基于SUFI-2优化算法和SWAT模型的汾河流域月径流模拟

以黄河中游的汾河流域为研究区域,构建汾河流域SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2优化算法进行参数敏感性分析、率定与不确定性分析,模拟了流域控制站河津水文站的月径流过程。结果表明:12个水文参数对径流的模拟均有不同程度的影响,对径流影响量最大的为土壤层有效含水量、其次为径流曲线数,影响最小的为主河道河床曼宁系数;率定期和验证期E_ns值均达到了0.80以上,相对误差R_e均小于20％,且确定性系数R²均大于0.85。汾河流域SWAT模型的月径流模拟效果较好,验证期较率定期落在不确定性区间的数量有所增加,表明验证期的径流模拟比率定期的径流模拟不确定性程度大。     

淤地坝对流域水沙影响模拟研究

使用SWAT模型,结合淤地坝特点对模型自带的水库模型进行修正来设置淤地坝模块,研究淤地坝对流域径流和输沙的影响,并在内蒙古十大孔兑之一的西柳沟流域进行模拟和验证。以1980-1990年为率定期、2006-2015年为验证期,龙头拐水文站模拟径流量和输沙量与实测值拟合较好,线性拟合系数R²和纳什效率系数E_NS均超过0.6,说明SWAT模型中的水库模型可用于淤地坝模拟。结果表明：其他参数不变的情况下,淤地坝对流域的径流量有一定影响,能够拦截一部分径流量,对流域输沙量的影响巨大,减沙效果明显;淤地坝在一定程度上能影响流域的汇流过程,使得汛期后的月份中出现模拟径流量大于实测径流量的现象;相较于经验公式法,SWAT模型能够提高淤地坝对流域水沙影响的模拟精度;为更好地利用SWAT模型模拟淤地坝对流域径流和输沙的影响,淤地坝模块仍有待改进。     

金沙江中上游流域未来径流模拟研究

为了探究金沙江中上游流域未来径流变化趋势,为流域防洪规划提供依据,基于SWAT水文模型,选用CMIP5数据集建立未来时段的全球气候模式,从时间和空间尺度解析研究区2022—2050年径流变化趋势。结果表明：流域2022—2050年降水量和平均气温均高于基准期,并且呈现上升趋势,其中流域南部降水量增幅较大,流域北部气温增幅较大。在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5 3种气候情景下,2022—2050年年径流量均呈现增大趋势,变化率分别为5.79×10⁸、5.53×10⁸、2.99×10⁸ m³/a。相较于基准期,未来春季和秋季径流量呈现减少趋势,夏季和冬季径流量呈现增加趋势,冬季径流量增幅达到了10%。流域产流量呈现从西北到东南依次增加的特点,相较于基准期,流域南部产流量均呈现增加趋势。未来径流量呈现增加趋势,冬季径流量增幅较大,可能会发生冬汛等极端水文事件,流域南部受洪水威胁的可能性进一步增大。     

和田河流域冰川径流对气候变化响应的模拟分析

为模拟和田河流域上游冰川径流,构建了嵌入冰川模块的SWAT模型,并基于实测径流数据及冰川编目数据对模型进行校正与验证,定量分析了和田河流域上游冰川径流的变化趋势及其对出山径流的贡献和对气候变化的响应规律。结果表明:1967—2017年玉龙喀什河流域多年平均冰川径流量为11.02亿m³,冰川径流对出山径流的贡献率为48.7％,喀拉喀什河流域多年平均冰川径流量为9.51亿m³,冰川径流贡献率为45.5％;在0.01显著性水平下,玉龙喀什河流域气温与降水量均呈显著上升趋势,喀拉喀什河流域气温呈显著上升趋势,降水量呈不显著上升趋势;气候变化背景下,两条支流由于地理位置、冰川特征等的不同,导致两条支流的径流响应呈现较大差异,玉龙喀什河流域冰川径流量呈显著增加趋势,而冰川径流对出山径流的贡献率呈显著下降趋势,喀拉喀什河流域冰川径流量与冰川径流贡献率均呈不显著增加趋势。     

