基于集对分析法的渭河中下游径流变化特征研究

对渭河流域中下游径流的时空变化进行分析,为流域地表径流的深入研究和合理开发利用提供基础数据。利用渭河流域中下游典型水文站的实测数据,采用线性倾向法分析年径流量变化趋势,采用集对法分析径流量的空间变化特性。结果表明:20世纪70年代以来,渭河流域径流量呈现减少趋势,各站年径流量的变化趋势相似;渭河中下游各水文站年径流量空间变化上存在一定的同步性。基于集对原理的水文分析方法简单方便、结果合理,在水文水资源领域的径流空间变化特性分析研究中具有推广和应用价值。     

渭河中下游年径流量变化趋势及突变分析

以渭河中下游林家村、咸阳、临潼和华县等4个典型水文站资料为例,采用滑动平均法、累积距平和线性倾向估计法分析年径流量变化趋势;采用滑动t检验,有序聚类法和Mann-Kendall法分析年径流量的突变情况。结果表明:20世纪70年代以来,渭河流域径流量呈减少趋势,各站年径流量的变化趋势相似,各水文站径流量突变点发生在70年代初和90年代初。不同水文站突变情况存在差异,林家村突变点发生在1970年和1990年,咸阳站在1970年和1990—1992年之间,临潼站在1968年和1990—1994年之间,华县站在1968年和1990年。渭河流域径流量变化是气候变化和人类活动共同作用的结果,前者主要表现为降水和潜在蒸发量的变化,后者主要体现在流域内水利工程的建设。     

基于Copula函数的新型综合干旱指数构建与应用

干旱指数是研究干旱的重要工具,构建综合干旱指数是目前干旱监测、风险评估的前沿和趋势。本文基于阿基米德Copula函数,联合降雨(气象)、径流(水文)两种要素,构建了一种能够综合表征气象干旱和水文干旱的新型综合干旱指数MSDI_p,并用其表征渭河流域的干旱演变特征,且进一步对其背后的驱动力进行了探究。结果表明:(1)MSDI_p指数既能像标准化降水指数(SPI)一样敏锐地捕捉干旱的发生,也能像标准化径流指数(SRI)一样很好地刻画干旱的持续时间和结束,同时具备气象和水文两种干旱指数表征不同类型干旱的优势,能综合表征干旱演变特征;(2)受气候变化和人类活动影响,渭河流域过去50余年综合干旱呈显著增强趋势;(3)渭河流域综合干旱指数序列存在变异点(1994年),且未来流域干旱情势有加剧趋势;(4)太阳黑子和大气环流异常因子等对渭河流域综合干旱的发生有较大影响,其中太阳黑子活动的影响最强。且除直接影响外,太阳黑子还能通过影响大气环流异常因子进而对综合干旱的发生造成间接影响。     

海河流域径流变化趋势及其归因分析

在气候变化和人类活动共同影响下,流域径流发生了很大变化。尤其是海河流域,水资源匮乏的现象更为严重,分析水资源变化趋势对实现水资源的可持续开发利用具有重要意义。根据海河流域实际地形地貌特征及水文站分布情况,选取观台、响水堡、张家坟、下会和桃林口等5个水文站所在的区域,采用Mann-Kendall秩次相关检验法及线性回归方法,分析检验各典型区域年径流量的历史变化趋势。基于半分布式流域水文模型——TOPMODEL,采用水文模拟的途径,定量评估了典型区域气候变化和人类活动对径流变化的影响。归因结果表明:除桃林口外的其他4个水文站的年径流量均呈显著减小趋势,海河典型区域年径流减小主要跟人类活动有关,其占比都在65%以上。人类活动对观台、张家坟和响水堡站径流量减小的影响占比为65%~70%,对桃林口站径流量减小的影响占比为75.4%,对下会站径流量减小的影响占比高达81.7%,主要原因是海河流域自20世纪60年代中后期以来进行大规模水利建设所产生的水文效应。     

Trends of Annual Natural Runoff in the Yellow River Basin

Abstract

A series of annual natural runoff, recorded at eight hydrological stations in the Yellow River basin (YRB) and distributed at the main channel and two sub-basins (Weihe basin and Fenhe basin) are studied during the period from 1951 to 1998. The trends and the beginning points (or abrupt changes) of these series are detected with Mann-Kendall test (M-K test) and its progressive application. The results show that there are similar trends for different stations. The annual natural runoff series, except for stations of Lanzhou, Hekouzhen, and Longmen, have a downward tendency at some stations whose beginning points of the trend or abrupt changes occurred in the early or mid 1990s. However, their initial years of decrease are different. The decreasing trend of runoff has led to drying-up in lower reaches of the YRB, a water resources scarcity crisis, and a deterioration of the ecosystem. The reasons for the trends have been analyzed in this paper. The trends of precipitation in the corresponding regions are similar to those of annual natural runoff. It is an important aspect for runoff decrease. In addition, human activities have changed the hydrological cycle and lead to a reduction in runoff to a certain degree. Finally, two countermeasures for the runoff decrease are put forward. One is to develop water savings in irrigation regions, and the other is to plan South-to-North water transfer projects for the YRB. However, the conflict between supply and demand will still exist for a long time because of the water scarcity in the future.     

