Quantifying the Effects of Land Surface Change on Annual Runoff Considering Precipitation Variability by SWAT

Runoff variations were influenced by climate variability and land surface change, but the mechanism was not clear, and quantification of their effects was not mature. To find a reliable method, we selected four sub-watersheds in Luanhe watershed in which runoff series had significant downward trends. We first calibrated and validated the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) hydrological model by using the hydrometeorological data in reference period in the four sub-watersheds. The simulated runoff series agreed well with the observed ones, which demonstrated the model performed well. Then we reconstructed the runoff series in impaired period under 1970 and 2000 land use conditions without check dams. According to the simulation results, the contributions of precipitation variability, land use change and construction of large number of check dams were quantified by traditional method. It was found that precipitation variability was the main cause of runoff decrease. In this study, we proposed a new perception for distinguishing the contributions of land surface change and precipitation variability, and got different results from traditional method. Precipitation variability was the main factor for runoff decrease in Luanhe and Wuliehe sub-watersheds, and land surface change contributed more in Yixunhe and Liuhe sub-watersheds. The combined effects were not the summation of single effect of precipitation variability and land surface change. It is of great necessity to do further research on this issue, and will provide reliable information for water resources managers.     

信江流域水沙变化及其对降雨侵蚀力的响应

信江流域是鄱阳湖的第三大入湖流量支流,其水沙变化直接影响鄱阳湖水文情势。本文基于信江流域7个气象站降雨资料和梅港水文站1960-2014年的径流和输沙资料,采用Mannn-Kendall非参数检验、双累积曲线等方法,研究了流域水沙变化及其对降雨侵蚀力的响应。结果表明：信江多年平均径流量为179.8×108m3,年际呈不显著的上升趋势（P>0.05）。多年平均输沙量为198.9×104t,年际呈极显著下降趋势（P<0.01）。多年平均降雨侵蚀力11 270MJ·mm/（hm2·h）,年际呈不显著的上升趋势。输沙量与降雨侵蚀力双累积关系曲线在1999年出现拐点,与基准期（1960-1998年）相比,变化期（1999-2014年）降雨侵蚀力使年均输沙量增加14.0×104t,对输沙量变化的影响程度为10.8%;人类活动导致年均输沙量减少143.5×104t,对输沙量变化的影响程度为-110.8%,二者综合作用导致输沙量减少。水库建设和大规模水土保持措施的实施是信江流域输沙量减少的主要原因,研究成果可为流域水土流失防治、水土资源利用提供参考。     

基于可变模糊集理论的滦河流域降雨径流演变特征分析

本文以滦河流域6个子流域为研究区域,依据降雨频率分级,对不同量级的降雨和对应径流序列分组,进行基于可变模糊集理论的演变特征分析。结果表明,各子流域降雨序列1980年后较1980年前仅发生量变,而对应的年径流序列却发生了渐变式质变,说明人类活动是导致滦河流域径流明显减少并发生渐变式质变的主要因素。通过实际降雨量和径流量的变化过程证实了质变与量变定理,说明其降雨序列演变特征参数可以量化水文序列。     

变化环境对潮河下游径流一致性的影响

水文分析要求径流资料的时间序列一致性,但变化的环境破坏了径流序列的稳定一致性变化规律。在气候变化和频繁的人类活动的影响下(水利工程建设、植被覆盖改变和城市化建设等),流域的下垫面条件和产流物理机制发生了明显变化,导致径流序列出现变异情况,不能满足频率计算分析水文时间序列一致性的要求和同分布的假定。应用Mann-Kendall非参数秩次检验法、Pettitt检验法、方差分析法对潮河流域下游下会站1976年-2012年的年、月径流和降水时间序列的趋势成分、突变成分、周期成分和随机成分分别进行了检验和识别,并通过对比分析降雨和径流时间序列的成分,推断出气候变化和人类活动对潮河流域下游降水和径流演变过程的影响。     

金沙江流域径流特性变化及影响分析

以金沙江流域屏山站55 a(1950～2004)水文资料为基础,研究了流域内径流的变化特征。运用多种统计方法较系统地分析了屏山站径流的年内、年际变化规律及影响流域径流变化的因素。结果表明,流域径流年内分配不均匀系数Cvy的值介于0.05～1.49之间,且有减少趋势。径流的年际变化剧烈,丰水时段与枯水时段交替出现,由年降水—径流双累积曲线及回归分析可知,降水是影响流域径流变化的主要因素,人类活动对径流变化影响较小。     

