关键词： 长江流域   长江中下游梅雨   华西秋雨   雨洪关系   时空变化   径流演变   洪水频率分析   遭遇风险   汛期分期   运行水位  

摘要： 受全球变暖和人类活动等因素影响,大气水文循环过程发生改变,导致暴雨洪水等极端水文事件频繁发生,水资源时空分布不均加剧,洪涝干旱灾害加重。论文开展了长江降雨时空变化与典型洪水遭遇风险分析研究,旨在揭示雨洪时空分布与遭遇特征,为水库运行管理提供科学参考和依据。论文的主要工作和结论如下:(1)分析了长江中下游梅雨和华西秋雨的时空变化规律。总结了长江中下游梅雨(1951～2020年)和上游华西秋雨(1961～2020年)的起止时间、雨期和雨量等基本气候特征。梅雨和秋雨的趋势性检验分析显示:梅雨历时和梅雨量序列基本保持上升的趋势,秋雨历时和秋雨量序列自90年代起呈现出下降的趋势,但在0.05水平下不显著;梅雨历时、梅雨量、秋雨历时和秋雨量序列在个别年份发生了突变,在某些时段存在一定的显著性周期。(2)开展了长江上游干支流径流演变及洪水频率分析计算。1951～2020年期间,金沙江、岷江、嘉陵江和乌江流量序列均呈现出下降的趋势,但在0.05水平下不显著;四江流量序列在个别年份发生了突变,在某些时段存在一定的显著性周期。混合von Mises分布和P-Ⅲ型分布能较好拟合屏山站、高场站、北碚站和武隆站的年最大洪水发生时间和量级序列,二者均通过了假设检验。(3)分析了长江上游干支流洪水遭遇风险。基于Copula函数,分别构造了干支流控制站两两之间年最大洪水发生时间的联合分布以及洪水量级的联合分布。以江西抚河为例,分析比较了干支流洪水遭遇的联合概率、同现概率和条件概率三种计算方法,发现条件概率适合描述洪水量级遭遇风险。最后求得长江上游干支流洪水发生时间和量级的遭遇概率,发现中小洪水的遭遇概率要高于大洪水的遭遇概率。(4)研究了长江中下游梅雨与三峡入库洪水的遭遇规律。1954、1998和2020年的西太平洋副热带高压异常,导致长江中下游梅雨偏强;当梅雨期偏长,甚至是出现二度梅雨时,长江上游洪水才可能与中下游洪水遭遇,形成流域性大洪水,一般年份仅发生区域性或局部性洪水。长江上游大水主要发生在7月下旬至8月上旬,当出梅较晚时,梅雨期可能与三峡水库的主汛期重叠,即长江上游洪水可能和中下游梅雨洪水遭遇形成流域性大洪水;8月中旬以后,即使三峡入库洪水仍可能较大,但梅雨先已结束,给三峡水库调度创造了有利条件。综合考虑均值变点方法计算得到的三峡水库汛期分期结果和长江中下游出梅时间等因素,建议三峡水库可在8月8日～9月10日期间,实现汛期运行水位动态控制并逐步抬高蓄水位,提高长江上游水库群的综合利用效益。(5)研究了华西秋雨与嘉陵江和汉江洪水的关系。1983、2011、2017和2021年的西太平洋副热带高压主体偏北,华西秋雨较为突出;嘉陵江和汉江流域受秋雨影响明显,形成多场次的大洪水,引发区域性洪水灾害。华西秋雨导致洪水,嘉陵江和汉江的夏汛秋汛分期特性显著,依据两江洪水秋汛期分期结果和秋雨起止时间等因素,建议嘉陵江亭子口和汉江丹江口水库把握秋汛汛末蓄水时机,在确保防洪安全的前提下提高水库蓄满率。

