关键词： 水资源管理   降水径流   时空演变特征   人类活动  

摘要： 南水北调中线工程水源区水资源量变化对受水区、水源区及汉江中下游地区水资源安全及生态安全起重要作用。自十八大以来，我国实施“五位一体战略”，这对该地区水资源安全及生态安全提出了新的要求。另外，各地区纷纷谋划新的区域调水工程，这使该区域的水资源分配方案更加复杂。然而，近年来气候变化和人类活动的加剧使丹江口入库径流量呈现减少的趋势，这对日益激烈的水资源需求带来了挑战。因此，研究水源区降水径流时空变化特征及其驱动机制是非常有必要的。本研究收集了34个气象站和21个水文站水文气象及水库、土地利用、NDVI和土壤等数据，采用趋势分析、相关分析、双累积曲线分析、回归分析、空间变异分析、统计显著性检验等方法，研究了水源区降水径流时空演变特征及其影响机制。主要研究结果如下：　　（1）年、春、秋和冬季的日均降水量（ADP）呈下降趋势，夏季呈增加趋势，而年、季节雨日日均降水量（ARP）呈增加趋势。多年ADP为2.34mm/d，多年ARP为7.2mm/d。多年春季、夏季、秋季和冬季ADP分别为2.09、4.27、2.64和0.34mm/d，多年四个季节ARP分别为6.10、10.44、6.98和1.88mm/d。年ADP轻微下降，下降幅度为-0.002mm/d/a，春季、夏季、秋季和冬季ADP的变化幅度分别为-0.006、0.005、-0.010和0.0003mm/d/a。年、四个季节的ARP的变化幅度分别是0.018、0.007、0.039、0.008和0.005mm/d/a。年、季节ARP的增加是由于小雨日数和小雨量减小，大雨量和大雨天数增加造成的。　　（2）干流年、春季、夏季、秋季径流呈减少趋势，冬季径流除黄家港站外，其他站呈增加的趋势。干流年、四个季节径流量平均减少0.878×108、0.108×108、0.294×108、0.405×108和0.13×108m3/a，流域控制站黄家港站的径流量减少幅度是-2.03×108、-0.03×108、-0.53×108、-1.17×108和-0.4×108m3/a，秋季径流量是径流减少幅度最大的季节。除冬季外，支流站年、其他季节径流量也呈减少趋势，变化率是-0.06×108、-0.015×108、-0.029×108和-0.012×108m3/a，冬季平均增加0.002×108m3/a。支流变化最显著的站是黄龙滩站，年、四个季节径流量变化率分别是-0.42×108、0.007×108、-0.06×108、-0.22×108和-0.25×108m3/a。　　（3）干流、支流站的径流呈明显的年代际差异。干流站1980年代年均径流量最大，平均为236.4×108m3，1990年代年均径流量最低，平均是135.1×108m3。流域控制站黄家港站1980年代和1990年代径流量分别是437.89×108和262.75×108m3。支流站的径流呈相似的年代际变化规律，1980年代和1990年代平均径流量分别是32.9×108和23.8×108m3。　　（4）干流站径流季节分配受大坝的影响，支流流域主要受到土地利用及植被变化的影响。干流的石泉、安康大型水利工程分别将冬季径流提高21.8%和30.5%，主要支流堵河黄龙滩水库和甲河陡岭子水库将冬季径流提高了75%和50%;水库对年和其他季节径流的影响有限。支流流域的年、夏季、秋季径流受到人类活动影响达64.14%～164.65%、58.69%～341.04%和68.9%～148.01%，春季径流主要受到降水变化的影响。　　综上所述，水源区降水日数显著减少，雨日平均降水显著增加，这改变了当地的地表产汇流过程，导致地表径流明显减少，下垫面变化（土地利用、植被变化等）进一步加剧了该地区的减流程度，这加剧了南水北调中线工程水资源管理的难度。这些研究成果有助于理解南水北调中线工程水资源管理存在的问题，为南水北调中线工程水资源管理提供强有力的科技支撑。

