黄河流域降雨径流关系动态分析

将黄河流域划发为唐乃亥以上、唐乃亥－兰州、兰州以上、兰州－头道拐、头道拐以上、头道拐－龙门、龙门三门峡、三门峡－花园口、花园口以上、花园口以下及全流域共11个区域，分析了黄河流域1950年以来降雨径流关系的动态变化特点。研究结果表明，黄河流域降雨径流关系十分复杂，不是简单的函数关系，表现在不同区域甚至同一区域降水量、径流量数峰谷值出现不同步以及变化幅度不大相同等方面。而且1970年以后由于人类活动影响的加剧，黄河流域降雨关系发生了一定的变化，尤其是黄河中游表现在同样降雨条件下径流量偏少，例如花园口以上年径流量和汛期径流量分别减少7．6％和4．1％。     

基于IHA-RVA法的黄河水文情势演变分析

水文情势的自然波动是维系河流生态系统功能性及水文健康的关键。针对气候变化和人类活动造成黄河流域水文情势变化等问题,选取黄河干流代表性水文站(兰州站、龙门站、花园口站)1956—2020年逐日径流实测资料,采用Mann-Kendall和Pettitt检验方法,综合检验径流突变年份,利用生态水文指标变化范围法(IHA-RVA),定量评价黄河流域水文情势改变程度。结果表明：1)兰州站、龙门站、花园口站径流突变年份分别为1984年、1987年、1986年,且龙门站、花园口站控制流域内年均流量呈显著性减小趋势。2)兰州站年均90 d最小流量改变度最高,达83%;龙门站4月平均流量改变度最高,达-100%;花园口站流量平均增大(减小)率改变度最高,达-92%。3)兰州站、龙门站、花园口站整体水文改变度分别为34%、37%、51%,均属于中度改变。     

1998年以来黄河干流水资源量变化特征分析

采用Mann-Kendall法、距平累计法、变差系数法和Sen's斜率估测法分析了1998—2015年黄河流域水资源量变化趋势,结果表明:1998—2015年,黄河水资源量整体上比20世纪末的干旱时期有所增大,且具有空间差异性;干流5个主要水文站中的年均天然河川径流量和水资源总量除兰州站小于1956—2000年的而大于1987—2000年的外,头道拐站、龙门站、三门峡站、花园口站均小于1956—2000年的和1987—2000年的,但与1987—2000年的差异不显著; 1998年以来,5站天然径流量、实测径流量、水资源总量都呈现增大趋势,且实测径流量除龙门站外都通过了99%的显著性检验。黄河流域与地表水不重复计算量的地下水资源量主要集中在中下游的河谷平原,1998—2015年呈现减小趋势。河川径流及水资源变化主要受降水、人类取用水活动和土地利用变化的影响。黄河流域取耗水量呈明显增长趋势,耗水强度最大的为兰州站—头道拐站和龙门站—三门峡站区间,5站控制流域平均降水量除兰州站、头道拐站外,均呈不显著增大趋势。1998—2015年黄河径流量与水资源量增长的主要原因为降水量增大。     

1950-2011年黄河干流水沙关系变化研究

采用黄河干流主要控制水文站唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、高村、艾山和利津站的实测径流量和输沙量资料,借助Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线法和Pearson相关分析等方法,探讨50余年来黄河流域不同时段、不同河段水沙关系的变化特征。结果表明:唐乃亥站径流量和输沙量无长期变化趋势,黄河干流自兰州以下各站年径流量和年输沙量均表现出显著下降趋势。借助花园口站实测径流量与输沙量双累积曲线知,2000-2011年无降水影响时的累积减沙量为61.602亿t。径流量和输沙量呈正相关关系,沿程各站相关系数r∈(0.512,0.664),不同年代水沙关联性有较大差别。黄河上中下游之间径流量、输沙量均呈现显著正相关,其相关系数分别为r∈(0.725,0.904)、r∈(0.887,0.918)。不同年代中游来水来沙量对下游径流量和输沙量的贡献率存在较大差异,在2000-2009年达到最小值。     

黄河花园口断面水沙变化特征及趋势分析

花园口站是黄河中下游重要的控制性水文监测断面,对于黄河流域上游下垫面的变化响应非常灵敏,因此,通过分析花园口断面水沙变化特征可以在一定程度上揭示长期以来在自然及人类活动影响下黄河流域所发生的深刻变化.利用花园口水文站1952 -2008年径流和输沙数据,采用定量分析方法,分析了近60年以来花园口断面黄河水沙的变化特征、趋势以及在不同时期水沙关系的演变.结果表明:花园口断面径流和输沙均呈显著的下降趋势,且在可预报的未来几年内径流量和输沙量将进一步持续下降;径流量和输沙量均具有4个明显的阶段性变化特征,且具有大致相似的丰枯变化规律;径流—输沙关系的演变表现为4个阶段,转折年份分别为1960年、1980年和1999年,输沙对径流的响应程度在减弱,而人类活动引起的下垫面变化的影响日益增强.     

