基于Markov-FLUS模型的饶河流域土地利用多情景模拟分析

流域在不同发展目标定位下的土地利用需求有所不同,科学合理调控土地利用变化是实现流域土地资源高效利用、生态-社会-经济协调发展的重要基石。以饶河流域为例,基于Markov-FLUS耦合模型综合考虑自然人为两方面,选取12类驱动因子,以2005年土地利用数据为初始值,利用2010、2015年实际土地利用类型数据进行验证改正模型,结合惯性发展、耕地保护、生态优先等情景设置,对2035年饶河流域土地利用进行模拟分析,以满足流域不同发展目标导向下的国土空间优化配置。研究结果表明：(1)该模型在饶河流域的适用性较强,模型总体精度达到98.01%,Kappa系数为0.9627,大于0.80,为今后该区域的土地利用模拟提供了方法借鉴。(2) 3种情景设置基本满足饶河流域不同发展诉求,针对不同发展目标,流域土地利用结构变化明显,其中耕地、建设用地变化显著。(3)惯性发展情景、耕地保护情景、生态优先情景下,建设用地扩张趋势分别为39%、16%、12%,表明落实耕地保护、生态优先政策需要加强约束建设用地扩张,进一步调整用地结构以提高土地利用效率。综上所述,基于Markov-FLUS模型对饶河流域土地利用进行...     

湖泊型流域洪涝灾害经济损失多情景模拟——以南四湖流域为例

洪涝灾害情景模拟与损失预估对湖泊型流域防洪减灾和可持续发展具有重要意义。以我国典型的湖泊型流域南四湖流域为例,利用CA-Markov模型预测2030年三种用地情景,采用P-III型概率曲线构建10、20、50、100 a四个重现期强降雨情景,得到12种组合情景;通过InVEST模型和等体积淹没法量化不同情景的径流和淹没深度;在各产业GDP空间预测的基础上计算12种情景的洪涝直接经济损失。结果表明:(1) CA-Markov模型在南四湖流域的土地利用模拟精度较高,三种用地情景的各地类变化显著;(2)用地变化对流域洪涝灾害的影响显著,其中城镇发展情景下洪涝灾害风险最大,而生态保护情景风险最低;(3)暴雨强度会明显增加各用地情景的经济损失,但增幅在50 a重现期后有所减缓;生态保护情景的经济损失最少,介于97.39-128.81亿元之间,与其他情景相比,该情景可在一定程度上减少洪灾损失。为此,在气候变化背景下湖泊型流域可持续发展应充分考虑土地利用变化对洪涝灾害风险的影响,合理扩张城镇建设用地,优化布局生态用地,充分发挥国土空间规划在防洪减灾方面的作用。     

皇甫川流域大型土壤动物对不同水土治理措施的响应

为了解大型土壤动物对不同水土治理措施的响应,于2008年5～9月,采用手拣法采集大型土壤动物,以内蒙古皇甫川流域人工工松树林、人工杨树林、人工锦鸡儿灌木林、人工沙打旺草地、撂荒地和农田6种不同土地利用方式为采样地,分析了大型土壤动物群落的组成、多样性和季节动态特征.共捕获大型土壤动物1 653只,隶属于1门3纲8目34...     

皇甫川流域中小型土壤动物对不同水土治理措施的响应

2007年9月至2008年9月,选择皇甫川流域人工松树林、人工杨树林、人工锦鸡儿灌木林、人工沙打旺草地和撂荒地等不同水土治理措施植被为采样地,以耕作农田为对照,研究了中小型土壤动物对不同水土治理措施的响应。结果表明,共捕获中小型土壤动物14 747只,隶属于5门7纲10类。优势类群为线虫,占群落总个体数的比例为95.53%,常见类群为螨类和弹尾类。不同水土治理措施样地中,中小型土壤动物群落个体数较农田有提高趋势,但无显著差异（P >0.05）;螨类和弹尾类个体数显著提高（P<0.05）;线虫个体数在人工沙打旺草地中显著高于农田（P<0.05）;中小型土壤动物垂直分布的表聚性较农田增强,并以地表凋落物覆盖显著的人工林最为明显。RDA分析表明,中小型土壤动物群落、螨类和弹尾类个体数与凋落物厚度、树（草）高和土壤有机质的变化之间呈显著正相关。以上结果说明,研究地区采取的几种水土治理植被均有利于中小型土壤动物群落的恢复;相比较,地表凋落物层显著的人工松树林、人工杨树林更加有益于螨类和弹尾类的恢复。     

