Institutional Repository of Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS
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Study on Morphodynamics of Shadow Dune
No full text风影沙丘作为一种由障碍物引起的风积地貌，广泛分布于干旱、半干旱地区的荒漠与海岸地带以及火星等地外星球表面。其形成过程和发育机理因障碍物类型（如：山体、小土丘、灌丛沙丘、植被等）、形态、规模及风况条件（如： 单峰风况、 双峰风况等）而存在较大差异。 塔克拉玛干沙漠东缘台特玛湖干涸湖盆的风影沙丘主要发育在灌丛沙丘背风侧，其形态因灌丛沙丘规模、 空间分布特征等因素而差异显著，而以往关于此类风影沙丘的研究比较匮乏，其发育机理和形成过程尚不完全清楚。因此，深入了解风影沙丘的演化过程、形成环境和发育机理， 对于明确风蚀风积过程具有重要的理论意义。 本论文综合应用地貌学、沉积学和沙丘形态动力学等学科知识， 通过野外测量、遥感解译、风洞模拟及数值模拟相结合的手段，从风影沙丘空间分布格局、形态特征、 层理结构等方面，分析和探讨了风影沙丘的形成环境、发育机理以及与其他沙丘类型的关系， 得到以下结论：作为引起风影沙丘发育的障碍物（灌丛沙丘）， 台特玛湖干涸湖盆内发育的灌丛沙丘是由流水过程和风沙活动长期相互作用的产物。灌丛沙丘空间分布格局和稳定性受河流分布影响显著。 在靠近现代河道附近，灌丛沙丘上覆植被生长良好； 随着离河道距离的增加，灌丛沙丘由固定沙丘逐渐演变为半固定沙丘， 最终在干涸河漫滩和古河道附近演变为完全活化的沙丘。受灌丛沙丘形态和空间分布特征的影响，区内风影沙丘长短不一，形态多样。灌丛沙丘坡脚分离流对其周围气流分布具有重要的影响。因灌丛沙丘迎风坡坡度较陡， 气流在迎风坡坡脚处产生明显的分离现象， 导致沙丘坡脚附近风速和剪应力减小， 大量沙粒沉积， 这种沉积过程持续到坡脚处不再产生分离流为止。坡脚积沙为风影沙丘的发育提供了稳定的沙源。此外， 通过雷诺分解和象限分析法发现，坡脚分离流的存在， 将会导致对雷诺剪应力有抑制作用的湍流猝发过程（高速上抛过程（Outward interactions）和低速下洗过程（Inward interactions））的发生频率增加。瞬时雷诺应力在平均剪应力的生成中扮演着重要角色。在瞬时湍流猝发过程中，对雷诺剪应力有促进作用的低速上抛（Ejection activity）和高速下洗过程（Sweep activity） 对平均雷诺应力的贡献较大，其发生频率几乎是其他两个猝发过程（高速上抛（Outward interactions） 和低速下洗（Inward interactions））的 2倍。 当瞬时雷诺应力比平均雷诺应力高一个量级时，瞬时雷诺应力以少于 5%的时间分担率贡献了近 30%的平均雷诺应力。由此推断， 在近地表沙粒的起动过程中，瞬时雷诺应力可能扮演着非常重要的角色。 因此， 基于时间平均的风速数据预测的输沙通量因数据平均过程中的平滑作用而存在较大的不确定性。风影沙丘形态特征受风速大小、灌丛沙丘形态参数影响显著。数值模拟（CFD）和风洞模拟结果显示， 不论灌丛沙丘高度、底面直径或纵横比等形态参数如何变化，风影沙丘长度都随摩阻风速的增大以幂函数的形式减小。 CFD 模拟结果显示， 当摩阻风速小于 0.40m s-1 时，风影沙丘长度随摩阻风速的增大而急剧减小；当摩阻风速为 0.40~0.60m s-1 时，其幅度略有减小；当摩阻风速高于 0.60m s-1 时，风影沙丘长度随摩阻风速的增大基本保持不变。 此外， 灌丛沙丘底面直径的增大有助于风影沙丘的横向增宽和纵向延伸。 风洞模拟的积沙数据显示，由于灌丛沙丘高度对气流中沙粒的阻碍作用， 导致风影沙丘长度呈现随灌丛沙丘高度的增加而减小的趋势。 因此， 仅基于流场数据来量化障碍物高度对积沙范围的影响，其结果存在较大的不确定性。障碍物纵横比不能完全描述其尾流区流场结构和积沙形态。由于障碍物纵横比综合考虑了高度和宽度的变化而广泛用于风沙地貌学领域。而本项研究发现，当纵横比一定时（如：纵横比为 1:3）， 灌丛沙丘高度（如：高度为 0.30m， 0.40m，0.50m） 和宽度（如：宽度为 0.90m， 1.20m， 1.50m） 存在众多种组合情况，即在相同纵横比、不同高宽组合下的障碍物，其尾流区流场结构和积沙形态呈现明显的差异。