大渡河流域年径流变化特征及其归因分析

根据1951—2012年大渡河流域内气象站年降水量、年平均气温和铜街子站年径流量资料,利用Mann-Kendall秩次相关检验法识别年径流量变化趋势,基于小波分析法检验其周期成分,采用有序聚类法、累积距平法及Pettitt法诊断年径流量突变点,利用累积量斜率变化率比较法揭示气候变化与人类活动对流域年径流量的影响程度。研究结果表明:1951—2012年大渡河流域年径流量整体呈不显著的减少趋势,其中,1951—1968和1988—2012年期间呈不显著的减少趋势,1969—1987年期间呈不显著的增加趋势;年径流量存在7年、11年、17年和28年的周期成分;流域年径流量在1968年和1987年发生突变;以1951—1968年为基准期,1969—1987年期间气候变化和人类活动对大渡河流域径流量减少的贡献率分别为36.22%和63.78%;在1988—2012年期间的贡献率分别为33.68%和66.32%;人类活动是大渡河流域年径流量变化减小的主导因素,气候变化是次要因素。     

河北4座水库降雨径流一致性分析

降雨径流关系是否发生变化,即不同时期降雨径流关系有无显著差异是水文演算中迫切需要解决的问题.以河北省海河流域四座水库的降雨径流系列为基础,通过降雨径流双累积曲线的特性分析、年径流系数的变化过程分析、秩和检验、回归方程的差异分析等,对四座水库的1980-2008年入库径流水文系列一致性进行研究.结果表明:AGZ水库、GN水库、HBZ水库1980-2008年的入库径流资料具有一致性,虽年径流深、年径流系数有差异,但降雨径流关系并无显著差异.而WK水库1980-2008年的入库径流资料则不具有一致性,降雨径流机制发生变化,分析了下垫面变化的影响,并对其天然径流资料进行修正.     

降水变化及人类活动对金钱河流域径流的影响

以秦岭南麓的金钱河流域为典型研究区,利用Mann-Kendall非参数统计检验方法、回归分析法、双累积曲线法等数理统计方法,分析金钱河流域径流和降水的年际变化特征,建立了降水年内变化参数的流域降水与径流关系模型;并基于水文模型的方法定量评估降水变化及人类活动对金钱河流域径流变化的影响。结果表明:金钱河流域的降水、径流变化呈现一致性;径流系数呈下降趋势;金钱河流域降水和径流突变点发生在1988-1989年左右;通过降水-径流关系模型计算,由人类活动引起径流减少的比率为51.67%,较高于降水变化的比率48.33%,是导致径流变化的主要原因。     

吐鲁番及周边地区气候及径流演变特征分析

采用吐鲁番及周边地区6个典型气象站和煤窑沟、阿拉沟2个流域水文站的1960-2012年实测数据,运用Mann-Kendall非参数秩次检验法和Pettitt变点检验法,分析了该地区的气候变化和径流变化趋势。结果表明:1960-2012年,吐鲁番及周边地区的年降水量呈一定的上升趋势,但不显著,平均气温也呈上升趋势,而日照时数和平均相对湿度呈下降趋势;阿拉沟出山径流量呈明显上升趋势,而煤窑沟出山径流量上升趋势不明显;降水量、平均气温、平均相对湿度均与径流量呈正相关关系,而日照时数与径流量呈负相关关系。     

永定河流域径流变化特征及影响因素分析

根据永定河流域石匣里站、响水堡站和官厅水库站1956年-2003年的年径流资料,应用Mann-kendall检验法、Pettitt检验法、滑动T检验和小波分析法等方法分析了永定河流域年径流量的趋势性、周期性及突变特征,并从气候变化及人类活动两方面分析其影响因素。结果表明永定河流域年径流量一直处于显著下降趋势中,存在27(28)年的第一主周期和20(21)年的第二主周期;1982年-1983年径流量发生突变,突变前后变化较大。径流量变化的主要影响因素是人类活动,如土地利用、闸坝工程建设以及地下水过度开采等;气候变化对径流量也有一定的影响。     

Characterization of the evolution of runoff-sediment relationship in Min River based on coupling coordination theory

