基于供水水源的干旱指数及在昆明干旱频率分析中应用

在分析昆明需水量主要供水水源的基础上,以土壤含水量和径流量分别表示作物蒸散和各用途取水的供水水源,参照综合气象干旱指数的构造方式,构建了基于标准化土壤含水量指数和标准化径流指数的综合水文干旱指数。采用阈值法识别基于综合水文干旱指数的干旱过程,通过区域旱情频次确定干旱发生阈值,并分别以干旱过程中指标值小于干旱发生阈值的时段数和时段内干旱发生阈值与指标值之差的累积和为干旱历时和干旱烈度。在采用适线法确定干旱历时、干旱烈度边缘分布的基础上,利用GH Copula函数构建了两者的联合分布,计算了昆明1956—2011年干旱事件的重现期。与昆明实际旱情及由标准化土壤含水量指数、标准化径流指数识别干旱过程比较,综合水文干旱指数适用于昆明干旱过程识别及其重现期计算,相比于气象干旱指标能更直接地反映区域旱情,而相比于土壤含水量或径流量单水文干旱指标能更全面地反映区域干旱的驱动因素。     

基于可变下渗容量模型和Palmer 干旱指数的区域干旱化评价研究

基于可变下渗容量(Variable Infiltration Capacity,VIC)模型的流域网格划分及其对径流、蒸散发和土壤含水量变化的模拟,对Palmer干旱指数各水量平衡分量的计算进行了优化,并采用分级修正的方式,改进了Palmer干旱指数中气候特征系数K的确定方法。在此基础上,建立了基于VIC模型和Palmer干旱指数的区域气候干湿变化评价系统,并采用该系统对黄土高原进行了研究。结果表明,近40年黄土高原气候正向暖干化趋势发展,1990年以后暖干化趋势尤为明显。研究区干旱发生频率在空间上呈由西北向东南递减趋势,不同季节干旱发生频率空间分布存在一定差异。该评价系统物理机制清晰,地区适应性较强,在实时监测和评估气候干湿变化及其时空分布上存在较大应用潜力。     

基于VIC模型和Palmer干旱指数的区域干旱化评价研究

基于VIC(可变下渗容量)模型的流域网格划分及其对径流、蒸散发和土壤含水量变化的模拟，对Palmer干旱指数各水量平衡分量的计算进行了优化，并采用分级修正的方式，改进了Palmer干旱指数中气候特征系数K的确定方法。在此基础上，建立了基于VIC模型和Palmer干旱指数的区域气候干湿变化评价系统，并将该系统在黄土高原进行了应用。结果表明，近40 a黄土高原气候正向暖干化趋势发展，1990年以后暖干化趋势尤为明显。研究区干旱发生频率在空间上呈由西北向东南递减趋势，不同季节干旱发生频率空间分布存在一定差异。该评价系统物理机制清晰，地区适应性较强，在实时监测和评估气候干湿变化及其时空分布上存在较大应用潜力。     

基于VIC模型的滦河流域综合干旱指数的构建与应用

干旱频发已成为严重制约社会经济可持续发展的重要因素,但由于干旱形成机理复杂,影响因素众多,目前尚无公认普遍适用的干旱指数,因此寻找并构建适用于研究区的综合干旱指数成为当前研究的热点和重点。本文以滦河流域为研究对象,选取1960-1979年为研究期,通过对降水距平百分数、相对湿润度和由VIC模型的中间变量-土壤含水量计算得到的土壤相对湿度指数进行主成分分析,构建了适用于该流域的综合干旱指数,对研究期的旱情进行了评价,并与标准化降水指数(SPI)、帕默尔指数(PDSI)的评价结果进行比较,验证其适用性。结果表明:基于VIC模型的综合干旱指数能较好地评价滦河流域历史旱情。该研究在提升海河流域干旱监测和评价能力方面具有一定的理论与实用价值,也为其它流域的干旱评价具有参考价值。     

