东洋河流域土地利用及气候变化对径流的影响

为分析东洋河流域土地利用与气候变化对径流的影响,选用SWAT分布式水文模型,通过情景分析法模拟变化环境下流域的径流响应。结果表明:①SWAT模型在东洋河径流模拟过程中具有较好的适用性且不确定性较小。②按现有土地利用和气候变化趋势,单一因子和共同作用对径流均有削减作用(即水文负效应),将会造成下游用水形势更加严峻,并影响整个洋河流域的生态环境。③未来气候变化情景中,径流量与降雨变化呈正相关关系,与气温变化呈负相关关系。④极端土地利用情景中,增加耕地和林地使年均径流量减少,增加草地使径流量增加。⑤影响未来流域年均径流的主要因素是气候变化,土地利用变化的影响相对较弱。土地利用的变化对调蓄径流有一定作用,可缓解气候变化带来的水文负效应,有助于流域水资源的科学管理。     

拉萨河流域径流对土地利用和气候变化的响应分析

拉萨河流域处青藏高原中南部,因其独特的地理位置是对气候变化较为敏感的区域之一,同时也是青藏高原人口和耕地较为密集区域。在建立SWAT模型对拉萨河流域水循环过程进行模拟的基础上,通过设置不同气候情景与土地利用状况,分析近30 a来拉萨河流域径流变化的成因,并研究径流对气候因子变化的敏感性。结果表明:①气候变化与土地利用对径流影响占比分别约为82.95%和17.05%,主要原因在于近30 a拉萨河流域土地利用情况变化不大,而气温、降水则呈显著增加趋势;②降水每增加10%,流域径流约增加11.8%,且径流对降水变化敏感性的空间差异性较小;③气温每增加1 ℃,流域总径流约增加2.5%,但径流随气温变化的空间差异性较大,其中,中上游地区径流减小0.7%,下游地区径流约增加3.6%。     

土地利用变化对牤牛河流域径流的影响

土地利用变化对流域水资源配置及其循环过程有显著的影响,了解土地利用与径流的关系是流域水文学研究的重要内容。以牤牛河流域为研究区,基于SWAT分布式水文模型,利用流域DEM、土地利用、土壤、气象等数据,结合GIS和RS技术,并采用极端土地利用分析方法,对流域土地利用变化的径流响应进行定量研究与分析。结果表明:流域内1998年与2009年土地均以耕地、林地、未使用地为主,约占总面积的90%;相同的气象条件下,两期土地利用情景下年、月均径流量变化趋势一致,2009年土地利用情景下的年、月径流量较1998年略小,年均径流量减少605.5万m3;7,8月份月径流模拟减少量明显;土地植被覆盖度增大径流量减小,反之则增大;在极端土地利用情景下,径流量将发生剧烈变化。因此,在不考虑研究期间内气候变化等因素的条件下,土地利用变化是影响流域径流变化的主要因素。     

未来气候情景下覆被变化对径流量的影响

以陆浑水库控制流域为研究对象,利用流域DEM、土地利用数据、1987—2001年气候和水文观测数据,在率定SWAT模型参数的基础上,以SCS模型参数的变化来反映覆被变化,分析了未来气候变化情景及覆被变化情景对径流的影响。结果表明:2011—2050年在流域落叶林地面积退化30%情况下径流量将增大7.02%,落叶林地面积增加20%情况下径流量将减少8.48%。     

未来气候变化下拉萨河流域径流变化趋势研究

【目的】气候变化引起水文循环的变化,主要表现为降水、径流等的显著改变。【方法】基于拉萨河流域分布式径流模型,应用第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的4个气候模式数据,分析未来气候变化情景下拉萨河的径流变化。【结果】结果显示：SSP1-2.6情景模式下,拉萨河上中下游年径流深均呈减少趋势,约减少42%,但月径流量年内分配比例较实测月径流分配比例变化不大;SSP2-4.5情景模式下,总体上呈增加趋势,约增加1.5%,中上游径流深呈减少趋势,约减少1%～7%,下游支流呈增加趋势,约增加1%～37%;SSP5-8.5情景模式下,总体上呈增加趋势,约增加10%,下游支流增加趋势更加显著,约增加17%。【结论】结果表明：在CMIP6未来气候情景模式下,径流变化较为显著且不同情景模式差异较大;未来径流深变化趋势与未来降水变化趋势较为一致;拉萨河流域未来不同气候情景模式下径流深时空分布存在差异。通过对CMIP6未来气候模式进行模拟,分析拉萨河流域径流变化特征,为区域水文水资源配置、水资源利用等提供参考依据。     