关键词： 径流演变   BP神经网络   灰色模型   R/S分析法  

摘要： 水资源一直是人类生存的必要条件之一,河川是我国水资源的主要来源之一。本文选取黄河源区2个典型水文站(吉迈站、唐乃亥站)1961～2012年共计52年、624个月的水文资料,在前人研究基础之上对黄河径流的基本数理统计特征和演变规律进行分析,并构建预测模型对黄河源区月径流序列、年径流序列进行预测分析,为相关部门以后开展水文预报工作提供参考依据。本文主要的研究内容和成果如下:(1)通过对黄河源区径流资料进行基本统计特征、年内分配特征、年际变化规律分析分析,研究表明看出黄河源区径流主要集中于汛期,从总体来看黄河径流年内分配不均、年际变化大。(2)进行径流趋势分析时:采用滑动平均法、M-K秩序检验法、Spearman秩次相关检验,结果显示:吉迈多年径流量呈不显著增加趋势,唐乃亥站多年径流时间序列呈较显著降低趋势。结合M-K突变检验法、滑动t检验与有序聚类法进行突变检验分析,确定2006年、1986年分别为吉迈站、唐乃亥站径流突变年份。选用小波分析法进行径流周期分析,结果表明黄河源区吉迈、唐乃亥站均存在多时间尺度特征,小时间尺度变化镶嵌在大时间尺度的周期里,且都具有13年时间尺度的第一主周期。(3)建立人工神经网络的BP模型、遗传算法优化的GA-BP模型进行黄河源区两个水文站进行月径流预测。其中BP模型预测结果误差较大,而改进GA—BP模型在对径流的预测上速度更快、精度更高,经计得算预报精度为分别为79.17%与75.00%,精度达到评定标准乙级(70%-85%),满足要求,可以用于水文预报工作。(4)采用GM(1,1)模型、基于R/S分析法优化的R/S—GM(1,1)模型进行年径流预测。结果显示:对于GM(1,1)模型,唐乃亥预测精度69.48%,吉迈站的模型精度66.49%,均不满足模型精度要求。组合R/S灰色预测的相对误差分别为18.10%和11.68%,预测精度分别为81.90%和88.32%,对比单一的灰色预测其在唐乃亥与吉迈站的预报精度提升了12.42%和21.83%,达到了灰色预测所要求的精度,说明该模型可以用来预测黄河源区年径流的情况。

关键词： 径流演变   SWAT模型   土地利用变化   人类活动影响  

摘要： 永定河流域人类活动频繁且复杂,造成了该流域径流的急剧减少。永定河是京津冀区域重要的水源地和生态屏障,径流量的减少直接对京津冀地区的社会经济发展造成威胁,因此,研究流域内径流演变规律对水资源的管理利用及保护和修复流域生态有重要意义。本文以三家店以上永定河山区流域为研究区域,分析径流演变特性,根据流域水文气象、土地利用、灌区用水等实际情况,构建流域SWAT模型,模拟分析土地利用变化、农业灌溉及水库运行等人类活动对研究区径流的影响。主要研究内容和研究成果如下:(1)采用滑动平均法、倾向率法、Mann-Kendall秩次相关检验法、有序聚类分析法、LEE-Heghinian检验法以及Pettitt检验法探究径流趋势性和突变性。结果表明,永定河山区流域径流量为显著下降趋势,径流变异点为1984年。(2)采用数字高程数据、土壤、土地利用以及气象等基础数据,考虑水库运行、农业灌溉以及其他取用水的影响,建立了永定河山区流域水文模型,采用从流域上游到下游依次率定的方法,模型率定期和验证期的相关系数和Nash效率系数均大于0.50。其中石匣里站和雁翅站验证期的R和E均高于0.80。因此,构建的SWAT模型在永定河山区流域适用性较好,可用于模拟研究区域的水文过程。(3)分析1980、1995、2010、2015年四期土地利用变化特征,基于SWAT模型模拟分析土地利用变化对径流的影响。1980年至2015年四期土地利用变化主要表现为耕地面积减小,逐渐转变为其他土地类型;除了壶流河源头至壶流河水库区间外,其他区间多年平均径流量均为上升趋势,其中桑干河源头至东榆林水库径流增加率最大为126.05%,册田水库与响水堡至官厅水库径流增加量最大,为692.6万m,各区间月径流受土地利用变化较为明显的时期为汛期(6-9月)。(4)利用构建的流域SWAT模型模拟了水库运行对径流的影响。水库的运行使得柴沟堡(东)、石匣里和雁翅水文站多年平均径流量分别减小了405万m、2259万m和5904万m,变化率分别为17.8%、47.3%和87.8%,主要与研究区域内水库的多年蓄水有关。水库的运行对径流年内分配影响也较大,柴沟堡(东)水文站10月和次年4-5月月平均流量增加21.11%-145.04%;石匣里水文站汛期月平均流量减少49.29%-69.17%;雁翅水文站全年径流量均有减小,其中汛期月平均流量减少43.78%-62.84%,非汛期减少11.67%-68.54%。(5)通过改变研究区域种植结构,模拟分析了农业灌溉对径流的影响。当山西省区域按照实际灌区规划进行种植结构调整,而河北省、内蒙古自治区以及北京市则将耕地面积的1.62%由玉米调整为牧草,多年平均径流量增加了3346.1万m。