因此，在描述障碍物周围流场结构与积沙形态时，要综合考虑障碍物纵横比和高宽绝对值本身的影响。相邻灌丛沙丘的空间排列方式对风影沙丘纵向延伸的影响显著。研究发现，发育在相邻灌丛沙丘中间的“二次沉积区” 是风影沙丘进一步发育的前提条件。该“二次沉积区” 的发育主要受灌丛沙丘横向间距的影响。当两个灌丛沙丘一前一后且沿主风向排列时，其前后间距影响着串珠状风影沙丘的形态和规模。串珠状风影沙丘形成的临界间距主要取决于上风向灌丛沙丘尾流恢复区的长度。风况和沙源供给条件共同决定风影沙丘的走向和稳定性。研究区风影沙丘发育在窄单峰风况下，其走向与合成输沙方向一致。 灌丛沙丘对气流的分离作用是单峰风况下风影沙丘发育的主要原因。 然而，单向风况并非是风影沙丘发育的必要条件。当双向风作用于不可侵蚀地表，且在地表障碍物的作用下，同样能够发育出较长的风影沙丘， 其外部形态和走向主要由风况（风向夹角和各风向的输沙率） 和沙源供给条件决定。 随风况和沙源供给条件的变化， 风影沙丘的末端也会衍生出新的沙丘类型，如：新月形沙丘、 独立于风影沙丘的线形沙丘等
SPATIAL DISPERSAL INVESTIGATION OF DRINKING WATER SUPPLY UTILITIES. CASE STUDY: RUNDA,SOUTHERN RWANDA
No full text供水能力下降已成为环境和健康领域的一个全球性问题。 2015 年《世界水资源开发报告》估算，到 2025 年全球人口的三分之二将面临水资源短缺，如果这一危机不能得到有效地解决，水资源短缺与水环境恶化不仅会使可持续发展的前景成为泡影，还可能威胁到人类的生存。全球人口激增、气候变化和城市化导致农业用水、工业用水和生活用水增加，尤其在非洲农村及偏远地区，饮用水供水设施的建设速度远不及呈指数增长人口的水资源需求。本研究以卢旺达南部润达地区为例，调查了润达地区水资源与饮用水供应设施的现状和问题，研究了居民分布与饮用水供应设施间的空间关系，分析了饮用水管理、社会经济发展等对区域饮用水可达性的影响。这项研究将为当地政府推进区域饮用水安全和供水设施的完善提供理论和技术支持，为解决当地居民饮用水需求与供水设施不足的矛盾提供可行方案。论文基于遥感影像、 GIS 技术和统计数据，开展了野外调研和居民问卷调查，掌握了卢旺达南部润达地区的饮用水供水系统空间分布，分析了供水系统空间分布与居民取水特征间的关系，研究了饮用水管理、社会经济发展等对区域饮用水可达性的影响。研究结果显示，大多数居民居住在远离当地供水系统和饮用水源的区域，只有部分供水系统可以满足少部分居民的用水需求，其中在有效供水设施 50 m 范围内居住的居民只占 14.95%，50-500 m 范围内居住的居民占 6.67%， 500-1000 m 范围内居住的居民占 5.95%， 1000-1500 m 范围内居住的居民占 70.99%， 大于 1500 m 范围内居住的居民占 1.44%，且大部分供水系统设施（水井、管道、储水罐、水龙头等）由于维护不当而无法有效供水。润达地区地形主要以丘陵为主， 60%的居民居住在丘陵顶部，由于地形因素的限制，加上经济支持不足和缺乏有效的管理，实现居民饮用水供水系统建设和居民水资源分配是一项很具挑战的任务。尽管该地区降雨量充足，但很少有家庭拥有收集雨水的设施。除了与人民贫困和供水系统供应有关的问题外，当地政府在水资源管理方面也缺乏经验。所有这些因素综合作用使得润达地区饮用水供给能力较低。未来在改善润达地区饮用水供给能力方面，本研究为政府和决策者提出了可供参考的具体建议：（1）在当地建立雨水收集系统，指导居民如何收集和利用雨水；（2）将部分供水能力较弱区域的居民搬迁至供水能力强的区域；（3）在供水能力低的区域新增供水设施满足居民用水需求；（4）改善现有供水设施，考虑新建水泵系统将低处的水提升至高处，满足丘陵顶部 60%居民的用水需求
Study on the climate change in arid regions and its impact on water resources in typical river basins of Xinjiang