程海富营养化机理的神经网络模拟及响应情景分析

揭示湖泊的富营养化发生机制、定量了解关键生源要素与藻类爆发的因果关联对有效改善湖泊水质和富营养化状况具有重要的科学与决策意义。本研究以云南省程海为例,建立了基于神经网络的响应模型,对富营养化机理进行了研究,并从富营养化核心驱动因子识别、神经网络模型构建与架构分析以及叶绿素a(Chl a)与TN、TP浓度降低的响应模拟几个方面对面临的科学问题进行探索。模拟结果表明,神经网络模型必须在适当的架构下才能产生科学合理的结果;程海的富营养化机制由一个氮(N)、磷(P)共限制的营养盐-藻类动力结构主导,但在此主导结构下拥有氮型限制的次级结构。基于神经网络模型模拟,推导出一系列基于湖体水质控制的Chl a响应的非线性函数,为程海的富营养化控制提供了快速决策支持。     

基于CLUE-S模型的湟水流域土地利用空间分布模拟

基于CLUE-S模型,以青海湟水流域为研究区,分别利用1987年和1996年两期土地利用数据,运用逻辑斯蒂逐步回归方法选择自然和社会经济等18种驱动因子,对湟水流域2007年土地利用空间分布格局进行模拟.在此基础上,构建流域2008-2027年土地利用变化的4种不同情景,并模拟了4种情景下2027年土地利用空间分布格局.研究结果表明:(1)两期模拟总体精度分别达到了88.31％和89.96％,4种Kappa指数均大于0.82,表明CLUE-S模型在湟水流域具有良好的土地利用模拟能力.(2)流域2008-2027年不同情景下,城乡居住建设用地在4种情景下均表现为明显增加,主要沿湟水河谷区域扩展,而3种退耕情景下的坡耕地空间格局模拟结果存在着明显的空间差异,从情景二、情景三到情景四,流域内坡耕地范围逐步减小,林地、草地面积范围增大,退耕部分主要分布在流域东部、西部和北部:东部地区退耕的范围主要是集中在乐都县和民和县;北部地区退耕的范围主要是集中在大通县县城北部;西部地区退耕范围则主要在湟源县县城西北部的湟水河两岸.研究结论可为湟水流域未来土地利用管理、规划及政策的制定等提供参考依据和决策支持.     

内蒙古皇甫川流域不同水土治理措施对粪金龟子群落的影响

2007年9月-2008年9月,采用诱捕法采集粪金龟子,以不同水土治理措施植被、耕作农田和天然草地为研究样地,分析了内蒙古皇甫川流域不同土地管理方式对粪金龟子群落的影响.共捕获粪金龟子6169头,隶属于2科5属15种,优势种为直蜉金龟和小驼嗡蜣螂,分别占总捕获量的66.54％和13.26％.缺少适宜林地环境生存的种类是研究地区粪金龟子群落的基本特征.与耕作农田和天然草地相比,几种水土治理措施均未导致粪金龟子群落多度、生物量和物种丰度显著提高.粪金龟子群落生物量和物种丰度以及功能群Ⅱ和Ⅲ的多度与树(草)高呈显著负相关.受长期农业耕作以及缺少大型食草动物的影响,皇甫川流域的粪金龟子群落组成以功能群Ⅱ和Ⅲ为主,功能群Ⅰ的多度和物种丰度较低.研究地区居民点的人畜粪便为粪金龟子提供了充足的食物,导致附近耕作农田中的粪金龟子群落具有较高的多度和丰度.天然草地是该流域粪金龟子群落的适宜生境.在区域尺度推广水土流失综合治理成功经验的同时,保护天然草地和饲养适当数量家畜(特别是大型食草牲畜)是维护粪金龟子群落多样性和生态系统功能的有效措施.     

