关键词： 径流   气候变化   人类活动   演变特征   归因分析   大汶河  

摘要： 地表径流变化受人类活动及气候变化的影响,其动态特征变化比较显著。识别和评估变化环境下的流域径流演变特征及驱动机理、解耦人类活动和气候变化对流域径流的贡献是当前水文科学研究领域的热点及难点,也是相关水管理部门面临的现实问题。大汶河为黄河下游山东省境内最大支流,是黄河下游生态保护和高质量发展的主战场,也是南水北调工程调蓄湖(东平湖)的重要来水源。然而,大汶河流域洪水、干旱频发,人类活动复杂,增加了大汶河流域水资源管理的难度和不确定性。本研究以大汶河流域为例,从流域水循环要素演变特征识别、径流变化归因分析、未来不同条件驱动下的径流响应特征等角度揭示流域径流演变特征及归因解耦,其为区域水资源管理动态调整提供支撑。主要研究成果及结论如下:(1)集成多个统计学方法,揭示了大汶河流域降水(极端降水)、气温(极端气温)、径流的趋势性、周期、突变点及空间分布特征,评估了流域内的土地利用变化、水库运行及取用水动态特征,确定了流域水文阶段的基准期和变化期的分界点。结果表明:在1961-2019年期间,极端降水指标、径流具有不显著的下降趋势,极端气温指标具有显著上升趋势;极端降水、气温指标分别存在0.7-1.9年、0.7-2.5年的显著周期振荡,径流年内变化周期为0.5年,年际变化周期为1.55-2.26年;极端降水、气温指标分别在1970s后期、1980s中后期发生突变,径流在1 976-1977年发生突变;极端降水、气温指标在空间上从西向东变化,流域内各气象站极端降水指标年际倾向率变化方向不一致,极端气温指标基本具有一致的变化方向;径流从上游至下游逐渐减少。土地利用的变化主要为灰色空间挤占绿色空间用地,水库蓄水量占水利工程总蓄水量的60-70%,取用水量呈现增加趋势,取用水源由地表水源逐渐置换地下水源。这些驱动因子的变化综合主导了大汶河流域极端降水事件频发、干旱加剧、径流显著减少。综合考虑水循环各要素的突变点和流域特征,确定了流域水文阶段基准期和变化期的分界点为1976年。(2)构建了考虑多时段“时空动态参数”的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。将流域水文阶段(1961-2019年)分为基准期(1961-1976年)和变化期(1977-2019年),并将变化期以10年为步长划分为4个时间段。基于SWAT-CUP并结合“双向”参数率定法进行了参数敏感性分析、率定与模型验证,所有模型决定系数(R2)和纳什效率系数(NSE)均在0.71以上,最高达到0.98,模型精度较高。以建立好的多时段模型设置多种情景来模拟不同条件下的径流动态特征,为分离气候变化和人类活动、未来多情景下径流演变特征奠定基础。(3)构建了考虑径流驱动因子和流域特征因子的流域径流归因解析综合框架,评价了各类径流归因方法的适用性,解耦了历史时期气候变化和人类活动对流域径流演变的贡献率,揭示了大汶河流域径流变化的主要驱动因子为人类活动,贡献率约为70-82%。本研究通过相关性分析筛选相对独立的径流驱动因子和流域特征因子,使用随机森林法对所选因子进行相对重要性排序,根据其结果选择适宜的归因解析方法,构建了流域径流归因解析综合框架。结果表明:在大汶河流域,人类活动及流域特征因子对径流影响的相对重要性较高,径流归因解析方法中的降水-径流双累积曲线、弹性系数法不能综合考虑该类因子的影响,而SWAT模型可以综合模拟该类因子对径流的贡献。因此,在大汶河流域采用SWAT模型做径流归因分析最为适用。利用SWAT模型解耦整段变化期(1977-2019年)和4个分段变化期气候变化和人类活动对流域径流演变的贡献率,整段变化期,大汶河流域上游至下游的莱芜站、北望站、大汶口站和戴村坝站所控制的子流域径流变化的主要驱动因子为人类活动,贡献率分别为70%、79%、76%、82%,土地利用变化和水库运行导致了径流量的增加;取用水活动导致了径流量的减少;分段变化期1977-1990年,流域上游(莱芜水文站)控制的子流域径流变化的主要驱动因子为气候变化,贡献率为55%,中下游北望水文站、大汶口水文站和戴村坝水文站控制的子流域径流变化主要驱动因子为人类活动,贡献率分别为62%、55%、58%;分段变化期1991-2000年,2001-2010年和2011-2019年三个时段流域径流变化的主要驱动因子为人类活动,三个时段莱芜水文站、北望水文站、大汶口水文站和戴村坝水文站控制的子流域径流变化的贡献率分别为77%、81%、75%、84%,104%、95%、146%、145%和77%、93%、88%、86%。(4)建立了考虑取用水的深度学习模型-水文模型(DeepAR-SWAT)径流预测耦合模型,解耦了在考虑取用水条件下未来不同气候及土地利用情景下大汶河流域的径流演变特征,揭示了在考虑取用水