No full text近几十年来， 在气候变暖背景下， 全球各地温度以及降水模式正发生着快速改变。干旱、半干旱的中亚地区作为“一带一路”建设的重要支点地区， 占全球干旱、半干旱地区总面积的三分之一， 其短缺的水资源是维持该地区脆弱生态环境和制约经济发展的主要因子之一。在全球气候变化背景下，中亚地区水资源安全和生态系统稳定对变化环境的适应能力十分有限。因此，评估气候变化对该地区水资源可能产生的影响十分重要。本研究以中亚地区（包含中国新疆）为研究区，并选取研究区内九个典型流域作为响应区，这九个流域包含了小尺度、中尺度以及大尺度流域，通过基于 GCM（General Circulation Model） 模型降尺度、利用遥感数据进行水文模型的搭建和率定、利用多种偏差校正方法对 RCM（Regional Climate Model） 模型进行误差校正，分析了中亚气候变化的时空分布特征，并进一步开展气候模式与水文模型耦合等方面的工作，研究了气候变化对九个典型流域水资源的影响。 得出的主要结论包括：（1）以 CRU（Climate Research Unit dataset） 格网数据作为参考数据，利用三种降尺度方法，对 18 个 GCM 集进行统计降尺度，研究了中亚降水和温度变化的时空分布特征。研究结果表明，改进的 Delta 降尺度方法和 BMA 降尺度方法对 GCM 输出的降水进行降尺度时，精度明显高于简单的 Delta 降尺度方法；对 GCM 输出的温度进行降尺度时，三种方法的降尺度结果差异并不明显。整体而言，中亚地区降水呈现缓慢的增加趋势，在 RCP（Representative ConcentrationPathway） 4.5 排放情景下， 2021-2060 年相对于 1965-2004 年的平均增长速度为4.63 mm/10a；中亚地区温度呈现明显的上升趋势， 2021-2060 年相对于 1965-2004年的平均升温速度为 0.37 °C/10a。同一时期在 RCP 8.5 排放情景下，暖湿趋势更加明显。降水的变化具有强烈的时空异质性，在中亚的中部和南部部分区域，夏季降水甚至出现了明显的下降趋势。气候变暖在中亚北部地区明显高于南部地区；其中夏季升温速率较其他三个季节最为明显。与此同时，气温升高速率具有强烈的高程和纬度效应，随着海拔（仅在山区）和纬度的增加，升温的速率明显增加。相关性分析结果表明，中亚气候变化与大尺度环流场，如海平面气压、表面温度、径向风、纬向风、垂直风速、位势高度、海温等的异常有较明显的相关关系。（2）采用比例系数法对 TRMM 降水数据进行了误差校正，并将校正后的结果进一步用于 SWAT 和 MIKE SHE 水文模型的驱动。与此同时，本论文利用MODIS 10A2 积雪面积数据对两个水文模型模拟雪盖空间分布的合理性进行了验证。结果表明，利用校正后的 TRMM 降水数据驱动 MIKE SHE 和 SWAT 水文模型，在和田河流域进行水文过程模拟的结果较好，日尺度相关系数 R2 以及纳什效率系数 NSE 均高于 0.6。通过比较 MODIS 10A2 积雪数据与水文模型模拟的雪盖数据，发现两种模型均能较好地反映积雪的时空分布，进一步证明了利用校正后的 TRMM 数据进行水文模拟， 其结果具有合理的时空特征。总体而言，校正后的 TRMM 数据可以代替站点观测数据驱动水文模型，能够在一定程度上解决无资料以及缺资料地区缺少必须的观测气象数据而无法进行水文建模的难题。遥感产品在水文中具有很好的应用前景，遥感产品经过适当的预处理不仅可作为水文建模的输入数据，又可用于水文模型模拟结果精度的验证。（3） 对七种降水和五种温度误差校正方法在典型高寒流域-开都河流域的气候预测和水文模拟中的表现进行了分析、 比较。结果表明，原始的 RCM 输出存在较大误差，且无法通过率定水文模型消除相应的误差。与温度校正方法相比，不同降水校正方法的表现差异较大。基于分布的 DBC 和 EQM 校正方法对降水的校正结果最好，就温度而言，除 LS 方法外，其他四种温度校正方法均得到了较好的结果。在开都河流域利用校正后的降水和温度数据进行水文模拟，结果表明， 降水的频率校正在水文模拟中十分重要。 DT 和 LS 降水校正方法由于没有对降水频率进行合理的校正，在水文模拟中的效果非常差。 EQM 方法校正降水与 VARI 方法校正温度的组合在水文模拟中表现最好。（4）利用 SWAT 模型对新疆地区九个典型高寒流域气候变化对水资源的影响进行了评价。结果表明： 总体上， 相对于 1965-2004 年， 2021-2060 年九个流域的年径流量呈现上升趋势；在 RCP 4.5 排放情景下，年径流量变化介于0.37-40.04%之间，在 RCP 8.5 排放情景下年径流量增加更加明显，增量介于0.38-50.09%之间。