关键词： 永定河流域   气候要素   径流   人类活动   归因分析  

摘要： 永定河水系是海河流域较大的支流,也是京津冀城市群的重要补给水源。20世纪以来,永定河流域一直面临天然水资源短缺难题,水循环发生显著变异,科学评估气候变化和人类活动对水热耦合过程的响应对水资源规划和管理极其重要。因此,选取永定河流域为研究区域,以长时间序列的水文气象资料和遥感数据为基础,辨析水文气象要素和土地利用/覆被的时空演变规律;根据Budyko假设的水热耦合概念模型量化气候变化和人类活动对桑干河和洋河子流域天然径流的敏感性和贡献率。主要结论如下:运用多种统计分析方法,研究永定河流域径流量、降水量、气温和蒸发量在60年间的演变特征。1957-2017年径流量呈显著下降态势,石匣里、响水堡、官厅水库和卢沟桥的下降速率分别为1.55亿、1.01亿、2.98亿和2.2亿m3/10a。石匣里和响水堡径流1969年和1983年开始突变,变化主周期分别为28年和32年。1957-2018年平均气温呈显著上升趋势,上升速率为0.3℃/10a,蒸发皿蒸发量以-48.88mm/10a显著下降趋势,存在明显“蒸发悖论”现象,该现象主要影响因子为净辐射和平均风速。年均降水量和潜在蒸发量呈不显著减少趋势,流域整体呈暖干化的变化趋势。突变性分析发现,气温和潜在蒸发量在1990年和1975年开始突变。选择1980-2015四期遥感数据分析土地利用变化,耕地面积占比43%,30年间减少991.49km;水域面积持续减少77.13km;草地增加191.35km;城乡、工矿、居民用地面积明显增加了935.28km;由于植被造林、退耕还林等水土治理,永定河流域归一化植被指数(NDVI)1982-2019年期间增加趋势显著,变化速率为0.02/10a。在空间上,官厅山峡段植被盖度较高,NDVI值在0.351～0.457之间,册田以上区域植被覆盖最低,NDVI值在0.205～0.327之间,总体表现为从西北部至东南部数值逐渐增加。根据Budyko假设的互补关系法可准确划分气候和人类活动对径流变化的影响量。总体来说,桑干河流域降雨、潜在蒸发量、下垫面变化对径流减少的贡献率分别为54%、4%和42%,其中降水量是1970-1983年径流的主要控制因子,1984年以后人类活动转变为径流的主要控制因子。洋河流域径流受人类活动影响程度较为明显,降雨、潜在蒸发量和人类活动的贡献率分别为18%、-10%和92%。总体来说,人类活动是当前永定河上游不可忽视的影响因子。