土地覆被和气候变化对拉萨河流域径流量的影响

以拉萨水文站上游流域为研究对象,利用分布式水文模型SWAT对拉萨河流域水文过程进行模拟,分别用1995～2000和2003～2006年两个时间段的实测数据对模型进行校准和验证。结果显示月径流模拟相关系数和模拟效率系数分别为0.88和0.84。在此基础上通过建立情景模拟,探讨拉萨河流域气候波动和土地覆被变化对径流产流量的影响。结果表明:气候变化对年径流量影响显著,在各种模拟假设情景中最多可以使径流量增加89%。土地覆被变化相对于气候变化对径流量的年际影响较弱,但对径流量的季节变化影响显著。     

洮河水电梯级开发对径流的影响分析

以洮河干流站流量资料为依据,研究了水电站建设前上、下游站年径流量序列关系和年内变化的对应规律,进而对水电站建设后径流的变化情况进行了分析。结果表明:洮河水电梯级开发使得进入下游河道的水量不断减小,上、下游站的年径流关系发生了较大变化;汛期径流量所占比重相对减小,非汛期径流量所占比重相对增加,年内变化趋向均一;九甸峡水利枢纽的兴建极大地改变了下游河道的流量过程,对径流的影响较大。     

那曲流域草地覆盖变化对降雨产流过程的影响

为了研究那曲流域草地覆盖变化对产汇流过程的影响,采用室内人工降雨模拟试验结合数据分析的方法,通过设置坡度和雨强等不同情景,研究草地覆盖度变化下地表径流和壤中流的变化规律。结果表明:随着草地覆盖度的增大,地表径流和壤中流开始产流的时间渐渐延长,草地覆盖度每增20%,地表径流和壤中流开始产流时间分别延长19.86%和13.36%;随着草地覆盖度增大,对应地表径流累积产流量减少,壤中流累积产流量增加,草地覆盖度每增加20%,地表径流累积产流量减少4.69%,壤中流累积量增加6.66%;雨强、坡度以及草地覆盖度都是影响径流开始时间和径流量的主要因素,但雨强对产流影响的贡献值最大,坡度次之、草地覆盖度最小。     

大通河流域近60年径流变化特征和趋势分析

基于大通河干流中、下游的天堂和享堂水文站实测年径流量资料,采用滑动平均、累计距平、小波分析和M-K检验方法,分析大通河干流径流年内年际变化、周期、突变特征和趋势。结果表明:大通河流域径流年内分配不均,主要集中在夏秋两季,年际变化波动明显;中游和下游年径流量在1990年以前变化趋势一致性较好,1995～2015年两站径流变化趋势相反;1989年中上游年径流量发生突变,总体呈上升趋势;1999年下游享堂站年径流量发生突变,存在明显下降趋势。小波分析表明,天堂站径流量存在3,7 a及25 a的振荡周期,下游享堂站径流量存在3,6 a及30 a的振荡周期,大通河下游径流量小周期的转换要比中游径流频繁,下游径流受影响较大。     

1956-2016年拉萨河径流量变化及影响因素分析

通过分析拉萨河径流量的演变规律和突变情况,开展降水和人类活动对径流量变化的成因分析,为拉萨河流域水资源管理与利用提供科学依据。基于1956-2016年的径流和降水数据,利用Mann-Kendall趋势分析、累积距平-滑动t检验法和降水－径流双累积曲线法,统计分析拉萨河径流序列的趋势性和突变性,计算降水与人类活动对拉萨河汛期6-9月径流量变化的贡献率。结果表明： 1956-2016年拉萨河径流量年际变化波动较大,其中1995和2005年为径流量突变年份。以1956-1994年为基准期,通过双累积曲线法定量分析表明1995-2004年人类活动对汛期径流量变化的贡献率小于50%,而2005-2016年人类活动的贡献率增大至70%以上,即人类活动成为汛期径流量改变的主要影响因素,且下游河道人类活动的影响程度更大,主要原因是新建的直孔和旁多水库调控了下游河段的流量过程。     