关键词： 北洛河流域   径流量变化   基流分割   驱动因素  

摘要： 本文以北洛河上游(吴旗水文站以上)为研究区域,基于1971-2014年每日径流实测数据和气象资料,采用数字滤波法中的F1法来进行基流分割;运用M-K趋势分析、Pettitt突变检验和R/S法对径流、基流以及气候因素进行趋势分析、突变点检验和未来变化持续性分析;并采用Morlet小波变换对径流多尺度变化周期进行分析;根据三期土地利用遥感数据(1990、2005和2010年)来对流域内退耕还林(草)前后土地利用变化特征进行分析;同时采用基于Budyko假设和双累积曲线法定量分析气候因素和非气候因素以及降水和人类活动对径流变化的影响。得到主要结论如下:(1)北洛河上游1971-2014年径流量的年内分配过程呈现“双峰型”,峰值分别出现在3月和8月。年径流变差系数和完全调节系数均呈显著减小趋势(p=0.05),而且趋势在未来均具有强持续性;偏态系数呈现不显著减小趋势(p=0.1),趋势在未来的持续性相对较弱,北洛河上游径流年内分布状况逐渐由不均匀性向均匀性转变。年平均径流量和各季度平均径流量均呈显著减少趋势(p=0.05),前者的突变点为2002年,各个季度的突变点则在1979-2002年之间。年径流和汛期径流变化过程呈现高度同步性和一致性,“峰值”和“谷值”特点相似,而且均存在相似的丰-枯变化周期,二者3个变化主周期均为3 a、11a、19 a。(2)北洛河上游1971-2014年全年基流量主要集中于8-10月,基流年内分配过程也呈现“双峰型”,峰值分别出现在3月和10月,略微滞后于径流的春汛期和夏汛期。年基流变差系数和完全调节系数均呈现出极显著减少趋势(p=0.01),基流年内分配状况呈现出逐渐由不均匀性向均匀性转变,且未来的变化趋势都具有较强长期记忆性;偏态系数呈现不显著增加趋势(p=0.1),分布呈偏左或偏右交替,且未来变化趋势具有随机性。多年和不同季度平均基流量变化趋势均不显著且未检测到突变点,BFI在年记录和不同季度记录中均呈极显著上升趋势(p=0.01),而且未来变化趋势均具有强持续性,年均和7-9月基流中均检测到相同突变点(2002年)。年、汛期基流序列变化趋势具有较高的同步性,并呈现出逐渐增多的趋势,同时年基流存在5个明显的丰水期和6个枯水期。(3)北洛河上游1990-2005年,农地面积减少了37.33%,主要转化为了草地和林地,面积达382.78 km;草地面积减少了21.93%;林地面积增加显著,共增加了950.49 km;2005-2010年,草地面积共减少了3.14%,林地面积共增加了15.37%;农地有51.31 km和4.78 km的面积分别转化为草地和林地,占原有面积的比例分别为55.06%和0.51%。(4)北洛河上游年降水整体呈不显著上升趋势(p=0.1),未检测到突变年份且未来变化趋势具有弱反持续性;年均气温整体呈显著上升趋势(p=0.01),突变年份为1993年(p=0.01);年潜在蒸散发整体呈不显著上升趋势(p=0.1),未检测到突变年份。基于Budyko假设得出降水和潜在蒸散发对径流变化的贡献率为40.4%,其中降水因素占比为36.4%;潜在蒸散发占比为4%。所有非气候因素对径流变化的影响占比为59.6%。基于双累积曲线,降水变化的贡献率仅有2.33%,而人类活动的贡献率却高达97.67%。

关键词： 山岭铁路隧道   涌水径流   水环境风险评估   植被覆盖度   防治措施  

摘要： 近年来,国家深入实施“一带一路”战略方针,集中精力发展山岭铁路建设,由于山岭铁路建设受到绵延不绝的山脉影响,因此需要修建大量的隧道工程以保证铁路线路的顺利贯通。山岭铁路隧道在建设过程中通常需要穿越深大活动断裂带,且隧址区的地下水系纵横交错、水源丰富,这就给山岭铁路隧道的施工带来了极大的突涌水风险,更重要的是涌水形成的地表径流会对隧址区的水环境造成负面影响,因此对突涌水造成的水环境风险进行风险评估及防治是确保隧道工程顺利进行的重点问题。中国西南山区的地质情况相对复杂,山岭铁路隧道具有典型涌水特征,因此本文选取西南山区典型的山岭铁路隧道作为研究对象,基于产汇流理论,结合隧址区的自然环境特征,对隧道涌水径流的水环境风险进行评估,并提出了差异化涌水防治措施。研究成果从理论层面为铁路隧道涌水径流排放模拟提供了科学系统的技术手段,并创新性地利用层次分析-模拟结果叠加分析函数对隧道涌水径流造成的隧址区水环境风险进行评定,为水环境风险评估提供了新的研究思路。本文以西南山区典型山岭铁路隧道涌水形成的地表径流作为研究对象,综合利用水文模型和层次分析法构建出涌水径流水环境风险评估算法,对径流各区段进行水环境风险等级划分,基于隧道建设前(2006年)、中(2012年)、后期(2016年)的植被覆盖度,利用重心迁移模型、标准差椭圆和年际差值研究分析了隧址区植被覆盖度的变化规律及趋势,以此验证了隧道涌水径流水环境风险等级分区的合理性;并最终提出了差异化涌水防治措施。取得的主要研究成果如下:(1)正常情境下隧道涌水径流的流域面积和水面宽度的变化趋势呈现出一致性,而流速与其呈现相反的变化趋势。在径流的始端(隧道口附近)和末端(汇入下游河流处)流速较快,中部流速较慢,但流域面积和水面宽度在径流中部出现最大值。(2)径流在中段(施工用地区域)产生的水环境风险最大。(3)土地利用类别和植被覆盖度存在较强的关联性。隧道涌水隧址区的植被覆盖退化区域主要集中在施工、居住用地,此区域同样也是隧道涌水水环境高风险区。土地利用类型的变化对施工、居住用地的地上和地下水环境都造成了一定程度上的影响,进而影响该区域植被覆盖度值,同样叠加分析函数计算结果也表示涌水径流水环境高风险区集中在低植被覆盖度区域。本文的层次结构—模拟结果叠加分析函数计算结果和植被覆盖度时空变化分析结果基本一致。本研究提倡采用多角度综合策略,借助隧道管理平台编制“一隧一档”电子基础信息,综合利用环境模型和高分辨率空间数据,提高径流排放计算的准确性。从隧道建设角度来看,隧道涌水易发区段应加强混凝土初期支护,设置超前注浆封堵措施。在隧道涌水管控方面,结合互联网和大数据等技术手段,形成科学合理的新型隧道涌水管控模式。

