关键词： 塔里木河流域   径流演变   Mann-Kendall检验   线性回归  

摘要： 开展变化环境下的河川径流演变规律研究是流域水资源科学规划与合理利用的前提。本文选取塔里木河“三源一干”1960—2015年径流数据,运用Mann-Kendall法、累积距平法、线性回归法等方法,揭示其径流演变规律。结果表明:近60年来,阿克苏河径流呈显著增加趋势,线性倾斜率为0.39亿m^3/年,叶尔羌河与和田河均呈不显著增加趋势,线性倾斜率分别为0.19亿m^3/年与0.04亿m^3/年,干流径流呈不显著下降趋势,线性倾斜率为-0.12亿m^3/年;塔里木河“三源一干”月均径流主要集中在夏季,约占全年的64%~78%,其次是秋季,约占全年的12%~19%,春季和冬季占全年的10%~17%;三源流径流均在1993年发生突变,和田河在2009年亦发生突变,塔里木河干流分别在1972年、1993年和2009年发生突变。

关键词： 渭河干流   变化特征   非参数检验   R/S分析   径流演变  

摘要： 流域水资源量的减少对区域水资源的利用、人类生存环境和经济社会发展等存在着重大影响,通过分析渭河干流径流量变化趋势和突变情况,为渭河流域水量调度和水资源管理提供科学支撑。采用Mann-Kendall非参数检验、累积距平、有序聚类、滑动t检验和R/S等方法分析渭河干流6个典型水文站1956—2015年径流量的历史演变规律、突变点和未来变化趋势。结果表明:渭河干流各站点的年和季节径流量均呈减少趋势。各站点的春、夏季节减少趋势的幅度大于秋、冬季节;从上游到下游,减少趋势的幅度越来越小。上游各站点呈现增加-平稳-减小的变化过程,且存在1970和1993年2个突变点,中游和下游各站点呈现增加-波动-平稳-减小的变化过程,且存在1968和1993年2个突变点。渭河干流各站点年和季节径流量Hurst指数均大于0.5,即未来变化趋势与历史演变规律呈正相关性,表明渭河干流各站点径流量具有持续下降的趋势,相应部门应高度重视这一现象,制定合理的流域水资源管理对策。

关键词： 水沙演变   气候变化   人类活动   降水-径流经验模型   洞庭湖  

摘要： 运用线性趋势法、M-K非参数检验法、滑动T检验法、小波分析法等对1951—2015年洞庭湖水沙演变特征进行了分析,并通过构建降水-径流经验模型,定量估算了气候变化和人类活动对洞庭湖入出湖径流量的影响率。结果表明:(1)洞庭湖入出湖水沙时间序列均呈现出下降趋势,其中以入湖输沙量的下降趋势最为显著,以404.46万t/a的速度减少,在研究时段内入出湖水沙均发生了突变并表现出不同尺度的周期性变化规律;(2)洞庭湖入湖水沙的Pearson相关系数为0.800,出湖水沙为0.696,表明洞庭湖水沙序列之间呈现出极显著的正相关关系;(3)在整个变异期,降水对入湖径流量变化的影响率为-1.03%、人类活动为101.03%,降水对出湖径流量变化的影响率为-7.67%、人类活动为107.67%,洞庭湖入出湖径流量减少主要是受人类活动的影响。