气候变化及人类活动对东江流域径流影响的贡献分解研究

基于东江流域两期(1980年和2000年)土地利用现状图和主要水文气象站1956—2009年气象和径流时间序列,选择土地利用变化程度从小到大的3个子流域,建立了气候变化及人类活动对流域径流影响的贡献分解方法,运用改进的SCS月模型进行径流模拟,以揭示气候变化及人类活动对流域径流量的影响。结果表明:(1)东江流域在1980—2000年期间,土地利用发生了显著变化,具体表现在1980年和2000年的两期CN等值线的空间分布特征上;(2)SCS月模型于东江3个子流域径流模拟均能满足一定精度要求,各子流域土地利用变化越显著,则径流改变量越大;(3)相对于基准期(1970—1978年),1980—2000年各子流域径流量的改变表现为不同程度的增加或减少;不同子流域土地利用及气候变化对径流的改变作用各不相同,均分别起到增加和减少径流作用;总体而言,各子流域中气候变化和人类活动对径流影响的分量基本相当,岳城、顺天和蓝塘3个子流域土地利用变化对径流影响的贡献率分别为19.54%、24.11%和29.94%。     

SWAT模型在土地利用变化对水资源的影响研究

土地利用变化直接反应了人类活动,对水资源循环过程影响十分显著,以乌伦古河流域二台水文站上游集水区构建SWAT模型并模拟径流,利用1986年、2000年和2010年三期土地利用图设置三种土地利用情景,模拟研究区径流量,同时定性的分析土地利用变化对径流的影响,3种情景模拟结果表明:土地利用变化对径流的影响较大,主要原因在于流域土地利用开发导致下垫面产流特征的变化。     

鄱阳湖流域气候变化及其对入湖径流量的影响

为分析鄱阳湖流域气候变化特征及评估其对流域径流的影响,研究利用1961-2010年间鄱阳湖流域29个气象站和入湖"五河"水文控制站观测数据,分析该时段内流域气候和径流量变化趋势,建立统计模型分析其对流域径流量的影响。研究结果表明:鄱阳湖流域年气温呈显著性(99%置信度检验)波动上升趋势,流域降水总体呈略上升趋势,降水天数呈下降趋势。受气候变化的影响,鄱阳湖流域径流量呈上升趋势。统计模型计算结果表明,径流量与降雨变化呈非线性关系,径流量对降雨变化有着较强的敏感性,相同的气温变化情景下,降水增加比降水减少对径流量的影响更加显著,表明降水变化对径流量有着不同程度和方向的影响作用。气温对径流的影响呈线性,但其影响不明显。未来气候变化情景下,2050年前鄱阳湖流域在高排放A2和RCP8.5情景下呈现明显增长趋势,但其径流量低于其他排放情景。     

淮河流域历史覆被变化及其对水文过程的影响

以淮河流域蚌埠集水区为研究区域,利用淮河流域1700、1800和2000年3种历史覆被情景,结合陆面水文耦合模型(CLHM)定量评价了流域土地利用/覆被变化的水文效应,并分析了流域径流与主要覆被类型变化方式的定量关系。结果表明:CLHM模型可以较好地模拟淮河流域的流量过程,在研究区具有较好地适用性;三期覆被情景下主要覆被类型变化为林地转变为耕地或草地以及草地转变为耕地,此种变化导致流域总蒸发量减少了6.5%,流域出口研究期平均径流量增加了6.1%;极端覆被情况下,年均蒸发量由多到少依次为林地、草地和耕地;林地对流域径流过程的影响主要体现在洪峰上,相对于耕地,林地具有削减洪峰的作用;通过分析覆被类型变化与流域多年平均径流的相关关系,林地转变为草地以及林地转变为耕地是近400年来影响淮河流域水文过程及水资源分配的主要覆被变化因子。因此,合理规划土地利用格局对流域水资源高效利用具有重要意义。     