关键词： 汉江上游   SWAT模型   变化环境   CMIP6   径流变化  

摘要： 进入新世纪以来,随着全球气候持续变暖以及社会经济的快速发展,气候的改变和人类的活动对流域水循环过程的影响越来越剧烈,研究气候变化和人类活动对流域径流的影响逐渐成为水科学领域的研究热点。汉江上游是我国南水北调中线工程和引汉济渭工程的重要水源地,研究汉江上游流域径流对土地利用变化和气候变化的响应机制以及预测未来气候情景下的流域径流变化,对汉江上游流域综合治理以及调水工程的可持续运行有着重要参考价值。本文以石泉水文站以上汉江上游流域为研究区域,分析历史水文气象要素的演变规律并构建研究区域SWAT模型,对变化环境下流域径流响应进行模拟分析,采用Delta降尺度法得到未来不同情景下的气象数据,并耦合SWAT模型对未来气候情景下的径流进行分析预测。研究取得的主要成果如下:（1）采用多种水文气象要素规律分析方法探讨了流域近50年降水、气温的年内变化、年际变化、空间分布、持续性和周期性规律。研究得出:流域夏秋季的降水约占全年降水的77%,降水序列呈不显著的下降趋势且表现为反持续性,表明未来降水出现增长的可能性较大;降水不均匀主要由于降水量较大的月份的降水占全年总降水的比例较大;流域气温呈现出显著上升的趋势,突变发生时间点为1996年,流域气温呈现出中部>东部>西部>北部的空间分布规律。（2）构建石泉以上汉江流域SWAT分布式水文模型,通过两水文站点的径流数据进行参数率定和模型验证,两水文站点率定期和验证期相关系数R2与纳什系数Ens均在0.7以上,相对误差Re均小于20%,表明SWAT模型对研究区域具有良好的适用性。（3）通过设置不同时期气候情景（S1、S2）和不同时期土地利用情景（S3、S4）,分别模拟历史条件下气候和土地利用变化对石泉水文站以上汉江流域径流的影响。研究表明:在气候要素突变前后的两段时期,气候的变化使流域径流减少了17.41%;土地利用综合治理前后,土地利用的变化使流域多年平均径流减少了0.21m3/s;径流对气候变化的敏感程度高于土地利用变化。构建Markov-PLUS模型对流域2030年土地利用情景进行预测,并以此为基础情景设置了退耕还林、退耕还草情景和单一土地利用情景。研究表明:自然发展条件下的土地利用情景以及退耕还林、退耕还草情景将会对流域径流产生负向效应,草地涵养水源的能力最高,未来对流域进行生态治理可考虑扩大草地面积,但不应忽视草地面积的增加对流域径流产生的负向效应。（4）耦合Delta降尺度方法与SWAT模型,对流域未来气候模式下的气象要素和径流的研究结果表明:未来降雨将呈显著上升趋势,年内降水在4月和秋季增长幅度最大,SSP5-8.5情景下的多年降水波动较剧烈,SSP1-2.6波动较缓和;未来各月气温与基准期相比均呈上升趋势,说明未来酷暑和暖冬的现象将增多;径流在年际变化上呈持续增长趋势,径流年内分配相比于基准期将会更加不均匀,春季发生旱灾、夏秋季发生洪涝灾害的频率将会增加。

