地球科学与环境学报

黄河流域生态保护和高质量发展专刊主持人简介——范文教授

2025年05月15 00:00

极端降雨下黄土体灾变机制与滑坡风险防控

2025年05月15 00:00

受全球气候变化的影响,黄土高原极端降雨事件频发,严重威胁人民群众生命财产安全。极端降雨下的黄土滑坡出现3个新特点:点多面广危害大、突发性强监测难、链生性强防控难。同时,黄土体灾变过程也发生新的变化:水文响应速度加快、渗流模式显著变化; 水-土相互作用加速、黄土体损伤劣化加剧; 灾害防控从单一灾害向系统性防御转变。这给黄土滑坡灾害评价和防控带来很多新的难题,需要进一步研究黄土体多尺度灾变演化机理及风险演进机制,开展黄土地质灾害“区域-流域-斜坡”多尺度协同预警与风险防控,以应对极端降雨下黄土高原灾害新形势。系统梳理了黄土高原极端降雨规律、降雨作用下坡面流和坡体入渗规律、极端天气斜坡破坏模式、灾变力学机制和风险防控技术等方向最新研究进展; 在此基础上,总结了本团队采用试验研究、理论分析、数值模拟、机器学习算法等方法得到的相关研究成果,可为黄土高原的防灾减灾提供理论依据和技术支持。

黄土高原治沟造地小流域滑坡发育规律及影响因素快速识别

2025年05月15 00:00

快速、准确识别黄土高原小流域内的滑坡发育规律,对治沟造地等重大工程建设选址及安全运营至关重要。选取陕西安塞地区一典型治沟造地小流域——杏树窑子小流域,基于无人机倾斜摄影技术构建高精度三维模型,结合坡度、地形曲率等信息快速识别滑坡分布规律; 基于提取的滑坡规模特征,开展地质环境因素与滑坡规模参数的相关性分析。结果表明:无人机倾斜摄影技术可快速识别黄土高原丘陵沟壑区滑坡分布规律,细致准确计算出滑坡规模特征; 杏树窑子小流域滑坡发育数量多、发育区域集中、滑动方向趋同、滑坡类型一致,仅6.3 km²的小流域发育滑坡51处,中小型滑坡数量占比92.2%,黄土层内滑坡数量占比90.2%,滑坡方向以东南方向为主; 杏树窑子小流域滑坡群发规律受区域地质构造、地形地貌、沟谷水系、植被生态等因素综合控制,区域断裂带控制滑坡沿流域主沟多发,坡面陡倾高差大、坡脚深切沟底窄的地形控制滑坡聚集于支沟沟底,坡面植被生态、沟谷河流侧蚀控制滑坡沿向阳坡面、沿沟谷多发。

不同重现期降雨作用下陕西延安地区董家屯滑坡的变形规律和稳定性预测

2025年05月15 00:00

近年来,黄土高原由极端降雨事件诱发的地质灾害数量越来越多,严重威胁经济建设和社会发展。以陕西延安地区董家屯滑坡为研究对象,通过野外调查、现场钻探、室内试验、数值模拟等方法,研究了不同重现期降雨作用下董家屯滑坡的渗流场、变形特征,分析了滑坡稳定性变化规律和变形破坏模式。结果表明:①董家屯滑坡不同重现期对应超越概率10.00%、5.00%、2.00%、1.00%、0.10%、0.01%降雨作用下的降雨量预测值分别为92.15、103.82、118.10、128.40、157.78、186.51 mm·d^-1; ②董家屯滑坡坡体浸润范围和孔隙水压力随着降雨强度的增大而增大,但增幅较小; 降雨作用下,在坡体古土壤层顶部和节理裂隙尖端产生了明显的滞水效应,成为变形和控滑的重要界面; 坡体稳定性随着降雨强度和持续时间的增大而减小,当遭遇超越概率1.00%降雨作用时,降雨24 h后,坡体将处于不稳定状态; ③降雨作用下,董家屯滑坡坡体的渗流场受坡面流、均匀入渗和节理裂隙优先入渗共同影响; 坡体在浅表层均匀入渗及坡面流共同作用下,可能发生浅表侵蚀流滑破坏; 在节理裂隙优先入渗及古土壤滞水效应影响下,坡体可能发生深层剪切滑移破坏。