近 50 年潮河流域降雨-径流关系演变及驱动力分析

潮河流域是北京市城市供水的重要水源地。受环境变化影响,潮河流域降雨-径流关系发生了显著性变化,严重影响到北京城市供水安全。利用水文气象长系列数据(1961-2014年)分析了潮河流域降雨-径流关系的变化,采用经验统计分析法定量分析气候变化和人类活动对其径流变化的影响,研究发现:近50年来在降雨波动且微弱下降趋势下,其径流呈现出较大幅度变化且具有显著下降趋势,尤其是2000年以后;潮河流域降雨-径流关系发生突变的年份为1979年、1998年。1979年以后径流系数显著减少,其中1979-1998年人类活动对径流减少占主导地位,其影响贡献率为-109.75%,气候变化对径流影响为正效应,影响贡献率为9.75%;1999-2014年人类活动对径流减少影响贡献率为-88.97%,气候变化影响贡献率为-11.03%。     

厄尔尼诺与黄河流域汛期降雨洪水的关系分析

分析了1951年以来历次厄尔尼诺现象出现后黄河流域各区间汛期降水的主要特征,认为厄尔尼诺现象与黄河流域降雨洪水的关系具有以下主要特点:①在厄尔尼诺次年,黄河流域各区间汛期降水量偏多的几率较非厄尔尼诺次年要大,没有出现距平≤-50%的特少年份;②黄河中游以及兰州至托克托区间厄尔尼诺次年的汛期降雨总量偏多20%以上的几率明显大于气候概率,特别是晋陕区间偏多20%以上的年份占到46.7%;③花园口洪峰流量超过10 000 m3/s的大洪水都发生在厄尔尼诺现象出现的当年或次年;④厄尔尼诺次年黄河下游汛期降雨量正常的年份很少。     

黄河洪水主要来源于哪里？

黄河的上、中、下游都有洪水,除黄河上游兰州以上和黄河下游大汶河流域的洪水来源外,黄河中游的三个地区即河口镇至龙门区间、龙门至三门峡区间、三门峡至花园口区间,是黄河洪水的主要来源区。     

潮河流域降雨径流变化趋势分析

基于趋势分析、突变分析和小波分析方法对密云水库主要汇水流域之一的潮河流域1973—2013年的降雨径流资料进行分析,结果表明:潮河流域1973—2013年的降雨量总体保持稳定且有缓慢减少的趋势。1998年降雨量突然增多主要是由于气候异常引起的突变。流域的径流量呈显著减少趋势,特别是1998—2013年经历连续15年的干旱,密云水库来水量明显减少。突变检验结果表明1998年是流域降雨径流变化发生突变的显著年份。近年来强烈的人类活动是造成径流持续明显减少的主要因素,当人类取用水活动影响较弱时,径流变化同降雨变化基本保持一致。潮河流域降雨、径流变化受自然气候变化和人类活动影响,其变化周期均包括2个主变化周期,其中降雨有2~3年的变化周期,径流变化有3~6年变化周期。根据周期变化特征,潮河流域未来降雨量基本保持稳定,但由于人类活动的强烈影响,即使某些特别年份降雨量波动性增多,但密云水库入库流量总体仍将维持在比较低的水平。     

黄河干流水文指标的变异

应用水文变异方法对黄河干流唐乃亥、兰州、头道拐、潼关、花园口和利津6个关键断面水文指标的变异程度进行了分析,结果表明:近年来黄河干流水文指标有很大的变异,主要原因是水库运行和干流引水。6个断面水文指标的变异程度大体可分为3个层次,兰州和利津断面属第一层次,发生明显改变,头道拐、潼关、花园口为第二层次,改变比较明显,唐乃亥断面为第三层次,变异程度相对较低;兰州和花园口断面系水库泄流控制站,改变指标主要集中在水库削峰补枯引发的极值和丰枯流量的变化上,头道拐、潼关、利津受灌区和沿黄城市引水的影响较大,表现为很强的与农业用水规律相关的指标改变分布     

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...     

近 50 年济南三川流域降雨-径流关系变化分析

受气候变化和人类活动的影响,济南市三川流域(锦绣川、锦阳川、锦云川)降雨-径流关系发生显著变化,影响到济南市城市供水和保泉工程有效实施。利用1964-2011年近50年系列资料,采用滑动偏相关系数等方法,探讨三川流域降雨-径流关系变化规律,分析引起变化的内在机制与驱动因素。结果显示:受气候变化的影响,三川流域降水具有显著增加趋势;受水土保持、社会经济取用水等人类活动的影响,三川流域径流具有不显著的减少趋势。流域降雨-径流关系的突变点发生在1988年前后,通过1988-2011年与1964-1987年系列对比分析,流域平均降水量增加12.57%、入库径流减少8.85%。结合实地调查和水利普查数据分析,在三川流域降雨-径流关系变化中人类活动(蓄供水工程修建和水土保持措施实施等)占主导地位。气候变化对径流影响为正效应,人类活动为负效应。     

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.     