基于分形和R/S分析的渭河干流径流变化特征研究

变化环境下日益突出的水资源供需矛盾对流域水资源管理提出更高要求。通过分析流域径流量变化特征,揭示流域水资源演变趋势,为流域水资源合理开发利用提供依据。以渭河流域为研究区域,采用Mann-Kendall非参数检验、分形理论和R/S等方法分析渭河干流6个典型水文站1956—2015年径流时空变化特征、持续性及两者之间的关系。结果表明:渭河干流各站点的月径流量均呈减少趋势,从上游到下游,月径流量减少趋势的显著性越来越弱,呈显著性减少趋势的月份越来越少。渭河干流各站点的月径流深Hurst指数均大于0.5,即未来与历史变化情况呈正相关性,各站点未来月径流量将呈持续减少趋势。汛期分维数大于非汛期,上游月径流分维数小于下游,中游月径流分维数最大。分维数越大,径流过程变化越复杂,河流调节能力越差,表明渭河干流在汛期和中游径流量调节能力相对较差。Hurst指数与分形维数之间有着显著负相关性,即径流量越复杂,分维数越大,Hurst指数越小。研究结果可为流域水资源科学调度提供依据,有利于促进流域内水资源严格管理。     

洮河干流径流变化特征分析

依据洮河干流上、中、下游的四个主要控制水文站实测月、年径流量资料,运用矩法和Mann-Kendall秩次检验法等方法,研究洮河干流径流的周期性、突变性、相关性等变化规律,揭示洮河干流径流年内年际的演化规律和变化趋势。结果表明:洮河干流上、中、下游径流年内分配多年变化趋势一致,由集中向均匀转变,但变化趋势不显著,自上游向下游不均匀性增强;径流量年际变化大,但总体有逐渐减小的趋势;洮河上游、下游径流年际变化平稳,中游年际变化剧烈。     

基于相似流域法的SWAT模型模拟黄河中游无资料地区径流

选用黄河中游两个小流域,基于相似流域法探求分布式水文模型SWAT在黄河中游小流域无资料地区径流模拟的适用性。通过距离、流域面积相近及属性相似的方法,用已知流域率定参数移植到无资料流域进行径流模拟。选取2009-2013年的日径流与月径流进行模型率定,以效率系数(NS)和决定系数(R2)为评价指标,率定出4个模型敏感系数,并用2014-2016年的日径流与月径流进行模型验证。结果显示:率定期月径流模拟的R2为0. 76,NS为0. 70;日径流模拟的R2为0. 70,NS为0. 64;验证期月径流模拟的R2为0. 82,NS为0. 74;日径流模拟的R2为0. 78,NS为0. 68。说明基于相似流域法的SWAT模型对于无资料的小流域月径流量模拟具有很好的适用性。     

土地利用变化和气候变化对温榆河上游流域径流变化的影响

土地利用和气候是直接影响流域水文水资源的两个主要因素,其影响分离的研究对流域的土地利用规划和水资源管理具有重要意义。以温榆河上游流域为研究对象,在统计分析1980-2014年流域气象因子、土地利用变化趋势的基础上,通过SWAT模型模拟与情景设计相结合的方法,评估了气候变化和土地利用变化对温榆河上游径流变化的影响。结果表明,SWAT模型在温榆河上游流域模拟效果良好,率定期和验证期的决定系数R2分别为0.80、0.77,纳什系数Ens分别为0.79、0.74。流域降雨量和气温呈递增趋势,林地和耕地减少,城乡及工矿和居民用地增加,草地在1995年到2005年间增加,这些变化综合影响了流域的径流变化,使得径流先增加后减少。其中气候变化的贡献率为100.46%,土地利用变化的贡献率为2.09%,气候变化的影响远远大于土地利用变化的影响。因此,如何应对气候变化在温榆河上游流域水资源管理工作中值得重视。     

基于区域水平衡理论和SWAT模型的沁河流域水收支平衡演变分析

基于区域水平衡理论和SWAT模型,提出了分布式水收支平衡模型的构建思路及水收支平衡计算方法,对人类活动和未来气候变化情景下的沁河流域水收支平衡状况进行模拟,并通过皮尔逊相关系数和Mann-Kendall检验方法分析了水收支平衡的关键影响要素及其演变规律。结果表明:2010—2016年沁河流域蓄水总量呈下降趋势,降水量及出口径流量为沁河流域水收支平衡相对关键的影响要素；未来多气候情景下蓄水总量呈上升趋势,多年平均降水量及出口径流量两个关键影响要素的总体变化情况与辐射强迫水平呈正相关关系；典型气候情景SSP2-4.5下降水量及出口径流量在2037—2041年、2061—2063年可能存在突变。     

Trends and attribution of runoff changes in the upper and middle reaches of the Yellow River in China