盐湖流域空-天-地立体监测系统结合VIC模型径流模拟初探

盐湖流域属于无资料地区且基础资料稀缺,使用传统方法开展水文模拟存在困难。为了研究盐湖流域生态环境、水文气象等变化,综合利用卫星遥感、无人船等技术,建立盐湖流域空-天-地立体监测系统,构建盐湖水位-面积-容积关系曲线,并通过月尺度遥感数据解译了盐湖月尺度湖泊面积,推算了盐湖蓄变量和盐湖入湖月尺度径流量。通过收集并整理中国区域地面气象要素驱动数据集CMFD和MODIS LAI叶面积指数等数据,构建了基于多源数据的VIC模型,开展盐湖流域湖泊径流模拟研究。结果表明,盐湖流域径流模拟纳什系数NSE和相对误差分别为0.87和11.81%,表现出实际径流的丰枯变化情况。盐湖流域空-天-地立体监测系统结合VIC模型能够模拟盐湖流域的月尺度径流变化过程,对无资料区域河湖水文模拟具有一定参考意义。     

考虑地表-土壤-作物水分联合亏缺的综合旱情指数研究

区域干旱发生发展受地表水、土壤水、作物水等多种缺水过程的共同影响，以往基于单一缺水过程构建的干旱指数难以反映实际旱情，综合考虑多种缺水过程构建综合旱情指数，对有效开展区域旱情监测具有重要的意义。基于水文作物耦合模型(VIC-EPIC)模拟数据，通过线性加权集成标准化径流指数(SRI)、土壤含水量距平指数(SMAPI)和作物缺水指数(CWDI),构建了反映地表-土壤-作物水分联合亏缺的综合旱情指数(CDSI),并采用1981—2020年数据在湘江流域开展了应用研究。结果表明，基于CDSI提取的旱情特征序列与流域内35个县1990—2007年受旱率相关性在0.4～0.8之间，82.9%通过5%显著性水平检验，与反映单一水分亏缺的SRI、SMAPI和CWDI相比，相关性整体上有较大提升。CDSI能够较好地反映区域实际旱情发生发展，可为大范围旱情准确识别和评估提供有效支撑。     

基于水文-作物耦合模型和CWAPI指数的农业干旱评估

基于模拟土壤含水量构建的干旱指数可反映农业干旱的时空发展过程,已被广泛用于大范围农业干旱评估中。当前模拟用于干旱评估的土壤含水量时,常采用水文模型进行模拟。然而,水文模型常过于简化作物模块甚至缺少作物模拟方案,无法模拟作物需水量,因此仅基于土壤含水量构建的土壤干旱指数因忽略作物需水而难以准确评估实际的农业干旱情况。研究构建了考虑灌溉过程影响的水文-作物耦合模型VIC-EPIC（Variable Infiltration Capacity-Environmental Policy Integrated Climate）,提出了基于VIC-EPIC模拟作物需耗水过程的作物缺水距平指数CWAPI（Crop Water Anomaly Percentage Index）,在青口河流域开展了区域农业干旱评估方法研究。验证分析表明,构建的CWAPI因考虑作物需水影响可直接反映作物的缺水状态和缺水对作物生长的累积影响;由于在干旱评估中引入了作物种植比例、轮作类型和灌溉的影响,CWAPI能够较SMAPI（Soil Moisture Anomaly Percentage Index）更客观地反映区域作物旱情。因此评估农业干旱时,需要考虑作物种植比例、轮作和灌溉过程的影响。     

基于VIC的中小尺度黄泥庄流域径流模拟

为对黄泥庄流域水资源进行评价与规划,探讨VIC大尺度分布式水文模型在中小尺度流域上的适用性,采用VIC模型对黄泥庄流域的径流进行模拟,结果表明:VIC模型在黄泥庄流域具有较好的适用性,说明VIC大尺度水文模型在中小尺度流域具有一定适用性;月径流模拟的Nash-Sutcliffe效率系数均在0.80以上,相对误差大部分在0.10以内,满足该流域水资源评价与规划的要求;模拟过程中部分较大洪峰,VIC模型的径流模拟效果稍显欠佳,参数率定结果的不确定性也给模拟结果带来一定误差,需进一步研究改进。     

LAI和FVC植被参数对VIC模型土壤含水量模拟的影响研究

植被参数是分布式水文模型的重要输入参量,对径流、土壤水分等水循环参数的模拟具有显著的影响。论文以西藏那曲为研究区,对比分析了MODIS遥感数据估算的叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、植被覆盖指数(Fractional vegetation cover,FVC)两种动态植被参数对VIC水文模型模拟表层土壤含水量(0~15 cm)的精度影响。结果表明,与使用静态植被参数相比,基于MODIS的动态LAI及FVC驱动的VIC模型模拟的表层土壤含水量的精度显著提高,且冰冻期的改善尤为明显,偏差Bias从0.101 cm~3·cm~(-3)下降至0.032 cm~3·cm~(-3),均方根误差RMSE从0.135 cm~3·cm~(-3)下降至0.071 cm~3·cm~(-3),相关系数R从0.483上升至0.836。进一步分析表明,两种植被参数对VIC模型的表层土壤含水量模拟精度都有一定的影响,但FVC的影响更显著。     