关键词： 径流演变   归因分析   气候变化   人类活动   Budyko假设   水文模型   黄河源区  

摘要： 近几十年,受全球升温和人类活动干扰加剧的影响,黄河源区水文情势发生了较大改变。研究气候变化背景下黄河源区径流演变机制与未来径流变化趋势,对区域水资源管理和保护具有重要意义。本文以黄河源区为研究对象,首先,基于水文气象观测资料、植被指数NDVI和土地利用遥感数据,对其水文气象和下垫面变化特征进行了分析。其次,采用多种归因识别方法定量评估了气候因素和人类活动对年径流变化的影响,为了明晰植被变化对径流的影响,利用多元线性回归方程估算了气候和人为因素对植被变化的贡献率。然后,基于耦合融雪模块的ABCD-SNOW模型,提出了一个多尺度Budyko径流变化归因分析框架,估算了气候因素和人为干扰在黄河源区不同时间尺度径流变化中的贡献率。最后,根据经统计降尺度（Delta法）处理的CMIP6气候模式数据,预估了不同情景下未来近期（2030—2059年）和未来远期（2060—2099年）气温和降水的变化趋势,并利用ABCD-SNOW模型模拟预估了未来气候变化和社会经济发展情景下黄河源区的径流变化趋势。主要研究结果和结论如下:（1）采用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验和双累积曲线法,对黄河源区1961-2018年水文气象要素进行了趋势分析和突变检验。采用土地利用转移矩阵和Slope空间趋势分析法,揭示了黄河源区下垫面演变规律。结果表明:气温升高、降水和蒸散发量增加是黄河源区主要气候变化特征;年径流呈下降趋势且湿季径流下降速率远高于干季,年径流突变年份为1987年。黄河源区土地利用格局变化不大,不同类型土地利用变化量占其总面积的比重较小,变化范围介于0.01%～0.68%之间;植被指数NDVI呈上升趋势,上升较快(Slope≥5×10-3/a)的面积约占总面积的12.52%,空间上呈现出西北向东南递增的变化趋势。（2）下垫面变化引起的径流改变可分为气候和人为因素两部分,利用植被变化来代替下垫面变化,采用多元线性回归方程定量评估了气候和人为因素对植被变化的影响程度,并基于改进的Budyko假设弹性系数法进一步细化了各气候变化因子对径流变化的贡献。结果表明:气候和人为因素对植被变化的影响比例约为4:1。气候变化和人类活动对黄河源区径流变化的贡献率分别为74.08%和25.92%;气候变化因子中,降水、潜在蒸散发和由气候因素引起的植被变化对径流变化的贡献率分别为-56.85%、34.87%和96%。总体上看,气候变化是导致黄河源区径流减少的主要原因,其中植被变化起主导作用,降水量增多在一定程度上减缓了径流减少速率。（3）基于月ABCD-SNOW模型提出了多尺度的Budyko框架,以量化气候变化和人类活动对不同时间尺度径流变化的影响。结果表明:耦合融雪模块的ABCD水文模型在黄河源区径流模拟中表现良好,对月径流峰值和谷值的捕捉能力要强于常规ABCD模型。气候变化和人类活动在不同时间尺度上均引起径流减少效应,气候变化导致黄河源区湿季和干季径流深分别减少了11.18mm和1.25mm,人类活动引起的湿季和干季径流减少量分别为4.06mm和2.09mm,气候变化和人类活动分别是黄河源区湿季和干季径流减少的主控因素。（4）基于3种排放情景（SSP126、SSP245、SSP585）下的5个气候模式的统计降尺度结果,采用加权集成法进行多模式集合优化。在此基础上,应用ABCD-SNOW模型和气候弹性系数法,对黄河源区未来径流变化进行模拟预估。结果表明:在选定的3种情景下,黄河源区2030-2099年年均气温和降水量总体上呈增加趋势,其中汛期降水量减少、非汛期降水量增加。在上述气候变化影响下黄河源区未来近期和未来远期年均径流量呈轻微减少趋势,但非汛期径流量增加、汛期径流量减少,可能会在一定程度上缓解其水资源年内分配不均的问题。水资源量对降水和气温变化的弹性系数分别为1.52～1.64和-0.41～-0.72,黄河源区水资源量对降水量变化的敏感性远高于气温变化。

