渭河健康维持的关键因子分析

正1引言渭河流域水资源开发利用历史悠久,对关中地区的经济发展和社会进步具有重要作用。近年来,由于受降水减少、水土保持治理以及工农业用水增加等多方面的影响,渭河出现了河道萎缩、河槽淤积、水污染加剧、生物种类锐减、水资源供需矛盾突出等问题,致使渭河生态系统健康状况严重恶化,已成为地区经济     

渭河中下游水文变异点识别及生态保障流量计算

针对水文变异引发的基于水文统计学的生态保障流量分析方法在实践应用上存在的问题,提出通过水文变异点分析找出受环境变化影响的转折年,以该年份之前的水文序列计算生态系统需要的保障流量的思路,可有效避免因水文变异而导致的水文统计学方法失效问题。以渭河中下游为例,通过累积曲线法和Mann-Kendall(M-K)检验法对渭河干支流7个关键控制断面进行水文变异点识别,并以此为基础,应用改进Tennant法计算渭河中下游各控制断面的生态低限流量与适宜生态流量。该成果可作为渭河开展流域综合治理和生态保护的参考数据。     

河流生态水文系统研究

通过对生态学与水文学相关关系的分析,提出了河流生态水文系统的概念与内涵,构建了河流生态水文系统基本理论体系,并对其系统内涉及的水文学与生态学的研究内容和范畴进行界定,给出健康河流生态水文系统的定义。河流生态水文系统具有纵向连续性、生物结构特殊性、自修复性、关系复杂性、动态平衡性、临界阈值性等特点。     

水文时间序列高阶自相关性识别及其对水文分析的影响研究

以往水文序列分析中,对序列自相关性的研究多集中于一阶自相关性及其处理方法,而对于水文序列的高阶自相关性则鲜有表述。以陕西省典型流域实测年径流序列为研究对象,开展序列高阶自相关性的研究,探讨高阶自相关存在与否的问题。结果表明陕西省渭河、汉江、无定河三大典型流域中,仅有无定河流域风沙区的韩家峁、横山以及流域出口的白家川水文站的年径流序列检测到了高阶自相关,其余站点的径流序列均不存在高阶自相关性。为了验证高阶自相关性对水文分析的影响,通过BP神经网络预测模型对高阶自相关性的影响进行了评估,结果显示在输入变量中加入合适的高阶变量序列后,可在一定程度上提高模型的预测效果,从侧面验证了高阶自相关性客观存在的假设。同时,研究结果还表明对径流关系不佳的小样本资料地区,考虑高阶自相关性的影响,可有效提升小样本径流资料的展延效果,为区域水文设计的科学性与应用效果提供保障。     

渭河中下游生态基流量计算分析

在对生态需水量概念及方法深入分析的基础上,应用Tennant和最枯月实测径流量多年平均值两种不同的方法,分别计算了渭河中下游林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县五个断面的生态基流量,并最终确定各断面维持生态环境的最低流量,这一探索对改善渭河水环境及促进河流生态系统健康具有重要意义.     

水文序列趋势及形态变化的表征方法

变化环境下水文序列表现出非一致性,形态变化也呈现非单调性甚至非平稳性波动特征,导致传统的水文分析计算和水资源核算面临极大挑战。通过集成不同统计检验参数或方法,提出一套表征水文序列趋势形式及形态变化的指标体系,并以渭河流域咸阳站等7个站点年径流序列为例,验证了该方法的适用性。结果表明,该体系可较为有效地对具有相同Mann-Kendall检验值的不同水文序列的形态变化进行分析与对比,反映水文序列形态变化的宏观特征,实现不同水文数据序列间的空间差异性表征。     