基于VIC模型的龙滩水库流域径流模拟研究

基于大尺度陆面水文模型VIC(Variable Infiltration Capacity)模型,采用纳什效率系数和相对误差作为评判标准,探讨VIC模型在龙滩水库流域上的适用性,并对径流的时空分布进行分析的结果表明,VIC模型在龙滩水库流域具有良好的适用性,率定期和验证期的月径流模拟Nash-Sutcliffe效率系数均在0.85以上,相对误差大部分在10%以内,满足流域水资源评价与规划的要求;VIC模型对径流变化过程具有较好的模拟效果,峰现时间模拟较准确,对峰值流量的模拟效果略有不足,且丰水年模拟效果优于枯水年模拟效果;流域径流在空间上呈现东多西少,北多南少的分布特性;与基准期相比,流域在2001年~2010年多年平均径流呈现出一定的减少。     

不同坡度和前期土壤含水率条件下裸地降雨产流试验研究

坡度和前期土壤含水率是降雨产流过程的重要影响因素。为研究华北半干旱地区的降雨产流机制,采用人工模拟降雨的方法,进行了不同坡度(5°、10°和15°)和前期土壤含水率(0.20、0.25和0.30)条件下的降雨产流试验。结果表明:在整个降雨产流过程中,地表径流量随坡度和前期土壤含水率的增加而增大,累积径流量与产流历时呈线性函数关系;土壤入渗率和产流滞时均随前期土壤含水率和坡度的增加而减小,且前期土壤含水率对土壤入渗率和产流滞时的影响较坡度更加明显;Horton模型对降雨入渗关系的拟合结果优于Kostiakov和Philip模型。     

坡面径流的快速测评技术研究

 长江上游地区土层薄,蓄水容量差,由于雨量集中,容易导致洪、旱灾害交替发生,进行坡面径流调控降低土壤含水量是流域治理的有效手段,坡面径流的快速测评可为径流调控提供数据支持。研究采用野外调查和取样分析的方法,得到长江上游不同土壤类型土层厚度和物理性质;统计分析长江上游不同地区 5 年一遇最大 24 h 降雨量,基于径流形成原理,计算得到长江上游地区径流系数为 0.53 ;不同地区壤中流占总径流量的比例均值为 30% ,研究结果可为坡面径流调控提供理论依据。     

AnnAGNPS模型在黄土丘陵沟壑区小流域的适用性评价

在水土流失较严重、生态环境较脆弱的黄土丘陵沟壑区定量化研究土壤侵蚀对于合理利用土地及保护环境显得尤为重要。本文运用基于过程的Ann AGNPS模型对典型黄土丘陵沟壑区-岔口小流域的水土流失进行模拟,以5场次暴雨径流量及泥沙量评价模型适用性。模拟结果表明:模型能较好的模拟地表径流,模拟相对误差为-21.46%~2.26%,确定性系数R2为0.99,Nash-Sutcliffe系数为0.99。模型对泥沙模拟精度较低。对岔口小流域土壤侵蚀定量分析表明,单位面积泥沙流失量最严重的区域集中在坡耕地上,尤以核桃树与玉米间种的坡耕地流失最大。     

The Status and Trend of Water Pollution Control Technology in China

ABSTRACT

The feasibility of predicting total summer crop water use by grassland, based on early or pre-season soil moisture reserves, was investigated. Tests were based on the correlation over time between simulated soil moisture and related variables at six South African climate stations. A weather driven computer budget model was used to simulate daily soil moisture reserves. Results indicate that early prediction of seasonal crop water use is not feasible, but that deep soil moisture is stable enough over time to be a reliable monitoring variable for crop growing conditions. Moisture stored in the deep soil has good potential for monitoring more severe drought conditions.     

