基于GWR模型的海河流域地下水储量降尺度研究

利用GRACE重力卫星数据联合GLDAS数据反演可得到地下水储量变化,能够在大尺度范围监测研究区域内的地下水储量变化,但得到的数据空间分辨率仅有0.25°,在小尺度范围内难以应用。基于GRACE陆地水储量及GLDAS浅层地表水储量与降水、NDVI之间的空间关系,提出一种基于地理加权回归模型(GWR模型)的地下水储量变化的降尺度方法,将地下水储量空间分辨率降尺度到1 km。结果表明,GWR模型降尺度方法成功应用于海河流域地区,降尺度后的地下水储量数据变化与46个验证点实测地下水位数据的相关系数均大于0.6,模拟结果合理可靠。进而利用降尺度结果分析了海河流域与北京平原的地下水储量的时空变化特征,结果与现有数据高度吻合,表明基于GWR模型的降尺度方法能有效提高地下水储量变化数据的空间分辨率。     

基于GRACE RL06的云贵高原水储量变化反演及分析

云贵高原河流湖泊众多、季节性水文活动剧烈,监测其水储量长期变化具有重要意义。联合利用GRACE RL06数据及GLDAS进行云贵高原陆地、地表和地下水储量变化反演,针对GRACE信号泄露、C20项误差和区域水储量加权策略进行了对比研究,并利用相关性分析、趋势分析和L-S时频分析对2003年1月至2010年12月云贵高原水储量变化时序进行了特征分析。结果表明,GRACE与GLDAS反演水储量时序之间相关系数达0.94,且两者变化趋势一致;水储量变化年周期显著,并存在0.5、2、3年周期;2003～2010年底地下水储量变化以2007年6月为节点,呈先减后增趋势,分别为-4.4、0.7mm/a,且总体呈增加趋势,为5.4mm/a,有效揭示了2003～2006年夏季干旱及2010年初严重干旱的旱情发展过程。     

基于GRACE重力卫星云南陆地水储量变化的降尺度分析

利用GRACE重力卫星数据反演得到陆地水储量变化,可监测大尺度区域水储量变化,但该数据空间分辨率低,在中小尺度上很难应用。基于GRACE陆地水储量变化和其他水文要素的关系,提出一种基于GRACE陆地水储量变化的统计降尺度方法,即将GRACE反演得到的空间分辨率为1°的水储量变化数据降尺度到0.25°,并运用地下水及土壤含水量的变化总量来验证降尺度之后数据的可靠性。结果表明,该统计降尺度方法成功应用于云南中部地区,降尺度后的水储量变化和实测的水储量变化的时间序列在三个验证监测点的相关系数均超过0.82,而相对误差低于5.5%,并利用降尺度的结果分析了2009年7月~2010年6月西南大干旱期间水储量及干旱的时空变化特征,发现统计降尺度方法可有效提高GRACE数据的空间分辨率,但也具有一定的不确定性。     

基于同化数据的GRACE卫星反演中国陆地水储量变化降尺度分析

利用GRACE重力卫星反演得到陆地水储量变化受数据低空间分辨率的限制,目前仅应用于大尺度的空间范围内,为此提出一种简易的降尺度方法将GRACE陆地水储量变化精度提高了16倍。借助全球水文模型模拟的陆地水储量变化数据,在中国九大流域上进行分区对比分析,发现高分辨率数据基本保持了原始数据的时空变化趋势,同时又增加了水文模型模拟的水储量变化信息。此外,利用全国455个地下水位监测站的水位数据,验证了降尺度后的陆地水储量变化数据,可知高分辨率陆地水储量变化数据与实测地下水变化值的相关系数最高达0.847,普遍高于低分辨率GRACE陆地水储量变化值与实测地下水变化值的相关系数,证明降尺度后的数据更加准确有效。进而基于降尺度数据,利用EOF方法分析了2005年1月~2012年12月中国各地陆地水储量变化的时空变化特征,即在总体趋势上,长江流域及以南地区春夏两季的陆地水储量有明显增加,华北地区的地下水超采及南方流域的极端气候事件为影响该区域陆地水储量异常的重要因素。     