关键词： 基流分割   气象因素   植被因素   相对贡献率   昕水河流域  

摘要： 昕水河流域是黄土高原水土流失最严重的地区之一。由于气候变化和人类活动的影响使该流域的地表径流和基流发生显著变化,因此,开展气候变化和人类活动对昕水河流域基流和地表径流变化的影响对当地生态环境建设十分必要。本文以黄土高原昕水河流域为研究对象,利用4类8种自动基流分割方法对黄土高原昕水河流域基流进行分割,优选适合该流域的基流分割方法,对昕水河流域1955-2015年的基流和地表径流进行分割,分别应用趋势性分析、突变性分析、周期性分析、不均匀系数等方法计算该流域基流和地表径流的年内和年际变化情况,分析昕水河流域径流组分在时间尺度上的演变特征。利用双累积曲线、线性拟合分析等方法定量计算基流和地表径流对气象因素和非气象因素(植被因素和其他因素)的水文响应情况,从定性和定量角度,分析昕水河流域径流组分对气象因素和非气象因素的响应机制,总结该流域径流组分变化规律,以期为当地生态环境建设、水土保持措施建设以及水资源评价等提供科学依据。研究发现,(1)应用DF one(0.925,3次)对昕水河流域基流进行分割是一种比较稳定可靠的方法;(2)昕水河流域多年平均基流深为11.29mm,多年平均地表径流深为19.40mm,基流和地表径流年内各月和各季节分配不均匀。在多年平均尺度上,昕水河流域年内基流分配较为均匀,地表径流分配极其不均匀。年内基流和地表径流不同年代集中期表现一致;(3)昕水河流域1955-2015年基流和地表径流均呈显著下降趋势,突变点均出现在1985年,未来有进一步减少趋势。基流和地表径流均呈现以27年为中心的周期变化。在不同季节尺度上,呈现较为明显的趋势性、突变性、周期性和持续性变化特征;(4)基准期降水是影响基流和地表径流的主要因素,干扰期非气象因素是影响基流和地表径流的主要因素。进入21世纪,其他因素成为影响基流和地表径流变化的主要因素。在干扰期气象因素、植被因素和其他因素对基流影响的相对贡献率分别为16.7%、3.3%和80.0%,对地表径流影响的相对贡献率分别为19.2%、4.0%和 76.8%。

关键词： 人类活动   气候变化   径流演变   沅水流域   SWAT模型  

摘要： 受气候异常变化和人类生产活动的双重影响,沅水流域水旱灾害频发,并具有一定的不规律性,这对沅水流域社会经济发展产生重要影响。本文以沅水流域为对象,通过运用统计方法以及建立沅水流域的SWAT水文模型,对气候变化与人类活动对沅水流域径流变化的影响开展了研究,取得如下主要结论:(1)运用统计方法分析了沅水流域径流量、降水量、气温等的趋势和突变演变规律。1959～2014年,安江站及浦市站的年径流量在波动中总体呈增加趋势,桃源站的年径流量在波动中呈减小趋势,速率依次为0.84×106m3/a、36.8×106m3/a、-21.5×106m3/a,浦市站年径流量趋势变化程度最大;对径流序列进行Morlet小波分析得到径流存在5年和10年的主周期;运用Mann-kendall检验法和滑动t检验法对3个水文站的年平均径流序列做趋势突变分析,发现均在1989和2004年发生突变,以1989和2004年作为水文序列的分界点,即1959～1988年为基准期,1989～2003年作为变异期I,2004～2014年作为变异期Ⅱ。沅水流域的降水空间分布不均,从流域的西南到洞庭湖区逐渐增大;从年内降水分配来看,春秋季节多,秋冬季节少,6月降水量最多;沅水流域1959～2014年年际降水波动较大,但整体呈现出不显著的下降趋势;降水序列存在5年的主周期,以5年为周期,1977～1992丰枯交替显著,降水序列在1989年和2004年发生显著突变。況水流域年平均气温呈上升趋势,上升幅度为0.14℃/10a,从1989-2003年沅水流域气温增加幅度最大,在2004年以后又趋于平稳,年气温序列在1997年发生突变。(2)基于统计方法定量评估了各变异期降水和人类活动对径流量变化的影响率。以1959～1988年为基准期,不考虑蒸散发的情况下,在变异期I,沅水安江站上游,人类活动是径流量变化的主要影响因素,其影响率为60%;在沅水下游段,径流量变化的主要受降水影响较大,其影响率为74.3%;在变异期II,沅水流域人类活动对径流量变化的影响都有不同程度的增加,沅水流域下游受人类活动的影响贡献率的增幅最大。(3)通过构建沅水流域的SWAT分布式水文模型,定量分析得到气候变化和人类活动对流域径流量的影响。以1980年～2013年的气象数据和1990年、2000年、2010年三期土地利用数据驱动SWAT模型,为了减少误差、提高模型精度,从干流上游、中游到下游依次率定模型参数,得到了较好的模拟结果,3个水文站的R2均在0.89以上,Nash均在0.84以上。在率定和验证水文模型后,保持模型各流域的参数不变,采用SWAT水文模型模拟的方法定量分析气候变化和人类活动对流域径流量的影响。相对于1980年～1988年,径流量在1989年～2003年间,由气候变化引起径流量增加了 108.7亿m3,气候变化对径流量的改变贡献率占93.5%;土地利用引起径流量减少了 1.2亿m3;在2004年～2013年间,气候变化引起径流量增加了 7.91亿m3,相对于变异Ⅰ期,影响占比由变异Ⅰ期的93.5%降低到31.6%,土地利用引起径流量减少1.81亿m3,综合来说,沅水流域在变异Ⅰ期的径流量变化主要自于气候变化的影响,在变异Ⅱ期的径流量变化主要自于人类活动的影响,其中水利工程是沅水流域人类活动的主要组成部分。

