。中国是黑碳气溶胶排放大国,雪冰黑碳的问题值得关注。现简要介绍雪冰中黑碳研究的意义,着重综述雪冰中黑碳的来源,历史环境记录,现有的计算雪冰中黑碳对反照率影响的方法以及其辐射强迫效应的研究。对未来雪冰中黑碳的研究进行了展望,提出3点今后需加强研究的内容。     

煤矿开采区地表水-地下水耦合模拟

为定量评价煤炭资源大规模开发,下垫面条件改变导致的水平衡要素及地表水与地下水转化关系的改变,急需开展煤矿开采区地表水水文过程和地下水动力过程耦合模拟研究。在考虑地表水入渗补给的滞后性和在RCH程序内部实现垂向上对多层单元格补给表达的基础上,构建基于分布式水文模型（SWAT）和模块化地下水动力模型（MODFLOW）的耦合数值模型（SWATMOD）,并将该模型应用于秃尾河流域--锦界煤矿采煤工程实例中。实例应用表明：耦合模型能较准确地模拟地表水水文过程和地下水动力过程及地下水动态变化过程,可用于预测秃尾河流域煤矿开采区地表水和地下水转化规律的改变。     

黄河主要产沙区近年降水变化的空间格局

采集整理了1966—2014年黄河潼关以上主要产沙区604个雨量站的逐年逐日降水,并基于GIS制作了1966—2014年不同时期的年降水量和日降水大于10、25、50、100 mm的年降水总量空间分布图,进而分析了该区不同雨强量级的年降水总量和大暴雨发生频次等降水因子的变化。研究认为,该区日降水大于50 mm的降水总量占年降水量的比例为2.3%~7.8%,其产洪产沙量占年水沙量的比例分别为20%和44%;在潼关来沙较天然时期减少约88%的2005—2014年,河龙间大部、泾河上中游和汾河上游等日降水大于10、25、50 mm的年降水总量总体偏丰;2010—2014年,日降水大于25 mm和50 mm的年降水总量偏丰程度更高,其偏丰程度大于5%的面积占研究区总面积的比例分别为76.9%和69.6%;近年降水偏枯区主要分布在祖厉河和渭河上游西北部。2012—2013年几乎是1966年以来研究区降水最丰的时段。2001年以来,河龙间大部和泾河上中游地区大暴雨发生频次偏高,其它区偏低。     

黄河流域近百年产沙情势变化

基于实测降雨、水文、坝库拦沙、灌溉引沙和河道冲淤等数据,分析了1919-2016年黄河潼关以上流域实际产沙量、产沙强度和不同时期下垫面在多年平均降雨情况下的产沙能力变化。结果表明,20世纪30年代以后,流域产沙能力逐渐增大,至50~70年代达到顶峰;80~90年代以后,流域产沙逐渐减少,其中2010-2016年流域产沙强度只有1919-1939年的23%。1919-2016年流域年均产沙量为13.7亿t。在多年平均降雨和1919-1953年下垫面情况下,潼关年均来沙量应约为14.6亿t;至1956-1975年,该值达到16.6亿t。     

黄土丘陵沟壑区林草变化对流域产沙影响的规律及阈值

围绕植被变化与土壤侵蚀的关系,已有海量研究成果,但提出的植被盖度～土壤侵蚀量响应规律多是基于坡面小区上的观测成果,反映的是植被变化在"本地"的水沙响应,不能反映植被变化对小区下游的坡面、沟谷和河道的"异地"效应。在近20年黄河来沙锐减的背景下,如何在较大的流域尺度上,评价林草植被变化对流域产沙量的影响,已经成为亟待解决的重大科学问题。本文在对黄土丘陵区地貌和产沙特点分析的基础上,引入了易侵蚀区、林草有效覆盖率(V_e)和产沙指数(S_i)等新概念,利用黄土丘陵区流域实测的林草、降雨和水沙数据,分析了林草植被变化与流域产沙能力之间的响应规律及其机制,提出了可基本遏制流域产沙的林草阈值。研究结果表明,流域的产沙指数均随林草有效覆盖率V_e的增大而减小,二者呈指数关系;当V_e≤40%～45%时,产沙指数随V_e增大而迅速降低,不过在V_e20%时改善植被的减沙作用不太稳定;V_e40%～45%后,改善植被导致的产沙指数递减速率越来越小。流域的林草植被覆盖程度越差,产沙强度对雨强越敏感;当V_e50%～60%后,决定流域产沙量的首要因素是有效雨量,雨强次之。林草植被改善是通过对流域产洪量和含沙量的共同减少、以及地表径流输移阻力的增大,实现对流域产沙量的削减;削减洪水和增大阻力均将导致黄丘区地表的水蚀动力降低,含沙量降低则是地表物质补给困难的直接反映。对于黄土丘陵区的第1～4副区,要实现流域产沙模数≤1000 t/(km~2·a)的目标,林草有效覆盖率应达55%～65%以上,该阈值自东向西递增。对于黄土丘陵区的第5副区,当林草有效覆盖率V_e45%～50%后,流域产沙量也趋于稳定,但因产沙机制特殊,即使林草梯田有效覆盖率达到60%以上,仍难以基本遏制流域的产沙;而且,河(沟)床产沙占比越高,依靠林草植被改善而削减产沙的难度越大。该成果可为认识近20年黄土高原植被改善与黄河泥沙锐减的关系,提供理论依据。     