Global climate change and human activities have profoundly affected the hydrological processes in the basin. The study of the characteristics of runoff and sediment variations in the basin and their driving factors is of great significance in promoting the efficient use of water resources and high-quality development in the basin. The determination of the abrupt change point of the runoff-sediment relationship is the key to delineate the base period, and is important to assess the contribution of climate change and human activities to the change of the runoff-sediment relationship. Therefore, this study constructs a binary coupled coordination model of runoff and sediment load to describe the coupled runoff-sediment coordination relationship, and uses the Pettitt method and the double cumulative curve method to test for mutations. The effects of climate change and human activities on changes in runoff and sediment load were assessed using the Budyko framework-based elasticity factor method and the cumulative slope rate of change method. The results show that the annual runoff and annual sediment load in the Min River basin show a decreasing trend between 1970 and 2019, with monthly sediment load changing more significantly than monthly runoff. Annual runoff and annual sediment load were significantly coherent throughout the study period, and there were significant resonant cycles of positive phase on 2-, 3-, 5- and 6-year time scales. The coupling coordination degree of runoff and sediment load is generally at a coordinated developmental stage and is moving from low to high levels of coordination. Relative to the base period, changes in runoff and sediment load during the change period are mainly attributed to human activities. The contribution of human activities to the change in runoff ranged from 78.92% to 66.71%, and the contribution to the change in sediment load reached 93.40% to 94.15%. In contrast, precipitation in climate change has a greater impact on changes in runoff and sediment load than potential evapotranspiration. Land use changes and reservoir construction in the Min River basin have both contributed positively to the reduction of runoff and sediment load. The results of the study will help us to gain a deeper understanding of the processes and driving mechanisms of the runoff-sediment relationship in the Min River basin, and provide a scientific basis for water resources management and sustainable development in the basin.     

基于极值同频率法的非一致性年径流过程设计方法--以跳跃变异为例

由于气候系统变化和高强度人类活动的影响,天然年径流序列失去了一致性。为了适应变化环境对工程水文分析计算的新要求,本文以跳跃变异为例提出了基于极值同频率法的非一致性年径流过程设计方法:首先,采用水文变异诊断系统对不同时间尺度径流序列进行年际和年内分配情势变异分析;其次,根据年际变异和年内分配情势变异的时间点,将径流序列分段;再次,基于径流年际变异诊断结果,采用变化环境下非一致性水文频率计算方法计算不同时间尺度径流量变异前后过去不同保证率下的设计值;最后,基于径流年内分配变异诊断结果,在径流年内分配变异前后利用极值同频率法进行年径流过程设计。以东江岭下站为例,进行了非一致性年径流过程设计,并与未考虑"非一致性"影响的年径流过程设计结果进行了比较,发现岭下站设计年径流过程受"非一致性"影响显著,该结果可为东江流域水利工程的规划设计提供参考和依据。     

秦岭北麓典型流域年径流序列的突变分析

运用Mann-Kendall检验法和有序聚类分析法,基于秦岭北麓典型流域1955-2010年的年径流变化特征,旨在揭示该地区年径流序列的突变特性。结果表明:56a来灞河、大峪河、沣河、涝河、黑河年径流量呈下降的趋势,且在1955-1983年的年径流模数变化具有同步性,而1983年之后的同步性较差;除大峪河无突变点外,其余四条流域年际径流序列的突变点在80年代后期。文中五条典型流域的年径流序列突变分析可为水资源配置提供参考。     

孤山川流域水文特征变化及驱动因素

研究流域水文特征的变化及驱动因素对流域水资源开发利用与保护,水土保持及生态环境的建设具有指导意义。以孤山川流域为研究区,利用Kendall秩序相关法分析1956-2009年流域降水、径流、泥沙等水文要素的演化趋势,采用小波变换法对系列的周期进行提取,利用有序聚类法分析径流和泥沙序列的变异点,并分析气候变化和人类活动对水沙的影响情况。结果表明:近54年来孤山川流域实测降水量没有显著变化,而年径流量和输沙量显著减少;年径流量和输沙量序列都存在5、14和28年左右的周期,且均在1979年和1996年发生突变。气候变化和人类活动对年径流量减少的贡献率在不同时段有不同的值,在人类活动对下垫面影响的过渡期,贡献率分别为72.2%和27.8%;90年代中期到21世纪初,它们的贡献率分别是27.8%和72.2%。本研究将为孤山川流域水资源开发利用及优化配置提供科学借鉴。     

基于SWAT模型的巴勒更河流域降雨-径流关系

研究流域的降雨-径流关系可为水资源管理与水土保持等工作提供依据.根据实测降雨资料和历史实测径流数据构建SWAT模型并用于还原径流序列,采用Kendall秩次检验、滑动平均、M-K突变检验、小波分析、累积距平法以及径流系数,分析巴勒更河流域1970—2015年的降雨-径流关系年际变化特征、变化趋势,并运用累积斜率变化率比...     