An Integrated Approach for Partitioning the Effect of Climate Change and Human Activities on Surface Runoff

Climate change and human activities have been identified as the two main reasons for the change in runoff. To better understand the factors causing runoff change, this paper develops an integrated approach which combined the elasticity coefficient approach (including a non-parametric model and six Budyko framework based models) and the hydrological modelling approach (using SIMHYD models) for partitioning the impacts of climate change and human activities on surface runoff. The Guanzhong River Basin(GRB), which is the sub-basin of the Wei River basin in China is chosen as the study area. In this study, trends in runoff, rainfall and potential evapotranspiration (PET) from 1958 to 2008 are analyzed using the Mann-Kendall test and change-points in the annual runoff from 1958 to 2008 are sought using the Fu formula, Mann-Kendall test and double mass curve. The calibrated and validated rainfall-runoff model SIMHYD is used to simulate the runoff in the GRB during 1958–2008. Seven different methods are used to calculate the elasticity coefficient and then the elasticity coefficient methods are used to evaluate the contribution of climate change and human activities. Combining all these results, the contribution of climate change and human activities to runoff change is 34.1?~?47.3 and 52.7?~?65.9 %, respectively. The study provides scientific foundation for understanding the causes of water resources decrease and significant information for water resources management under the influence of climate change and human activities.     

近60年气候与土地利用变化对金沙江径流的影响

气候变化与土地利用变化会对流域降水径流过程产生影响,如何定量区分气候变化和土地利用变化对径流过程的影响,一直是国际水文水资源领域研究的热点和前沿问题。为了定量研究金沙江流域土地利用与气候变化的径流响应,构建了金沙江流域SWAT模型,采用情景模拟的方法,对土地利用变化与气候变化对径流的影响展开了研究。研究结果表明:(1)过去57 a金沙江流域实测降水量和气温的上升趋势显著,而径流量的变化趋势不明显;(2)相较于金沙江流域气温的显著升高,各种土地利用变化很小;(3)由于过去30 a间土地利用变化很小,因此其对径流量的影响微小;(4)气候变化是影响金沙江流域径流的主要因素,然而,取用水、水库建设等人类活动对径流的影响也较为显著。     

基于Budyko弹性系数法的佳芦河流域径流变化归因识别

气候变化和人类活动对径流的影响是一个综合过程,因此径流动态变化及其归因识别和定量表征对区域水资源开发管理至关重要.以佳芦河流域为研究区,选用Mann-Kendall趋势检验法、有序聚类法等分析了研究区水文要素的主要变化特征;采用基于Budyko水热耦合平衡理论的弹性系数法,定量分析了径流深变化对各驱动因素的响应程度.结...     

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。     

黄河中游水沙变化归因分析

采用基于模糊互判断矩阵的层次分析法（fuzzy?analytic?hierarchy?process,FAHP）分析人类活动和气候变化对 黄河中游水沙变化的贡献率,并将 FAHP 法分析的结果与累积量斜率变化率比较法（slope?changing?ratio?of cumulative?quantity,SCRCQ）分析的结果进行对比,2 种方法计算结果变化规律一致。结果表明：气候变化对径流 和泥沙的影响小于人类活动的影响,1970 年代、1980 年代、1990 年代、2000 年代人类活动对径流减少的贡献率分 别为 68%、64%、64%、75%,人类活动对泥沙减少的贡献率分别为 45%、65%、59%、69%。     

A Semi-Distributed Monthly Water Balance Model and its Application in a Climate Change Impact Study in the Middle and Lower Yellow River Basin

Abstract

Human activities and climatic change have greatly impacted hydrological cycles and water resources planning in the Yellow River basin. In order to assess these impacts, a semi-distributed monthly water balance model was proposed and developed to simulate and predict the hydrological processes in the middle and lower Yellow River basin. GIS techniques were used as a tool to analyze topography, river networks, land-use, human activities, vegetation, and soil characteristics. The model parameters were calibrated in 35 gauged sub-basins in the middle Yellow River, and then the relationships between the model parameters and the basin physical characteristics were established. A parameterization scheme was developed in which the model parameters were estimated for each grid element by regression and optimization methods. Based on the different outputs of general circulation models (GCMs) and regional climate models (RCMs), the sensitivities to global warming of hydrology and water resources for the Yellow River basin were studied. The proposed models are capable of producing both the magnitude and timing of runoff and water resources conditions. The runoffs are found to be very sensitive to temperature increases and rainfall decreases. Results of the study also indicated that runoff is more sensitive to variation in precipitation than to increase in temperature. The additional uncertainty of climate change has posed a challenge to the existing water resources management practices, and the integration of water resources management will be necessary to enhance the water use efficiency in the Yellow River basin.