关键词： 径流变化   非平稳性   枯水流量   气候特征   淮河中上游  

摘要： 径流变化特征研究对于农业灌溉、流域水资源配置与管理等具有重要理论与现实意义。而淮河中上游是我国重要农业区,开展时间序列变化特征及机理研究更突显其重要性。本论文基于流域内9个水文站点1956-2016年的逐月径流数据进行统计分析,首先通过非参数Mann-Kendall趋势检验和小波转换等方法系统分析了淮河中上游径流年内分配、年际变化、径流趋势、突变特征及周期变化等径流过程变化特征;其次运用Pettitt非参数检验法、GAMLSS模型与洪水频率分析模型等方法,揭示了淮河中上游洪水频率的演变规律,分析基于平稳性和非平稳性条件下的洪水发生强度及洪涝灾害所带来的影响;最后采用M-K非参数检验法、小波分析等方法研究淮河中上游连续最小1d、7d、15d、30d平均流量(枯水流量)演变规律。分析结果如下:(1)淮河中上游径流量主要集中5-9月,约占年径流总量的70.37%,变差系数值介于0.16-0.85之间,径流年际极值比则介于1.7-23.9之间,径流年际变化剧烈;淮河中上游径流量整体呈减少趋势,尤其是4月和5月径流减少趋势显著,季节上变化不明显;淮河中上游各站点年径流量在2000s呈显著周期变化,班台、王家坝、鲁台子和蚌埠站在该尺度上存在2.0-3.4a尺度的小周期,息县、潢川和蒋家集站处于高能区。季节和汛期与非汛期的显著周期集中出现在1960s、1980s和2000s。(2)潢川站年径流量对气候因子的响应最为明显,其对MEI和PDO指数的响应分别通过了95%和99%的显著性检验。PDO对各站点月尺度径流的遥相关影响最为显著,且主要集中在6月份,多呈显著负相关关系,以班台站最为显著,分别在1、4和6月份通过了95%的显著性检验。SOI、NAO和Nino3.4指数对研究区月径流量的响应存在显著滞后性,Nino3.4对研究区月径流量滞后期的影响主要发生在潢川和蒋家集站,而AO和PDO指数无滞后性响应。(3)潢川、横排头和蚌埠站点未发生明显变异,其余6个站点发生均值或方差变异,变异时间主要集中在2000年左右。淮河中上游的最优拟合分布函数是Weibull;班台、蒋家集和横排头站适宜于非平稳性模型,其余站点选择平稳性模型。各站点非平稳性条件下10年和20年一遇设计流量值与平稳性条件下皮尔逊III型分布设计流量值相差不大,但30年一遇、50年一遇和100年一遇的设计流量相差逐渐变大。横排头站和蚌埠站洪水放大因子大于1且随着时间增加呈上升趋势,百年一遇重现期不足80年。各站点年最大洪峰流量与淮河中上游、安徽省水灾面积均通过了显著性检验。(4)淮河中上游枯水流量变差系数值介于0.23-1.34之间,年最小枯水流量介于0.002-24.5m3/s之间,枯水流量年际变化剧烈。各站点变异时间多发生在20世纪60年代初及21世纪初。息县、潢川、班台和王家坝站在Q1、Q7、Q15中的变化趋势基本一致,整体呈震荡上升趋势。空间分布上,上游枯水流量呈增加趋势,而中游则呈减少趋势。息县、班台、阜阳、蚌埠和鲁台子这5个站点均在1960-1977年存在显著周期,潢川、班台、王家坝、蒋家集、横排头和蚌埠站在1997-2012年的时间段内存在2.0-4.6a的显著周期变化。

