关键词： 径流   降水   径流变化   Mann-Kendall检验法   贡献率   洛河流域  

摘要： 利用洛河流域的长水水文站56年的径流量资料和流域内3个气象站同期日降水观测资料,应用了Mann-Kendall检验和突变分析法、距平累积曲线、双累积曲线等方法分析了洛河流域1961~2016年的径流量和降水量变化的趋势性和阶段性,定量分析了人类活动和降水对流域径流量变化的影响程度。结果表明:洛河流域径流量和降水量变化阶段性明显,都经历了枯水期和丰水期;年径流量和年降水量整体呈下降趋势,但径流量下降趋势较降水量更为显著;径流量的突变年份为1977年,突变年份之后在人类活动和降水的影响下径流量明显降低,人类活动和降水分别对径流量降低的贡献率为89.14%和10.86%。分析结果表明人类活动是洛河流域径流变化的主要影响因素。

关键词： 径流特征   趋势检验   小波分析  

摘要： 以大别山黄尾河流域长时间序列的径流资料为基础,利用累积距平法、Cramer突变检验法、小波分析法等揭示了径流的年际年内变化、周期性变化等特性。研究看出径流的多时间尺度结构明显,主要存在34~40年,11~34年和10年以下3类尺度的周期性变化规律,其中10年以下的小尺度周期变化显著,中心尺度在6年左右。径流年内分配不均匀,夏季径流量比例最大,几乎是全年径流量的一半,冬季最小,春季径流量大于秋季径流量。流域受自然、人为干扰等多种因素的综合影响,径流时空变化的随机性、非线性及非平稳性特征显著。

关键词： 径流演变规律   SWAT模型   关键源区   大凌河流域  

摘要： 文章以大凌河流域为例,采用SWAT分布式水文模型揭示了流域径流时空演变规律,从而有效解决了较大尺度流域难以定量分析的难题。通过对DEM建模过程和敏感性分析,在合适尺度流域内构建SWAT模型,在此基础上验证校准了模型的准确性与模拟精度。研究表明:各水文站点的效率系数Ens、判定系数R2、平均相对误差Re在验证期与校准期内均符合月水平及年水平径流定量要求;对大凌河径流的时空演变规律利用GSM地统计学方法进行关键源区分析,可为流域水资源可持续利用与开发保护提供一定决策依据。

关键词： 洪河   降水量   径流量   演变情势  

摘要： 降水量的演变情势是指降水的大小和强度发生时空变化的态势,地表径流演变情势是指由于降水量及下垫面条件的改变,造成地表径流量大小及产流规律发生时空变化的态势。通过对洪河水系61年来的降水量和地表径流量资料进行统计,对其演变态势及相关影响因素进行了分析,总结出淮河上游洪河水系的降水量及地表径流量演变情势特点。

关键词： 西江流域干流   年径流量   变化趋势  

摘要： 为了更全面地反映西江流域径流演变规律,以西江流域干流1957-2016年迁江水文站、大湟江口水文站、梧州水文站和高要水文站径流数据为基础,运用Mann-Kendall趋势检验法、T检验及有序聚类法等分析方法对西江干流年径流变化进行了分析。结果表明:①西江干流4个水文站径流年际变差系数在0.177~0.216之间变化,年际变化不大;②丰、枯特征具有一定的同步性,其中迁江站容易发生洪水及干旱;③经趋势性检验分析发现,四站变化趋势相同,其中迁江站变化最显著;④迁江站年径流量在2002年发生显著突变,其他3个水文站点并未出现显著突变点。结果可为西江流域水资源利用提供科学依据。

关键词： 枯季径流   演变特征   水量调度   Hurst指数   西江流域  

摘要： 对西江枯季水量调度下径流演变特征及极端枯水特征进行分析,为西江流域枯季水量统一调度和水资源高效利用提供参考。选取梧州水文站1950-2015年逐日流量资料,采用Mann-Kendall法、滑动T检验、R/S法等多种方法对西江下游枯季水量调度前后枯水年月流量序列进行趋势性对比分析,并详细探讨其变异性及未来变化特征。结果表明:西江下游枯季流量呈不显著上升趋势,呈正持续性,且变异可能性较小;水量调度后枯季11月份,次年1月份和2月份流量呈显著上升趋势,而10月份流量明显下降,即呈现拦蓄汛末洪水补给枯水月份特点,但作为枯水关键期的12月份流量呈微弱上升趋势值得关注;枯季各月流量的Hurst指数和相关系数C(t)表明,未来西江下游枯季各月流量仍与过去趋势相一致,且无显著变异。PPCC检验表明,LP-Ⅲ型分布描述西江枯水年月流量频率分布最优,以该分布频率P=90%为极端枯水标准,显示枯季径流前期随着指标流量尺度变小,极端枯水发生变多,但后期变少,可见枯季水量调度一定程度上有助于减少极端枯水事件的发生。