岷沱江流域径流对气候和土地利用变化的响应

为探究岷沱江流域径流对气候和土地利用变化的响应,构建了岷沱江流域SWAT分布式水文模型,并采用情景分析方法从时空尺度上定量分析了1981-2014年间岷沱江流域气候和土地利用变化对径流量的影响。结果表明:SWAT模型在岷沱江流域适用性较好,可用模型模拟流域径流;气候和土地利用变化均引起流域径流量减少,且气候变化的影响强度显著大于土地利用变化的影响强度,气候和土地利用变化分别对流域内大渡河和沱江径流量影响最大;仅考虑气候变化,流域径流量与降雨变化呈正相关关系,与气温变化呈负相关关系,气候变化对流域内大渡河径流量影响最大;仅考虑土地利用变化,将流域坡度25°以上耕地转化为林地和坡度15°～25°之间的耕地转化为草地,均会引起流域径流量的微弱减少,分别对流域内大渡河和岷江径流量影响最大,而将全部林地转化为草地则会导致流域径流量的微弱增加,大渡河径流量增加最大。     

梯级电站运行下拉萨河干流水文情势变异及归因分析

梯级水电站不同的调度模式对河流水文情势产生的影响存在差异。为了定量分析拉萨河干流梯级水电站不同调度模式对水文情势变化的影响,采用水文变异指标法及变化范围法（IHA-RVA）,综合评价了旁多、唐加和拉萨3个水文站32项水文情势指标的改变度及综合改变度。结果表明：常规调度模式下,3站的水文情势发生了轻度改变,综合改变度分别为0.17、0.21和0.20;电力调度模式下,3站的综合改变度分别为0.50、0.54和0.48,属于中度改变。采用多系列贡献率分割法,研究了天然径流量变化、河道外引水退水以及梯级电站调度运行3因素对月均径流改变的贡献率。研究表明：常规调度模式下,3因素对拉萨水文站月均流量改变度的贡献率分别为0.81、0.02和0.17,主导因素为天然径流量变化;电力调度模式下,3因素的贡献率分别为0.56、0.06和0.38,梯级电站调度运行因素的贡献率显著提高,电力调度下梯级电站调度运行对拉萨水文站月均流量改变度的贡献率比常规调度提高了124%。     

基于IHA-RVA法四水流域水文情势变化评估

为了分析湘江、资江、沅水、澧水流域的水文情势变化情况,选取了湘潭、桃江、桃源和石门4个代表性水文站1959—2016年历史流量资料,应用Mann-Kendall法、累积距平法检验以及滑动T检验法分析湘、资、沅、澧四水的水文特征与水文突变点,并应用水文指标变动范围法(IHA-RVA)和水文改变度法综合评估了四水各站点突变前后水文指标改变程度。研究结果表明:(1)1959—2016年四水流域的湘潭、桃江、桃源站年均流量均呈不同程度的增长趋势,石门站呈降低趋势;湘潭、桃江、桃源、石门站各水文站年均流量变化的突变年份分别为1991、1987、1989和1973年。(2)通过对水文突变前后各水系的水文情势的大小、频率、历时、发生时间和变化率5组水文指标以及变化程度分析,4个站点水文整体改变度分别为36%、22%、35%和42%,其中只有桃江站改变度为低度改变其余3站都处于中度改变。该研究成果可为四水流域水文情势影响评价以及流域水生生态安全提供技术支撑。     

Quantifying the Uncertainty Interaction Between the Model Input and Structure on Hydrological Processes