黄河河潼区间NDVI变化及其对气候的响应

以黄河河潼(河口镇—潼关)区间为研究区,采用1982—2015年第三代GIMMS NDVI数据集为研究数据,利用最大值合成方法获取月数据,并将其分为7个时间段,对研究区生长季5—9月NDVI变化进行趋势分析和相关分析,并利用研究区内23个气象站数据分析了降水量与气温对NDVI的影响。结果表明:在时间上,1982—2015年5—9月NDVI变化呈显著增大趋势(显著性水平P0.01),7—8月NDVI增长较快;在空间上,泾河、无定河、北洛河、窟野河、皇甫川和浑河流域NDVI逐渐增大,其中无定河流域NDVI增大趋势最为明显;降水量与气温对NDVI影响具有一定的滞后性,滞后时间为一个月时,NDVI与降水量的相关系数最大(r=0.50),且成正相关关系;NDVI与气温的相关性较差,时滞尺度大多为3个月。     

黄土丘陵沟壑区第五副区产沙机制初步分析

黄土丘陵沟壑区第五副区主要分布在黄土高原西北部,是黄河流域的主要产沙区之一。通过实地调查,结合下垫面、降雨和水文实测数据,本文分析了该区泥沙来源、产沙特点及其影响因素,揭示了该区的产沙机制。实地调查表明,黄土丘陵沟壑区第五副区大体是黄土丘陵和黄土台塬的结合产物,地表光滑的黄土丘陵群包围着一片黄土盆地或阶地是其地形特点,土壤疏松、植被稀疏是其地貌特点,雨量和雨强小、蒸发强是其气候特点。该区泥沙不仅产自周边丘陵,且相当部分来自中部盆地的河(沟)岸崩塌或滑坡,是黄土高原河沟侵蚀最剧烈的地方,有些河流的河沟产沙占比甚至高达2/3;从支毛沟,到干沟和河道,随着汇入水量的增加,产沙强度逐级增大。周边丘陵所产洪水是河(沟)岸崩塌或滑坡的主要动力,其植被覆盖或梯田规模是影响产洪的关键因素。该区产洪能力偏低,但洪水的含沙量高、且很难显著降低。     

黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。     

黄河上游黄土高原入黄沙量变化分析

早在20世纪70年代黄河上游实测输沙量就开始大幅减少，其中黄河下河沿站1970—1999年和2000—2022年年均输沙量分别较天然时期减少50%、76%,但迄今有关该区沙量锐减的研究极少。以黄河李家峡大坝至青铜峡区间的黄土高原为重点，分析了该区水沙和有效降雨变化情况、水库和淤地坝在不同时期的拦沙作用，还原了1960年以来流域实际产沙量，研究了梯田和植被变化情况，计算了现状下垫面在设计降雨情景下的产沙量。研究结果表明：20世纪后期水库拦沙是研究区输沙量大幅减少的主要原因，2000年以来梯田建设和植被改善逐渐成为主要减沙因素、水库拦沙次之；基于2021年下垫面推算的下河沿以上产沙能力为5 800万～6 600万t/a、较天然时期降低约62%,清水河流域产沙能力为1 920万～2 743万t/a、较天然时期降低约53%;未来植被改善潜力很小，新建梯田仅可弥补老旧梯田田埂损毁的负面影响，因此产沙能力进一步降低的潜力极小。