关键词： 黄河流域   径流情势   变化特征   水库调控   水文效应  

摘要： 径流情势（即流量大小、频率、历时、时序与变化率），可完整描述径流过程的变化，直接影响水体中物质迁移转化过程、水生生态系统的结构与功能等。因此，定量分析径流情势的变化特性，区分气候变化和人类活动的贡献，探索水库调控的水文效应，对于加强黄河流域的生态保护，促进其高质量发展具有十分重要的意义。　　本研究引入径流量、频率、历时、时序和变化率五个方面共计24个径流情势指标，通过趋势分析方法分析黄河流域8个重要水文站径流情势的区域变化特征，利用变化范围法(RVA)评估其改变程度;改进Budyko框架以评估气候变化与人类活动对黄河流域4个控制区域的径流情势指标变化的贡献，并与水文模型的评估结果相验证;在此基础上，构建流域水循环系统模型(HEQM)，改进其水库调控模块，从而模拟黄河流域25个水文站点的日径流过程;最后通过情景分析评估水库调控对黄河流域干流的主要12个水文站点的径流情势指标的影响等级，并结合主成分分析与聚类分析，识别水库调控对径流情势影响模式的空间分布特征。研究得出以下四个主要结论:　　(1)除源区黄河沿站外，源区唐乃亥站和上中下游站点的大部分情势指标的变化趋势为下降，尤其是汛期大部分月份径流、高流量及其历时减少显著，另外上中下游站点的年最大径流也都显著减少。部分指标也存在一定的区域差异性，如源区黄河沿站6月、9月径流和最大径流量显著增加;上游年最小径流量出现时间有所推迟;中游高流量频率显著减少，最大径流量的出现时间显著移前;而下游几乎所有月份的月径流都显著减少，最大径流量的时序显著移前等。从综合变化程度来看，流域各站点的径流情势受到全面改变，整体改变度在中度及以上，其中频率和历时的改变度最大。利津站的改变程度最严重，龙门站次之。　　(2)气候变化和土地利用变化（源区）/人类活动（上中下游区域）减少了大多数径流情势指标，而土地利用变化/人类活动在四个控制流域的径流情势变化中起主导作用。唐乃亥控制区域土地利用变化的贡献为-66.85％到-56.68％，青铜峡控制区域人类活动的贡献为-96.93％至-54.59％，龙门控制区域人类活动的贡献为-96.93％至-54.59％，利津控制区域的人类活动贡献为-91.02％至-57.29％。受影响最大的指标是非汛期平均径流，其次是年最大径流。　　(3)改进的大型水库调度方案适用于黄河上游及下游的超大型水库出流模拟，提高了水库下游水文站点的日径流模拟精度。黄河流域HEQM模型的模拟结果可以接受，大部分站点的水量平衡系数bias在±0.15以内，率定期相关系数r和效率系数NS的均值分别为0.77和0.56;验证期相关系数r和效率系数NS的均值分别为0.68和0.40。　　(4)水库调控对径流情势指标的影响等级存在区域和时间差异，总体来看2004-2018年相比1975-1989年水库调控的影响更加明显，特别是对于非汛期径流量、高流量、低流量和变率的指标。对于1975-1989年，水库调控中等及以上增加了大部分站点的1-4月径流量、年最小径流和低流量;重度及极端增加了上游站点和下游三门峡和花园口站低流量频率;使青铜峡、石嘴山和头道拐站最小径流的时序中等及重度提前，使其余大部分站点最小径流的时序中等及重度推迟;轻微及中等减少了大部分站点的变率。对于2004-2018年，水库调控极端增加了大部分站点2-4月径流量、年最小径流和低流量，中等及重度减少了大部分站点8-10月径流量，中等减少了几乎所有站点的年最大径流和高流量;中度及以上增加了大部分站点的低流量频率，重度减少了小川、兰州、青铜峡和花园口站的高流量频率;使上游大部分站点最小径流和最大径流的时序中等及重度推迟，使中下游部分站点最小径流和最大径流的时序重度提前;重度减少了大部分站点的变率。两个时间段的水库调控对径流情势的影响模式都被聚类为5组，在1975-1989年水库调控对下游站点的影响最大，其次是上游站点，中游站点受到影响较小。而在2004-2018年水库调控对上游站点的影响最大，其次是下游站点，中游站点受到影响同样较小。