考虑土体初始体积含水率空间变异性的边坡降雨入渗模型及其稳定性

2025年05月15 00:00

边坡降雨入渗分析对降雨型滑坡的预测与防范至关重要。经典Green-Ampt(GA)模型意义明确且参数较少,在降雨入渗分析中得到广泛应用,但该方法不能有效分析考虑体积含水率空间变异性的边坡降雨入渗问题。针对以上不足,综合考虑坡体初始体积含水率空间变异性以及入渗过程中饱和层渗流作用及气体压力影响,建立了适用于不同强度降雨工况的修正GA模型(简称为“SR-GA模型”),并构建了相应的稳定性系数计算表达式。结果表明:SR-GA模型采用变步长复化Cotes法求解,求解过程简便,且其计算结果与既有解析解及数值计算结果基本吻合,表明模型合理可靠; 相比其他既有模型,SR-GA模型适用范围更广,普适性明显提高; 初始体积含水率对湿润峰入渗影响显著,不同分布形式下入渗规律差异明显,表现为梯形型和指数型分布形式下入渗深度随时间呈非线性增大,均布型分布则为线性变化; 初始体积含水率是影响边坡失稳时机的关键因素,非均布型分布形式下稳定性系数降幅明显,且失稳时间较均布型分布大幅度提前。

地铁隧道暗挖施工穿越地裂缝带围岩响应规律——以西安地铁6号线为例

2025年05月15 00:00

地裂缝是一种特殊的城市地质灾害,对西安地铁工程施工安全与长期运营构造成了威胁。为了揭示地裂缝场地地铁隧道施工围岩扰动影响规律,以西安地铁6号线穿越地裂缝带为工程背景,采用几何比例尺为1:20的物理模型试验,并结合数值模拟技术,研究了隧道穿越地裂缝带暗挖施工过程中的围岩响应特征。结果表明:地表沉降与围岩应力变化随开挖步长呈反“S”型,其发展大致分为微变形、急剧变形和稳定变形3个阶段; 施工过程中,地表沉降与围岩应力的峰值均出现在地裂缝处,且随着与地裂缝距离的增大而减小,受地裂缝影响的范围为上盘20.1 m、下盘18.6 m; 开挖方向决定了围岩应力与变形的大小,从地裂缝下盘至上盘开挖方式引起的地表沉降与围岩应力均要略小于从地裂缝上盘至下盘开挖方式; 开挖过程中围岩在地裂缝处出现应力松弛,围岩应力增加最大值可达3.05 kPa(对应原型值为61 kPa)。

沟屏障对黄土地区高速列车振动的隔离效果数值模拟

2025年05月15 00:00

随着高速铁路运营里程的不断增长,高速铁路长期运营所带来的环境振动问题越来越受到关注。目前,关于黄土地区高速列车振动特性的研究较为丰富,但是对于黄土地区高速列车隔振问题研究较少。以大西高速铁路某路堤段为原型,基于数值方法建立了高速列车轨道-路堤-沟屏障有限元模型,研究了沟屏障位置、深度、宽度、填充材料和截面形状以及列车速度对其隔振效果的影响,揭示了黄土地区高速铁路沟屏障的隔振规律。结果表明:沟屏障布设位置距离振源中心线越近,沟屏障前区域土体放大效应越弱,沟屏障后区域隔振效果越好且范围越广; 沟屏障隔振效果随着深度和宽度的增大而增强,且深度的改善幅度大于宽度; 填充材料与黄土性质差异越大,隔振效果越好; 倾斜侧壁能减弱空沟屏障和软性材料填充沟屏障前区域的振动放大效应,且随着侧壁倾角的减小,振动放大效应的削弱幅度越大,同时侧壁倾角的减小也会减弱沟屏障的隔振效果; 当列车以更高速度运行时,沟屏障前区域的振动放大效应会有所增强,但沟屏障后区域依然具有很好的隔振效果。