关键词： 郑州市   景观格局   地表径流   SCS-CN模型   MCE-Markov-CA模型  

摘要： 快速城市化发展使城市地表覆被构成发生剧烈变化,不透水景观侵蚀、割裂原有自然或半自然景观,区域景观格局在发生变化的同时,极大降低了下垫面景观对雨水的拦截、渗透能力,引起地表径流量的增加,导致城市雨洪灾害频发。探索城市景观格局与地表径流的相互关系,对于优化城市景观空间和保护城市生态安全意义重大。本文以郑州市为例,以2000年、2010年、2020年为时间节点,采用景观格局指数计算、SCS-CN模型模拟、相关性分析、主成分回归分析、MCE-Markov-CA模型模拟等多学科方法量化景观格局指数与地表径流之间的相关性,探究郑州市景观格局演变对地表径流变化的影响规律。主要结论如下:(1)研究期间郑州市城市快速发展,城市发展以增量用地为主,城区向周围蔓延式张,整体上向东部迁移,耕地比重最高但持续降低,建设用地占用大量耕地,其他类用地相较耕地、建设用地变化不明显。城市土地利用变化改变了下垫面的景观格局,1.8km特征尺度下的景观空间分布差异显著,但分布格局类似,整体上呈现出斑块破碎化、形状复杂化、聚集度增加、邻接性减弱的景观格局特征。(2)经过修正的SCS-CN模型准确模拟了郑州市地表径流。研究期间郑州市平均地表径流不断增加,但增幅降低;地表径流空间分布差异性显著,呈现“城镇周边增加,城区降低;东部增加,西南降低”的特点,径流量的变化和空间分布的差异性受到政策、规划等多种因素的影响,地表径流减少汇水区主要为河流、湖库等水体所在汇水区,地表径流增加汇水区主要位于主城区。(3)景观组成变化及景观水平变化与地表径流变化间的相关性各不相同。耕地和林草地等透水景观能有效减少径流的产生。地表径流变化与LSI、PD景观指数变化呈正相关关系,与COHESION、FRACM、LPI、IJI的变化呈负相关关系,即景观斑块破碎化程度越高、形状越复杂且各类型景观斑块间的邻接性越低,径流量的增幅就越大,而透水景观斑块之间越连通,形成的景观格局有利于水文循环系统的径流拦蓄削减和调控。(4)MCE-Markov-CA模型能够准确模拟郑州市未来土地利用情景。预测2030年郑州市耕地面积将减少了 11.87%,建设用地面积将增加12.37%。同一时期的土地利用条件下,郑州市平均径流深度随着降雨强度的增加而增加;相同降雨重现期条件下,不同时期上地利用的平均径流深度逐年增加,增加幅度呈现先减少后增加趋势。特征汇水区的产流量随着时间推移和降雨强度的增加不断增加,淹没范围集中在汇水区地势较低的东北部,主要分布在水体周围,与汇水区的地形、景观类型和构成等因素有关。

