关键词： 下垫面动态变化   雨洪模型   老城改造   新城扩建   雨洪响应   未来降雨预测  

摘要： 随着计算机技术和大数据的发展,水文水动力模型已成为开展洪涝过程模拟和灾害管理的重要手段,但受城市化进程快速发展和极端天气的影响,城市复杂的下垫面、管网、河道和规划方案的不断调整变动,以及未来降雨不确定性等因素,使得在建立数值模型过程中出现网格数量过大,物理过程复杂等问题,导致建模过程和计算时长逐渐增大。针对该问题,本文基于“城市更新”大背景,以高效高精度城市雨洪模型为基础,开发了一套下垫面动态变化适宜性雨洪模型,研究城市不同区域本底差异性,因地制宜提出改造更新方案,同时结合未来暴雨特性,进行现状满足度分析,从而为未来城市的发展提供更新方向和指导依据,具有较强的理论意义和实际意义。具体研究内容及成果如下: (1)按照有无水量交互原则,基于水文水动力耦合模型(GAST-SWMM)的最优耦合方式,开发了下垫面动态变化适宜性雨洪模型,根据不同下垫面变化方案进行模拟区域划分并构建独立计算模块,结合研究区域子汇水分区和街区单元划分可实现人力并行建模和独立区域计算,并分别节约2.39～2.93和2.11～3.06倍计算时间。以期该模型能够为城区下垫面频繁变动提供前置模型基础。 (2)以银川市典型老城区为研究对象,提出了合流制管网改造片区改造方案,分别探讨新建雨/污水管网的管网井点距离和管径对内涝消除效果差异性,得出不同降雨重现期下,均为原有管道作为污水管,新建雨水管效果最好,以此为基础,进行雨污分流改造区域面积占比对整体影响规律研究。同时考虑未来人口变化对污水管网有影响,通过多项式拟合算法、BP神经网络法和Logistic人口生长模型进行未来人口预测,选取合理结果,为未来污水量计算提供数据支撑。 (3)以银川市新城区域为研究对象,结合历史数据,通过CA-Markov模型预测未来土地利用类型变化趋势,得出城市扩建规律,结合该规律研究了同一区域不同土地利用类型改造(不透水土地、林地、草地和裸土地)和同一土地利用类型不同区域占比(0.56%、0.30%和0.19%)两种情况下，对城市地表积涝和地下管网充满度的影响规律,同时分析了改造区域对周边的影响范围差异性,得出了影响辐射规律,并提出了动态规划整改建议。 (4)通过年降水量变化、降水季节偏差、泰勒(Taylor)图3种方法,对比研究了CMIP6常见模式和历史降雨数据契合度,选取最适用模式,分析了该模式下预测的未来降雨数据特性,并与现状降雨数据综合对比计算了地表积涝水量和管网充满度,得出了未来降雨量情况下现状满足度,为研究区域应对未来降雨变化提供了指导思路。