变化环境下渭河流域生态水文情势演变归因研究

采用生态最相关水文指标(ERHIs)评估渭河流域生态水文情势改变程度,通过主成分分析法筛选出7个指标作为渭河流域的ERHIs,并基于可变下渗容量模型的“观测-模拟”对比分析法对渭河流域生态水文情势演变进行定量归因。结果表明:咸阳水文站和华县水文站径流序列呈显著下降趋势,1990年是径流序列的突变点；咸阳站和华县站实测ERHIs综合改变度为41%和34%,模型模拟的两站ERHIs综合改变度均为18%；气候变化和人类活动导致渭河流域水文情势发生改变,两者对咸阳站ERHIs综合改变度的贡献率分别为44%和56%,对华县站的贡献率分别为53%和47%。     

金沙江流域径流变化特征及成因

基于金沙江流域近 60?a 的降雨和径流资料,采用水量平衡法对天然径流量进行还原,利用 Mann-Kendall 法 及小波分析方法研究流域降雨量及天然径流量的变化趋势、周期及可能突变的年份,分析天然径流的变化原因, 构建天然径流量与降雨量及归一化植被指数的相关关系式。结果表明：金沙江流域降雨量和天然径流量总体呈 周期性变化,主周期均为 28?a,与此同时降雨量和径流量均呈增加趋势,降雨量每 10?a 相对增长幅度约 1.28%,天 然径流量每 10?a 相对增长幅度约 0.57%;造成两者相对变幅差异较大的原因源于流域植被覆盖面积的增加;考虑 降雨及植被的综合影响,建立的天然径流与两者共同作用下的方程相关系数为0.940,其关系式为R=0.017?7P 1.691/N ?0.923。 研究成果可为金沙江流域水电开发和综合治理提供决策参考。     

渭河流域径流系数的演变规律研究

以渭河流域1960-2005年的径流系数资料为基础,将渭河流域分为北道以上、北道-林家村、林家村-咸阳、咸阳-临潼(含张家山)、临潼-华县+状头5个区域。分析了这5个区域和渭河流域径流系数的基本统计特征、年际变化,并运用R/S法进行持续性分析,Kendall秩次相关检验分析趋势性,功率谱分析法计算周期,Mann-Kendall法和累积距平法相结合分析突变。结果表明:渭河流域径流系数呈现显著的递减趋势并将继续持续下去,北道以上最显著周期为3年,北道-林家村最显著周期为2.66年,其他区域均无显著周期存在。径流系数突变发生在20世纪60年代末—70年代初、80年代—90年代初。由于人类活动和气候变化的影响,整体渭河流域降雨转化为径流的能力显著减弱并在未来还将继续减弱。     

气候变化对北江流域径流影响的模拟研究

通过构建北江流域SWAT分布式水文模型,以北江流域13个雨量站10年逐月降水量及北江流域干流石角水文站同步逐月流量数据为输入条件进行水文模型参数率定,应用气候情景设置方法研究了北江流域在降水和气温等不同气候变化条件下径流量的变化规律。研究表明:气温变化1℃对年径流量及其年内分配的影响变化均在1%以内。降水量变化对年径流量影响十分显著,降水量变化10%对年径流量的影响变化可达到15%,而对径流年内分配的影响变化在1%以内,影响较小。随着气温下降和降水量的增加,枯季径流量占年内分配比例均有所上升,枯水期来水量提高,有利于流域城乡供水安全和生态用水安全。     

水质水量结合评价渭河干流(陕西段)水资源变化

为了全面掌握渭河(陕西段)干流水资源变化总体情况,本文收集2000-2008年陕西段渭河干流水文、水质监控断面的监测资料,分别从水质、水量以及两者相结合的角度分析了渭河干流的水环境状况,并重点讨论了渭河干流主要水文站径流量与COD、NH3-N污染物的同期监测浓度的相关关系。结果表明:渭河干流(陕西段)中下游水体水质为劣V类,已受到严重污染。渭河干流可利用的水资源量有所下降,其中80%以上的水资源水质为V类,不能满足水体利用的水质目标要求,渭河干流"水质型"水资源短缺的问题凸显。渭河干流上游径流量与COD、NH3-N污染物的浓度呈低相关性,随着流程变化,径流量与COD、NH3-N污染物的浓度在渭河干流的下游华县水文站已表现为中度负相关。相比较而言,渭河干流河流水量的变化对COD浓度的影响程度大于对NH3-N污染物浓度的影响。     