关键词： 渭河流域   水文气象要素   演变特征   SWAT模型   土地利用变化   径流归因分析  

摘要： 随着社会经济的快速发展和全球气候变化,社会经济发展对水资源的需求增加与大自然提供可用水资源的水量所形成的矛盾日益加剧,其最直观的表现为河道径流的减少与干枯。河道径流的这种变化正是流域水循环水文要素发生变化的综合反映。本论文在此背景下,以渭河流域为研究区,基于流域水循环理论,运用多种数理统计方法和SWAT模型来综合定量分析水循环过程中的水文气象要素演变特征及径流演变归因。研究成果对流域生态环境保护、经济可持续性发展及全流域因地制宜地开发利用和保护水资源及土地资源具有重要的参考作用。主要研究内容及成果如下:(1)采用Penman-Monteith公式计算流域潜在蒸发量,并采用滑动平均值法、M-K趋势检验法、滑动t检验和Morlet小波等方法对流域水文气象要素降水、气温、蒸发量和径流演变规律进行了分析研究。结果表明1960～2016年降水呈不显著的减少趋势,其变化率为-0.93mm/a,多年平均降水量为541.2mm,空间分布呈现出“东南多西北少”的特征。潜在蒸发量和气温均呈现增加趋势,气温升高显著而潜在蒸发量增加不显著。流域内各水文站实测年径流量均呈显著减少趋势,根据径流变化突变点分析将研究时段划分为基准期1960～1970和变化期1971～2016年;根据Morlet小波周期性分析,径流变化的周期约为23年左右,其中1965～2009年经历了 2个完整的丰枯变化周期。(2)采用SWAT模型模拟渭河流域的径流量。在建模过程中生成了 121个子流域和850个水文相应单元的数据库,采用“先支流后干流,先上游后下游”的方式对各水文站控制区域的模型参数进行逐级率定,并利用Nash-Suttcliffe效率系数(E)、决定性系数(R)和相对误差(R)三个指标对模型的模拟效果进行评定。结果显示各站的E和R均在0.5以上,个别站达0.8以上,各站模拟相对误差在25%以下,大多数站点的相对误差均在15%以下。模拟结果表明SWAT模型在该地区具有较好的适用性。(3)利用土地利用转移矩阵和GIS叠加图层的方式分析了 1980年、2000年和2015年三期土地利用变化情况,2015年土地利用情况与1980年相比利用变化区域面积仅占总面积的3.56%,土地利用变化的面积较小。运用SWAT模型分析土地利用变化对径流的影响,表明由土地利用变化引起径流减少较小。通过设置单一土地利用变化情境,揭示单一土地利用变化对径流的影响,分析表明中下游径流变化对土地利用变化更敏感。(4)通过分析研究将径流变化的影响因素归为气候变化和人类活动两大类。对渭河流域华县水文站径流变化进行的归因分析表明1971～1993年年径流量相比基准期1960～1970年减少了 28.78亿m,其中由气候变化和人类活动引起径流减少量的贡献率分别为65.13%和34.86%;1994～2016年年径流量与基准期相比减少了 51.60亿m,气候变化和人类活动的贡献率分别为43.36%和56.64%。对汛期和非汛期进行的归因分析表明汛期人类活动对径流变化影响强度大于非汛期。