Input error is one of the main sources of uncertainty in hydrological models. It mainly comes from the uncertainty of precipitation data, which is caused by inaccurate measurement at the point scale and imperfect representation at the regional scale. The structural error of the hydrological model is dependent on the input, and the uncertainty interaction between the model input and structural will increase the cumulative error of the hydrological process. Therefore, the objective of this study is to investigate the impacts of the uncertainties of rain gauge station input levels and hydrological models on flows with different magnitudes by setting nine input levels of rain gauge stations using three hydrological models (i.e., HyMod, XAJ and HBV). The variance decomposition method based on subsampling was used to dynamically quantify the contribution rates of rain gauge station input levels, hydrological models, and their interaction to the runoff simulation uncertainty. The results show that different rain gauge station input levels and hydrological models dynamically affected the hydrological simulation due to an uneven spatiotemporal distribution of precipitation. Moreover, the simulation accuracy was poor at low flow but better at high flow. Increasing the number of rainfall stations input under a certain threshold could significantly improve the hydrological simulation accuracy. In addition, the contributions of the uncertainties of the rain gauge station input levels and its interaction with the hydrological model to runoff were significantly enhanced in the flood season, but the contribution of the hydrological model uncertainty was still dominant. The results of this study can provide a decision-making basis and scientific guidance for the management and planning of water resources within basins under the influence of a changing environment.

     

天山西部山区VIC模型的应用

为能够更好地指导高寒山区融雪径流模拟研究与洪水预报方面的工作,以天山西部山区的喀什河流域为研究区,根据研究区内1990年-2000年内的水文气象数据、CFSR再分析数据、DEM、土壤及植被等数据,借助构建的VIC模型进行径流模拟研究。根据模拟结果,可以看出:(1)气象资料匮乏区可以将CFSR再分析数据作为数据源,但此数据与实际情况存在一定偏差,需进行相应修正;(2)本研究以优选水文站降水数据作为CFSR再分析数据修正依据,以水文站所在CFSR再分析数据网格为标准,通过与其他CFSR网格降水数据建立相关关系进行CFSR异常数据剔除的方法是可行的;(3)构建的VIC模型在本研究区具有一定的适用性,且模型参数取用较合理;(4)率定期内,月尺度下模型效率系数和多年径流相对误差分别为0.80和4.7%,日尺度下分别为0.64和3.3%;而在验证期内,月尺度下模型效率系数和多年径流相对误差分别为0.84和14.5%,日尺度下分别为0.70和13.1%。     

基于改进降水输入模块的融雪径流模拟:以拉萨河为例

降水是自然界物质循环和水循环的重要组成部分,是高寒地区径流的重要来源,水文模型中降水数据的输入精度对提高高寒地区融雪径流模拟效果具有十分重要的作用。青藏高原地区气象站点较少,站点数据无法全面反映流域内降水时空分布的真实情况,传统的融雪径流模型在地形、风向和水汽等要素对降水垂直分布的影响考虑不够全面,制约了模型在山区融雪模拟以及预测中的应用,因此有必要对模型的降水输入项进行改进,以期提高半干旱高寒地区融雪径流模拟效果。本文基于改进的遥感卫星数据校正理论,开发了适用于半干旱高寒地区的降水输入模块,将其与度日因子模型进行耦合,利用高程分带将降水组合成半网格半站点的降水输入数据驱动模型,并在拉萨河流域进行试验研究。结果表明:降水输入模块能够显著提高降水卫星反演地面降水精度,改进后的融雪模型在率定期和验证期的NSE(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)分别为0.741和0.770,高于原融雪模型的模拟效果,表明改进后的模型能够在流域各个分区获得较为精确的降水数值,融雪径流模拟精度比原模型精度得到提高。总之,耦合降水输入模块的融雪模型可以有效提高降水输入精度,对缺资料半干旱高寒地区融雪模拟具有重要的参考价值。     

Application of a Simple Raster-Based Hydrological Model for Streamflow Prediction in a Humid Catchment with Polder Systems