多模型耦合的流域水土流失监测方法研究

濑溪河流域存在严重的水力侵蚀,同时伴随着水土流失分布点多线长面广的特点。而现有模型几乎只考虑了流域尺度上的坡面和河流侵蚀过程,或者是坡面和流域尺度的基本结合,导致对土壤侵蚀全过程的物理模拟产生高度不确定。为此提出不同尺度模型相互耦合的水土流失监测体系,从三级顺序"坡-沟-河"结构,全面反演流域水沙的时空动态迁移过程。基于多模型耦合体系的流域应用表明:①单一模型在濑溪河流域都表现出良好的适用性和准确性。RUSLE模型预测结果与实际侵蚀规律高度吻合,SWAT模型参数率定的纳什效率系数(NSE)和决定性系数(R²)均达到0.6以上,模拟预测结果鲁棒性较好。②不同侵蚀模型的特征反演相互关联程度都达到极显著相关水平。WEPP和SWAT模型间R²为0.96,RUSLE和WEPP模型间R²为0.77,RUSLE和SWAT模型间R²为0.58,分析表明坡面、细沟和河道尺度下的侵蚀物理过程是紧密耦合的。③多模型耦合的水土流失全过程风险评价较单一模型更为全面。通过对土壤侵蚀物理过程的空间耦合,实现流域土壤侵蚀、细沟冲刷和河道沉积等相关侵蚀过程的整体性评价,利于从不同尺度全面反演流域水沙输移的时空动态迁移过程和预测侵蚀风险发生规律。     

基于SD模型的上海市湿地生态系统服务变化过程与情景研究

湿地是上海市城市生态系统的重要组成部分,但其面积在过去几十年间显著减少,影响了城市生态系统服务的供给。通过构建系统动力学模型模拟上海市湿地生态系统服务变化的过程与未来情景。研究表明:(1)该模型有效且具有实际仿真的可操作性,并可根据政策要求设定参数,对上海市湿地生态系统服务价值的变化进行模拟与预测,结果可为上海市制定湿地保护或生态规划政策提供可行性分析。(2)对4种不同"湿地面积增长率"的情景进行模拟,结果显示了未来经济以不同增速条件发展时湿地生态系统服务价值的变化:无论哪种情景,文化服务价值最高,占总价值的64%以上,且在研究时段内呈增长趋势;调节服务价值次之,呈增长趋势;供给服务价值最低,呈下降趋势。(3)到2025年,按照现行的政策,上海市湿地面积将减少至37.92×10⁴hm²,届时湿地生态系统服务价值为4711.56×10⁸元,占上海市国内生产总值的20%,人均1.95×10⁴元。     

基于Markov和CLUE-S模型的敦煌市土地利用/覆盖格局情景模拟

建立Markov过程模型和CLUE-S模型的集成模型,选取海拔、坡度、到河流距离、到道路距离等13个驱动因子,基于敦煌市1996年的土地利用/覆盖变化(LUCC)数据,对2007年的土地利用/覆盖格局进行模拟,模拟效果较好。设置4种情景对敦煌市2018年土地利用/覆盖格局进行预测,揭示不同情景下的土地利用格局变化。情景模拟结果表明:不论是自然发展型情景还是单纯考虑生态保护和经济发展的情景,都仅是单一需求的考虑,不能实现区域又快又好的发展,是不可持续的发展模式。综合发展型情景弥补了上述情景的缺点,比较全面地考虑了生态环境恢复、经济发展等的需要,是一种比较理想的发展模式。     

小流域水源涵养林优化配置

通过对嫩江上游二道桥小流域内不同林分类型林冠截留、枯落物持水以及土壤蓄水的观测与调查,采用层次分析法探讨了小流域水源涵养林的配置.结果表明：该流域水源涵养林最优植被类型结构为天然白桦林24.86%、天然黑桦林16.30%、天然阔叶混交林44.49%、落叶松人工林10.88%、草地3.47%;经过层次分析优化后,流域水源涵养能力显著增加,其中以土壤层有效贮水量和最大贮水量增加幅度最大,分别比现状提高了33.05%和27.78%.层次分析优化结果可以作为试验小流域水源涵养林最优空间配置结构.     