关键词： 长江流域   径流量   输沙量   多尺度分析   非线性动力预报  

摘要： 本论文利用经验模态分解的Hilbert—Huang变换(HHT)技术,对长江流域代表站的年平均径流量、月平均径流量、月输沙量以及对他们有重要影响的气象因子进行了多尺度分析。首先我们对长江流域宜昌站、汉口站、大通站年平均径流量进行多尺度时间序列分析并且在此基础上建立了非线性预报模型;另外对长江流域的上中下游三个代表站(宜昌、汉口、大通)近60多年的径流量逐月时间系序列进行了多尺度特征分析,从而得到了不同尺度下的演变规律及其与大洪水的关系;同时本文对逐月ENSO关键区海温、逐月南方涛动指数时间序列做了多时间尺度分析,找出了这些气象因子对月平均径流量产生影响的关键时间尺度;最后我们对长江流域三个代表测站的近60多年月输沙量时间序列进行了多尺度分析,从而得到了不同尺度下的演变规律及其与月平均径流量的关系。主要研究成果总结如下:1.利用HHT方法对宜昌站(1900-2016)、汉口站(1952-2016)、大通站(1951-2016)的年平均径流量时间序列做了多尺度分析。结果表明:宜昌站、汉口站和大通站的年平均径流量的波动周期以3年和6-7年为主,两者方差贡献之和为75-77%。2.本文利用宜昌站、汉口站和大通站年平均径流量时间序列分解的IMF各分量分别建立了年平均流量多尺度非线性动力预报模型。建立了两套预报方案:方案Ⅰ采用IMF所有的分解分量和趋势项叠加建立预报方程,方案Ⅱ则把高频振荡分量C1去除,建立了第二个预报方程。一般而言,方案Ⅱ的模拟效果要优于方案Ⅰ。方案Ⅱ拟合相对误差低于20%的通过率三站在85%-93%之间。3.长江流域三个代表站(宜昌、汉口和大通)近60多年来的逐月平均径流量时间序列可以分解为6个准周期的波动和一个趋势项。其中平均周期1年左右的季节变化C2是最重要的IMF分解分量,它具有最大的方差贡献为84.48%-86.35%。另外3站月平均径流量分解出的年循环分量C2在长江流域特大洪水的发生年份:1954年和1998年,同时达到了历史上的最高点。并且低频分量合并序列(C3+C4+C5+C6)在这2年也出现了异常高值。在将来建立洪水预报模型时,这些时间序列分量可以作为更有效的预报因子,来提高洪水预报的准确度。***的4个关键海温区1951-2016年逐月海温和南方涛动指数(SOI)时间序列可以分解出6个不同周期的IMF分量和一个趋势项。结果表明ENSO关键区海温以1年为周期的季节变化时间序列分量与长江流域宜昌站月平均径流量有很好的关系。其中Nino1+2区、Nino3区Nino3.4区海温季节变化的位相较径流量提前3-5个月。南方涛动指数(SOI)和月平均径流量的时间序列没有发现很好的关系。5.长江流域三个代表站(宜昌、汉口和大通)近60多年的月平均输沙率时间序列也可以分解出的6个IMF分量和一个趋势项R,其结果表明平均周期为1年左右的季节变化C2是最重要的,该分量的方差贡献最大,为63.48%-67.32%。长江流域三个代表站的月平均输沙率和月平均径流量有很好的相关关系,尤其是各自分解出的方差贡献最大的年循环季节变化序列C2的变化规律非常一致。本论文结果显示,HHT多尺度分析技术对水文时间序列的分解是行之有效的。其分解结果可以更好地为将来水文预报模型的建立提供更有效的预报因子和理论依据。在将来建立径流量的非线性预报模型的时候,HHT多尺度分析技术可以提供IMF各分量在不同时间尺度上的变化规律。同时HHT多尺度分析技术可以通过分解相关的气象因子时间序列,找出和径流量有关的预报因子的IMF分量,为将来水文预报模型的建立提供了重要的影响因子,从而提高预报模型的准确度。