Natural changes of river regime have been strongly interfered globally by human activities. This gives rise to the demand of quantifying the contribution of natural and human impacts to runoff changes of rivers for river management. In this study, Mann-Kendall test and BFAST algorithm were used to evaluate the trends of runoff change in the upper and middle reaches of the Yellow River from 1965 to 2016, and to identify the breakpoints of runoff changes in the two reaches. Based on the data-driven analysis of runoff generation mechanism, the natural annual runoff was related with a comprehensive climatic factor integrating temperature and precipitation, and the impacts of human activities and climate change on the runoff changes were quantitatively distinguished by comparing the measured runoff with the “natural runoff”. For revealing the periodical changes in correlation between climate factors and runoff, the method of cross wavelet transform was used, and the time-frequency characteristics of precipitation/temperature against runoff were also examined. The results show that the breakpoints were the year 1987 in the upper reaches, 1986 and 2003 in the middle reaches. Compared with the baseline period (1965–1987), the contribution rates of climate change and human activities to runoff change in the upper reaches of the river were 56% and 44% respectively in 1988–2016. For the middle reaches, compared with the reference period (1965–1986), the contribution from climate change in 1987–2003 and 2004–2016 was 38% and 41% respectively, and that from human activities was 62% and 59% respectively. The results of cross wavelet transform analysis support the growth of climatic contribution to runoff reduction in the middle Yellow River from 1987–2003 to 2004–2016. Apparently, the influencing degree of climate change on runoff in the upper reaches was similar to that of human activities, while human activities played a dominant role in runoff change in the middle reaches. Moreover, the construction of reservoirs and human water consumption were the key factors for the decline of runoff in the upstream, and the reduction of runoff in the middle reaches was related to the large-scale implementation of water conservancy and soil and water conservation in the region.     

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%。     

基于SWAT模型的宝库河流域日径流模拟

根据西宁市宝库河流域土地利用、土壤类型及气候特征建立了适合于该区的SWAT分布式流域水文模型,并参考月过程的参数率定结果对日过程进行模型校准和验证。结果表明:基于SWAT模型的日径流模拟在该流域得到了成功运用,其中模拟的相对误差R e为16.9%,Nash-Suttclife系数E ns为0.76,相关系数r2为0.72,为后续模拟该流域鱼类产卵期的流量脉冲过程提供了数据支撑。     

基于SWAT模型的浏阳河流域径流对土地利用和气候变化的协同响应

气候和土地利用同时作用于流域径流,影响着流域水资源的量和质。以浏阳河流域为例,基于SWAT模型和情景分析方法定量评估未来流域内土地利用和气候变化对径流的作用。首先采用元胞自动机-马尔科夫(CA-Markov)模型模拟浏阳河流域2020和2050年的土地利用空间格局,其次在World Clim数据库中获得未来流域内气候变化数据,最后采用SWAT模型定量评估未来不同情境下土地利用和气候变化对径流的影响。研究结果表明:未来浏阳河流域林地比例下降、城市建设用地和耕地比例增加;气候呈暖干趋势; 2020和2050年,土地利用变化时,浏阳河榔梨站模拟径流将分别减少2. 42和0. 96 m~3/s;气候变化时,榔梨站模拟径流将分别减少3. 02和1. 13 m~3;土地利用和气候变化综合影响下,榔梨站模拟径流将分别减少8. 54和4. 27 m~3/s;说明浏阳河流域径流的变化对气候响应更加敏感,土地利用和气候变化对径流的影响呈非线性协同作用。     

系统微分响应参数率定方法在建阳流域SWAT模型中的应用

利用基于系统微分响应理论的参数率定方法率定闽江建阳流域SWAT模型,通过流域1992—2000年日资料验证了该方法的实际应用效果,采用纳什效率系数(NSE)、偏差百分比(PBIAS)和相关系数r作为评价指标对率定后的SWAT模型模拟精度进行评价,并与传统利用SUFI-2方法率定得到的SWAT模型模拟结果进行对比分析。结果表明：系统微分响应方法率定的参数在建阳流域的日径流模拟中表现较好,率定期和检验期NSE均为0.65以上,径流量PBIAS在5%以内,r在0.65以上;利用系统微分响应率定参数方法率定SWAT模型参数在实际应用中可行,且效率与精度均高于传统的SUFI-2方法。