PERSIANN-CDR产品对淮河流域干旱特征辨识性能评估

基于淮河流域164个地面观测站1983~2016年的降水观测资料,对PERSIANN-CDR降水产品的降水反演性能进行评估,并将其应用于淮河流域的干旱评估工作中。通过精度检验,认为PERSIANN-CDR对淮河流域月尺度的面雨量具有良好的估算性能,在时空尺度上均能较好地反演淮河流域降雨的演变规律。采用标准化降水指数,从干旱事件的发生时间、发生次数、发生强度、覆盖面积和空间分布特征等多方面对该卫星降水产品的干旱辨识性能进行了评估,发现卫星数据对干旱事件的识别、干旱强度的估算及干旱时空分布特征的反演结果均较为可靠。但PERSIANN-CDR卫星数据对干旱空间分布特征的辨识能力会随着干旱事件时间尺度的增大而减小,此外,其对淮河流域干旱强度和覆盖面积的评估略偏严峻。     

重力卫星监测的中国陆地水资源储量时空变化特征

陆地水资源储量变化对研究我国水文循环规律变化具有重要意义。利用重力卫星(GRACE)观测数据研究了我国陆地总水量时空变化特征,分析了六大江河流域水资源总量变化趋势,并与全球陆面数据同化系统(GLDAS)模拟结果进行对比。结果表明,珠江、长江、淮河流域陆地水储量均存在增加趋势,黄河、海河、松辽河流域总水量均呈递减趋势,验证了GRACE可有效监测陆地总水量的季节性及空间变化规律,对研究气候变化条件下区域及全球水文循环规律具有重要价值。     

地下水动态监测时间优化

为选择合理的监测时间做到以最少的投入掌握地下水动态变化趋势,以河北省衡水市地下水动态监测为例,根据衡水市的水文地质条件将地下水监测站井所在处划分为3个水文地质分区,选取6个代表性站点2003～2009年观测资料,采用数理统计、观测方案优化地下水动态监测时间。结果表明,地质条件和年际变化对地下水变化规律影响不明显,地下水观测频次基本可忽略年际变化和地质条件的影响,在地下水补给和排泄条件相对稳定的前提下,在汛前、汛期、汛后选择正确的观测时间,一年3次的观测频次即可反映地下水位的基本变化趋势。     

北京市平原地区地下水动态变化规律及影响因素分析

选用北京市平原地区74眼潜水观测井1990~2009年月埋深资料,基于Mann Kendall法分析地下水埋深趋势及突变情况,分析了埋深的年代际及年内变化规律,并采用多元线性回归方程分析了气候变化和人类活动对地下水动态的影响。结果表明,地下水埋深在2000年前后发生突变,2000年代地下水埋深剧烈增加,且埋深增幅较大的区域较20世纪90年代大面积扩张;大多数地区地下水动态类型为降雨入渗补给—开采型,靠近水域的地区为灌溉入渗—蒸发型;回归方程相关性显著,说明地下水位变化与降水量和超采量有密切联系。     

回灌及回灌后开采对台兰河流域地下水位的影响

探讨不同的回灌及回灌后开采方式对地下水位的影响,将有助于对水资源的时空再调度并达到高效开发利用水资源。以新疆温宿县台兰河流域地下水库为例,在分析水文地质条件基础上构建了地下水流场数值模型,确定了回灌井及开采井、观测井的位置及回灌、回灌后开采方案,分析了HG1、HG2回灌井各自在全年回灌、汛期回灌时的地下水位变化情况,指出汛期回灌效果最佳;通过比较无回灌、开采无回灌、开采回灌、回灌无开采四种情况下地下水位变化情况,指出回灌后开采对区域地下水位影响显著,从而确定出HG1为最佳回灌井位。研究结果表明,摸清回灌及回灌后开采地下水的运动规律,将有利于台兰河流域地下水资源的优化调度。     

基于MIKE SHE模型的土地利用与降水变化对宁夏中宁段黄河周边地区地下水位的影响

为研究土地利用与降水变化对地下水位的影响,以黄河宁夏中宁段周边地区为研究区,建立地表水—地下水耦合的MIKE SHE分布式水文模型,并用观测井实测数据对模型参数进行率定和验证。结果表明,研究区地下水位随着降雨量的增加明显升高,并在9月份到达峰值1 201.46 m;与基准组相比,对比组A年平均地下水位升高0.27 m,土地利用变化对水位升高影响作用占33.3%,降水则占66.7%;对比组B年平均地下水位升高0.51 m,土地利用变化对水位升高影响作用占35%,降水则占65%。     