关键词： 景观格局   地表径流   SCS模型   城市内涝   雨洪调蓄   西安市主城区  

摘要： 受全球极端气候变化影响,气象灾害频发、突发、广发,全球范围内灾害事件发生频率增大、强度增强。近年来,局部短历时暴雨频频出现在我国大中城市,严重影响着城市安全并制约着城市经济发展和社会和谐稳定。城市内涝已然成为阻碍城市正常运转和健康发展的现实障碍与生态安全治理难题。与此同时,快速的城市扩张促使城市用地斑块发生动态变化,城市景观格局随之产生时空演变。城市景观格局通过减缓地表径流的产汇流过程作用于城市内涝发生的频率和强度。综合运用雨洪调蓄措施将城市景观格局规划与城市内涝防治结合,能有效减少短历时暴雨所产生的地表径流,缓解排水管网系统的压力,降低城市内涝的发生频次和强度,推动构建城市生态安全格局、实现可持续发展。本文选取西安市主城区为研究区。以2000—2019年遥感影像为数据集,提取西安市主城区景观格局时空分布图,结合实际土地利用数据进行修正。利用SCS模型、景观格局指数、Arc GIS和皮尔逊相关性分析方法,研究西安市主城区景观格局动态变化与地表径流变化间的关系。以优化自然景观、半自然景观格局为出发点,将城市景观格局规划研究与城市内涝防治结合,尝试提出基于雨洪管理的城市景观规划策略,研究过程以及研究结果表明:(1)西安市主城区2000—2019年景观格局呈现出高连通高聚集,斑块形状规则化,均质稳定化,景观蔓延度下降等发展态势。结合同期地表径流深度模拟结果与分析,研究区地表径流深度逐年增加,但径流深度增加量随时间变化呈下降趋势,其中2000—2005,2005—2010,2010—2015,2015—2019年分别增加4.99,4.95,3.55和3.33mm,即景观格局对地表径流量的滞留作用逐渐增大。(2)景观水平上,人工景观的最大斑块面积比例和斑块连接度指数与地表径流深度呈显著正相关,表明人工景观斑块越大、越集中,容易产生地表径流;而自然景观的景观形状指数与地表径流深度呈显著负相关,即自然景观斑块形状越复杂,地表径流产生量降低。(3)景观类型水平上,景观格局指数变化率与地表径流量年增长率呈显著相关性。其中建设用地等人工景观指数变化率和地表径流量年增长率呈显著正相关,相反绿地、耕地、水域等自然景观指数变化率与地表径流量年增长率呈负相关关系。综合土地利用转移矩阵分析可得,自然景观斑块形状越复杂,越有利于减少降水截留,有效减缓或消减地表径流量。(4)雨洪管理背景下的景观规划是从城市生态安全格局出发,结合雨洪调蓄措施提出城市内涝防治的景观规划策略,分别提出城市尺度下雨洪景观安全格局构建策略、街区尺度下的雨洪防控单元规划策略以及场地尺度下景观海绵体的场地调蓄策略。(5)景观格局优化可以充分发挥城市自然景观、半自然景观和人工景观的雨洪调蓄、旱涝调节、景观营造以及生态保护等多重复合功能,形成景观格局相互联动的雨洪管理生态系统网络,发挥城市排水减涝的整体效益,促进社会效益、经济效益和生态效益的协调发展。

关键词： 气候变化   寒区   蓄泄关系   时空演变机制   径流效应  

摘要： 流域蓄泄关系是破解降雨径流形成机制和揭示流域水文特征的重要线索。经过一个多世纪的发展,基于地下水动力学理论推导的幂次律流域蓄泄关系已经成功地应用于水文过程模拟及预测。作为水文模型的高敏感参数之一,解析蓄泄关系幂次特征参数(β)的驱动机制,不仅能增强对流域降雨径流形成机制的理解,而且对于缺资料区域水文过程模拟与预报也有着重要的意义。然而,由于研究区域和参数推求过程差异,蓄泄关系参数β空间演变规律及其驱动机制的还尚未达成一致的认识。不仅如此,气候变化背景下,一些寒区流域发现了β随时间呈现显著的趋势性变化,而现有对时变机理的解释主要是基于定性分析得到,过程机理解释亟待深入。为此,本论文筛选了全球2628个径流观测站点资料,分析了参数β空间演变特征及其驱动机制,进一步聚焦寒区流域并揭示了β的时变机理,评估了寒区蓄泄关系变化的径流效应。