关键词： 径流泥沙   泥沙连通性   土地利用/覆被   水土保持   SWAT  

摘要： 径流泥沙过程直观地反映了地表的土壤侵蚀状况,厘清不同空间尺度径流泥沙演变及其驱动机制,可为区域水土保持规划和水沙管理提供科学依据。南方红壤侵蚀区经过长期的治理已初见成效,但径流泥沙变化特征及发展趋势尚不十分明晰。因此,本研究以典型南方红壤侵蚀治理区——汀江流域长汀片区为研究区,基于该区域内“坡面—小流域—中流域”空间嵌套组合的径流泥沙监测数据,结合地形、土壤、气候、土地利用、植被覆盖和水土保持等资料,采用数理统计分析方法研究不同尺度的径流泥沙变化特征;通过泥沙连通性指数量化流域的泥沙连通性;基于SWAT模型开展不同土地利用和气候情景下的径流泥沙模拟与预测。系统分析了不同尺度上径流泥沙动态特征及主要驱动因素,定量评估了土地利用/覆被对流域径流泥沙的影响,并探讨未来30年径流泥沙的发展趋势。主要研究结果如下: （1）坡面径流泥沙特征受降雨、土地利用/覆被及其共同作用的显著影响。短历时、小雨量、中等雨强的降雨类型是研究区的最主要降雨类型（63.48%）,对坡面年径流量和土壤侵蚀强度的贡献最大;裸地坡面的径流和土壤侵蚀强度最高,与之相比,其他土地利用可减少65%以上的年平均径流深和70%以上的年平均土壤侵蚀强度;除裸地外,耕地、马尾松纯林和草地坡面的径流和土壤侵蚀强度较高,而具有高植被覆盖度、良好的林下植被结构和水土保持措施的土地利用坡面减少径流泥沙效果最佳;植被和水土保持措施可削弱降雨特征对坡面产流产沙的影响,降雨类型和土地利用/覆被的共同作用对径流泥沙特征的影响则表现为土地利用/覆被的作用占主导地位。 （2）在小流域尺度上,朱溪河小流域的年/月尺度输沙率在2013-2020年期间显著降低,其泥沙的突变年份为2017年;流域内常见3种洪水类型,不同类型洪水事件具有不同等级的径流泥沙量;根据泥沙特征将研究期划分为2个阶段（2013-2016年和2017-2020年）,与前一阶段相比,2017-2020年不同类型洪水事件的总泥沙量减少了78.92%～90.34%,主要由于洪水事件的发生频次和含沙量均显著降低;所有洪水事件共出现6种含沙量—流量滞回关系,表明流域内的泥沙来源复杂多变;与前一阶段相比,2017-2020年线型成为最主要的滞回关系类型,说明流域的泥沙供应显著降低,并趋于少量且持续的状态;通过分析流域内主要影响因素变化发现,朱溪河小流域径流泥沙变化主要与2011-2020年长汀地区水土保持措施的显著增加有关。 （3）在中流域尺度上,汀江流域长汀片区的年输沙率在1982-2020年期间显著降低,其泥沙的突变年份为2000年;根据泥沙特征将研究期划分为2个阶段（1982-2000年和2001-2020年）,与前一阶段相比,2001-2020年流域的年平均径流量和输沙率分别减少了11.90%和59.57%;不同时期的水沙关系存在显著差异,其变化特征表明流域内易被径流侵蚀和输移的沉积物在2000年以后明显减少;降雨对流域径流和泥沙量减少的贡献率分别为16.98%和2.89%,人为活动对流域径流和泥沙量减少的贡献率分别为83.02%和97.11%,而在流域内主要人为活动中,2000年以后大规模的水土流失治理是流域泥沙量显著降低的根本原因。 （4）研究期间,流域的源景观权重逐渐减少,汇景观权重逐渐增加;1986、2000和2019年的平均泥沙连通性指数（IC）值分别为-0.87、-0.88和-3.77,说明流域整体的泥沙连通性在2000年后显著降低;流域内不同土地利用的平均IC值为耕地>草地>林地/灌木地,随着时间的推移,耕地的IC值呈持续降低的趋势,林地、草地和灌木的IC值则在2000年以后显著降低,这些变化主要与不同土地利用的植被覆盖变化有关;流域的景观格局具有较明显的空间分布特征,不同时期子流域的IC值均与景观格局指数显著相关,高破碎化、高分散化、连接性较差的景观斑块组合均会导致较高的泥沙连通性。 （5）SWAT模型可有效模拟汀江流域长汀片区的径流变化（R2=0.85,NSE=0.66）,泥沙变化则可通过基于径流量的经验公式进行较准确的估算（R2=0.84,NSE=0.83）;在3种极端土地利用情景下,月径流量模拟结果为耕地情景>草地情景>林地情景,月泥沙量模拟结果为草地情景>耕地情景>林地情景;基于CA-Markov模型的土地利用预测结果显示,2020年以后流域的土地利用/覆被未发生显著变化,说明土地利用格局已相对稳定,且植被覆盖度的提升空间很小;然而,2021-2050年的径流泥沙预测结果显示,中/高强迫气候情景下流域的径流泥沙量较高且变化幅度较大,这将不利于流域的水沙管理。

