关键词： 植被覆盖   时空演变   SWAT模型   径流模拟   参数率定  

摘要： 植被作为研究全球变化的指标,在地表能量交换和水文循环过程中发挥着重要作用,针对植被覆盖变化的研究能够为理解水文过程等提供重要的参考意见。在全球气候和人类活动剧烈变化的背景下,区域乃至全球植被变化对陆地水资源分布格局、水循环过程及碳循环均产生了较为深远的影响。河南省地处中原,为我国重要的粮食产区和交通枢纽,近年来河南省经济快速发展,形成许多不合理的土地利用类型和结构,导致其下垫面发生显著变化,下垫面变化对地表水文循环过程产生影响。随着“退耕还林”政策和河南省在改善环境方面做出的不断努力,区域内植被覆盖情况发生了巨大改变,植被的变化深刻影响着下垫面格局,进而影响河南省的水文过程,研究河南省植被覆盖时空演变规律及植被覆盖对径流的影响工作对于理解农业大省的水循环状况、水资源分配情况有重要价值,另外,研究成果对于改善人与自然和谐共处、维护河南省生态系统平衡和环境治理等意义重大。本文基于河南省近20年的NDVI资料,利用空间统计、slope趋势分析等方法分析植被覆盖的时空演变格局;在河南省植被覆盖时空分析的基础上,选择位于河南省境内西部的伊洛河流域（大部分分布于河南省）,利用SWAT水文模型分析,借助Arc SWAT软件进行建模,进行子流域划分、水文响应单元划分、气象数据输入等建模操作,建模完成后开展该流域径流模拟以及该流域植被变化与径流之间关系研究。主要的研究工作及结果如下:（1）采用slope趋势分析法,分析了河南省1999-2018年植被覆盖的时间和空间演变规律,同时结合该时期的土地利用情况分析土地利用类型改变对植被覆盖的影响。最终得出,结果表明,河南省自从实施“退耕还林”政策后,耕地明显减少、林地增多。1999-2018年河南省NDVI值变大,总体植被覆盖率改。但是,改善情况存在空间差异性,主要表现在:西部和南部植被覆盖改善十分明显,河南省北部和东部有轻微改善,而河南省中部植被覆盖有所退化。年尺度上,河南省年均整体植植被覆盖状况在空间分布上也存在较大差异性,从南北向来看,NDVI均值中部最低,南部最高,北部次之。从东西向来看,NDVI均值中部最低,东部最高,西部次之。年内尺度上,河南省月均尺度的NDVI呈现出明显的季节性,峰值出现在夏季8月,谷值出现在冬季1月。（2）针对径流模拟提升精度问题,本文选择洛阳市伊洛河流域作为研究区域,利用Arc SWAT软件进行建模,在SWAT-CUP软件中,对该流域2012-2019年进行了径流模拟、参数率定和参数敏感性分析排序,选择2012-2015年作为率定期,2016-2019年作为验证期,并结合近20年植被覆盖时空演变情况与径流进行相关关系分析。结果表明,验证期和率定期的纳什系数和决定系数即NS与R2均大于0.5,模型都满足精度要求;将伊洛河流域植被覆盖数据输入SWAT模型,研究径流变化情况,,发现但近20年伊洛河流域植被覆盖虽有所改善,但是流域内径流变化不明显,也即伊洛河流域植被变化但对径流影响较小。