关键词： 下垫面变化   气候变化   水文模型   归因分析   秦淮河流域  

摘要： 流域水循环演变机理是水科学研究的关键问题之一,是保障区域水安全的重要理论支撑。气候变化改变降水、气温、蒸发等自然要素,从而影响陆地水文循环系统。与此同时,城市化引发的土地利用变化改变下垫面的水文水力学属性,使得流域产汇流机制发生改变。本文以城市化水平高的秦淮河流域为研究区,利用RS与GIS技术解译历史遥感影像数据,分析流域1986-2017年土地利用变化特征,同时借助数理统计方法,分析1986-2017年流域水文气象要素的演变特征及多时间尺度径流影响因素。在多种数理统计分析的基础上,构建秦淮河流域水文模型,探求城市化进程对流域径流响应的影响,揭示不同时间尺度径流的主导驱动因素。研究成果可为秦淮河流域的暴雨洪水预测、流域水环境保护以及区域水安全的保障提供重要理论和技术支持。本研究由国家自然科学基金面上项目“城镇群扩展下流域水循环要素多时空尺度演变规律及驱动机制(41771029)”支持。本文的主要研究工作如下:1、土地利用变化分析。基于Landsat遥感影像,采用具有分层提取特点的半自动决策树分类模型解译了秦淮河流域1988、1994、2001、2003、2006、2009、2011、2013、2015、2017年的土地利用,分析该流域1986-2017年土地利用变化特征。结果表明:秦淮河流域不透水率由1988年的3.9%增加到2017年的23.1%,增长近8倍。水田面积占比显著减少,从1988年的50.1%减少到2017年的31.3%。2、水文气象序列演变特征及影响因素分析。采用多种数理统计方法分析1986-2017年秦淮河流域降水、潜在蒸散发以及不同时间尺度径流深的年际变化特征。结果表明年降水无明显变化趋势,且无显著突变点;年潜在蒸发无明显变化趋势,且无显著突变点;年径流深呈显著增加趋势,在2001年左右存在突变点。基于GAMLSS不同时间尺度径流影响因素的分析结果表明:日最大径流主要受降水和不透水率影响,日尺度中小量级径流主要受不透水率影响;月序列、季序列、干湿季序列及年序列径流受到降雨年际差异和土地利用变化的共同影响。3、秦淮河流域水文模型构建。模型涉及到四个层次的计算,分别是蒸散发计算、降雨产流计算、坡面汇流计算和河道汇流计算。蒸散发计算模块将土壤分为三层,根据潜在蒸散发和土壤含水量计算实际蒸发量。降雨产流模块根据流域下垫面的特征分为四种类型并计算对应的产流。在进行水源划分时将坡面汇流分为地面径流和地下径流,分别采用瞬时单位线法计算地面径流,线性水库法计算地下径流。选用滞后演算法计算河道汇流,描述径流从进入河道一直到流域出口的流量过程。模型考虑了动态土地利用变化,在不同模拟时段采用不同的土地利用输入。结果显示:水文模型在率定期和验证期的纳什效率系数分别为0.81和0.88,相对误差均在10%以内。说明模拟的月径流过程与实测过程吻合程度高,模型的适用性强,可用于模拟不同土地利用情景下的水文响应特征。4、多时间尺度径流对土地利用变化的响应。本文在相同时段(2002-2017年)的气象数据条件下,选择具有代表性的三期土地利用数据(1988年、2003年和2017年)进行分析。结果表明:从年尺度看,随着流域不透水面的扩张,年均径流深不断增大;从干湿季尺度看,干湿季年均径流深均增大,且干季增大幅度较湿季更为显著。从季尺度看,随着不透水的增加,四季年均径流深不断增大;且第一、四季度径流深的增加的幅度较第二、三季度更大。从月尺度看,7月径流变化范围最不显著,受不透水率的变化影响最小;其余各月,一般是流量大的月序列受到不透水率的影响较小,而流量小的月序列受到不透水率的影响较大。5、不同时间尺度径流变化归因分析。根据年径流序列的突变点,将研究时段划分为天然基准期(1986-2001年)和影响显著期(2002-2017年)。通过设置不同气象数据和土地利用情景组合,模拟和定量评估气候和土地利用变化对秦淮河流域不同时间尺度径流变化的贡献率。结果表明:从年尺度看,土地利用变化对年径流增加总贡献率为23%,气候变化的贡献率为77%,气候变化是驱动秦淮河流域年径流量变化的主导因素。从干湿季尺度看,干湿季在影响显著期内的径流深相对于天然基准期分别增加了76.4 mm和243.4 mm。气候变化和土地利用变化对干季径流变化的贡献率分别为65%和36%,对湿季径流变化的贡献率分别为81%和19%。土地利用变化对干季径流的影响大于湿季径流。本研究系统识别秦淮河流域1986-2017年水文气象要素的演变特征及不同时间尺度径流的影响因素。结合秦淮河流域水文模型分析不同时间尺度径流对土地利用变化的响应情况;设置4种模拟情景,对不同时间尺度径流进行归因分析。研究结果对新形势下流域径流变化规律的理论研究,以及流域暴雨洪水模拟和水环境保护研究具有较大价值。