关键词： SM2RAIN-ASCAT降水产品   SWAT模型   降水变化   汉江源区   径流演变  

摘要： 降水变化影响流域水循环及水量平衡,并引发一系列水资源和水环境问题。分布式水文模型能够较好的模拟流域水文过程,结合卫星遥感反演的降水数据能实现无观测降水资料地区的水文模拟,为地区水资源管理和调控提供科学依据。本研究以秦岭南麓汉江源流域为研究区,采用Budyko水热平衡方程的弹性系数法和SWAT模型量化人类活动和气候变化对径流演变的影响,辨析研究区径流演变的主导因素,基于雨量站观测资料和ASCAT-SM2卫星遥感数据反演的SM2RAIN-ASCAT降水产品驱动汉江源区的SWAT模型,系统评估该遥感降水产品在水文模型模拟中的应用能力及在流域径流模拟中的精度,以期为无观测资料地区水文研究提供更为可靠的数据基础。其主要结论如下:(1)采用线性趋势分析法、Mann-Kendall趋势检验法和Pettitt突变检验法等方法分析秦岭南麓汉江源区1960-2018年的径流变化趋势及其突变特征,结果表明:汉江源区年均径流量近60年呈递减趋势(P>0.05),年径流深以每10年1.40mm的速率递减。年均径流量于1990年发生突变,与径流-降水的累积距平曲线结果一致,突变前后年均径流量减少了131.03mm。根据突变点分析结果,本文以1990年划分径流变化的基准期(1960-1990年)和变化期(1991-2018年);汉江源区干旱指数为0.79<1,表明流域气候较湿润,降水向径流转化的比例较高;采用弹性系数法进行了汉江源区径流对降水变化、潜在蒸散发和人类活动影响的敏感性分析,发现降水、潜在蒸散发、下垫面特征对径流减少贡献分别为71.71%、-8.04%、36.33%。由此可见,气候变化对汉江源区径流减少的贡献大于人类活动,其中降水变化贡献最大。(2)构建汉江源区的SWAT水文模型,采用武侯镇水文站2007-2018年的年、月径流量对模型参数进行了率定和验证。确定了适合该流域的SWAT模型敏感参数。模拟结果表明:SWAT模型能够满足汉江源区径流变化的评价和分析精度要求,Nash系数NS和确定系数均超过0.7,满足水文模型径流模拟的精度要求。(3)评价卫星遥感降水数据反演的SM2RAIN-ASCAT降水产品的精度发现SM2RAIN-ASCAT遥感降水产品总体对单点降水事件的捕捉不够准确,对强降水的估计较差,与实测日降水的相关系数r均低于0.48,与实测月降水一致性较好,r高于0.65;基于卫星遥感数据ASCAT反演的SM2RAIN-ASCAT降水产品驱动汉江源区SWAT模型,模拟武侯镇水文站2007-2018逐年、月径流量,R和Nash系数分别为0.77、0.76和0.66、0.62,达到了模型评价标准。综上证明了在汉江源区SM2RAIN-ASCAT遥感降水产品对实际降水的估计可靠有效,并且可用于SWAT水文模型进行径流模拟。