关键词： 复合极端降水和径流   SWAT水文模型   NEX-GDDP-CMIP6   淮河流域  

摘要： 在全球气候变暖背景下,暴雨洪涝事件发生的频次、强度、影响范围和持续时间不断增加,预计未来还会进一步加剧,对人类生命财产安全和生态环境构成巨大威胁。目前,单个极端降水或极端径流事件的研究较为广泛,对复合极端降水和径流事件的研究却较为鲜见。淮河流域是我国重要的商品粮基地,常受暴雨洪涝侵袭,对农业生产造成巨大影响。因此,本研究以淮河流域为研究对象,基于陆地观测数据和模式模拟资料,采用SWAT分布式水文模型,分析了淮河流域复合极端降水和径流事件的演变规律,并预估不同排放情景下复合事件的风险特征。主要结论如下:1、淮河流域极端降水主要发生在6–9月。尽管极端降水日数在总湿日中的比例仅为10%,但极端降水量占总降水量的50%。夜间极端降水量平均态及其上升趋势较白天略高。2、SWAT水文模型能够较好地模拟淮河中上游水文过程,日尺度上,率定期的NSE、R2和Bias分别为0.786、0.855和3.79%;验证期的NSE、R2和Bias分别为0.62、0.66和24.97%。月尺度上,率定期的NSE、R2和Bias分别为0.854、0.855和3.79%;验证期的NSE、R2和Bias分别为0.702、0.763和25.08%。3、淮河中上游复合极端降水和径流事件频次（月数）量级在月内呈正态分布;中度、重度和超级极端三种强度的复合事件在2000–2018年的发生频次较1981–1999年有所增加。强盛的南方暖湿水汽与北方冷空气在流域上空交汇造成2007年7月的复合极端事件。根据纳什效率系数NSE、决定系数R2、相关系数r和百分比偏差Bias四种指标,得出SWAT能够较好地模拟复合极端降水和径流事件,可以用于未来复合事件的研究。4、NEX-GDDP-CMIP6气候模式降尺度资料可以较好地模拟历史时期降水、气温和相对湿度气候态特征,但明显高估风速特征。NEX-GDDP-CMIP6降尺度资料和SWAT水文模型高估极端降水和极端径流单个事件的频次,但能够较为合理地模拟复合极端降水和径流事件。总体上,NEX-GDDP-CMIP6气候模式降尺度资料可以用于未来复合极端降水和极端径流事件的预估。5、SSP245（中等排放情景）和SSP585（高排放情景）两种情景下,淮河中上游2015–2099年降水、气温和风速将增加;复合极端降水和径流事件发生频次和量级在未来中期和远期（2032–2099年）显著上升。因此,在未来升温背景下,流域内发生复合极端降水和径流事件的频次和严重程度均呈显著增加趋势。