关键词： 汉江上游   变化环境   演变规律   SWAT模型   蒸散发互补关系  

摘要： 近年来由于气象因素和人为因素的共同影响,流域生态水文过程发生了不可忽视的变化,人们对气象因素和人为因素共同驱动下生态水文问题的关注持续增强。气候变化会加剧水文循环过程,人类活动会改变下垫面条件,两者都会引起流域天然水文循环发生变化。气候变化和人类活动共同作用下的径流响应研究逐渐成为水文循环研究的热点。而蒸散发作为水文循环的重要环节,是水文-气象的一个耦合过程,也是水文-生态的一个连接过程。实际蒸散发的准确计算对流域的径流预报、水资源管理和水文过程模拟都十分重要。汉江上游是我国南水北调中线工程和陕西省引汉济渭工程的水源区,研究径流量的演变规律和实际蒸散发量对调水工程稳定运行具有重要价值。本研究以汉江上游石泉水文站以上区域为研究对象,首先对研究区域的生态水文气象要素的演变规律进行分析;然后,基于SWAT模型和弹性系数法,对人类活动和气候变化对径流的影响进行了量化分析,并分析了不同气候变化和土地利用变化情景下的径流响应。最后,基于蒸散发互补理论,优选了适合研究区域的蒸散发互补模型,对实际蒸散发进行了估算,并对实际蒸散发的演变进行了归因分析。取得的主要成果如下:（1）针对降水、潜在蒸散发、径流、植被指数和土地利用等要素,采用线性回归法、累积距平法、有序聚类分析法和相关分析法,揭示了生态水文气象要素的演变规律。结果表明:研究区的年降水量、潜在蒸散发量和年径流深均呈递减趋势,汉中、洋县、两河口、石泉这四个水文站的年径流深呈现递减趋势,酉水街的年径流深呈不显著上升趋势,区域面降水量和径流量均在1990年发生突变;年平均NDVI值呈显著上升趋势,NDVI值由低级别向高级别不断转变,不同类型植被的NDVI值从低到高依次是灌丛＜草地＜常绿针叶林＜农用地＜混交林＜落叶阔叶林;土地利用转移主要发生在林地、耕地和草地三者之间,从1980年到2015年林地、建设用地、水域和未利用地的面积有所增加,草地和耕地面积在减少。（2）基于汉中以上区域和汉中-石泉区域的水文气象数据和下垫面数据,构建了SWAT水文模型,进行了参数率定和验证。结果表明:汉中和石泉水文站的径流敏感参数略微不同,率定期和验证期的月径流模拟效果均较好,Nash-Sutcliffe效率系数NSE、确定性系数R2和KGE系数均大于0.8,相对误差绝对值均小于14%,满足水文模型的精度要求。说明SWAT模型在石泉水文站以上区域具有良好的适用性,可以用于变化环境下的径流响应研究。（3）采用6种弹性系数公式和构建的SWAT水文模型,定量分析了研究区域气候和人类活动对汉中站和石泉站径流变化的贡献率,发现气候变化对汉中站和石泉站径流减少的贡献率分别在79.50%-80.90%和59.41%-73.50%之间,人类活动对汉中站和石泉站径流减少的贡献率分别在19.10%-20.50%和26.50%-40.59%之间。气候变化是造成径流减少的主要原因,径流对降水的敏感性远大于潜在蒸散发。（4）在设定土地利用不变的情况下,设置了 34种气候变化情景,基于SWAT模型对不同气候情景下的水文过程进行了模拟。结果表明:当气温不变时径流对降水减少的响应程度略大于对降水增加的响应程度;降水量不变时气温变化引起的径流变化幅度小于气温不变时降水量变化引起的径流变化幅度,这也说明径流对降水的敏感度高于气温,降水是影响两个水文站径流变化的主导性气候因子。不考虑气候改变的情况下,设置不同土地利用情景,基于SWAT水文模型对不同土地利用情景下的水文过程进行模拟。结果表明:自然增长情景、极端草地情景和极端耕地情景都显示汉中和石泉水文站年径流量增加,极端耕地情景使两个水文站的年均径流量增加最多,极端草地次之。极端林地情景下的年均径流量减少幅度最大。（5）基于蒸散发互补原理,结合水量平衡法率定了三种蒸散发互补关系模型的参数,分析了研究区实际蒸散发过程。验证了研究区域蒸散发互补关系,比较了 AA模型、B2015模型和H2018模型在研究区域的适用性,其中B2015模型估算实际蒸散发效果最好。结果表明:研究区多年平均实际蒸散发量总体上呈现从南到北递减的趋势,随纬度的增加而减小;各个季节的实际蒸散发量变化规律是夏季＞春季＞秋季＞冬季;年实际蒸散发量上升的主要原因是气温的显著升高、降水和风速的减少;春季实际蒸散发显著升高的原因是气温的显著升高、日照时数的增加和风速的显著减少;夏季日照时数的减少是实际蒸散发量减少的主要原因;秋季实际蒸散发量增加主要是由于最高气温的显著增加和降水的减少;冬季实际蒸散发量增加显著的原因是最低气温和相对湿度的显著升高。