基于信息熵的淮河流域降水时空变异特征研究

为了深入研究淮河流域的降水时空变化特征,以淮河流域1961~2005年36个气象站日降水数据为基础,基于信息熵理论,首先利用边际熵研究年、季、月等不同尺度下降水的变化特征;再利用分配熵和强度熵研究年内不同月份降水的分配情况;然后利用改进的Mann-Kendall趋势检验方法对淮河流域降水序列不确定性的变化趋势进行检验;最后对降水月份分配情况与极端降水量进行相关分析,以研究极端降水量与降水月份分配的关系。结果表明,淮河流域降水量较小的季节或地区,其降水量的年际变化也较大,淮河流域北部降水的不均匀性及其较小的降水量可能加剧该区的干旱风险;降水量与降水天数月份分配的不均匀性均表现出由南向北增大的空间分布特征;对于淮河流域大部分站点,降水量月分配不均匀的年份面临洪灾的风险也会增加,而淮河流域西部降水月份分配不均的情况可能加剧,且该区面临的洪灾风险也可能加剧。     

地下水动态时空变化特征及其驱动因素

鉴于分析地下水位动态时空变化特征和影响因素是地下水资源管理和保护的基础工作,以中牟县为例,根据地下水位埋深、降雨、蒸发、地下水开采、水文等资料,采用Mann-Kendall检验法、ArcGIS空间分析模块、主成分分析等方法,定量分析了地下水位埋深数据的趋势性、地下水动态时空变化特征以及不同影响因素对地下水动态变化的影响力。结果表明,研究区地下水位埋深整体上呈增大趋势;研究区各地下水位埋深区间面积变化较大,地下水位埋深0~3、9~12 m所占面积有减少趋势,3~6、6~9 m所占面积有增加趋势;以开采、蒸发为主的排泄因子对地下水位埋深的增大起了主导作用,占影响力的60.5%,导致地下水位呈下降趋势;运用主成分回归分析法对研究区地下水位埋深的拟合效果较为理想。     

近40年来纳木错水面面积及蓄水量变化特征

为量化识别纳木错的水面面积及蓄水量变化,运用1976~2015年期间7期典型时相的Landsat遥感影像,通过归一化水体指数法提取了不同时期纳木错的水面面积,同时结合其库容—水面面积关系曲线,计算得到各时期的湖泊蓄水量并分析变化特征。结果表明,近40年来,纳木错蓄水量增加了97.85×108 m3,增加比例达到9.93%。总体扩张情况分为1976~1996、1997~2009、2010~2015年3个阶段,各阶段面积变化速率分别为1.37、4.74、0.13km2/a;水量变化速率分别为1.47×108、5.20×108、0.14×108 m3/a。其中1997~2009年扩张速率最快,而近6年来纳木错并未显示出明显的扩张趋势。研究成果为气候变化背景下高寒地区流域水循环演变规律研究提供了支撑。     

黄河万家寨河段河冰冰厚遥感提取及年内变化特征分析

冰凌观测是防凌的前提,是冰凌研究的基础,因此全面准确的冰凌观测可为科学防凌提供可靠的依据。为此,以黄河万家寨库区河段为例,通过冰厚反演算法对其冰厚数据进行遥感反演,利用Lebedev模型对反演结果进行验证,并对结果进行年内变化特征分析。结果表明,卫星遥感反演结果与实测及模型验证结果接近,相关系数为0.8;冰厚演变总体呈成冰、流凌、初封、稳封、融冰、开河的生消演变过程。反演冰厚结果可为黄河内蒙段防凌减灾等实际工作提供参考依据。     