关键词： 长江源区   气候变化   LSTM   组合模型   未来情景   径流预测  

摘要： 长江源区位于我国青藏高原,是长江流域的发源地,也是我国重要的生态保护区和水源地之一,其具有“高、寒、干旱”的特点,对气候变化高度敏感,气候变化将会直接影响到长江源区的冰川、雪线、融雪、降水、径流等水文气象过程,进而对长江流域的水资源和生态系统产生重要影响。因此,研究长江源区气候变化环境下径流的演变规律,对未来径流变化趋势进行预测,是区域生态安全和水资源管理的重要基础,是长江流域水资源管理、生态环境保护和气候变化适应等方面的需求,同时也是对人类社会可持续发展的迫切要求。本文基于全球气候变化的大背景,以长江源区为研究对象,选取长江源区出口控制水文站直门达水文站1965-2020年的年径流资料,以及1965-1986年、2006-2020年的逐月流量观测资料,结合长江源区内伍道梁、沱沱河、曲麻莱、玉树以及清水河五个气象站点1965-2020年的逐日实测气象资料,首先利用K邻近算法对径流气象资料的缺失值进行插补,之后利用气候倾向率、Mann-Kendal检验、R/S分析法、小波分析以及Spearman秩次相关检验对长江源区水文气象要素的变化趋势、突变特征、周期演变规律及其之间的相关性进行了分析探讨,在此基础上,基于LSTM神经网络及多种分解方法构建了“分解-预测-重构”模式的模型,对长江源区的月流量进行了模拟预测,并分析比较了各模型的优劣性。最后,利用CMIP6实验中BCC-CSM2-MR气候系统的模式数据,使用双线性插值法将月尺度的模式数据插值到0.25°×0.25°的网格,再提取本文研究所使用的站点数据,将未来时间序列划分为T1期（2021-2045年）、T2期（2046-2070年）以及T3期（2071-2100年）三个阶段,分析研究了长江源区在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5四种情景模式下未来80年降水气温的变化特征,并模拟预测了未来80年不同情景模式下的流量,依据其预测结果对未来长江源区的流量变化进行了分析,本文具体的研究成果如下:（1）1965-2020年长江源区径流、降水、气温均呈显著上升的趋势,年内分配不均匀,呈现出雨热同期的状态,且其未来的变化趋势与过去相反,呈现出负向持续性;径流时间序列的突变点为2008年,其第一主周期为56a,第二主周期为14a,第三主周期为35a;降水时间序列的突变点为2007年,其第一主周期为56a,第二主周期为14a,第三主周期为35a;平均气温时间序列的突变点为1998年,其第一主周期为42a,第二主周期为55a,第三主周期为26a;在0.05显著性水平下,径流与降水、气温之间存在着显著的正相关关系,而降水与气温未通过显著性检验,存在着不显著的正相关关系;（2）划分1965-1986年的实测月流量数据作为模型的训练集数据,2006-2020年的实测月流量数据作为模型的测试集数据,分别构建了LSTM、EMD-LSTM、CEEMDAN-LSTM以及PCA-CEEMDAN-LSTM模型,通过对测试集阶段的预测结果分析得到,这四种模型均适用于长江源区的径流预测,各模型能够很好地模拟预测长江源区直门达水文站的流量变化趋势,但对其年流量峰值和出现时间的预测效果较差,其中预测效果最差的为LSTM模型,其次为EMD-LSTM模型,预测效果最好的为PCA-CEEMDAN-LSTM模型,PCA-CEEMDAN-LSTM模型的RMSE指标相较于其他三种模型分别降低了29.4%、19.4%、0.3%,MAE指标分别降低了35.6%、21.7%、0.3%,MAPE指标降低了69.6%、26.1%与13%,拟合度R2分别提高了7.3%、4.6%与0.1%;（3）未来四种情景模式下,长江源区未来的降水呈波动上升的趋势,其年降水量较历史时期均有所增加,四种情景模式下的年降水量分别较历史时期增加了69.35%、69.75%、69.88%、74.32%,未来降水变化在前期较为平缓,后期增长趋势显著。四种情景模式中降水增长速率最快的为SSP3-7.0情景模式,但年降水量最多的为SSP5-8.5情景模式。未来长江源区降水的年内分配与历史时期年内分配大致相同,但未来6-9月份降水量的占比降低,而1-5月份与10-12月份降水量的占比增高,说明未来长江源区降水的年内分配更加均匀。（4）四种情景模式中,2021-2100年长江源区的气温在整体上均呈上升的态势,其中气温最高、上升趋势最显著的模式为SSP5-8.5情景模式,其次为SSP3-7.0情景模式。未来长江源区年内最低气温出现在1月份,最高气温出现在7月份,气温的年内分配情况与历史时期大致相似。在三个不同的时期中,T1期与T2期内四种情景模式下气温的增长速率较大,在T3期均有减弱。（5）将BCC-CSM2-MR气候系统中的降水、气温数据输入到