蒸散发量和积雪融水量也呈现出上升趋势。但各水文要素的变化具有强烈的时空不均匀特征。不同流域的面积、高程和坡向等要素均会影响气候变化影响的强度。降水增加和温度升高均有利于山区流域水资源总量的增加。但相对于降水变化而言，径流量的变化对温度变化更加敏感； 相对于南疆地区，北疆地区的流域对降水变化的敏感性更加明显。每个流域均存在一个临界温度，一旦温度升高超过该临界温度，升温对该流域水资源总量的影响就会由正效应转化为负效应；在海拔相对较低的流域，临界温度相对较小。气候变化同时还会导致各水文要素比例的调整，主要表现为：降雪率下降，降雨对径流的补给比例增加，蒸发比增加。本文对中亚区域九个典型高寒流域气候变化对水资源的影响进行了评价，主要的创新点包括以下几个方面：首先，改进了 Delta 降尺度方法，对中亚地区未来降水和温度的时空变化特征进行了预测，该方法能够更好地结合多个 GCM 输出结果，对单个 GCM 不合理的结果逐栅格进行剔除。其次， 成功的将遥感数据应用于缺资料的和田河流域进行多个水文模型的搭建和模拟结果验证。 第三，分析了河流的位置、高程、坡向等因素对气候变化影响程度的可能影响
Stoichiometry of leaf and topsoil in Malus sieversii communities in western Tianshan Mountains in Xinjiang, China
No full text新疆野苹果是第三纪孑遗物种，是宝贵的野生果树资源。近年来，新疆野苹果群落出现了严重的生态退化现象，但这是否会导致新疆野苹果群落土壤和叶片养分化学计量特征的改变尚不得而知。本研究以天山西部新疆野苹果优势分布区为例，开展了不同空间和时间尺度下新疆野苹果群落表层土壤和叶片样品的生态化学计量变异特征的系统性研究，主要获得以下研究结果：新疆野苹果群落表层土壤生态化学计量特征及其影响因素。对伊犁河谷及塔城地区 6 县新疆野苹果群落表层土壤（0‒10 cm）有机碳（C）、全氮（N）、全磷（P）、全钾（K）、速效氮（AN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）的化学计量特征研究表明，除 K、 AP、 AK 含量和 N:P 外，伊犁地区土壤养分化学计量值均高于塔城地区，但后者具有较低的变异系数。新疆野苹果群落土壤养分含量及化学计量比在县级尺度上均有显著差异。土壤 C‒N、 C‒P、 N‒P、 AP‒AK 之间具有显著的线性和非线性相关关系，且多数土壤养分含量与其化学计量比之间具有显著的线性相关关系。 CCA 分析表明，纬度、坡向、海拔及年降水量是新疆野苹果群落土壤化学计量特征的主要影响因子。新疆野苹果叶片养分化学计量特征在不同海拔和地区间的空间变异格局。结果表明，不同海拔梯度上新疆野苹果叶片多数化学计量指标均有显著变化趋势，具体而言， 2016 年野苹果叶片的 C、 N、 P 含量和 N:P 与海拔呈显著正相关关系（p < 0.01），而 2017 年野苹果叶片养分化学计量特征随海拔梯度的变化趋势与2016 年的变化趋势相反，多数养分指标与海拔呈显著负相关关系， 不同分布区间叶片养分的化学计量特征大多具有显著差异，且多具有年际差异。植株长势显著影响叶片化学计量特征，其中相对健康株叶片 C、 N 及 C:P 和 N:P 较高，而中等退化株叶片 P 含量最高而 N:P 最低，即中等退化株更易受到 N 限制。另外，根据养分限制类型判断标准得出新疆野苹果叶片养分属于 N 限制，但从不同年份的角度来看， 2017 年叶片 N 限制程度较 2016 年有所缓和。不同健康程度新疆野苹果叶片养分化学计量特征的季节动态和养分回收效率。研究表明，健康株、中等退化株和严重退化株 3 种退化程度的新疆野苹果叶片中养分元素的季节动态基本一致，即 N、 P、 K 含量在整个生长季内逐渐降低N:K 和 P:K 随时间表表现出先减少后增加的趋势， N:P 则表现出显著的波动趋势。叶片 N、 P、 K 都有一定程度的回收，但严重退化株的叶片养分回收率最低，反映了濒死野苹果树的养分保存和再利用能力衰退。 3 种退化程度植物叶片中养分含量与土壤养分并不存在显著的相关性。综上，新疆野苹果生长主要受 N 限制，且其化学计量特征及养分限制类型在不同生长季和不同年份间有所差异。种群退化影响了野苹果叶片化学计量特征并降低了养分回收率，进一步加重了植株的养分限制状况