关键词： 变化条件   径流   归因分析   来需水预测   洮儿河  

摘要： 气候变化和人类活动导致河川径流发生变化,引起径流衰减、河道断流、流域水文连通性差等诸多水问题。东北平原作为我国重要的的商品粮基地、林业基地以及老工业基地,随着国家振兴战略的实施,未来流域对水资源的需求还将进一步增加,水资源供需矛盾将愈加凸显。为此,深入解析历史径流变化成因并探究未来水资源变化规律,是流域水资源科学管理的必然需求。本文以洮儿河流域为研究区,基于SWAT模型定量揭示历史径流变化原因。在此基础上,应用BCC-CSM2-MR和MRI-ESM2-0(CMIP6)未来气候系统模式在研究区域进行水文模拟,探究未来三种不同气候情景下的降水、气温演变趋势,并预估未来期(2021080年)流域可利用的水资源量。同时,基于对未来农业、城市等多用水目标的需水量预测,结合供需分析结果,提出水资源规划利用建议。研究成果可为深入理解流域历史径流变化成因及未来水资源演变趋势提供科学依据,为流域水资源规划和管理提供决策支持。取得的主要研究成果如下:(1)基于TFPW-MK检验法法、一元线性法和累积距平法对洮儿河流域内4个气象站和2个水文站1958017年的降水、气温以及径流序列进行变化趋势分析,并采用MK突变检验法和双累积曲线法识别径流序列的突变年份。结果表明:近60年流域内各气象站的气温均呈显著上升趋势,降水呈轻微下降趋势,上下游汇水区径流呈显著下降趋势,选取1972年作为流域径流序列的突变点。(2)根据突变点划分天然期(1958—1972)和影响期(1973—2017),采用基于SWAT模型的水文模拟法得出气候变化和人类活动分别是洮儿河流域上游和下游径流变化的主要成因,同时量化其各自的贡献程度。(3)在未来气候模式BCC-CSM2-MR和MRI-ESM2-0(CMIP6)下,分析三种不同排放情景的降水、气温变化趋势,并基于SWAT水文模型探究流域未来期(2021080年)的径流演变规律。(4)基于历史统计资料和流域发展规划报告,采用用水定额法以及Tennant法预测流域未来生活、工业、农业和生态需水量,并根据供需分析结果,从“开源”和“节流”的角度提出满足可持续发展和生态文明建设的水资源利用建议。