Comparison of soil moisture at different depths for drought monitoring based on improved soil moisture anomaly percentage index

To better understand the characteristics and mechanisms of droughts at different drought stages, this study selected the Xiangjiang River Basin in China as the study area, and evaluated soil moisture (SM) at different depths for drought monitoring, through SM data simulated with the variable infiltration capacity (VIC) model. To solve the problem of unreasonable drought/wetness classifications based on the soil moisture anomaly percentage index (SMAPI), an improved soil moisture anomaly percentage index (ISMAPI) was developed by introducing the Box–Cox transformation. The drought/wetness frequency generated by ISMAPI demonstrated preferable spatial comparability in comparison with those from SMAPI. The lag time of ISMAPI relative to the standardized precipitation evapotranspiration index was closely related to soil depth, and was characterized by a fast response in shallow soil layers and a relatively slow response in deep soil layers. SM in shallow soil layers provided a measure for monitoring short-term droughts, whereas SM in deep soil layers provided a better measure for long-term persistent drought events. Furthermore, the occurrence and mitigation time of drought events identified by SM in deep soil layers usually lagged behind that identified by SM in shallow soil layers. Compared with deep SM, SM in shallow soil layers responded faster to meteorological anomalies, thereby resulting in shorter periods of SM persistence in shallow soil layers than in deep soil layers. This can explain the differences of SM at different depths in drought monitoring.     

寒冷地区冻土水文特性与产流机制研究

分析了寒冷冻土地区(以下简称寒区)的气候特点和冻土水文特性,在揭示冻土期土壤水分动态规律和特点的基础上,探讨了不同于无冻地区和无冻期的产流机制和相应的降雨径流关系,对寒区应用蓄满产流模型提出了改进意见,文中提出的实际成果资料和分析方法为寒区水文预报和水文计算提供了依据。     

基于DEM的黄土丘壑区动力学流域水沙数学模型应用研究——以黄河中游两个典型小流域为例

该文以黄土丘陵沟壑区典型小流域—岔巴沟流域为研究对象,首先采用地理信息系统(GIS)对坡度和土地利用方式等侵蚀产沙环境因子提取分析,提出基于网格的超渗产流模型和基于运动波理论的栅格型坡面汇流模型,然后采用Preissmann四点隐式差分进行方程的离散求解。另外根据研究区地形及地貌特点将其分为梁峁坡、沟谷坡和沟槽三种垂直分带侵蚀单元,采用力学分析建立其侵蚀产沙公式和分布式坡面流运动波模型进行耦合求解。本模型在岔巴沟流域1970~2001年17场水沙过程的模拟和验证结果表明:产汇流、产沙计算平均确定性系数分别为0.69、0.58。杏子河流域验证结果也表明该模型对黄丘区水土流失时空过程的模拟计算具有一定精度,模型预测成果可为黄土高原水保规划和生态建设等提供更为精细和科学的决策依据。     

DDRM模型在渠江流域的应用研究

为了进一步探究分布式水文模型(DDRM)的适用性,基于渠江流域的数字高程模型(DEM),提取了研究区域的边界、河网水系,计算了研究区域的地形指数;然后采用基于DEM的DDRM模型进行流域降雨-径流过程模拟,并用确定性系数、洪峰相对误差、峰现时间误差等对DDRM模型的模拟精度进行了评价;同时,对比分析了不同DEM栅格分辨率(1 km和2 km)对模型模拟精度的影响。结果表明:基于上述2种分辨率的DDRM模型在渠江流域降雨-径流模拟中均取得了较好的模拟效果,其中基于1 km栅格的DDRM模拟精度略优于2 km栅格。DDRM模型结构简单,参数较少、物理过程明确,而且能够模拟流域土壤含水量和径流量的空间分布,可为缺资料地区水文模拟提供一种新的方法。     

Simulation of maize drought degree in Xi'an City based on cusp catastrophe model

Drought generally has significant impacts on crops. It is essential to quantitatively evaluate the relationship between crop production and drought degree to provide technical support for drought disaster prevention. In this study, a drought degree index that can reflect the changes in precipitation, evapotranspiration, and soil moisture was developed on the basis of crop yield reduction rate. Four drought scenarios were set up to simulate the effects of meteorological drought on drought degree of crops at different growth stages. A cusp catastrophe model was constructed to analyze the mutation characteristics of the drought degree of maize at different growth stages under different meteorological drought conditions. Xi'an City in China was selected as the study area, and summer maize was selected as the research crop. Precipitation and crop yield data from 1951 to 2010 were used as the fundamental data to investigate drought degree mutation of summer maize. The results show that, under the meteorological drought conditions at the emergence-jointing stage, drought degree may change abruptly, and soil moisture content at the sowingemergence, jointing-tasseling, and tasseling-mature stages should be kept higher than 39%.