关键词： SWAT模型   气候变化   人类活动   径流模拟   额尔古纳河流域  

摘要： 额尔古纳河是东北寒区的一个重要生态屏障,同时作为2024年第十四届冬季运动会竞赛场地之一,其地位异常重要。近几十年来,气候变化和人类活动对额尔古纳河流域水资源管理造成挑战。本研究对额尔古纳河流域水文要素变化趋势进行分析,并且计算了气候变化和人类活动对该流域径流的贡献率;使用SWAT-CU P进行参数调整,运用确定系数R2和效率系数Ens对所建立的模型在该研究区域的适应性进行核验和评估,构建了对该流域适用性非常强的SWAT模型。最后采用情景模拟方法设计多种不同的土地利用情景和气候变化情景,以探究径流在二者影响下的响应情况。下列是本研究的主要研究成果: (1)研究区流域属于较为典型的“双峰型”,流域径流在1984-2018年间波动幅度较大,呈现震荡下降趋势。经三种突变性检验方法发现流域研究区内年径流量的突变期在1980年和1999年。流域内年降水量总体呈现逐年减少的趋势。春季和夏季降水变化趋势与流域径流季节变化趋势不同,秋季和冬季降水变化趋势与流域径流量季节变化趋势相同,研究区降水量变化趋势在1980年与1999年发生突变;流域年平均气温整体呈现上升趋势,研究区内气温各季节变化趋势具有较强的一致性,冬季气温的增长对于径流的影响十分小,流域气温在1987年发生突变;流域年潜在蒸散发呈现下降趋势,研究区各季节内蒸散发量的变化趋势具有较强的一致性,同时蒸发的季节变化趋势与气温的季节变化趋势也具有明显的一致性,流域蒸散发量在2013年发生突变。 (2)根据径流发生突变的时间将时间序列划分为三个时期,1956年-1980年为基准期、1981年-1999年为变化Ⅰ期、2000年-2018年为变化Ⅱ期。经过累计斜率变化法的计算可得出结果:流域气候变化在变化Ⅰ期对于径流影响占比约为23.32%,人类活动对于径流影响的贡献率约为76.68%,变化Ⅱ期气候变化对额尔古纳河流域径流变化的影响占比约为-23.19%;人类活动的贡献率则达到了123.19%。双曲线累积法的结果显示,变化1期人类活动和气候变化对径流的影响程度分别为88.23%、76.86%。降水量的变化对径流减少影响程度分别为11.75%、23.14%。综上所述,可以明显看出人类活动是此流域径流减少的决定性因素。 (3)对构建的SWAT模型进行率定和验证,结果表明:研究区海拉尔站校准期(2012-2014年)的决定系数为0.90,验证期(2015-2016年)的决定系数为0.79。校准期的纳什系数为0.90,验证期的纳什系数为0.69。研究区红花尔基站校准期(2012-2014年)的R2为0.87,验证期(2015-2016年)的R2为0.96,校准期的Ens为0.87,验证期的Ens为0.94。经过率定期和验证期的评价,发现评价指标符合模拟所需的精度范围,表明所建立的SWAT模型对额尔古纳河流域具有良好的适用性。 (4)基于率定验证后的SWAT模拟4种气象情景模拟结果表明,降雨量、气温和相对湿度的变化对流域内的径流输出总量均有促进影响,降雨量影响最大;2015年径流模拟输出量大幅高于2010年,且和2018年模拟的结果较为相似,流域内不仅保持了水资源保护政策同时也恢复了一定程度的耕地保护,合理的土地利用开发,可促进流域内的水生态生态循环。通过分别将2010年、2015年和2018年土地利用输入率定验证后的SWAT模型中模拟流域径流,结果表明:2015年径流模拟输出量大幅高于2010年,且和2018年模拟的结果较为相似,主要原因在于2010-2015年期间,流域内大力推行了一系列的水资源保护政策,促进了流域内的水资源生态循环,但在2015年-2018年时期,流域内不仅保持了水资源保护政策同时也恢复了一定程度的耕地保护,此时期的水资源生态循环较为稳定,且径流输出量较2010年结果同样客观。可知,合理的土地利用开发,可促进流域内的水生态生态循环。