渭河上游河川径流演变特性分析

为了研究渭河上游径流演变特性,以林家村等5个水文站近50 a的实测径流序列为基础,采用Mann-Kendall趋势分析法(M-K法)和R/S法分析了径流演变趋势。结果表明：渭河上游径流年内分配在20世纪50年代较为集中,60~90年代相对均匀;径流年际变化较大;径流量总体呈下降趋势,且趋势性较为显著。研究成果为渭河流域水资源开发利用、调度管理和生态环境保护提供一定参考。     

汾河流域径流减少因素的定量解析

分析汾河流域 1981—2015 年气候、植被和人类取用水的演变特征。结果表明,流域年降水和净辐射分别呈 不显著（p>0.05）增加和减少趋势,叶面积指数显著（p<0.05）增加,人为取用水量波动增加,实测年径流显著（p<0.05） 减少。基于分布式水文模型和因素去趋势方法定量解析降水、净辐射、温度、叶面积指数以及取用水对汾河年径 流减少的贡献。结果表明,取用水的增加是导致汾河径流减少的主要原因,其次为温度、叶面积指数和净辐射的 变化。在上述 4 个因素无趋势情景下,实测年平均径流将分别增加 27.4%、14.4%,13.7% 和 2.1%。降水增加缓解 了年径流的减少。在年降水无趋势的情景下,实测年平均径流将减少 5.3%。上述研究结果可为汾河流域的水资 源管理和规划提供参考。     

气候变化和人类活动对汉江上游径流变化影响的定量研究

以汉江上游为例,基于弹性系数法和水文模拟法定量估算气候变化和人类活动对流域径流的影响,探讨了变化环境下流域径流对气候变化和人类活动的响应特征。研究结果表明:1961年-2013年汉江上游流域径流呈明显下降趋势,并在1985年前后发生了突变;降水及潜在蒸散发在同时期内也逐渐降低,但变化趋势不显著。气候变化对径流变化的贡献率为42.8%~43.5%,人类活动对径流变化的贡献率为56.5%~57.2%,相比人类活动对汉江上游径流的影响稍大,且其对径流变化的影响呈现增长的趋势。     

基于SWAT模型的诺敏河流域径流对土地利用/覆被变化的响应模拟研究

土地利用/覆被变化直接反映了人类活动的影响程度,对于流域水文循环过程影响显著。本文以诺敏河流域为研究区,基于1976和2000年两期土地利用数据,结合SWAT模型定量评价了径流对土地利用/覆被变化的响应。研究结果表明:SWAT模型可以较好地模拟诺敏河流域的月径流变化过程,在研究区具有一定的适用性;相对于1976年的土地利用条件,2000年土地利用变化主要表现为林地和草地面积减小,耕地面积增加。1976-2000年间诺敏河流域土地利用变化导致年均地表径流增加了17.78%,且空间差异显著,尤其是下游的莫力达瓦达斡尔族自治旗和阿荣旗等地地表径流增加趋势更为明显,增加幅度超过20 mm。模拟研究对于诺敏河流域合理规划土地利用格局具有重要意义。     

人类活动影响下的北江流域径流变化特征及其变异性分析

由于受环境变化特别是人类活动的影响,水文水资源系统出现了新的特征。认识水文特征变异规律,对维持人类社会的永续发展具有重要意义。本文以北江流域主要控制性水文站石角站53年（1956-2008）径流序列为基础,运用趋势分析、跳跃分析、相关分析等方法,研究了北江流域径流变化的基本特征和变异规律。结果表明：径流年内分配不均,年际变化大,年径流量序列呈不显著上升趋势,1973年发生了一次径流增量跃变。从对降雨、蒸发、径流系数的分析看,径流在1973年发生了变异,利用降雨-径流关系,分析了人类活动对径流演变的作用,发现城市化发展和水土流失加剧等导致了北江流域径流发生变异。可见,在人类活动的影响下,北江流域径流发生了变异。     