关键词： 不透水面   地表径流   遥感估算   时空演变   徐州  

摘要： 城市化是社会经济发展演变的必然结果,伴随着城市化进程的快速推进,城市不透水面逐渐取代植被、裸土等自然景观成为典型性的城市地表类型,高密度低渗透率的不透水面提高了城市地表径流的汇流速率和产流量,改变了城市自然排水系统,增加了城市内涝风险。因此,需要研究城市地表径流与不透水面的关系。本文以徐州市区1997年、2005年、2013年以及2020年四期Landsat影像为基础数据,采用遥感与GIS、定性与定量相结合的方法,基于不透水面信息提取对徐州市区地表径流进行了遥感估算和时空演变研究。取得的主要研究成果与结论如下:（1）改进了不透水面信息提取的线性光谱混合分解模型。为有效解决传统线性光谱混合分解模型存在的由于不透水面与裸土混淆而造成的村庄不透水面低估严重的不足,从端元提纯和解混后处理两个阶段,改进了不透水面信息提取的线性光谱混合分解模型。在RMS精度检验中经过端元提纯的解混结果误差全部优于未提纯结果,RMS精度结果分别为1997年0.0094、2005年0.0150、2013年0.0092以及2020年0.0159;在RMSE误差和R2检验中对比传统LSMA模型、端元提纯结果以及改进LSMA模型,RMSE误差结果分别为0.2618、0.2226以及0.1079,R2检验结果分别为0.545、0.671以及0.923;在同期结果对比中,2020年春季和夏季不透水面丰度均值为0.3591和0.3336,提取结果在数值和空间分布上十分接近,由此证明改进LSMA模型提取城市不透水面的可靠性。（2）估算了徐州市区不同降雨情景地表径流。利用改进SCS-CN模型进行径流曲线参数CN值、初损系数λ等核心参数率定后,依据中国气象局降雨等级标准和徐州市区10年降雨总量,确定大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨24小时累计降雨量和枯水年、丰水年降雨总量,从而实现各情景地表径流遥感估算。结果表明徐州市区地表径流量从1997年到2020年呈现逐年递增趋势,主城区为主要的径流高值区,周边植被区域径流量相对较少。在间接精度验证中徐州主城区50个典型易涝点2020年暴雨情景平均径流量达到58.98mm,远高于徐州市区平均径流量的28.21mm,侧面反映地表径流遥感估算精度较高。（3）揭示了徐州市区地表径流时空演变特征。在地表径流等级响应研究中发现随着城市不透水面的增加地表径流等级响应更加频繁,在降雨量较小时城市地表径流等级响应更加明显;在地表径流等级演变方向研究中发现在降雨量较小时中位数中心整体呈现东西方向偏移且相对集中,随着降雨量的提升,南北方向偏移增加,数据也更加离散;年地表径流演变程度研究表明城市地表径流动态度敏感性会随着降雨量的增加而降低,丰水年情景比枯水年情景动态程度小;年地表径流演变分布研究表明,2013年和2020年径流数据整体方向性更强也更加集聚,扁率在地表径流等级偏低时波动较大而等级偏高时趋于接近。（4）划定了徐州市区各区域城市内涝风险格局。风险区类别划分为高风险区、潜在风险区、中风险区、低风险区四类以及Ⅱ级和Ⅰ级的差别。结果表明徐州市区城市内涝风险格局空间异质性明显,高风险区主要位于徐州主城区和贾汪区及铜山区部分乡镇,高风险区Ⅱ级面积达302.57km2,占比为10.17%,低风险区则主要位于大片农田等植被区域,面积最大达1283.03km2,占比达到43.13%。在区域分析中泉山区和鼓楼区高风险区占比较高而铜山区由于行政面积最大的原因高风险区和低风险区面积为最大,但低风险区占比高达48.48%且高风险占比较小。划定格局中高风险区应是徐州市区城市防洪防涝的重点区域。该论文有图48幅,表31个,参考文献173篇。