关键词： 黄河上游   径流演变   时空特征   中长期预报  

摘要： 黄河上游是整个黄河流域的主要产水区，在气候变化和人类活动加剧的影响下，近几十年来的径流变化对黄河流域的水资源、水生态产生重要影响，深入掌握径流时空演变特征，开展准确的径流预报，对水资源开发利用、水旱灾害防御等实践工作具有重要的指导意义。本文以黄河上游兰州站以上流域为研究区，利用极点对称模态分解(Extreme-point Symmetric Mode Decomposition,ESMD)法甄别大尺度循环和非线性趋势的优点，开展研究区域径流时空演变特征分析，引入集合Kalman滤波算法对多组合模型径流预报结果动态校正，构建“分解-预测-重构-校正”模式的集合预报模型，研究成果如下:　　(1)黄河上游径流时空演变特征分析。基于黄河上游干支流9座水文站60余年的月径流资料，综合ESMD法、M-K检验法、小波分析等方法，从年代、年、汛期、非汛期和年内多个时间尺度对变化环境下黄河上游的径流时空演变特征进行了全面分析，结果表明:①1950-2022年黄河上游径流呈现出不显著的下降趋势，年代尺度下经历了“上升～下降～上升”的总体趋势，80年代之前为丰平交替，90年代及以后为平枯交替，径流年际变化大、年内分配不均匀性突出，汛期流量平均占全年的40％以上;②上游干流年径流序列主要存在5～8a、16a、30～34a的周期变化尺度，支流年径流序列主要存在3a、5～9a、24a的周期变化尺度;汛期序列相较年径流序列周期更短，干流存在3a、7a、25a的周期变化，支流汛期序列主要存在3a、7～10a、24～28a的周期变化尺度;③年径流序列突变点主要集中在1985～1990年间，支流突变时间节点分布不集中，上世纪60年代至90年代分布各有一个;汛期突变与年径流序列的突变节点基本保持一致，兰州站和享堂站汛期序列在2008年左右存在第二个突变点，人类活动是影响径流变化的主导因素。　　(2)基于ESMD-EnKF集合预报模型的中长期径流预报。引入集合Kalman滤波(EnKF)算法对多模型的预报结果进行融合，EnKF可以根据前期预报信息对下一时段的预报动态校正，通过结合多模型预报结果的优势有效提高预报精度;基于ESMD分解法建立“分解-预测-重构”模式的组合预报模型，并与EnKF结合建立“分解-预测-重构-校正”模式的ESMD-EnKF集合预报模型，利用EnKF对分解预报的组合模型预测值进行校正，在黄河上游干流玛曲、唐乃亥兰州、支流红旗、享堂水文站开展月径流、旬径流预报。结果表明:基于ESMD-EnKF的集合预报模型效果在文中所有对比模型中表现最优，在多模型融合、分解重构模式下可以进一步提升预报精度，与实测值拟合效果更佳，说明这种基于“分解-预测-重构-校正”的集合预报模型可以有效结合模态分解和EnKF的优势，显著提高径流中长期预报精度，为中长期径流预报的研究开辟新思路。

关键词： 饮马河流域   趋势分析   突变检验   径流模拟   神经网络  

摘要： 上个世纪以来,我国水利建设发展迅速,取得了诸多成就,但目前仍存在着水资源较为短缺,洪水灾害频发等问题。因此,为了摸清径流量的增减趋势,开展径流演变规律与模拟的研究,对人民的生产生活具有深远意义。 基于此,本文以饮马河流域长岭段为研究对象,运用累积距平法、MK秩次检验法、滑动T检验、Yamamoto检验四种方法对长岭段气温、降雨、径流进行趋势分析与突变检验;运用人工神经网络方法对长岭段径流量资料进行模拟分析,探讨径流演变规律,为防洪减灾、水资源合理开发利用等提供科学依据。得出主要结论如下: （1）饮马河流域多年平均气温为6.3℃,总体呈现出不显著的上升趋势。四季气温变化趋势存在差异性,其中春夏秋三季呈上升趋势,冬季气温呈下降趋势。年际气温与季节气温均存在突变现象。 （2）饮马河流域多年平均降水量为425.6mm,呈现出不显著下降趋势。四季降水量变化趋势存在差异性,春冬两季呈上升趋势,夏秋两季呈下降趋势,四季降水量变化趋势均不显著。年际降水量与四季降水量均发生突变。 （3）饮马河流域年径流多年平均值为4.171×10～8m 3,存在丰枯期,总体呈不显著下降趋势。四季径流量变化趋势存在差异性,春季径流量呈上升趋势,夏秋冬三季呈下降趋势。其中冬季变化趋势显著。年径流量与四季径流量均存在突变现象。其中径流量、气温、降水量之间具有显著相关性。径流量与气温之间呈线性负相关,径流量与降水量之间呈线性正相关。 （5）根据输入输出不同,本文共建立三种神经网络径流模拟模型,分别是径流时间序列模型、考虑降水影响的径流模拟模型、与虑气温和降水的径流模拟模型。对三种模型运用BP神经网络与LSTM神经网络进行分析,模拟结果良好,相对误差最大为9.1%,合格率高达100%,可应用于该流域径流模拟预测研究中。其中同时考虑气温和降水影响的径流模拟预测模型的精度最高,其次是考虑降水情况,仅考虑径流自身条件精度最差。