The hydrological processes are controlled by many factors such as topography, soil, climate and land management practices. These factors have been included in most hydrological models. This study develops a raster-based distributed hydrological model for catchment runoff simulation integrating flood polders regulation. The overland flow and channel flow are calculated by kinematic wave equations. A simple bucket method is used for outflow estimation of polders. The model was applied to Xitiaoxi catchment of Taihu Lake Basin. The accuracy of the model was satisfactory with Nash–Sutcliffe efficiencies of 0.82 during calibration period and 0.85 for validation at Hengtangcun station. The results at Fanjiacun station are slightly worse due to the tidal influence of Taihu Lake with high values of root mean square errors. A model sensitivity analysis has shown that the ratio of potential evapotranspiration to pan evaporation (K), the outflow coefficients of the freewater storage to groundwater (KG) and interflow (KSS) and the areal mean tension water capacity (WM) were the most sensitive parameters. The simulation results indicate that the polder systems could reduce the flood peaks. Additionally, it was confirmed that the proposed polders operation method improved the accuracy of discharge simulation slightly.     

改进的新安江模型在贵州印江河流域的适用性及对比分析

将变动态存储系数法引入新安江模型河道洪水演算,从而对新安江模型进行改进,基于贵州印江河流域印江水文站2000-2010年水文资料,分析了改进新安江模型在研究流域的适用性并和传统新安江模型模拟结果进行对比分析,基于改进新安江模型,定量分析不同计算时段和不同蒸发输入对水文模拟的影响。研究结果表明:改进的新安江模型适合于研究流域的水文模拟,相比于传统新安江模型,改进新安江模型在相对误差和确定性系数两个指标中都有所提高,其中相对误差均值减少1.08%,确定性系数均值提高0.0182;计算时段越短,次洪模拟精度越高;相比于实测蒸发皿,双源蒸散发作为蒸发输入模拟的年径流深相对误差平均减少0.75%,确定性系数平均提高0.0139。研究成果可以为印江河流域的水文模拟提供参考价值。     

拉萨河流域水循环要素演变趋势分析

采用Mann Kendall秩次相关检验法、线性回归分析等方法对拉萨河流域水循环要素长期变化趋势进行了分析研究。结果表明,拉萨站的年平均气温总体上均呈上升趋势,每10年增加0.33℃,气温上升趋势显著;年蒸发能力总体上均呈上升趋势,但上升趋势并不显著;年降水量长期变化趋势不明显;拉萨站的年平均流量总体上呈上升趋势,但上升趋势并不显著;自2000年以来,拉萨站出现中水年的机会较少,出现丰水年的机会较多且丰枯变化剧烈;拉萨站径流年内分配不均匀系数和7—9月降水量占全年比例年际间较稳定。     

An automatic parameter calibration method for the SWAT model in runoff simulation

Runoff simulation is highly significant for hydrological monitoring, flood peak simulation, water resource management, and basin protection. Runoff simulation by distributed hydrological models, such as the soil and water assessment tool (SWAT) model which is the most widely used, is becoming a hotspot for hydrological forecasting research. However, parameter calibration is inefficient and inaccurate for the SWAT model. An automatic parameter calibration (APC) method of the SWAT model was developed by hybrid of the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO). Multi‐station and multi‐period runoff simulation and accuracy analysis were conducted in the basin of the Zhangjiang River on the basis of this hybrid algorithm. For example, in the Yaoxiaba Station, the calibration results produced an R² of 0.87 and Nash Sutcliffe efficiency (NSE) index of 0.85, while verification results revealed an R² of 0.83 and NSE of 0.83. Results of this study show that the proposed method can effectively improve the efficiency and simulation accuracy of the model parameters. It can be concluded that the feasibility and applicability of GA‐PSO as an APC method for the SWAT model were confirmed via case studies. The proposed method can provide theoretical guidance for many hydrological research fields, such as hydrological simulation, flood prevention, and forecasting.     

怀沙河流域水文情势模拟与分析

怀沙河是北台上水库入库河流,作为北京市应急水源,其水文情势对首都供水保障有重要影响。运用NAM模型构建了怀沙河降雨-径流过程模型,对模型参数进行了率定,模拟结果和实测流量过程能够较好的吻合,模拟精度纳西效率系数为0.642。利用该模型对怀沙河流域局地暴雨洪水过程及洪水的淹没分布情况进行分析后认为,流域出口处的最大流量是30.8m3/s,与西沟水文站观测的最大流量31.0m3/s比较接近。