关键词： 长江上游   黄河上游   径流演变   全球升温  

摘要： 气候变化会改变中国河流的水文状况，会给水资源管理带来额外的挑战，因此必须了解气候变化及径流对气候变化的响应，并将其纳入区域水资源管理政策，以确保水资源的可持续发展。长江上游（本文指长江寸滩以上区域）和黄河上游（本文指黄河兰州以上区域）是中国第一二大河的重要产水区，长江上游和黄河上游气候变化和径流变化对全流域甚至整个中国的水资源演变都会产生举足轻重的作用，因此明确两流域气候变化和径流在全球升温1.5-4.0℃水平下的变化趋势，对于科学制定防洪策略，充分利用水资源，合理配置水资源具有重要的意义，也可为长江上游经济带和黄河生态保护高质量发展战略的推进提供支撑。　　本文基于长江上游和黄河上游逐日气象和水文观测数据率定和验证了SWAT、HBV-D和VIC水文模型，并以国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中输出要素最多的5个全球气候模式在7种SSPs-RCPs情景(SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP4-3.4、SSP2-4.5、SSP4-6.0、SSP3-7.0、SSP5-8.5)下的经过降尺度和偏差订正到0.5°的气象数据驱动三个水文模型，预估2021-2040（近期）、2041-2060（中期）、2081-2100年（远期）流域未来径流变化趋势;并分析全球升温1.5-4.0℃下，长江上游和黄河上游的气候变化和径流变化。主要成果有:　　(1)长江上游和黄河上游的年平均气温在观测期呈显著上升趋势，气候倾向率分别为:0.21℃/10a和0.35℃/10a，长江上游升温速率低于黄河上游;长江上游年降水呈不显著的下降趋势，黄河上游降水呈不显著上升;两流域年径流呈不显著的下降趋势。　　(2)相比基准期（1995-2014年），未来三个时间段，两流域呈变暖变湿态势，黄河上游的气温、降水增幅均高于长江上游。到21世纪末期，长江上游和黄河上游增温1.4～5.1℃和1.4～5.4℃，降水增加13.4～17.0％和10.2～28.5％。　　(3)21世纪，两流域年径流有所增加，黄河上游径流增幅均高于长江上游;到末期，长江上游和黄河上游增幅可达4.0～16.6％和15.2～64.5％。21世纪，长江上游洪涝发生得可能性会增大，干旱发生可能会减少;黄河上游的洪涝发生的可能性也会加大但干旱情况则较长江上游复杂，CMIP5的4个路径改进的情景下，Q90均有所增高，干旱风险可能降低，但CMIP6新增的三个情景(SSP1-1.9、SSP4-3.4、SSP3-7.0)下，在21世纪近期和中期，存在干旱风险增加的情况。　　(4)在全球升温1.5-4.0℃水平下，长江上游增温2.01～4.21℃，黄河上游2.11～4.47℃（较工业革命前），增幅高于全球平均水平，且黄河上游增幅更高。全球升温1.5-4.0℃年降水较基准期增高，黄河上游年降水的增幅高于长江上游，每升温0.5℃，长江上游增高1.2％左右，黄河上游2.6％左右。　　(5)全球升温1.5-4℃时，长江上游和黄河上游年径流均较基准期(1995-2014)有所上升，在升温1.5℃时分别增高5％和10.9％，径流量可达9006.5m3/s和1037.7m3/s，每升温0.5℃，增幅在1.3％和5.2％左右，长江上游年径流增幅低于黄河上游。大部分升温水平下，两流域春夏冬季径流较基准期有所升高，但秋季径流有所不同，每升温0.5℃，长江上游秋季径流减少0.2％左右，而黄河上游则是增加5.8％左右。　　(6)全球不同升温条件下，长江上游和黄河上游的洪涝风险均有所加剧，干旱风险有所下降。全球升温1.5℃时，两流域的洪涝风险发生的可能性要高于升温2.0℃时，但随着全球温升继续升高，洪涝灾害发生的可能性会继续加大。在全球升温1.5-4.0℃下，长江上游丰水极值(Q10)增幅低于黄河上游;在全球升温1.5-2.5℃下，长江上游Q90增幅高于黄河上游，揭示了黄河上游水文形势整体较长江上游对于气候变化更为敏感。