基于离散元方法-计算流体力学耦合的渭河盆地水蚀型地裂缝细观成生过程数值模拟

2025年05月15 00:00

渭河盆地是我国地裂缝灾害发育最为严重的地区之一,其中水蚀型地裂缝严重制约区域经济发展。采用离散元方法(DEM)和计算流体力学(CFD),基于渭河盆地典型水蚀型地裂缝的三维地质模型,建立了水蚀型地裂缝数值模型,从细观角度分析了浅表水作用下水蚀型地裂缝的成生演化过程。结果表明:水蚀型地裂缝的成生过程具有明显阶段性,依次可划分为潜蚀成穴、暗穴扩展、塌陷成洞、扩展成缝4个阶段; 暗穴是裂缝发生的初级形态,通常先竖向发育,直至地表破裂后再横向扩展成洞,进而延伸成缝; 潜蚀成穴与暗穴扩展阶段主要为中小颗粒迁移,历时最长; 塌陷成洞与扩展成缝阶段粗颗粒快速流失,发生极快。

水-能源-粮食纽带关系研究进展

2025年05月15 00:00

深入探讨水、能源、粮食各子系统间复杂的耦合关系,从复杂协同视角系统性地梳理水-能源-粮食纽带关系的概念起源、内涵界定、输入输出以及影响因素,为实现环境-社会-经济的协同发展提供理论支持和实践指导。当前研究涉及耦合关联、仿真预测和安全测度等多个层面,耦合关系和仿真预测仍是实证研究重点。水-能源-粮食纽带关系经历了从单因素到双因素乃至多因素的动态演变,社会、环境、文化等外部因素逐渐纳入系统研究,纽带关系内部机理及外部关联仍需加强探索。未来应该进一步拓展纽带关系耦合系统框架研究、促进跨区域多部门协同合作研究,加强风险预警与系统韧性研究,推动大数据与纽带关系信息融合研究,以便更好地推动纽带关系可持续发展。

黄河沿线九省区“水-能-碳”系统耦合协调时空变化特征

2025年05月15 00:00

“水-能-碳”系统的协调良性发展对推动黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。通过构建“水-能-碳”系统耦合协调度评价指标体系,结合耦合协调度模型、均衡熵模型和Mantel检验,系统研究了2006～2021年黄河沿线九省区“水-能-碳”系统耦合协调度时空变化特征与影响因素。结果表明:2006～2021年黄河沿线九省区“水-能-碳”系统综合评价指数为0.29～0.48,发展水平整体呈上升趋势; 耦合协调度时空分异特征显著,时间维度上呈现向高水平耦合协调演进的趋势,空间维度上形成“西南部高、东北部次之、中部低”的分布格局; 生态用水比重、污水日处理能力、发电总量、单位GDP能源消耗量、单位GDP碳排放量和第二产业占比是影响研究区系统耦合协调度的关键因素。基于此,提出上游省区强化“水-碳”协同补偿机制、中游省区推动“煤基能源+节水”技术融合、下游省份构建“产业低碳化+跨区生态补偿”模式的分区优化路径,以期提升区域“水-能-碳”系统耦合协调水平。