近40年来纳木错水面面积及蓄水量变化特征

为量化识别纳木错的水面面积及蓄水量变化,运用1976~2015年期间7期典型时相的Landsat遥感影像,通过归一化水体指数法提取了不同时期纳木错的水面面积,同时结合其库容—水面面积关系曲线,计算得到各时期的湖泊蓄水量并分析变化特征。结果表明,近40年来,纳木错蓄水量增加了97.85×108m3,增加比例达到9.93%。总体扩张情况分为1976~1996、1997~2009、2010~2015年3个阶段,各阶段面积变化速率分别为1.37、4.74、0.13 km2/a;水量变化速率分别为1.47×108、5.20×108、0.14×108m3/a。其中1997~2009年扩张速率最快,而近6年来纳木错并未显示出明显的扩张趋势。研究成果为气候变化背景下高寒地区流域水循环演变规律研究提供了支撑。     

基于ITPCAS数据的青藏高原太阳总辐射时空变化特征

利用青藏高原观测站数据对ITPCAS太阳总辐射数据进行评价,并基于ITPCAS数据分析青藏高原总辐射的时空变化特征。结果表明:ITPCAS总辐射数据与观测数据具有很好的一致性,能反映出青藏高原总辐射的时空变化特征。青藏高原年平均总辐射高值中心位于西藏西南部和青海柴达木盆地,低值中心位于高原东部的四川盆地和藏东南地区,高值和低值中心随季节变化发生变动。1999年之前,青藏高原总辐射整体表现为减小趋势,减小幅度约4.86 MJ/(m~2·a);2000年之后表现为上升趋势,上升幅度约8.03 MJ/(m~2·a)。从空间分布上来看,1999年之前高原西部和东南部少部分区域总辐射呈现出明显的上升趋势,其他大部分区域呈现出下降趋势或变化趋势不明显;2000年之后除高原西部和东部部分区域总辐射表现为明显的减小趋势,其他大部分区域均表现为上升趋势。     

呼和浩特市平原区地下水数值模拟

以呼和浩特市平原区为例,考虑区域水资源条件与地下水开发利用现状,基于"自然—人工"二元水循环理论,依托水文地质概念模型,构建流域分布式水循环模型,通过2010～2014年实测月地表径流过程系列及典型观测井信息对模型进行了率定与验证,发现模拟结果与观测结果一致性好,满足精度要求,为研究平原区地下水补排演变特征提供了可靠的技术工具。     

基于GMS的江南某地区浅层地下水溶质迁移规律分析

为研究江南某地区浅层点源污染对地下水水质影响,对观测数据进行校准和验证,基于GMS构建研究区概念模型及数学模型,分析有无外源污染入渗时地下水中常规污染指标CODMn的周期性迁移趋势。结果显示,生活污水点源入渗对地下水水质影响较大,模拟周期为18个月、15年,45年时,CODMn污染晕浓度分别为0.007~0.137、0.008~0.155、0.009~0.157mg/L,最大迁移距离分别为125、256、368m,核心区和外圈区域等值线浓度分别为0.104~0.137、0.118~0.155、0.118~0.156mg/L及0.024~0.039、0.027~0.045、0.028~0.045mg/L;相对无外源污染汇入时CODMn污染晕浓度最大升高了3倍、最大迁移距离最远延伸了98.9%、扩散范围最多增大了2.2倍,其中点污染源入渗处CODMn浓度变化波动较大,不稳定性较高。据此建议加强地表水与地下水污染同步管理,同时应用GMS模拟分析海绵城市规划与建设过程中各类低影响开发(LID)措施削减污染物的效果与长期迁移趋势,并计算具体量化指标,避免各类LID措施削减地表污染的同时,却造成地下水污染。     

考虑水位观测井响应滞后的数据处理方法

针对水位观测井响应滞后问题,以井外壁水位为正弦函数变化为例,分析了观测井井壁内外的水力平衡条件,构建了井内壁观测水位与井外壁真实水位间的解析关系,采用优化的最小二乘法对观测数据进行最佳多项式拟合,获得了逼近于真值的数据。结果表明,该方法观测值再现真值合理,计算简单、精度高。     

黄河下游河道沿岸景观格局时空动态变化研究

针对景观格局研究中景观指数粒度变化效应对研究结果的影响,筛选NP、PD等8个景观指数,采用景观指数分析法分析了1990~2010年黄河下游河道及河道外1~10km缓冲区的景观指数及景观格局时空动态变化,发现20年间虽然黄河下游主河道变化不大,但沿岸县市的水域面积发生了巨大变化,河道以外2km为土地利用变化的拐点,河道以外4km处为景观指数变化的拐点。