基于评价指标为潜变量背景下的纸坊沟流域水土保持技术评估

基于生态技术属性、应用、实施效果以及其特征表现为潜变量的现实,以潜变量为背景,构建了两种情境下的指标体系,在纸坊沟流域对两种情境下的指标体系进行验证,两种情境下的评估结果与均现实相符。水土保持技术选择、应用过程以及技术体系之间的互动关系直接涉及到的是潜变量,为了精确揭示水土保持技术的本质、明确纸坊沟流域水土保持技术应用过程及水土保持技术体系,基于课题"生态技术评价方法、指标与评价模型开发"的相关研究成果以及2018年5月农户调研资料,构建了包括技术成熟度、技术应用难度、技术相宜性、技术效益以及技术推广潜力在内的5个一级指标、技术完整性等在内的14个二级指标的水土保持技术评价指标体系,并对各指标进行解释,得到评判标准。采取一二级指标相互印证的方法对安塞县纸坊沟流域水土保持技术进行评估,结果表明:纸坊沟流域3个阶段水土保持技术综合得分分别为:0.5399(0.5191),0.6724(0.6628),0.7866(0.7748)(括号内为基于二级指标的测算结果)。流域内水土保持技术及其应用综合效果不断提升,动因为:水土保持技术体系不断优化,水土保持技术选择与应用的要素的耦合度不断提升,并与农户理念趋近。     

水土保持技术对农业产业-资源系统的耦合路径分析

水土保持技术通过对农业产业-资源系统的作用过程影响系统的耦合效果,这一过程及效果成为农户选择水土保持技术的关键点。为此,运用结构方程模型,以典型流域—县南沟流域为对象,通过对2017年130户农户调研资料的分析,揭示其作用过程和耦合路径,结果表明:水土保持技术与生态环境、农业资源、农业产业形成了一个新的耦合系统,水土保持技术对生态环境的改良和农业资源量的增加具有促进作用,对农业产业的发展具有抑制作用。但其(现阶段)作用强度较弱,(水土保持技术对三者的路径系数分别为0.13、0.08、-0.02);这是由于县南沟流域基本完成了规模化治理,故水土保持技术对农业产业-资源系统的影响的弱强度是基于水土流失治理及治理措施有效发挥基础之上的弱强度,同时隐含了现有的水土保持技术体系已不能完全满足新时代背景下生态文明建设与经济发展的需求,需要围绕水土保持内涵经营过程,以生态功能的提升为主线,筛选、集成、研发水土保持技术,形成可适化水土保持技术体系。     

黄土丘陵区小流域典型造林整地工程土壤水分特征曲线模拟

开展工程措施进行植被恢复是防治水土流失的有效方式。在黄土高原半干旱小流域,工程措施能够利用有限的降水资源,促进植被恢复。以甘肃定西龙滩小流域典型水土保持工程措施鱼鳞坑和反坡台为研究对象,采用配对实验设计,在实测土壤水分特征曲线基础上,分别利用Brooks-Corey、Gardner和van Genuchten模型对不同工程措施的土壤水分特征曲线进行模拟。研究结果发现:反坡台(10.63%)、鱼鳞坑(9.78%)粘粒含量显著高于对照样地(9.66%),粉粒含量反坡台(71.42%)与鱼鳞坑(70.74%)显著高于对照样地(67.85%)。较之对照样地,反坡台和鱼鳞坑饱和导水率分别提高53.5%和46.9%。3种模型均能够很好的拟合不同工程措施土壤水分特征曲线。较之对照,工程措施长期开展后,鱼鳞坑和反坡台的土壤有效水分分别提高15%和9%,且对表层土壤水分有效性的改善更为显著。     

流域管理决策支持系统研究进展

流域管理决策支持系统是为帮助流域管理者实现水资源优化配置而研发的智能系统,其模拟结果直接影响流域管理的科学性和实用性.本文从水量模拟和调配系统、水质监测和评价系统、流域综合管理系统三方面总结了国内外的相关研究,并分析了现存系统的特点和存在的问题,同时简要介绍AQUA-Tool、Elbe-DSS、HD等代表性系统的模型结构和发展现状.模拟结果精确稳定、工作流程简洁、用户可视化程度高是流域管理决策支持系统的研发重点,优化方案选择模型和三维可视化工具、研发跨流域综合管理系统、提高利益相关者的参与度是未来该领域的发展方向.     