黄河流域资源型城市绿色转型发展路径

2025年05月15 00:00

推动发展方式绿色转型是促进资源型城市转型发展的关键所在。运用含非期望产出的SBM模型和多时段模糊集定性比较分析(FsQCA)方法探究黄河流域资源型城市实现绿色转型发展的可行性路径及其随时间演变而产生的动态变化。结果表明:①黄河流域资源型城市的绿色转型发展效率在2011～2020年呈“M”型波动上升,生产要素配置效率低下和污染排放严重致使效率仍未达到有效状态,成熟型城市和衰退型城市是黄河流域资源型城市绿色转型发展效率的损失主体; ②“十二五”时期黄河流域资源型城市实现绿色转型发展的两条路径分别为产业转型+经济发展双元驱动型和经济发展+产业转型+技术创新多元驱动型,“十三五”时期黄河流域资源型城市实现绿色转型发展的3条路径分别为经济发展+技术创新双元驱动型、对外开放引领型和产业转型+城市化升级双元驱动型; ③从“十二五”时期到“十三五”时期,黄河流域资源型城市的绿色转型发展路径呈现出从依赖少数路径向多条路径并行推进的变化特征,经济发展水平、产业转型水平和技术创新水平始终都是构成绿色转型发展路径的核心条件,城市化水平和对外开放水平仅在“十三五”时期开始成为新的核心条件。

黄河流域资源型城市绿色转型及耦合协调演变——以山西省晋中市为例

2025年05月15 00:00

资源型城市绿色转型是实现高质量发展的必由之路,也是推进新质生产力的重要举措。基于熵权TOPSIS-灰色关联模型、耦合协调度模型、障碍度模型、灰色预测模型探讨黄河流域资源型城市——山西省晋中市2007～2022年绿色转型绩效与耦合协调发展演变特征,诊断制约绿色转型障碍因子,并分析未来演变趋势。结果表明:①晋中市绿色转型综合绩效显著上升,总体呈两个阶段,2007～2018年为稳步增长阶段,2019～2022年为停滞下滑阶段; 经济、社会、资源、生态系统对绿色转型的驱动作用差异显著; ②耦合协调度总体呈现上升趋势,从“过渡发展类”向“协调发展类”转变,协调水平受制于阶段性短板影响; ③绿色转型障碍因子表现出阶段差异性,但整体来看,经济和社会系统是制约绿色转型发展的主要障碍因素; ④未来10年,绿色转型绩效与耦合协调度逐年提升,具有良好的发展潜力。

基于夜间灯光遥感数据的黄河流域资源型城市扩张格局——以陕西省榆林市为例

2025年05月15 00:00

探究资源型城市扩张格局对于黄河流域高质量发展与人地协调至关重要。以陕西省榆林市为研究对象,利用2004～2021年长时序夜间灯光遥感数据,采用伪不变特征(PIF)法获取建成区空间分布信息,揭示榆林市建成区时空演变特征,选取经济发展、人口、交通、资源开发等指标分析榆林市城市扩张格局驱动力。结果表明:①2004～2021年榆林市建成区面积由338 km²增加至1 844 km²,呈现散点扩张、合并融合的扩张趋势,符合城市发展的不可逆变特征; ②榆林市城市扩张速度最大值出现在2019～2021年,为145 km²·年^-1,最小值出现在2004～2009年,为8.667 km²·年^-1; 扩张强度最大值出现在2009～2013年,为27.13%,最小值出现在2017～2019年,为0.82%; ③2013～2016年榆林市重心在东偏北方向移动距离达峰值(27 223.254 m),与榆林市煤炭产业发展布局相符; ④2004～2021年榆林市城市扩张格局主要驱动力是煤炭产量,继而构建包含煤炭产量、第一产业产值及其占GDP比重、第二产业产值及其占GDP比重、第三产业产值、固定资产投资额、社会消费品零售总额、道路面积、人口密度、常住人口数等指标的多因素拟合模型,拟合度R²为0.985,表明该模型可靠性较高。