主要研究内容与结果如下: (1)分析了流域蓄泄关系幂次特征参数β在全球尺度的空间演变特征,基于机器学习及其解释技术,识别了蓄泄关系参数β空间演变规律及其驱动机制。结果表明,参数β在流域间具有较为明显的差异性,值域范围在-1到4之间,主要位于1到1.5之间。β大体上沿纬度增加,表现为高纬度寒区流域有着相对更高的β。增强回归树机器学习模型很好地预测了β的空间特征,机器学习解释技术进一步识别出12个潜在驱动因子中潜在蒸发(PET)、降水(P)、水力传导系数(k)、土壤有效孔隙度(ne)、地形湿润指数(TWI)以及气温(Ta)是影响参数β的主要驱动因子,能够解释β超过70%的空间变化。这六个主要驱动因子中,PET和TWI对β主要有着负向的作用,相反P、k和ne对β主要有着正向的作用,而Ta对β有着明显的非线性作用,在0℃前后呈现先增加后减小的趋势。对比驱动因子在寒区与非寒区的分布表明,寒区流域更高的β主要归因于更低的PET和Ta,更高的k、ne和地形坡度(SL),其中Ta作用可能来自对冻土分布的控制。不确定性分析表明参数推求过程差异对蓄泄关系参数β空间分布特征存在一定影响,但不影响识别的主要驱动因子以及寒区参数β更大的结果。 (2)聚焦寒区315个流域,基于场次退水事件观测数据分析了β的时变规律,选取具有时变特征的主要驱动因子,在场次事件、暖季内以及年代际三个时间尺度识别了冻土等主要驱动因子对β时变规律的控制作用,揭示了寒区流域β的时变机理。结果发现,寒区流域场次退水事件蓄泄关系参数β(βe)相较于流域特征参数β更大,主要位于1.8到2.6之间,中位数为2.1。寒区流域场次间βe有着明显的差异,方差中位数为2.3,表现出显著的时变特征,在大多数(78%)寒区流域暖季内由初期到末期逐渐增加,而在显著气候变暖的寒区流域,63%的流域βe有所增加。相关分析表明,冻土消融、P和流域蓄水量(TWS)增加对βe有着正向的作用,而PET增加对βe则有着负向的作用。在场次事件尺度,PET是寒区βe主要控制因子,其次为冻土消融,P和TWS起着微弱的作用;在暖季内,冻土消融超过PET的作用控制着βe的变化,其次为PET,P和TWS对βe也有着不可忽略的作用;而在年代际尺度上,气候变化引起的冻土退化、P和TWS增加是βe的主要控制因子,PET起着相对次要的作用。研究揭示了气候变暖背景下寒区冻土退化和气候变湿引起的蓄水量增加已经导致了寒区流域蓄泄关系参数β普遍增加。 (3)通过分析蓄泄关系变化对基流系数(BFI)和径流系数(RR)的影响,评估了寒区蓄泄关系变化的径流效应。对比寒区流域蓄泄关系参数β与基流分割得到的BFI二者的时空变化,指出了寒区流域β变化对BFI的影响;提出了一个流域蓄水能力指标,调查了寒区蓄水能力变化及其成因;进一步通过路径分析评估了蓄水能力变化对RR的影响。结果发现,寒区流域BFI与β有着显著的正相关关系,年代际变化分析指出寒区BFI增加的流域占比大多数(78%),这与β年代际变化有着较好的一致性,表明气候变化背景下寒区β增加已经导致了流域基流占比的增加。发现大多数(76%)寒区流域蓄水能力有所增加,验证了冻土退化通过增加流域蓄水能力改变参数β。进一步路径模型分析表明,气候变暖引起的蒸发能力增加和冻土退化导致的蓄水能力增加对RR均有着负向的作用,分别贡献了约77%和34%的RR趋势变化。这也解释了在寒区普遍的降水增加背景下,寒区流域RR显著性趋势变化的流域中近半数(49%)流域为下降的现象。 以上研究结果对增强流域蓄泄过程的认识和蓄泄关系特征参数区域化有着重要的意义。寒区流域蓄泄关系时变特征及其径流效应强调,气候变化背景下基于常参数的流域蓄泄关系的水文模拟和预测可能会系统性低估基流以及高估流域产流。青藏高原及我国西北寒区是亚洲水塔,是我国长江、黄河、澜沧江、雅鲁藏布江、塔里木河等众多大江大河的发源地,以上研究