基于SIMWE模型的典型水土保持措施侵蚀阻控路径分析——以通双小流域为例

针对东北黑土区长缓坡地形条件下坡面产汇流集中易加剧土壤侵蚀的问题,本研究基于GIS和SIMWE(SIMulated Water Erosion)模型,引入连通性指数和水深空间分布作为水文连通性与径流路径的衡量指标.通过量化不同典型水土保持措施对土壤入渗速率和地表曼宁糙率的影响,构建梯田数字高程模型(DEM)模拟表征地表...     

水土保持林土壤改良效益评价研究

森林效益评价是目前林业研究的热点,也是难点问题,通过评价水土保持林土壤改良效益,对效益评价的方法和思路进行了探索。指出水土保持林土壤改良效益指标体系的总目标层为效益评价综合指数,准则层包括土壤肥力、抗蚀性能和抗冲性能３个方面,指标层由水稳性团聚体含量、有机质含量、土壤酶活性、ｐＨ值、平均重量直径、团聚度、分散率、土壤硬度和渗透系数构成。在计算效益评价综合指数时,首先要对各项指标的实测数据进行处理,     

变化环境影响下张承地区水源涵养和土壤保持服务及其权衡与协同关系研究

张家口-承德地区是京津冀环境优化的战略要地,开展水源涵养和土壤保持服务的定量评估对维护生态系统的安全运行意义重大。综合运用InVEST模型、空间偏相关统计制图及情景模拟等手段,分析了张承地区近20年水源涵养和土壤保持服务的时空变化特征及其复杂空间关系,定量评估二者对气候和土地利用变化的响应。结果表明:2000-2019年张承地区水源涵养量、土壤保持强度分别以0.97mm/a的速率增加和-0.50t hm^-2 a^-1的速率减少,空间上二者均呈西低(坝上高原)东高(冀北及燕山山地)的分布格局。冀北及燕山山地落叶阔叶林生态区水源涵养和土壤保持能力强,二者空间关系以协同为主;坝上高原草原与农业生态区则权衡关系更占优势。水源涵养和土壤保持服务关系复杂,空间上与区域土地利用类型、植被覆盖度和坡度关系密切。情景模拟结果表明,降水(r=0.90,P<0.01)对水源涵养服务的影响远大于潜在蒸散(r=-0.37,P>0.1),且降水变幅越大对水源涵养量的作用越强;而降水变化与土壤保持服务呈线性正相关关系,降水每增加(减少)10%引起土壤保持强度增加(减少)74.7t/hm²。预计2030年张承地区水源涵养能力将明显提升,土壤保持能力变化不大,届时人为干扰(如生态保护、规划控制)将对提升水源涵养服务产生重要影响。为改善张承地区水源涵养和土壤保持服务,需同时考虑多种因素的综合影响,以制定更合理的政策措施。建议继续加大国家重点生态工程建设,尽可能限制建设用地扩张,提高植被覆盖度,尤其加强保护关键坡度带是今后生态管理工作应关注的重点。     

基于遥感RMMF模型的喀斯特地区水土保持功能评价

为支撑我国重点生态功能区生态效益补偿工作,以半物理水土模型RMMF (The Revised Morgan, Morgan and Finney Model)为基础,通过对模型部分输入物理量进行遥感化改进建立了遥感RMMF模型(RS-RMMF)。为在评价中进一步排除气象要素波动带来的水土流失量变化,通过RS-RMMF模型构建了单位降水截留率、单位径流冲蚀量以及单位径流运输量3项评价指标来综合评价区域生态系统本身的水土保持能力。研究选取了《全国主体功能区规划》中的桂黔滇喀斯特功能区为典型区,分别基于上述评价指标和经典RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)模型开展了2011年至2019年水土保持功能计算与对比。结果表明：相比2011年,2019年喀斯特功能区的降水截留率PI₀升高1.94%,径流冲蚀量H₀下降5.96×10^-4 Mg/hm~2,径流运输量TC₀下降6.0×10^-7Mg/hm~2,水土保持功能综合得分增加0.83,水土...     

伊克昭盟项目区水土保持的生态效益

根据对伊克昭盟世行项目区的监测数据,分析了项目实施后水土保持的生态效益。结果表明,项目实施后,改善了土壤的理化性质,增加了土壤肥力;同时,提高了当地的林草植被覆盖度,改善了局地气候,促进了生物多样性的恢复和保护。