关键词： 气候变化   土地利用变化   清水河流域   径流演变   驱动机制  

摘要： 海河上游清水河流域地处我国北方半干旱半湿润过渡带,水资源短缺且生态环境极为脆弱,对气候变化和人类活动高度敏感。明晰变化环境下清水河流域的径流演变规律及气候变化和人类活动的贡献,对实现流域内水资源的可持续利用以及确保本流域作为首都地区生态屏障的功能定位具有重要的意义。首先,本文采用有序聚类法、双累积曲线法、小波分析和M-K检验等方法分析了流域水文气象要素演变规律。其次,构建了清水河流域SWAT水文模型,确定了敏感性参数。最后,通过设立综合情景和未来气候变化情景,分离并量化了流域径流过程变化的驱动因子以及对未来气候变化的响应。主要结论如下:(1)近70年,清水河流域径流变化呈显著减少趋势,径流深年均减少0.6 mm,各月径流亦均呈显著减少趋势,其中以春夏两个汛期的减少最为显著。流域径流在1979年前后发生突变,径流变化的第一、二主周期分别为27 a、8 a。整个时域上,径流年内分布的不均匀程度明显增加,春汛(3月-4月)占全年径流总量的比例增加,而夏汛(7月-8月)占全年径流总量的比例则呈现减少态势。(2)在整个时域上,流域年降水呈不显著减少趋势,其减速为2 mm/10a,而年均气温显著性增加,其增速为0.3℃/10a。流域内降水与气温历史突变年份分别为1996年和1986年,突变年后年均降水量相比突变前减少了7.5%,而年均气温则相比增加了30.2%。流域内,年降水主要有5a、8a、14a三个周期变化,14a贡献最大,而年均气温变化以28a贡献最大。(3)时域上,流域以草地、林地和耕地面积为主,约占流域总面积的90%以上。草地面积占比整体呈增加,林地有所减少,耕地在2010年前增加,其后减少,约4.5%;其他土地利用类型面积占比则均有所增加。空间上,草地呈水流西南流向分布,林地多分布于流域东沟和西沟,耕地沿河道呈明显的支状分布,而建设用地及居民区在崇礼区和进入市区区域分布明显,特别是在2000年后。因此,社会经济发展、土地利用管理政策和人口变化等人为因素对土地利用类型时空变化具有重要影响。(4)清水河流域月径流模拟值与实测值在整个时段上拟合程度较好,率定期R=0.75,NS=0.68,验证期1的R=0.63,NS=0.51,验证期2的R=0.71,NS=0.64。各评价指标均满足R>0.6,NS>0.36,清水河流域SWAT水文模型构建成功。径流过程中,与其敏感性较高的参数有7个,土壤层有效水容量r＿SOL＿AWC().sol最敏感,其次是土壤饱和导水率r＿SOL＿K().sol。可见,清水河流域径流量对土壤的持水性和导水性能很敏感。(5)流域年均径流量在气候变化和土地利用变化的综合影响下减少了1.39m/s,受气候变化影响减少了0.34 m/s(12%),受土地利用变化影响减少了1.05m/s(37%)。模拟时段上,降水量降低减少了对径流的水源补给,而气温增加加大了陆面蒸发。耕地面积和建设用地增加,使得人类活动用水需求量加大,林地、草地面积虽有所减少,但对降水和地表径流仍有阻滞作用,并且植被蒸散消耗的水量大。所以,在变化环境下合理规划土地利用类型对水资源管理和水生态保育有极其重大的现实意义。(6)当温度不变,降水量增加10%和20%时,流域年均径流量分别增加25.3%和39.3%;降水量减少10%和20%时,年均流量分别减少12.4%和18.3%。当降水不变,气温增加1℃和2℃时,年均径流量分别减少5.4%和5.8%。可见,在未来气候变化中流域年均径流量对降水变化更为敏感,而气温变化对径流的影响则要通过影响蒸发来间接实现,在不考虑冰川融雪径流的干旱半干旱区更是如此。