关键词： 岷江上游   径流演变规律   归因分析   水文模型   CMIP6   径流预估  

摘要： 变化环境下水文气象要素的演变规律愈加复杂,掌握径流未来的趋势走向对流域水资源合理配置、旱涝灾害有效防治及社会可持续发展至关重要。岷江上游是长江流域的生态屏障和成都平原的重要水源,随着气候的逐渐变暖和区域人类活动的日益加剧,一方面岷江上游的水文过程发生了显著变化,另一方面该流域有限的水资源与日渐增长的用水需求之间的矛盾愈加突出,导致水资源短缺问题愈发严重。研究变化环境下岷江上游径流的历史演变规律,预估径流的未来变化特征对成都平原的水资源统筹利用、河流健康、灾害防治、绿色发展具有重要的参考价值和指导意义。 本文首先系统地解析了变化环境下岷江上游径流的历史演变规律;其次探讨了气候要素（降水、平均气温）与流域径流的响应关系,提出了改进累积量斜率变化率比较法,并将此方法和双累积曲线法定量刻画了气候变化与人类活动对流域年径流、汛期径流的影响程度;随后构建了用于年径流和汛期径流模拟的数据驱动模型（随机森林模型、BP神经网络模型、随机森林-BP耦合模型）和用于月径流模拟的分布式水文模型（SWAT模型）;最后利用经过降尺度和偏差校正的CMIP6全球气候模式输出数据以及SWAT模型预估了流域未来时期水文气象要素的变化特征。研究成果可为变化环境下岷江上游及成都平原的水资源利用管理提供理论依据,同时对其他流域的径流模拟预估具有借鉴意义,有助于进一步推动径流模拟预估在工程应用领域的深化发展。本文主要工作和结论如下: （1）以变化环境下岷江上游径流历史演变规律为切入点,全面分析近82年来流域径流的年内年际统计特征、丰枯特性、突变特性、趋势特性和周期特性。结果表明岷江上游径流年内分配不均匀,各年代汛期径流（5～10月）占年径流总量的75.8～80.6%;年径流年际变化的剧烈程度小于汛期径流。流域径流正逐渐由偏丰、丰向偏枯、枯转变。年径流、汛期径流在1937～2018年期间呈显著下降趋势,在以1969年为突变点的前后时段呈不显著变化趋势。流域径流表现为多时间尺度变化特征,年径流存在6年、13年、29年的近似周期,汛期径流存在7年、13年、31年的近似周期。 （2）根据径流突变发生时间把研究时段（1960～2015年）划分为基准期（1960～1969年）和影响期（1970～2015年）。通过分析气候要素与径流的响应关系发现在1960～2015年和1970～2015年期间年尺度、汛期尺度的降水、平均气温与径流的相关关系均显著。在影响期气候变化对岷江上游年径流、汛期径流影响的贡献率分别为-22.6%和11.6%,人类活动对流域年径流、汛期径流影响的贡献率分别为122.6%和88.4%。综合来看,以取用水和大型水利工程为主的人类活动是造成岷江上游年径流、汛期径流减少的主导因素。 （3）在基于数据驱动模型（随机森林模型、BP神经网络模型、随机森林-BP耦合模型）的年径流和汛期径流模拟中,把与径流显著相关的大气环流指标作为影响因子提高了模拟精度,其中以年降水、年平均气温、西藏高原指数作为主要影响因子的年径流模拟中,随机森林-BP耦合模型的模拟效果最佳;以汛期降水、汛期平均气温、西藏高原指数、南方涛动指数为主要影响因子的汛期径流模拟中,随机森林-BP耦合模型的模拟效果最佳。在基于SWAT模型的月径流模拟中,率定期及验证期的NSE分别为0.85和0.80,R2分别为0.86和0.83,RMSE分别为113.89和115.54,结果表明SWAT模型可以较好地模拟研究流域的水循环特征,在保持气象数据、模型参数等条件不变的情况下不同时期土地利用类型对流域月径流的模拟结果影响微弱。 （4）将CMIP6发布的ACCESS-ESM1-5、BCC-CSM2-MR、EC-Earth3-Veg、MIROC6和Nor ESM2-MM共五个全球气候模式输出的降水、最高气温和最低气温数据进行降尺度和偏差校正,然后把各模式组合后的数据驱动构建的SWAT模型,预估在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5共四种情景下流域未来的月径流过程。结果表明岷江上游的气候将趋于湿暖化,即年降水呈增加趋势,在未来近期（2025～2049年）、未来中期（2050～2074年）和未来远期（2075～2099年）较历史时期（1970～2015年）分别增加1.56～7.70%、4.96～10.72%、8.34～14.81%;年气温呈上升趋势,在未来近期、未来中期和未来远期较历史时期分别升高1.3～1.8℃、1.7～3.4℃、1.7～5.2℃。各情景下流域年径流在未来远期的增加幅度最大（5.78～11.12%）,在未来中期的增加幅度次之（4.21～10.10%）,在未来近期的增加幅度最小（1.82～7.44%）;汛期尺度上,流域径流在波动中逐渐增加,在未来近期的变化范围为-3.33～2