关键词： 纸坊沟   径流   输沙量   贡献率   土地利用类型  

摘要： 黄土高原水土流失及河流径流、输沙量变化一直备受关注。经过大规模生态环境建设和水土流失综合治理后,黄土高原的生态环境得到了显著改善,黄河的输沙量显著下降。小流域作为水土流失治理的最小单元,定量分析多因素对流域径流、输沙量变化的贡献率,对流域未来水土流失治理具有重要意义。本研究以黄土高原小流域综合治理试验示范区安塞纸坊沟流域为研究对象,基于长时间序列气象水文资料、土地利用统计资料,采用M-K趋势检验、水文分析法、统计分析法、GAMLSS模型以及分位数归因分析等方法,探究纸坊沟流域径流、输沙量的演变规律,阐明气候变化和人类活动对流域径流、输沙量变化的影响,并定量识别不同土地利用方式的贡献率。主要结论如下: (1)纸坊沟流域径流量和输沙量的年内、年际分布特征。纸坊沟流域的径流量和含沙量年内分配极为不均,径流量和含沙量主要集中在6-10月。年际尺度上,径流量和输沙量表现出不同的丰枯期,径流为“枯-丰-枯”,而输沙量为“丰-平-枯”。径流量呈非显著减小趋势,输沙量呈极显著减小趋势。 (2)气候变化与人类活动对径流、输沙量变化的贡献率。采用累积斜率变化率、双累积曲线法和弹性系数法识别气候变化和人类活动对径流、输沙量变化的贡献率,结果表明:在突变期,人类活动对径流、输沙量变化起到主要作用,且对径流变化的贡献率大于对输沙量变化的贡献率。 (3)单因素和多因素拟合优度比较。对流域年径流量和输沙量进行单因素和多因素拟合,单因素拟合中,年降水量与径流量的拟合公式更能反映流域内年径流量的变化情况,而年林地面积和年输沙量的拟合公式更能反映流域内输沙量的变化情况。多因素与径流、输沙量的拟合效果均优于单因素。 (4)不同人类活动对径流、输沙量的影响。耕地和林地是径流、输沙量变化的主要影响因素,而草地、灌木和建设用地的作用微弱。在基准期,耕地对径流、输沙量变化的贡献率分别为-6.46%和-28.01%,林地对径流、输沙量变化的贡献率分别为11.86%和-16.71%;在突变期,耕地对径流、输沙量变化的贡献率分别增加到9.41%和63.86%,林地对径流、输沙量变化的贡献率分别增加到51.56%和62.26%。

关键词： 河川径流   年际变化   年内分配   干旱半干旱区   调水工程受水区  

摘要： 根据引洮工程受水区四个水文站的1956~2022年实测径流数据,运用趋势检验、小波分析、贝叶斯变点分析模型等方法分析径流年际变化,采用不均匀系数、集中度和集中期等表征径流年内分配情况并研究其变化趋势,结果表明:受水区年径流整体呈显著减小趋势,在年代际差异上存在较强跳跃性,最大概率突变年在1990年前后,此后减小趋势愈发显著;年径流大尺度主周期振幅在2005年以后显著减小,小尺度主周期振荡愈发剧烈,呈现更复杂的变化态势,预计未来2~3年内持续减小;汛期径流显著减小,径流年内分配不均匀程度和集中程度降低。整体来看,受水区径流显著减小,年内分配发生变化,周期振荡愈发复杂,水资源安全保障不确定性加大,亟需优化调控引洮工程供水与水资源配置。

关键词： 径流组分   WEP-QTP模型   径流演变   长江源区  

摘要： 为研究气候变化条件下高原寒区径流演变规律,利用WEP-QTP模型模拟了1956~2020年长江源区水循环过程,分析了长江源区径流及其组分演变规律,并基于多因素归因分析方法定量分析了径流变化的驱动机制。结果表明:1956~2020年长江源区径流组分中降雨径流、融雪径流及融冰径流占比分别为79.4%,17.2%和3.4%。对比基准期(1956~1998年)与变化期(1999~2020年),气候影响下径流变化量为21.4亿m^(3),气温和降水对径流增加的贡献率分别为-8.4%和108.4%。对径流组分进行分析,气候影响下降雨径流变化量为24.8亿m^(3),气温和降水对降雨径流增加的贡献率分别为36.2%和63.8%;气候影响下融雪径流变化量为-3.1亿m^(3),气温和降水对融雪径流减少的贡献率分别为348.1%和-248.1%;气候影响下融冰径流变化量为-0.3亿m^(3),气温和降水对融冰径流减少的贡献率分别为-21.5%和121.5%。对径流及其组分逐月过程进行分析,气候变化对径流及其组分的影响主要集中在6~10月。