关键词： 七大流域   典型断面   集对分析   径流演变   径流丰枯相关性  

摘要： 松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江和珠江等我国七大流域的水情影响着近八成的中国人口。东亚季风区大气环流是影响我国各流域水情的重要因素。每年夏季风主雨带相继经过我国华南、江淮流域、黄淮流域和华北、东北地区,在各流域形成降水过程,进而引起七大流域典型断面的径流丰枯变化。为探讨这些流域径流相关性问题,基于松花江流域哈尔滨站、辽河流域铁岭站、海河流域潘家口站、黄河流域花园口站、淮河流域蚌埠站、长江流域大通站和珠江流域梧州站1981-2021年月径流资料,分析了各流域径流变化规律和丰枯相关性。论文根据各流域地理位置及气候特征的差异,以黄河为界,将我国的七大流域划分为北方的松花江流域、辽河流域、海河流域和南方的黄河流域、淮河流域、长江流域、珠江流域。分析各流域代表性水文站的径流年内分配情况、年际变化趋势和突变规律,利用均值标准差法、集对分析法和模糊集对分析法划分各水文站年径流量的丰枯等级,建立基于联系数的七大流域代表性水文站径流丰枯相关性分析模型并定量计算水文站间两组时间尺度上的丰枯相关程度,为进一步了解各大流域径流的丰枯变化趋势及流域间的丰枯联系提供了理论支撑和参考依据。论文主要取得如下研究成果:(1)为掌握各流域长时间序列的径流变化规律,利用数理统计方法研究和分析各流域典型断面水文站的径流年内分配情况、年际变化趋势和突变特征,结果表明:七大流域代表性水文站的年内径流主要集中在汛期,哈尔滨站、铁岭站、潘家口站、花园口站、蚌埠站、大通站、梧州站的多年平均最丰月分别为8月、8月、8月、8月、7月、7月、6月。北方流域代表性水文站径流的不均匀性大于南方流域,除淮河流域蚌埠站外,其他流域代表站的径流年内分配均趋于均匀且径流集中度基本呈现下降趋势。除大通站和梧州站年径流呈不显著增加趋势外,其余代表站年径流均呈减少趋势。各代表站汛期径流均呈现下降趋势,其中哈尔滨站、潘家口站、花园口站汛期径流显著性减少。哈尔滨站、潘家口站、花园口站、梧州站年径流分别在1999年、2000年、1995年、1993年前后发生突变,哈尔滨站、铁岭站、潘家口站、花园口站、大通站、梧州站汛期径流分别在1999年、1999年、2000年、1991年、2000年、2005年发生突变。系统地研究了各流域典型断面的径流特征及流域间的联系性,以期为流域防洪抗旱的预报预警和水资源开发利用举措提供依据。(2)为客观地描述各流域径流丰枯状态,在均值标准差法和集对分析法的基础上,综合考虑年径流的年内分配情况,提出了模糊集对分析法并应用于各流域的年径流丰枯等级评价中,结果表明:均值标准差法判定各水文站的枯水年、平水年、丰水年占比均在33%左右,集对分析法判定哈尔滨站、铁岭站、潘家口站、花园口站、蚌埠站出现频率最大的是枯水年,大通站、梧州站出现频率最大的是平水年;模糊集对分析划分丰枯等级时,各站出现概率最大的均是平水年。由于模糊集对分析法能充分考虑各月径流在统计年限内的贡献程度,使丰枯划分结果具有可靠性。通过对比多种丰枯评价方法的结果,为后期解决各流域水资源的评价问题提供理论指导;采用科学有效的评价模型划分各流域年径流的丰枯等级,对认识中国的洪旱灾害发生规律具有一定的科学意义。(3)为分析各流域典型断面的径流丰枯变化特征及丰枯相关性,在用传统数学方法计算各水文站间径流丰枯组合概率的基础上,建立基于联系数的流域径流丰枯相关性分析模型并应用于我国七大流域的丰枯相关性分析中,结果表明:潘家口站、梧州站汛期径流最易出现连丰/连平/连枯,大通站汛期最易出现丰枯互转,且蚌埠站和梧州站汛期径流丰枯演变同步性较高;潘家口站和花园口站多年平均最丰月径流最易出现连丰/连平/连枯,蚌埠站多年平均最丰月径流最易出现丰枯互转,且铁岭站和潘家口站的8月径流丰枯状态演变的同步性较好。七大流域代表性水文站径流丰枯一致性基本与水文站间的距离呈负相关,且北方流域水文站间径流的丰枯一致性强于南方流域各水文站间的丰枯一致性。哈尔滨与铁岭站汛期径流丰枯相关性最强,蚌埠站与大通站、大通站与梧州站汛期径流丰枯相关性最强,花园口与梧州站汛期径流的丰枯相关性最弱;铁岭站与潘家口站8月径流的丰枯相关性最强,大通站6月与梧州站6月径流、蚌埠站7月与梧州站6月径流丰枯相关性最强。各流域典型大洪水年,对应流域代表站径流与其他流域基本呈现负相关。对各流域典型断面径流变化及流域间径流丰枯相关性进行分析,对流域内防洪抗旱工作具有重要实践意义,为跨流域协调水文资源提供数据支撑。