关键词： 黑水河   气候变化   人类活动   径流   演变特征   径流预测  

摘要： 黑水河为岷江上游右岸一级支流,流域水能资源丰富,气候变化敏感,受人类活动频繁和气候变暖的影响,流域水文气象要素呈现出明显的变异特征。研究黑水河流域水文气象序列的演变特征,明晰径流变化的影响因素,预测径流,研究成果对区域水资源管理、防洪减灾及促进区域经济发展具有重要意义。 本文采用有序聚类法、Pettitt法、线性倾向估计法、MK趋势检验法、R/S分析法及小波分析法等科学而全面的探讨了年、季尺度的水文气象要素的演变特征;利用通径分析、线性相关和交叉小波分析法分析了流域气候要素与径流的响应关系,运用基于Budyko假设的弹性系数法、双累积曲线法和改进的双累积曲线法定量评估了气候变化与人类活动对流域径流的影响;构建了ESMDSSA-LSSVM组合模型和CEEMDAN-SSA-LSSVM组合模型并用于年径流预测。论文主要研究成果如下: (1)流域年、季尺度的水文气象要素演变特征表现为:(1)全年及春、夏、秋、冬四季降水的突变点分别为1995年、1992年、1994年、1975年、1987年。全年及夏、秋两季降水在1960～2015年间均整体呈下降趋势,春、冬两季降水在1960～2015年间均整体呈上升趋势;全年及夏季降水在各自突变点前后均呈上升趋势,且在各自变点后的上升速率均变大;春、秋两季降水在各自突变点前后均呈相反趋势变化;冬季降水在其变点前后均呈下降趋势,在其变点后的下降速率变大。全年及四季降水在1960～2015年间均存在5年的近似周期。(2)流域全年及四季平均气温的突变点均为1997年。全年及四季平均气温在1960～2015年间均整体呈上升趋势;1960～1997年间,全年及春、夏、秋三季平均气温均呈下降趋势,冬季则呈上升趋势;1998～2015年间,全年及春、秋两季平均气温均呈上升趋势,夏、冬两季平均气温则呈下降趋势。全年及四季平均气温在1960～2015年间均存在4年、8年和14年的近似周期。(3)流域全年及四季潜在蒸散发的突变点分别为2001年、2001年、2005年、1996年和2001年。全年及四季潜在蒸散发在1961～2015年间均整体呈上升趋势;全年及春、夏、秋三季潜在蒸散发在各自突变点前均呈下降趋势,在各自变点后均呈上升趋势;冬季潜在蒸散发在其突变点前后均呈上升趋势,但上升速率不同。流域全年及四季潜在蒸散发在1961～2015年间均存在4年和6年的近似周期。(4)流域全年及春、夏、秋、冬四季径流的突变点分别为1993年、1978年、1993年、1994年和1996年。突变前后径流年内年际变化存在明显的差异。全年及四季径流在1960～2015年间均整体呈下降趋势;全年及秋、冬两季径流在各自变点前后均呈相反的变化趋势;春、夏两季径流则在各自变点前后均呈上升趋势。流域全年及四季径流在1960～2015年间均存在6年的近似周期。(5)年、季尺度的降水、平均气温、潜在蒸散发及径流的多年变化整体趋势具有持续性。 (2)采用通径分析、线性相关和交叉小波分析法研究了流域年尺度的降水、潜在蒸散发、平均气温与径流的响应关系,发现年尺度的降水与径流、平均气温与径流、潜在蒸散发与径流的相关性均显著,其中年平均气温与年径流的相关程度相对较弱。运用基于Budyko假设的弹性系数法、双累积曲线法和改进的双累积曲线法评估了气候变化与人类活动对年径流变化的贡献程度,发现人类活动对径流减少的贡献率占51.60%-55.30%,气候变化对径流减少的贡献率占44.70%-48.40%,气候因子中降水的贡献率占43.75%-44.10%。说明人类活动对黑水河流域年径流减少的影响略大于气候变化的影响,降水是气候变化影响年径流的主要因子,且改进的双累积曲线法能较好地评估气候因子对径流变化的影响程度。 (3)构建了ESMD-SSA-LSSVM组合模型和CEEMDAN-SSA-LSSVM组合模型,并将其用于年径流预测中。结果表明:(1)SSA-LSSVM模型对年径流预测的精度高于传统LSSVM模型的精度;(2)ESMD和CEEMDAN均可对年径流序列进行降噪分解,ESMD的分解效率更高,分解效果更好;(3)基于ESMD或CEEMDAN分解后年径流预测的效果远优于原序列直接预测的效果,构建的两种组合模型均有效提高了年径流预测的精度。(4)年径流序列的ESMD-SSALSSVM组合模型的性能最佳,相比CEEMDAN-SSA-LSSVM组合模型,该模型的NSEC提高了1.11%,RMSE和MAE降低了2.32%、15.76%。

关键词： 窟野河流域   无定河流域   河流径流   演变特征   影响因素  

摘要： 过去几十年,全球大部分河流径流在气候变化与人类活动共同作用下发生显著变化,窟野河与无定河位于陕北榆林地区,独特的自然地理条件使得研究区生态环境脆弱,对水资源的依赖性强,并且煤炭开采等人类活动的干扰更是加剧了水资源的短缺。本文基于研究区水文气象数据,以及水保面积、煤炭开采量等资料全面分析了两条河流径流基本特征,径流序列的演变特征,以及定量计算了气候因素与人类活动分别对河流径流变化的影响程度。主要成果如下:(1)窟野河径流年内分配极其不均匀,径流主要集中于7～9月,径流不均匀系数Cv多年平均值为0.83,完全调配系数(Cr为0.33;无定河分别为0.35与0.14,无定河径流年内分配相对窟野河表现均匀,随着河道径流的减少,两条河流径流年内分配趋于均匀。从20世纪50年代开始,径流量相对多年平均总体呈现丰水-平水-枯水的变化趋势。(2)窟野河1958～2020年径流量呈显著下降趋势,未来河道径流量总体将继续呈下降趋势;研究时段的突变点为1979、1996年,则可分为三个径流序列,即基准期:1958～1979年,人类活动影响期:1980～1996、1997～2020年;研究时段内主要存在4个主周期,分别为4a、9a、15a、29a。无定河1958～2020年径流量同样呈显著下降趋势,未来河道径流量依然将呈下降趋势;研究时段的突变点为1971、1988年,依次分为三个径流序列,基准期:1958～1971年、人类活动影响期:1972～1988、1989～2020年;研究时段内主要存在5a、16a、32a三个主周期。两条河流的径流与降水均呈正相关,与年平均气温均呈负相关。径流与降水、气温在某些时间段均存在时间尺度不等的显著共振周期,例如1964～1972在高能量区窟野河径流量与流域降水量存在2～4a的显著共振周期,1988～1998年在高能量区无定河径流与气温存在2～5a的显著共振周期。(3)利用逐步回归模型得到两条河流各个时期径流显著影响因素及相应减水量,其中1960～2015年窟野河径流显著影响因素为降水、气温、水保面积与煤炭开采量。基于基准期(1960～1979年)人类活动影响期1980～1996、1997～2015年煤炭开采造成径流减水量分别是115.2×104m3、7821.2×104m3。无定河1960～2015年窟野河径流显著影响因素为降水、气温、水保面积,基于基准期(1960～1971年)人类活动影响期1972～1988、1989～2015年水保措施造成的径流减水量分别是23644.9×104m3、46599.1×104m3。