关键词： 赣江流域   径流演变   气候变化   SWAT模型   径流响应  

摘要： 全球气候变化背景下我国极端气候事件频发,极大制约了社会与经济的可持续发展。本文以鄱阳湖水系中最大的赣江流域为研究区,使用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的全球气候模式数据驱动SWAT水文模型,开展气候变化下赣江流域水文气象要素历史变化规律和流域未来径流变化响应研究。以资为赣江流域水资源高效利用、水资源规划管理和水安全保障提供科学参考依据。主要成果如下:(1)运用趋势综合分析、变异综合诊断和Morlet小波分析等方法对赣江流域水文气象要素的演变特征进行研究。结果表明:近57a流域内降水和径流都表现为不显著上升趋势;降水、平均气温和潜在蒸散发序列分别在1991、1997和1980年发生变异,坝上、吉安、外洲站水文站年径流分别在1972、1972和1991年发生变异;在第一主周期尺度下,降水、气温和潜在蒸散发变化主要存在30a、35a、50a的平均变化期,三站径流变化主要存在20a的平均变化期;Hurst指数的计算结果表明径流在未来将继续呈现增加趋势。(2)采用不均匀系数、集中度和集中期等指标对赣江流域径流年内分配特征进行分析。结果表明:流域径流年内分布呈“不对称单峰型”分布,春季和夏季径流约占全年径流的70%;流域径流年内分配极不均匀,变化幅度较大,集中期主要在6月份;综合各种特征指标的趋势分析结果可知,随着时间推移,赣江流域径流年内分配不均匀性越来越低,逐渐由不均匀向相对均匀转变。(3)分位数回归模型、耦合协调度理论和Copula函数模型的分析结果表明:流域径流与降水和潜在蒸散发总是保持高度一致性;降水与径流呈正相关,潜在蒸散量与径流呈负相关,气温对径流作用存在季节差异,径流在春、夏、秋季与气温呈负相关,而在冬季与气温呈正相关;径流与降水、潜在蒸散发关系协调程度有微弱上升,而与气温关系协调程度不断下降。(4)利用数字高程模型、土壤、土地利用以及赣江流域19个实测气象站1964—2020年的数据建立SWAT模型,评价了其在坝上、吉安、外洲三站处的月径流模拟情况,结果表明SWAT模型在赣江流域的径流模拟适用性较好。利用世界气候研究计划组织实施的CMIP6中的BCC-CSM2-MR模式降水、气温数据驱动率定好的SWAT模型,预测2021—2100年坝上、吉安、外洲三站的径流变化情况。结果显示:未来所有情景下,流域内降水将会上升,其年际分布的差异性和空间分布的不均匀性随着碳排放浓度的增加而增加;流域将呈现持续变暖的趋势,“高碳”路径下气温增幅最大;三站径流在前景期多呈下降趋势,在中景期多呈上升趋势,而在远景期“低碳”路径下下降,“高碳”路径下上升,并且随时间推移年内径流过程有坦化趋势。

关键词： 径流演变   水库调度   小波分析   模糊综合评价   燕山水库  

摘要： 燕山水库位于淮河流域沙颍河主要支流澧河上游干江河上,是以防洪为主,结合供水、灌溉,兼顾发电等综合利用的大（二）型水库。近年来,随着气候变化和人类活动的影响,燕山水库天然入库径流减少,加上区域用水情况变化和缺少合理的兴利调度方案,使得区域用水矛盾突出。因此,开展气候变化和人类活动影响下燕山水库多目标优化调度与方案优选研究,对于指导水库调度运行,提升区域水资源利用效率,缓解用水矛盾具有重要意义。本文以燕山水库为研究对象,系统分析天然入库径流演变规律及发展趋势,构建燕山水库多目标优化调度模型,综合优选水库调度方案,旨在为燕山水库优化调度运行提供参考依据。本文的主要研究内容及成果概述如下:（1）采用1955-2020年燕山水库天然入库径流资料,综合运用Cox-stuart、Mann-kendall非参数检验方法,系统分析了燕山水库年内、年际径流变化规律,诊断入库径流突变情况,并根据燕山水库天然入库径流“多时间尺度”的特征,应用连续小波变换分析法进行了燕山水库天然入库径流周期性变化趋势分析。结果表明:燕山水库天然入库径流年内分配极不均匀,分配过程呈单峰型;燕山水库天然入库径流整体呈下降趋势,年际径流突变点多发生在1963年及1993年;燕山水库天然入库径流变化主周期为55年,四季径流分别对应14年、34年、29年、11年的主周期。（2）综合考虑燕山水库基本供水目标及生态流量阈值,构建了燕山水库多目标优化调度模型,并利用Matlab对调度模型进行了优化求解。依据水库原有设计生态流量,结合逐月频率分析法及国际河流生态需水推荐指标,确定出本次研究所依据的生态流量阈值区间,选取丰、平、枯三种典型年型,以规划水平年2025年的兴利目标作为模型输入参数,调度期末水位作为状态变量,将水库期末水位按0.1m进行离散,依据绘制出的算法图对模型进行编程求解,结果显示:三种年型下的水资源利用率分别为33.84%、55.22%、89.97%,水资源利用率与现状相比显著提升;在全面分析燕山水库供水目标的基础上,拟定若干组不同的兴利调度目标,应用建立的燕山水库多目标优化调度模型,求解出不同兴利目标对应的模型计算结果,以此作为水库调度方案优选研究的数据基础。（3）构建了涵盖水资源开发利用、水经济、生态健康、水源稳定性等指标的燕山水库调度方案优选指标体系,采用层次分析法、熵权法结合最小相对熵原理对优选指标体系各指标进行组合赋权,基于各方案综合效益分析结果,采用模糊数学方法,构建模糊关系矩阵求得方案集的隶属度向量,综合评价不同情境下调度方案的优劣。结果显示:最优调度方案优属度为0.83382,对应调度期总供水量14125.34万m3,调度周期内总弃水量7329.88万m3,超出生态流量区间上界水量312.06万m3,共利用弃水及供水流量发电533.29万k W·h,水资源利用率45.72%。