关键词： 径流   气候变化   人类活动   SWAT模型   秦巴山区  

摘要： 水资源是人类生存和发展不可或缺的战略性资源,河川径流则是水资源重要的存在形式,径流量能在一定程度上反映区域水资源量的丰歉状况。气候变化对全球水循环的影响推动着径流的变化,人类活动则通过土地使用管理等行为改变径流的变化趋势。秦岭-巴山地区（简称秦巴山区）是中国南方与北方的过渡带,亦是南水北调中线工程的水源区,辨析秦巴山区径流格局变化及其对气候和人类活动的响应意义重大。鉴于此,本文以秦巴山区为研究区,基于气象水文和土地利用等数据,采用多种时间序列统计方法,全面分析秦巴山区不同时间尺度特征降雨指标及潜在蒸散量、地表覆被和径流量的时空变化特征;从西到东选取秦巴山区6个典型流域,构建适用于典型流域的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型,评估了线性回归法、双累积曲线法、天然径流量还原法、基于Budyko假设的弹性系数法及SWAT模型的应用效果并定量估算气候变化与人类活动对流域径流量变化的贡献,分析区域径流对驱动因子响应特征的空间差异;构建流域统计降尺度（Statistical Down-Scaling Model,SDSM）模型,将Can ESM2（the second generation Canadian Earth System Model）模式的三种典型浓度路径（Representative Concentration Pathway,RCP）情景RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5下流域2031-2100年的逐日气候要素序列输入流域SWAT模型以预测未来径流量的变化。取得的主要研究结果如下:（1）揭示了不同时间尺度下秦巴山区特征降雨指标、潜在蒸散量及土地利用/覆被的变化特征。降雨、蒸散及地表覆盖是影响秦巴山区径流变化的重要易变因素。1960-2019年间秦巴山区的年潜在蒸散量以4.9 mm/10a的速率显著下降,而降雨量、持续干旱日数（CDD）、持续湿润日数（CWD）、中雨日数（R10）、大雨日数（R25）、最大一日降雨量（RX1day）及降雨强度（SDII）等特征降雨指标中,仅SDII呈显著上升趋势（p<0.05）。除CDD和CWD外,其余指标多年平均最大月均值均出现在7月,但4月和6月是特征降雨指标和潜在蒸散量年际间变化更显著的月份。秦巴山区整体表现为南润北旱东湿西干,东部和西北角分别更易发生洪涝和干旱灾害。区域土地利用类型以林地、草地和耕地为主;林地主要分布在东部,耕地和建设用地的分布地区基本一致。1980年至2020年,耕地和草地面积分别减少2108 km2和2047 km2,其他土地利用类型的面积均有不同程度的增加,其中建设用地的增幅最大（104.9%）。秦巴山区的植被覆盖度在原有高水平上依然得到明显改善尤以低覆盖区显著,NDVI值从1994年的0.79增加至2015年的0.86。多年平均NDVI整体呈四周低中间高,西北及东北低,中部及南部高的特征。1982-2015年区域年NDVI值以0.09%/a的速率极显著增加,除9月外的其余各月NDVI年际间均呈增加趋势且4月的NDVI增加率最大（0.5%/a,p<0.01）。（2）阐明了秦巴山区主要河流长时间序列实测年径流量的时空演变特征。流出秦巴山区而汇入长江的长江一级支流岷江、嘉陵江及汉江1960-2018年的年均径流量（分别为128.58×10～8 m3、181.13×10～8 m3和342.37×10～8 m3）均远远大于流经或流出区域而汇入黄河的黄河一级支流洮河、渭河及伊洛河的年均径流量（分别为44.76×10～8 m3、36.76×10～8 m3和22.78×10～8 m3）。洮河红旗站、渭河咸阳站及伊洛河黑石关站的实测年径流量分别以0.33×10～8 m3/a、0.33×10～8 m3/a和0.67×10～8 m3/a的速率极显著下降（p<0.01）;岷江彭山站、嘉陵江亭子口站及汉江黄家港站的年径流量则分别以0.47×10～8 m3/a、1.46×10～8 m3/a和2.31×10～8 m3/a的速率呈显著下降趋势（p<0.05）。除渭河咸阳站的年径流量在1993年发生极显著突变（p<0.01）外,其余水文站年径流量显著突变年均为1990年;相对于各自的基准期（突变年以前时段）,变化期（突变年以后时段）各主要河流年均径流量的减少率在12.52%（岷江彭山站）～50.43%（渭河咸阳站）之间,且河流年径流量进入枯水期的年份与突变年份一致。洮河红旗站年径流量的年际波动较渭河咸阳站和伊洛河黑石关站小,而汉江黄家港站年径流量年际波动大于嘉陵江亭子口站和岷江彭山站。汉江黄家港站和嘉陵江亭子口站年均径流量均大于岷江彭山站,但彭山站以上集水面积1960-2018年的年均径流深（408 mm）及除20世纪80年代外的年代径流深均最大。