关键词： 变化环境   多源融合降水   机器学习   VIC水文模型   径流变化归因分析   统计降尺度  

摘要： 在变化环境下,人类活动和气候变化对水文循环过程中的降水、径流等因素造成了直接影响,从而改变了水文循环状态。因此,开展对径流变化的归因分析并进行预估研究对于流域规划具有重要意义。本文以全国规划的十三大水电基地中名列第三的雅砻江流域为研究对象,深入研究了流域气象水文变化规律,分析了径流变化驱动因素及贡献率并预估了未来变化趋势,为雅砻江流域水资源的规划配置等提供参考和依据。本文主要创新成果及结论如下: （1）提出了引入降水季节特征和地形因子的多源降水融合机器学习模型,以为解决水文模拟中关键性输入数据精度问题提供参考。在对多套降水产品进行时空统计评估后,引入地形因子和降水季节特征基于机器学习进行了多源降水融合,最后对输出降水产品进行了时空精度验证。结果显示:雅砻江流域1981至2017年实测降水由东南向西北内陆递减,且受经纬度、高程等地形因子的影响较大。多源降水产品中的APHRODITE与实测降水的相关性最高,HAR V2与实测降水的相关性最差。融合后输出的降水数据相对于融合前精度显著提高,相关系数由均值0.52提高到0.84,均方根误差从5.5mm/d减小到1.99mm/d。 （2）提出了离线耦合联动调度方案的水文模型,以考虑水库调蓄对径流的影响并为模拟解析径流时空分布提供有力支撑。将水库参数化方案与分布式水文模型的汇流模块进行离线动态耦合以形成联动调度方案,并基于高精度多源融合降水对水文模型模拟结果进行评估。结果显示:构建的VIC水文模型能较好的重现流量过程线,精度评估指标中的逐日均值达到0.8,表明其具有良好的适用性,也验证了多源融合降水具有一定的精度。此外,联动调度方案的启动使得径流年内分配与实际更为接近,提高了16.36%,减小了19.35%,因此表明基于联动调度方案对水文模型进行离线耦合可提高研究区径流的时空分布模拟精度。 （3）构建了以弹性系数法和水文模型法为机理的径流变化归因双向验证框架,并提出从产流、汇流以及取用水三个方向更为全面的揭示人类活动对径流定量的影响。具体采用MASH和预白化MK突变检验得到历史水文情势规律,并在此基础上运用基于水热耦合方程的弹性系数法和基于物理意义的水文模型法定量分析人类活动和气候因素对径流变化的贡献,最后结合流域实际情况定量剖析了人类活动中土地利用/覆被变化、水库建设与运行以及流域取用水对径流的影响。结果显示:雅砻江流域1981至2017年实测降水和流量以0.03mm/10a和10.22m3/（10a·s）的速率呈现减小,弹性系数法和水文模型法均表明气候和人类活动的变化使得径流减少,两者贡献率分别为27.78%～50.18%和49.82%～72.22%。其中人类活动因素中对径流影响最大的部分为流域取用水,其在研究时段内占径流深的4.87%～6.32%。 （4）建立评估指标体系对CMIP6 GCMs优选后进行统计降尺度并基于贝叶斯加权法输出集合序列,构建气候模式数据-联动调度水文模型框架以揭示气候变化背景下雅砻江流域径流的响应机制,并完成对其时空变化趋势的预估和分析。利用高精度多源融合降水数据基于误差订正空间分解法对CMIP6 GCMs预估结果进行统计降尺度,并采用贝叶斯加权法得到多模式集合结果以分析雅砻江流域在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下极端气候事件的时空变化,最后以集合序列驱动耦合联动调度模型预估了不同时间尺度上未来径流的变化。结果显示:基于误差订正空间分解法的贝叶斯加权集合序列与相应的实测序列在历史时期的相关性相较于未处理前有显著提高,且多模式的不确定性被显著降低。各类极端气候事件的持续时间相较于基准期有所延长且发生频率加高。SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的降水和流量分别以0.03mm/10a、0.07mm/10a和12.26m3/（10a·s）、25.11m3/（10a·s）呈现增长趋势,但径流相较于1981至2016年的基准期表现为减少,两个情景下将分别减少11%和8%。从季节尺度来看,梯级水库群对径流的调蓄作用使得年内分布发生变化,其中SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的雨季径流相较于基准期分别减少了28.98%和28.22%,在旱季增加了82.28%和77.21%。