关键词： 三江源   SWAT模型   ASD模型   气候变化   径流模拟   CMIP6  

摘要： 三江源作为气候变化响应的敏感区,在人类活动与气候变化的影响下其水资源变化对我国黄河、长江、澜沧江乃至亚洲东部地区的水安全极为重要。因此,认识三江源地区径流演变规律,厘清径流变化的驱动因子,分析气候变化的影响,对于三江源地区水资源保护与生态环境保护和我国主要流域的水资源规划管理提供科学指导和依据。本文以三江源为研究区域,利用ESMD时间序列分析方法和空间分析方法,识别三江源地区水文气象要素及土地利用变化特征;构建三江源区分区SWAT模型,并精细化模拟源区内的降水径流时空分布特征;定量分离土地利用变化、降水和气温对径流变化的影响;与全球气候模式的统计降尺度结果耦合,预测三江源地区不同气候情景下的径流未来变化趋势,本论文的主要研究成果如下:(1)三江源地区降水均呈现出增加的趋势;最高气温/最低气温变化幅度较小;除黄河源径流呈减少趋势,长江源和澜沧江源径流呈上升趋势,趋势变化在90年代以后尤为显著。降水和气温在1990年前后均出现突变;通过多种方法对比,发现径流最有可能发生突变年份是在1990年;分析三江源7期土地利用类型转移变化,土地利用的变化以1990年为节点,1990年以后土地利用间的变化和转移加快。(2)SWAT模型在三江源适用性较好。对源区内降水径流空间分布模拟发现降水和径流在空间分布特征并不完全一致,降水从西北到东南表现逐渐增加,而径流在空间分布上无明显规律可循;定量分离1990年前后土地利用变化、降水和气温变化对径流影响,相较1990年以前,1990年后降水变化是径流变化的直接原因,其贡献率超过70%。(3)利用ASD模型将全球气候模式(INM-CM4-8)在3种排放情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5)下的降水、气温统计降尺度结果输入到已率定的SWAT模型中,模拟得到不同气排放情景下径流的未来变化过程。黄河源、长江源不同排放情景下降水呈现不同程度的下降趋势,澜沧江源仅在SSP1-2.6情景下降水呈下降趋势。三江源地区气温均呈现上升趋势,上升幅度各不相同。黄河源、长江源径流呈现不同程度的下降趋势,澜沧江源径流仅在SSP5-8.5情景时下降趋势明显。

关键词： 径流演变   河道耗水   河道损失   Mann-Kendall检验   MIKE HYDRO River HD水动力模型  

摘要： 气候变化和人类活动将加剧西北干旱区水资源变化趋势和水资源供给的不确定性,导致极端水文灾害现象频发;同时也给水资源管理造成巨大困扰,增加河道耗水与河道损失之间的不确定性,加剧生产建设用水和生态输水之间的矛盾。因此,研究气候变化下地表径流演变规律,明晰河道水资源消耗的变化规律,揭示不同频率输水量后下游水位变化的演进过程具有重要意义。本研究以和田河流域为研究区域,基于和田河源流区1957-2018年的月平均流量资料,采用Mann-Kendal趋势检验法、累积距平法和R/S法分析了流域年际、年和年内径流演变特征;根据2006-2018年水文站引水、退水流量数据,研究河道来水量与河道耗水量、河道耗水量与河道损失量之间的变化特征;构建了和田河干流段的MIKE HYDRO River水动力模块,模拟不同频率来水情况下下泄至肖塔断面的流量,为下游生态输水提出理论指标。主要结论如下:(1)和田河源流区乌鲁瓦提站和同古孜洛克站的径流年代变化特征一致,均经历了“平水年—偏丰水年”;乌鲁瓦提站和同古孜洛克站年径流量均呈现不显著增加趋势,径流序列的突变点均为2009年,年径流在2018年后的8-9年内持续增加;乌鲁瓦提站夏秋两季径流量变化对年径流量影响最大,同古孜洛克站夏季径流量对年径流影响最大;径流量年内分配不均匀,集中期为5-9月,占比86.11%-90.86%,呈“冬枯夏洪”。(2)根据和田河流域河道耗水情况分析,乌鲁瓦提—喀河渠首段耗水最大(16.97×10m/a),玉河渠首—艾格利牙段耗水最小(2.81×10m/a),总耗水量与来水量变化趋势一致。喀河渠首—吐直鲁克、玉河渠首—艾格利牙、吐(加)艾—肖塔段河损量与耗水量存在着显著的正相关关系,其中和田河干流段河损量最大。(3)构建了MIKE HYDRO River水动力(HD)模型,根据和田河干流入口逐日流量,出口水位进行率定,并对模型进行验证,结果表明,模型在率定期和验证期模拟效果良好,可为实现塔里木河流域生态输水提供理论依据。