1961年－2013年渭河流域降水与径流变化特征

采用滑动平均、累积距平、线性倾向估计法分析陕西渭河流域1961年-2013年降水变化特征;采用滑动t检验、有序聚类、双累积曲线分析法分析径流突变性。结果显示:渭河流域降水量整体呈减少趋势,平均年降水日数为86d;降水季节分配不均,集中在夏、秋两季;春、秋两季降水量呈现明显减小趋势;大雨日数与年平均降水量显著正相关,年平均降水量越大,年平均大雨日数出现频次的越高;流域西部和北部暴雨强度呈现增大趋势,东部和南部暴雨强度呈现微弱减小趋势。渭河华县站径流的突变点出现在20世纪70年代初和90年代初,降水量的变化与径流变化的趋势基本吻合。     

叶尔羌河径流演变规律与变异特征

科学认识气候变化与人类活动影响下,以径流为主要指征的水循环过程及其变化,是合理利用水资源的前提,对于认识水文机理,应对径流变化具有重要价值。选取干旱区内陆河流叶尔羌河卡群断面1957-2015年长系列实测月径流系列、1962-2015年长系列实测月气温与降水系列,采用年内分配完全调节系数Cr、年内分配不均匀系数Cn、相对变化幅度Cm、集中度Cd、集中期D、年际径流均值、最大流量及出现时间、最小流量及出现时间、年际极值比等多指标,运用Mann-Kendall法、累积距平法、R/S法、排列熵法等多方法,揭示叶尔羌河径流演变规律与变异特征,并进行归因分析。结果表明:近60年来,叶尔羌河流域径流量年内分配趋均匀化、年际变化呈显著增多趋势且为正持续性,其中1957-1961年和1993-2015年为显著径流增加时段;Mann-Kendall法与排列熵法均证实了1997年为该径流序列的突变点也为变异点;气温,特别是夏季7-8月平均气温(相关系数为0.81)为叶尔羌河径流量变化的主要影响因素。     

基于VIC模型的老挝南乌河流域水资源量评估

老挝正在积极参与澜湄水资源合作研究工作,水文实测数据短缺是制约水资源规划工作的现实问题。以老挝南乌河流域为例,采用流域地形、土壤、植被以及气象驱动等数据资料,通过建立流域分布式水文模型——VIC模型对径流进行模拟,以分析水资源量的时空分布规律。模拟结果表明:模型在对南乌河流域日、月尺度的水文过程模拟中表现出了较好的适应性,南乌河流域内的水量主要靠降水补给,径流的地区分布基本上与降水的地区分布一致,总的趋势是由流域上游向流域下游递减,径流系数的趋势也是由流域上游向流域的下游递减。研究成果可为无资料地区的水资源规划方案的制定及水资源量分析提供参考与借鉴。     

渭河流域水文干旱历时-烈度相依结构动态变化与驱动力分析

变化环境下，探究干旱多属性相依结构动态变化及其驱动力，对区域干旱风险管理具有重要意义。以渭河流域为研究对象，应用Copula函数的极大似然比（Copula-based Likelihood-ratio，CLR）方法，对水文干旱历时-烈度相依结构进行变异诊断，分析变异前后特征；从气候变化（气象因子、气象干旱特征）与人类活动的角度，阐明水文干旱历时-烈度相依结构可能的驱动因素，获得影响因子重要性排序。结果表明：（1）华县、张家山、状头站水文干旱历时-烈度相依结构分别在1993年、1982年、1994年发生变异；（2）在相对长的历时下（华县站9~12个月、状头站5~12个月），华县、状头站相同历时下，变异点前后的烈度增加，且随着历时变长，烈度增加的幅度上升，干旱加剧态势明显；（3）除气象干旱对水文干旱演变的影响外，水文干旱历时-烈度相依结构的动态变化主要受水分“需求侧”因子（人类取用水、潜在蒸散发）的驱动。总体而言，研究成果为干旱多属性相依结构的非平稳性检测提供了一种新的思路，所提框架可推广应用于其他流域。     

不同季节气象干旱向水文干旱的传播及其动态变化

研究变化环境下气象干旱向水文干旱的传播与影响机制,有利于揭示水文干旱的形成过程与机理,从而建立基于气象干旱的水文干旱预警。为揭示不同季节气象干旱向水文干旱的传播动态变化及其驱动因素,本研究以无定河、窟野河和沁河流域为研究区域,采用标准化降水指数(SPI)和标准化径流指数(SRI)分别表征气象干旱和水文干旱,分析气象、水文干旱的时程变化特征,计算不同季节气象干旱向水文干旱的传播时间,探究影响不同季节干旱传播的主要因子及物理机制。结果表明:(1)气象、水文干旱有加重的趋势,水文干旱对气象干旱的响应具有滞后关系;(2)除窟野河流域变慢外,研究区域不同季节干旱传播整体呈变快的趋势,表明这些区域水循环速率加快;(3)无定河和沁河流域传播时间加快与降水和气温不断变快有关;窟野河流域传播时间的变慢与煤炭开采和水库建造有关。