关键词： 气候变化   人类活动   径流演变   SWAT模型   渭河流域甘肃段  

摘要： 近年来,气候变化与人类活动对水文循环的影响日趋明显,这一影响在旱区及半干旱区表现尤为显著,因此积极开展变化环境下径流演变与响应对于地区水资源高效配置与利用十分重要。为响应“黄河流域生态保护与高质量发展”重大发展战略,本研究以黄河流域第一大支流的渭河流域甘肃段为研究对象,分析了研究区内水文气象要素演变与土地利用变化特征,在此基础上基于SWAT模型模拟了渭河北道水文站的径流,并通过设定不同的情景,进一步分析了径流对于气候变化与土地利用变化的响应,利用CA-Markov模型预测未来土地利用情况并基于此进行了径流预测,主要研究内容与成果如下:(1)分析了渭河流域甘肃段水文气象要素演变特征。渭河甘肃段主要水文站径流序列整体上呈现下降趋势,其下降趋势显著,且集中于八十年代中后期发生了突变。降水整体上呈现下降趋势,年平均气温整体上呈现显著增加趋势,潜在蒸散发在近40年呈上升趋势,平均气温与潜在蒸散发的突变均出现在1994年。径流周期与降水周期存在同步性,平均气温与潜在蒸散发之间具有关联性,水文气象要素之间存在着诸多联系。(2)阐明了渭河流域甘肃段土地利用变化特征。渭河流域甘肃段过去40年耕地面积呈现减少趋势,林草面积呈现增加趋势,林草质量明显提高,建设用地在2010年后增幅明显,其他土地利用类型面积变化相对不大。土地利用变化主要集中在耕地林地及草地之间的相互转换,尤其集中于耕地与草地之间,人类活动因素极大的影响到渭河流域甘肃段土地利用变化,造成这种情况主要原因在于水土保持措施的推进及城市化进程的加快。贡献率分析表明径流变化主要受人类活动的影响。(3)探究了渭河流域甘肃段SWAT模型的适用性。渭河流域甘肃段的SWAT模型构建以80000ha为最小汇水面积,共生成25个子流域,293水文响应单元,参数敏感性分析结果表明SCS径流曲线是流域径流过程最为敏感的参数;以2008-2013年为率定期,2014-2017年为验证期,对月径流SWAT参数进行了率定和验证,整体上看径流模拟满足模型适用性评价指标的要求,表明SWAT模型在渭河流域甘肃段径流模拟中的结果可以用于下一步研究。(4)揭示了变化环境下渭河甘肃段径流演变特征,预测了未来土地利用情景下径流变化。相较于温度变化,径流变化相对于降水变化更加敏感。气温与径流呈负相关关系,降水与径流呈明显的正相关关系;降水变动10%引起的径流变动在16%～18%之间,而气温变化0.5℃引起的径流变化率均在1%以内;林草面积的增加会减少地表径流,林地增加对径流减少的作用要更为突出。在保证水域与建设用地不变的情况下,向耕地转化、向林地转化、向草地转化引起的径流变化比例分别是1.65%、-2.18%、-1.51%;CA-Markov模型在渭河流域甘肃段的土地利用情景的模拟中适用性良好,在预测的2050年土地利用数据中,建设用地变化明显增加了近80%,基于此土地利用数据预测未来径流会增加2.50%,主要原因在于建设用地增加。