关键词： 泾河流域   产水量   时空演变   径流系数   空间尺度  

摘要： 泾河流域位于黄土高原中部,沟壑纵横,水土流失严重。现有研究成果中关于该流域水文参量的空间变化及空间尺度效应研究数量不多。本文主要采用SWAT模型模拟,结合经验正交函数分解(EOF)、地理探测器以及多元回归分析等手段,揭示了泾河流域产水量的空间变化特征,分析了产水量空间变化的驱动因素,初步阐明了该流域径流系数的多空间尺度效应。取得主要研究结果如下:(1)借助泾河流域内三个水文站(庆阳、杨家坪、张家山)的流量观测数据,采用SWAT模型对流域水文参数进行单/多站点的逐一和联合校准验证。结果表明,两种校准方式下,全流域出口站径流模拟精度差异不大,纳什效率系数(NSE)、决定系数(R)多维持在0.8、0.6左右,偏差百分比(PBIAS)多控制在15%以内;但流域内子集水区的单站点逐一校准模拟效果明显优于多站点联合校准,其中杨家坪站在与其他两站点组合中模拟精度均在0.5以上,而庆阳站在与张家山站联合模拟中效果下降最为明显,NSE和R甚至下降到0.5以下。参数敏感性在两种校准方式下差异显著,单站点逐一校准中参数敏感性主要受局部集水区的水文特征影响,而多站点联合校准中,覆盖更大空间范围的下游站点的参数敏感性与上游站点参数敏感性保持较高的一致性。(2)泾河流域年产水量总体上呈减少趋势,多年平均年产水量在空间整体上呈现由东南向西北递减的趋势,各个子流域的产水量成显著正相关关系,但正相关关系从1980-2010年表现为微弱的下降趋势。1980-2010年流域产水量经经验正交函数分解(EOF)分解,流域产水量易形成“全区一致型”、“南北型”和“以中北部为中心型”3种空间模态,模态方差贡献率分别为77.68%、12.92%和6.67%;同时,通过旋转经验正交函数(REOF)分析,可以将流域产水量划分为南北两端区、中部区、东部区和西部区四个区域,四种区域模态的方差贡献率分别为36.2%、32.35%、23.42%和7.58%。(3)对泾河流域SWAT模型输出结果119个子流域产水量与其影响因素地理探测:气象因子(蒸发量、潜在蒸发量、降水量)以及土地利用所占比例因子(耕地、林地、草地、水域和建设用地)对于产水量的空间变化具有程度不同的风险性。其中,降水量显著性统计数占到了统计总数的70%以上,其对于产水量空间分布具有高度风险性。表征对产水量空间变化解释能力的q值在降水量因子处达0.561,其对产水量变化的贡献最大,是产水量空间变化的驱动因素。与其他影响因素相比,蒸发量对产水量变化的影响呈显著的差异性。气象因子之间存在双因子增强和非线性增强作用,土地利用因子和气象因子之间只存在非线性增强作用。因此,气象因子在产水量变化中起主要作用,当土地利用因子和气象因子共同作用时,土地利用因子会增强气象因子对产水量变化的影响。(4)研究区内,年、月径流系数均随汇水面积的增加而呈递减趋势,除2-4月的月径流系数与面积为幂函数递减关系外,其他均为指数函数关系递减;枯水季径流系数大于丰水季,流域冬季较强的地下水补充能力,使得枯水季的降水转化为径流的效率相对较高;由于降水的空间不均匀性以及地形地貌、植被的差异性导致在小尺度上的径流系数差异更大。较大尺度的流域对径流的敏感性因子较少,主要是受气候因子的影响,而植被和土地利用因子的影响主要反映在中小流域。