黄河“几字弯”地区农业碳排放效率地域差异与影响因素——以陕西省榆林市20个村为例

2025年05月15 00:00

科学揭示村域尺度农业碳排放效率的空间分异规律与影响因素,是实现“双碳”目标,推动村域农业全面绿色转型的迫切需要。选择黄河“几字弯”核心区——陕西省榆林市榆阳区为案例地,采用数据包络分析(DEA)和地理探测器等方法,从村域尺度研究榆阳区20个典型村农业碳排放量及碳排放效率的地域差异特征,揭示村域农业碳排放效率的影响因素,提出村域农业绿色低碳发展模式和路径。结果表明:①榆阳区村域农业碳排放量地域差异显著,岔河则村种植业碳排放量最高,达到3 149.12 t·年^-1,大圪堵村养殖业碳排放量最高,达到1 687.28 t·年^-1; ②榆阳区村域农业碳排放构成差异明显,化肥投入和羊养殖是农业碳排放的主要来源; ③榆阳区村域农业碳排放效率提升空间大,种植业和养殖业碳排放效率平均值分别为0.951和0.713,在劳动力投入、灌溉面积、农药使用量、牛饲养量和家禽饲养量方面存在冗余; ④榆阳区农业碳排放效率受到自然因素、社会经济因素、物质投入因素等多重因素的共同作用。因此,加快农业生产技术革新,减少牲畜肠道发酵碳排放,完善绿色低碳农业政策等,是促进榆阳区农业绿色低碳转型、实现高质量发展的关键路径。

基于兴趣点数据的山西太原地铁站点生活圈服务设施时空演化特征

2025年05月15 00:00

地铁作为城市轨道交通的重要组成部分,其开通不仅改变了城市的交通格局,还通过公共交通导向型发展(TOD)模式深刻影响着周边服务设施的空间布局,其站点辐射效应促进了服务设施的空间集聚与扩散,形成以地铁站点为中心的地铁生活圈。以山西太原地铁2号线为研究对象,基于兴趣点(POI)数据,运用核密度分析、主成分分析和地理探测器等方法,探究地铁开通后生活圈服务设施布局的动态演变特征及驱动机制。结果表明:在空间尺度上,地铁开通带来交通可达性的提升和客流量的增加,并逐步形成以地铁站点为中心的分布格局,显著提高了非中心区域服务设施的发展水平,减轻了中心城区的服务压力; 同时,服务设施便利度评分高值区与核密度高值区分布并不均匀,存在部分重合现象; 在时间尺度上,地铁开通初期存在服务设施的兴趣点数量增加、规模扩大的发展特征,后期服务设施的兴趣点数量逐步趋于平稳,且结构更趋于平衡; 在驱动因素方面,原有服务设施基础是影响不同地铁站点生活圈服务设施集聚特征的主要驱动因子,多数要素间存在双因子增强效应,服务设施的空间分异是多因素共同作用的结果。

基于SBAS-InSAR的山西大同矿区地表形变时空分布特征

2025年05月15 00:00

山西大同地区作为我国重要产煤基地,煤矿开采引发了严重的地表形变,查明该地区地表形变时空分布特征有助于揭示煤矿开采引起的地表形变机理和提升防灾减灾能力。基于2017～2021年Sentinel-1A影像,利用SBAS-InSAR技术获取大同矿区地表形变监测结果,并结合矿区管理数据和幂指数Knothe时间函数分析了典型煤矿地表形变的时空变化特征和演化规律。结果表明:①大同矿区煤矿开采导致出现42个快速形变区,最大形变速率达231 mm·年^-1,InSAR监测结果与全球卫星导航系统(GNSS)形变时间序列具有较高的一致性,二者形变速率差值小于5 mm·年^-1; ②地表形变空间分布与各矿区开采工作面分布一致,形变区范围及形变速率变化受工作面开采进度及强度控制; ③累积形变量随着开采过程逐渐增大,随着开采活动的结束逐渐趋于稳定; ④利用幂指数Knothe时间函数能够较好地模拟矿区地表形变演化过程。