关键词： 罗江流域   径流趋势   变化环境   SWAT模型  

摘要： 水资源已经成为众多国家的战略性资源,其含量的丰枯在极大程度上能展现出一个国家综合国力的强弱。我国自古水资源分布就不均衡,水环境问题复杂多变,再加之上世纪全球各国发展观念意识的狭隘,粗犷式的发展导致了全球气温持续变暖的现状,这在根本上影响了水资源的循环过程。再者,人类活动的涉猎范围愈加深广,对水资源乃至整个生态环境都产生了一定的影响。2012年我国实施最严格水资源管理制度,以应对当今严峻的水资源难题,在发展经济的同时建设节水型社会。由此可见,揭示不同流域气候变化及人类活动对径流的影响有助于对当地的水资源管理、土地利用与规划、友好型生态环境建设起到一定的科学理论指导作用,为各地发展数字化水利模型、智慧水利等提供建设性基础。尽管当前针对各地区流域变化环境下水文响应过程的研究已较多,但地区性的根本差异、采取的研究方法、选用的参数均能导致研究过程及结果的不同。鉴于此,本文选罗江流域为研究区,首先分析流域各水文气象要素近50年的变化特征,在此基础上构建SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水文模型;然后利用气象情景设置法、多期土地利用变化对比法,结合SWAT模型探究变化环境对径流的时空影响关系。最后,采用CA-Markov(Cellular Automata-Markov)模型预测流域未来的土地利用情景,结合气候预测结果,共同模拟了2025年罗江流域的天然径流过程,探究了其演变趋势;根据预测结果提出针对性防范预案。主要研究成果如下:(1)采用非线性回归检验法、Mann-Kendall非参数检验法、累积距平法、Morlet小波分析法,分析了罗江流域1970～2019年降水、气温序列,1975～2019年径流序列的趋势性、突变性及周期性特征规律。(2)构建了罗江流域SWAT水文模型,结果显示相关系数(R)、纳什系数(NSE)、偏差百分比(PBIAS)均能较好的满足评判标准,所建模型能够较好地用于罗江流域合江水文站的月径流过程模拟,可用于后续变化环境对径流影响的关系探究。(3)固定气温下,罗江流域径流与降水变化呈正相关,径流对降水下降变化的响应更为敏感;径流变化率的空间差异性也主要由对应地区降水特性所致,但土地利用也是重要的影响因素:园地转换为林地会导致流域下垫面变得更复杂多样,对降水的截留率提高,径流产汇流时间拉长,形成速率减缓,从而导致径流系数减小,径流量减少;而耕地和商业用地面积的增加会导致水源涵养能力下降,径流系数增大,径流量也随之增大。耕地面积的增加使得下垫面对径流的滞留效果降低、保水性下降,从而促进产汇流;商业用地面积的增加,使得区域硬化面积大幅上升,改变流域下垫面透水特性,降低地表粗糙度,径流产汇流容易在短时间内形成,从而导致地表径流增加。(4)罗江流域2025年的土地利用仍以园地为主,占流域总面积的75%以上,且园地及耕地面积将大幅转换为商业用地;此变化会导致未来罗江流域整体径流系数有所增大,径流演变亦呈增加趋势。据此提出罗江流域在加快城镇化建设速率的同时,需注意流域中、西部降水特性所引起的径流变化敏感性问题;同时要注意流域中北部的耕地、园、林地保障红线,加大建设水源涵养能力强的土地利用类型,提高植被覆盖度,促使流域水资源的科学管理、积极发展。

关键词： 径流演变特征   气候变化响应   西汉水   礼县水文站   降水量  

摘要： 为了进行西汉水上游区域径流演变特征及归因分析,以礼县水文站上游区域为研究区,采用礼县水文站1980-2020年径流量、降水、水面蒸发和气温等水文气象数据,进行径流变化的归因分析。结果表明:1980-2020年径流量年际变化呈显著减少趋势,1980s平均年径流量最大,为3.715亿m3,2000s平均年径流量最小,为1.327亿m3;径流量最大的3个月在8-10月,占全年径流量的48.1%;年径流量在1993年发生突变;气候因素中降水量变化对径流演变影响较大,可将其作为主要影响因素,水面蒸发和气温对径流影响较小。