塔里木河流域径流变化趋势分析及预测

结合塔里木河流域三源流各水文站及干流阿拉尔52年(1957-2008年)的径流实测资料,运用时间序列周期方差分析外推、非参数检验和R/S分析等方法探讨了径流量的周期、跃变及未来的变化趋势。结果表明:阿克苏河两水系径流趋势增加显著并在未来的一段时间内将长期持续,其突变点皆在1993年;和田河同古孜洛克与乌鲁瓦提存在相反的径流趋势且突变不显著;叶尔羌河表现为微递增趋势并在1993年发生显著性突变,但在未来的一段时间这趋势将转变为减少;源、干流在突变、径流趋势、径流量等皆存在较大差异,这表明人类活动强烈干扰了干流的水文过程。     

Geomorphology Based Semi-Distributed Approach for Modelling Rainfall-Runoff Process

This study presents a geomorphology based semi-distributed methodology for prediction of runoff of a catchment. In this proposed methodology, the catchment area is divided into a number of sub-catchments using the Thiessen polygon method. The rainfall records of particular rain-gauge station are considered as uniformly distributed over the entire sub-watershed. Four different weighting factors are proposed to obtain the sub-catchment’s contribution towards runoff. The weighting factors are calculated based on the geomorphological parameters of the catchment. The geomorphological parameters of the sub-watersheds are obtained from SRTM digital elevation data. The weighted contributions from all the sub-watersheds at current and previous time steps and the previous time step discharge are used to develop an Artificial Neural Network (ANN) for predicting the discharge at the basin outlet. A lump model considering average rainfall of the catchment is also developed using ANN for evaluating the performance of the proposed distributed model. For the lump model, average rainfall is calculated using Thiessen polygon method. The historic rainfall and runoff data recorded at the Dikrong basin, a sub-catchment of the river Brahmaputra is used to evaluate the efficiency of the developed methodology. The evaluation results show that the presented model is superior to the lump model and has the potential for field application. A comparative study is also carried out to obtain the most influential combination of geomorphological parameters in predicting the catchment’s runoff.     

环境变化对石栈道站径流量的影响研究

环境变化是导致流域水文过程扰动的主要因素,评估其相对影响对于制定流域水资源规划和管理策略具有重要意义。采用非参数Mann-Kendall检验和Pettitt检验来诊断石栈道站径流的变化趋势和突变,以水文气象资料为基础,构建基于VIC径流模拟模型,并从不同年代来定量分析变化期的环境变化对年径流的影响。结果表明:石栈道站径流呈现显著下降趋势;突变发生在1979年,并据此将研究期划分为径流基准期(1959-1979年)和变化期(1980-1991年,2006-2015年);模型在研究区域内具有较高的适用性,Nash-sutcliffe效率系数和相对误差分别达到模型要求的0. 75以上及10%以下;在1980-1991和2006-2015年两个时段内,气候变化和人类活动对径流减少的影响分别为14. 4%、85. 6%和15. 4%、84. 6%。石栈道站径流变化受人类活动影响较大。     

内蒙古高原典型草原内陆河流域径流的时序演变特征

高原内陆河在我国半干旱地区社会经济发展的区域水资源开发利用过程中起到了重要的支撑作用,认识其演变特征及进行模拟对于流域的可持续发展具有重要的意义。以内蒙古高原典型草原内陆河流域——巴拉格尔河流域为研究对象,基于1959-2015年的水文、气象和社会经济等数据,采用双累积曲线法、累积距平法、改进的M-K趋势检验法和小波变换法对流域径流序列的变化特征进行了解析,并通过细化降水特征因素影响和以社会经济指标量化人类活动影响,运用统计相关检验法筛选径流时序演变模拟的主要输入要素,以改进的BP神经网络实现了水文年、季尺度下径流的时序演变模拟。结果表明:巴拉格尔河流域径流量在年、季尺度下呈现显著减少趋势;径流变化的突变年份为1998年,在这之前受到气候变化为主的影响,而在这之后为加入人类活动的双重影响;年、枯水季径流序列均存在6a和30a周期,而丰水季径流在分析序列内无明显周期变化;降水指标中的降水量、降水天数和降水次数,气候因素中的蒸发和相对湿度,以及人类活动的所有指标是与径流显著相关的影响因素;在无法实现分布式水文模拟时,改进的BP神经网络可以较好地模拟该流域径流的时序演变过程。     

基于小波和GIS分析的河川径流时空变化规律研究

选用Morlet小波和GIS空间分析方法,研究河川径流的时空变化规律,对窟野河控制性水文测站1956-2009年径流序列的实例分析。结果表明:Morlet小波能够较好的表征窟野河流域多年平均径流量的时-频局部化特性,对径流时间序列的周期性和奇异性分析也较为准确;而利用GIS空间插值功能也能够直观的分析出窟野河流域不同时间尺度的径流空间分布规律,为后续开展相似研究提供了科学参考。