变化环境下流域气象水文要素的相关性演化

为了探究流域气象水文要素间相关性结构及其演化, 采用交叉小波分析、去趋势波动分析( DFA) 、去趋势互相关分析( DCCA) 和去趋势偏互相关分析( DPXA) 对渭河流域 1960- 2015 年的气象水文数据( 年降水量、年蒸发皿蒸发量、年径流深等) 进行了时频域相关性分析和长程相关性分析, 探讨气象水文要素间的相关性结构变化和长程相关性特征。交叉小波分析表明, 研究期内蒸发、降水、径流任意两因子间相关性在不同时频域存在差异, 相关结构上 存在 1~ 2 和 8 a 的相似主导周期, 宏观上降水2径流间多尺度相关结构发生退化, 共振周期减少。长程相关分析表明, 径流、蒸发和降水序列的 Hurst 指数均大于 0.5, 表现出良好的长持续性特征, 当前降水( 径流、蒸发) 会对未来 某一时刻的降水( 径流、蒸发) 产生影响; DCCA 结果表明, 降水-径流间表现出长程相关性, 而降水-蒸发和径流-蒸发 呈长程反相关性, 呈现出不同的长程互相关结构; DPXA 结果表明, 扣除第三因子影响后, 降水-蒸发和径流-蒸发长程相关性发生突变, 从而降水-径流、降水-蒸发和径流2蒸发两两间均呈长程互相关性, 暗示降水、径流和蒸发三者间 长程相关性的互馈特征, 相比于 DCCA 结果, DPXA 的结果显然更具有说服力。透过滑窗分析可发现降水-径流、降水-蒸发之间的长程互相关性在时域上没有发生突变, 未来降水量的可能增加将引起径流量增大, 并间接引起渭河流域受水量制约的蒸发量增大; 径流-蒸发间长程互相关性于 1962 年由长程反相关突变为长程相关, 随后长程相关性持续增强, 标志着渭河流域未来蒸发的变化可能会引发更大的径流波动。     

去趋势预置白方法对径流序列趋势检验的影响

利用Mann-Kendall(MK)方法进行水文序列趋势检验时,去趋势预置白(TFPW)作为处理水文序列自相关性影响的重要方法之一,其处理过程的合理性及方法的适用性在变化环境下备受关注。本文以三种具有典型趋势特征的实测年径流资料为研究对象,开展TFPW-MK检验(6种去趋势方法并2种预置白方法),并与传统MK法及改进MK法进行对比,探讨不同TFPW方法在变化环境下的适用性。结果显示不同TFPW方法对典型趋势径流序列的MK检验结果影响不一;在AR(1)预置白处理时,不同去趋势方法表现较为接近;而在去除AR(n)(n表示所有显著自相关阶数)时,仅直线滑动平均法(LMA)法和直线滑动回归平均法(LRMA)法表现较为合理,传统TFPW方法出现失真现象。综合对比表明基于LRMA并AR(n)的TFPW方法表现最优,而传统TFPW法仅在AR(1)条件下可获得较为稳定的趋势检验值。     

秃尾河流域植被覆盖变化及其对径流的影响

黄土高原地区水土流失严重,生态环境脆弱。随着退耕还林还草政策的有序实施,区域植被覆盖率从90年代末开始显著提高,但河川径流也随之显著减少,对黄土高原区的水资源安全造成了重要影响。选取陕北秃尾河流域为研究对象,通过分析流域植被变化特征,检验径流序列趋势变化、变异特征以及其与降水、植被指数(NDVI)的相关关系,探讨了降水与植被覆盖变化对径流的影响,并使用基于Budyko假设的弹性系数法对不同时段的贡献率进行了定量分析,指出其影响径流缩减的物理机制。研究结果表明:(1)秃尾河流域植被覆盖格局总体为东南高、西北低,且近年来逐渐趋好,特别是2000年后流域植被覆盖率显著上升,到2013年年均NDVI值已达0.45,其变化主要表现为西北部未利用土地转化为草地和林地;(2)近年来秃尾河流域径流显著持续减少,且以1983和1997年为拐点呈三阶段变化,而降水、潜在蒸散发呈不显著减少,且潜在蒸发量和径流量的下降趋势将可能持续;(3)1984—1997年间流域降水驱动径流减少,两者呈现较强的正相关性,1997年后流域植被覆盖变化显著,表现为与径流的强烈负相关性,并成为引发径流显著减少的主因;(4)由Budyko方程计算得到的下垫面参数n与年NDVI值具有相同的变化趋势,验证了弹性系数法的适用性。定量分析结果表明1984—1997年间气候变化与覆被变化对径流变化呈异向影响,气候变化使径流减少而覆被变化使径流增多,且前者贡献率明显高于后者。之后,覆被改变对径流缩减的影响显著增强,贡献率高达75%以上。由物理解析可知,当前气候环境下植被覆被变化正在逐渐主导流域的径流变化,"地表变绿"可能对流域水安全造成潜在威胁。