基于CYGNSS数据的黄河下游2020～2023年土壤湿度反演及其对极端降雨的响应

2025年05月15 00:00

黄河下游区域是我国重要的粮食生产基地,获取大范围高时空分辨率的土壤湿度有助于生态保护和精准农业发展,对推动黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。目前,星载GNSS-R技术已经成为大范围地表土壤湿度反演的一个有效手段。基于旋风全球导航卫星系统(CYGNSS)的GNSS-R数据,首次提出利用CYGNSS卫星的相干比率参数表征地表粗糙度,提出了星载GNSS-R粗糙度衰减自修正土壤湿度反演模型,即GNSS-R RSC模型,并反演得到黄河下游区域2020～2023年的9 km空间分辨率地表土壤湿度。以SMAP土壤湿度数据作为参考,反演得到的土壤湿度产品均方根误差(RMSE)和相关系数(R)分别为0.051 cm³·cm^-3和0.75。将该土壤湿度升尺度至36 km空间分辨率时,均方根误差为0.048 cm³·cm^-3,相关系数为0.80,较36 km空间分辨率CYGNSS官方土壤湿度,均方根误差降低了50%,相关系数提高了73%。利用生成的土壤湿度产品进行降雨响应分析,结果显示该模型得到的土壤湿度与研究区域降雨季节变化趋势基本一致,月均降水量与土壤湿度相关系数为0.76,且在2021年河南“7·20”极端降雨事件中有较为敏感的响应。

不同空间尺度下径流控制率与污染物负荷削减率协同关系——以陕西省西安市西咸新区为例

2025年05月15 00:00

以陕西省西安市西咸新区沣西新城区域及天福和园小区为例,基于暴雨洪水管理模型(SWMM)构建研究区域降雨径流及非点源污染负荷计算模型,并设计9种降雨重现期及5种雨峰系数条件下的45场降雨工况,以分析不同空间尺度下径流控制率与污染物负荷削减率的协同关系。结果表明:在不同降雨重现期的降雨强度和降水量条件下,沣西新城区域和天福和园小区的径流控制率及污染物负荷削减率均呈现递减的趋势,且均在雨峰系数为0.5时下降幅度最为显著; 在不同雨峰系数条件下,沣西新城区域和天福和园小区的径流控制率与4种污染物负荷削减率随降雨重现期的变化基本一致,其在不同空间尺度下也保持着较好的线性拟合关系,且拟合曲线具有高度的相似性,协同系数均大于0.931,表明在不同空间尺度下的径流控制率与污染物负荷削减率之间具有高度的定量协同关系。

伊洛河流域地表水-地下水水化学演化特征及其形成机制

2025年05月15 00:00

伊洛河是黄河右岸的重要支流,是黄河流域生态保护体系中的重要组成部分。通过采集伊洛河流域的地表水和地下水样品,结合统计分析、Piper三线图、氢氧同位素分析、离子比值法与熵权水质指数(EWQI)等方法,对流域水体转化、水化学演化及其影响因素进行了系统研究。结果表明:伊洛河流域水体整体呈弱碱性,地表水各离子浓度从上游到下游呈递增趋势,而地下水中各离子浓度的空间变化波动较大; 沿着径流方向,地表水水化学类型由HCO₃-Ca·Mg型逐渐演化为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型,地下水水化学类型由HCO₃-Ca·Mg型逐渐演化为HCO₃-Ca·Mg·Na型; 流域水体主要由大气降水进行补给,并受到蒸发作用的影响,上游区域地下水对地表水的补给占主导,中游区域则出现地表水对地下水的补给,下游区域地下水对地表水的补给逐渐减弱; 流域水体水化学形成演化主要受到碳酸盐岩和硅酸盐岩风化溶解作用的控制,同时受到阳离子交换作用和人类活动的影响; 部分支流(如麻坪河、涧河和瀍河)的地表水受工矿废水排放影响较大; NO^-₃为流域水体主要污染因子,地表水中的NO^-₃主要来源于化肥和生活污水,地下水中的NO^-₃主要受到化肥施用和土壤有机氮累积的影响。熵权水质指数评价结果显示,流域水体水质整体较好,上游区域水质优于下游区域,大部分地表水、泉水和井水适宜饮用,但下游区域部分井水质量较差,不宜直接饮用。