关键词： 径流演变   气象干旱   水文干旱   水分盈亏   鄱阳湖流域  

摘要： 干旱是鄱阳湖流域危害最大的自然灾害之一，近几十年来，流域干旱发生的次数和强度都呈现显著上升趋势。深入研究鄱阳湖流域气象和水文干旱的时空分布规律，揭示水文干旱对气象干旱的响应关系以及流域干旱的影响因素，具有重要的意义。本文利用鄱阳湖流域84个分布相对均匀的气象站点的逐日降水、气温资料，上下游的8个水文站的日径流资料，鄱阳湖湖口的日径流资料以及流域蒸散数据等资料，借助于线性趋势、MK检验、线性拟合、EOF（经验正交函数）分析、流域水分盈亏等方法，利用径流系数、暴涨指数、SPI（标准化降水指数）与SPEI（标准化降水蒸散指数）以及雨日与非雨日指数，对鄱阳湖流域1960-2007年径流演变特征、水文与气象干旱时空演变特征和流域水分盈亏变化进行研究。　　主要结论包括：（1）流域各站暴涨指数主要呈下降趋势（下游的李家渡站例外）;相对于上游地区，下游地区站点的暴涨指数下降趋势较弱。（2）流域各站年径流系数主要呈增长趋势（下游李家渡站例外）;下游站点的年平均径流系数略小于上游。（3）流域在1960年代出现了气象干旱增强的特征;而在1970年代和1980年代，这一特征并未得到加强;在2000年代，流域出现了大范围的气象干旱增强的特征，北部地区和中部的干旱要明显强于南部地区;在2010年后，流域北部地区和中部地区干旱程度减弱，而南部地区相对于北部地区干旱程度更高。（4）鄱阳湖流域呈现出雨日指数下降，无雨日指数上升的趋势变化特征，其中，无雨日指数上升较为明显，中部的上升趋势要强于北部和南部地区。（5）雨日和无雨日指数EOF分析，第一模态数呈现一致分布的格局，表明鄱阳湖流域整体上表现出“气象干旱”上升的趋势。第二模态则反映无雨日呈现出北正南负、雨日呈现出北负南正的分布特征，表明北部地区呈现与南部地区相反的变化特征。（6）气象干旱和水文干旱之间存在良好的线性关系，同时，峡山站和赛塘站的水文干旱相对于气象干旱存在较明显的滞后效应，滞后于气象干旱1个月时间。（7）1961-1977年、1978-1994年和1995-2010年三个时段相比较，1995-2010年时段的水文干旱状况比较严重。这16年间流域水分收支以亏缺为主，共有12年的水分收支亏缺。（8）流域降水亏缺是导致发生水文干旱的最主要的因素，其次是出湖径流量的增加，amp;nbsp;而流域蒸散量对水文干旱也起到了一定的增强作用。

关键词： 农业灌溉   需水量   时空演变   种植结构   山区径流  

摘要： 农业是耗水大户，面对白洋淀上游严重的水资源短缺和不断下降的地下水漏斗，优化流域农业耗水结构和空间布局，对实现白洋淀上游及雄安新区水资源长期保障具有重要作用。　　本文利用DSSAT作物模型模拟了白洋淀上游1986-2015年小麦、玉米的灌溉需水量，结合蒸发皿系数法估算了蔬菜、果树等其它作物的灌溉需水量，分析了白洋淀上游30年农业种植结构及农业灌溉需水量的时空演变趋势，特别是通过整理历史文献中1970-1985年间农业耕地、作物种植、灌溉等的发展演变，重建了1970-2015年消除降水年际波动影响的灌溉需水量演变趋势，探讨了灌溉及农业种植结构影响下的灌溉需水量长期变化;基于傅抱璞的Budyko模式重建了白洋淀上游山区沙河、唐河、北拒马河3个子流域的天然（理论）径流量，通过对比天然径流与观测径流，量化了人类活动对径流的影响，清晰刻画了农业灌溉需水量对径流减少的影响程度。　　主要结论如下:　　(1)研究区1986-2015年多年平均耕地面积、有效灌溉面积和播种面积分别为84.9×104hm2、71.3×104hm2、126.8×104hm2，播种面积总体呈上升趋势，其中小麦播种面积稍有下降，玉米、蔬菜播种面积显著增加，果树种植面积在山区增加、平原区减少。　　(2)1986-2015年灌溉需水量22.52×108m3/年，小麦、玉米、蔬菜、果树和其它作物分别占灌溉需水总量的58.6％、12.6％、5.8％、16.3％和6.7％，受播种面积增加影响，蔬菜和果树需水显著上升;从空间上来看，灌溉需水总量在上游山区呈显著上升趋势。　　(3)排除降水的年际波动后，研究区农业灌溉需水量在不同典型水文年型下总体呈增加的趋势，表现为自1970年以来一直呈上升趋势，进入80年代中期，虽然整体上升减缓，但随播种面积增加和蔬菜、果树需水增加影响，需水整体呈缓慢上升趋势;(4)通过Budyko模式恢复上游山区3个子流域1960-2015年的天然径流量，发现3个子流域农业灌溉需水量逐渐增加，但占径流减少量始终维持在47.6-48.7％之间，农业用水是山区径流减少的重要因素。　　综上所述，自上世纪70年代以来，白洋淀上游农业灌溉需水呈上升趋势，是上游山区径流减少和平原区地下水枯竭的关键因素，可通过适当调整农业种植结构保证白洋淀上游和雄安新区的水资源可持续发展。