关键词： 海河流域   GAMLSS   非一致性   气候变化   极端径流  

摘要： 在全球气候变化的大背景下,极端的降水和径流事件频发,对人类社会构成严重威胁,在气候变化与人类活动等多方面因素影响下,全球水循环的时空演变规律发生了改变,如何识别受变化环境影响的极端径流事件演变规律呈现出的新特点,对区域水安全问题具有一定意义。为探索在当前环境下非一致性的径流变化的分析方法,以达到科学合理地预测未来极端径流事件变化的目的,选取了海河流域作为研究对象,分析了海河流域极端径流的变化特征,应用非一致性水文频率分析方法研究了气候变化和人类活动对极端径流事件的影响。成果如下:(1)水文序列的非一致性诊断。在开始分析前首先识别极端径流的非一致性,采取Mann-Kendall检验法和Spearman检验法对径流进行趋势性检验;采取Pettitt检验法、Mann-Kendall检验法和Buishand检验法对径流进行突变点检验。对径流序列发生变异的真实性进行综合判断,海河流域的径流序列呈现出明显的非一致性特征。海河流域两个水文站点的最大一日径流量和最大五日径流量均具有显著下降的趋势,其中界河铺站的径流突变明显受其上游水库建设的影响。(2)变化环境下的极端径流序列非一致性频率分析。气候指标通过计算Kendall相关系数进行筛选,同时代入水库指标,基于GAMLSS(Generalized additive models for location,scale and shape),采用AIC准则率定后,构造一种一致性模型,两种变量不同的非一致性模型。对径流进行非一致性频率分析,结果表明:引入物理因子的非一致性径流序列分析模型的结果最优,同时预测效果良好,对变化的环境具有更好的适应性。这种考虑气候变化和人类活动的非一致性模型对洪水极值的波动和突变描述准确。从水利工程应用的角度来看,以气候指标和水库指标为解释变量的非一致性模型预测的洪水设计值更可靠,可以为水利工程的设计提供理论支持。(3)径流变化的归因分析。利用已经构建好的模型对径流变化和气候指标之间的关系进行分析,结果表明:3月份、4月份和5月份的NINO1+2指数显著影响着匡门口站的径流序列,且与之呈负相关关系,NINO1+2指数较低时极端径流事件发生的频率升高。而界河铺站径流序列跟2月份、3月份和4月份的NINO1+2和3月份、4月份和5月份的NAO同时呈负相关关系,两项指标偏低预示极端径流事件频率提高。为水文工作者提前预判极端径流事件的发生提供可能。

关键词： 隧道涌水   水文模型   HEC-RAS   水量模拟  

摘要： 在铁路建设过程中,突涌水风险日益成为最严重最频繁的水文风险.针对突涌水从隧道口涌出后形成的地表径流,利用HEC-RAS水文模型对径流的排放演变规律进行模拟.水文模型模拟结果表示,隧道涌水径流的流速显示出上下波动的变化趋势,在径流末段平均流速为6.16 ft/s,流速较慢,在隧道口流速最快,最大值达到18.04 ft/s.径流的流动面积最大值出现在径流中段.同时,径流的水面宽度与流速和流动面积呈现出相同的变化趋势,水面宽度从隧道口涌出后先增加后减少,最大值出现在2号横断面.

关键词： 嘉陵江   径流量   空间分布  

摘要： 本文在收集嘉陵江谈家庄水文站长系列径流资料的基础上,采用集中度、集中期分析法;轮次分析法、线性回归法、Mann-Kendal非参数检验法等方法对该站径流的变化规律及趋势进行分析,最终得出年内分配不均、年内变化大;年际变化小且径流呈逐年减小的趋势,通过检验,证明径流减小趋势不显著,为区域内水资源合理开发利用,提供数据支持。

关键词： 径流   丰枯演变   丰枯遭遇   Copula函数   多维联合分布   长江下游  

摘要： 九江站、湖口站和大通站是长江下游的3个重要水文站,识别三者之间的径流关系、丰枯演变和丰枯遭遇特征,对识别长江下游多维径流关系具有重要的意义。基于滑动相关系数法分析了长江下游多维径流相关性的时变特征,基于Copula理论构建了长江下游多维径流联合分布和径流演变联合分布,分析了丰枯遭遇及丰枯演变特性。结果表明:(1)径流相关性时变强度由高至低为九江-湖口站、湖口-大通站、九江-大通站;各站径流具有较高的丰枯同步性,由高至低为九江-大通站、湖口-大通站、九江-湖口站,丰枯异步性特征反之。(2)九江-湖口站、九江-大通站、湖口-大通站的丰枯同步率最高时期分别为非汛期、汛期、非汛期;各站径流丰枯状态的自转和互转概率均较稳定,目前无极端情况出现。(3)九江、大通水文站的年和汛期径流最易丰枯互转,非汛期径流最易连丰、连枯。(4)湖口水文站的年和汛期径流最易连丰、连枯,非汛期径流最易丰枯互转。研究成果可为长江下游的多维径流关系分析提供理论参考。

关键词： 气候变化   库山河流域   径流   演变规律  

摘要： 为探明多年气候影响下新疆典型河流库山河流域径流演变规律与趋势,在获取沙曼水文站近60年气象及径流资料的基础上,采用多种分析方法联合对比分析后结果表明,库山河流域降雨、气温及径流多年来均呈现出非线性的增加趋势;对气候、径流的波动性分析发现,流域内径流受气候变化的影响年际振荡在其长期变化中占据主导地位;对气候及降雨的相关性分析发现,降雨及温度均对流域径流具有驱动作用,但温度是径流产生的主要驱动因子,与库山河流域径流以冰雪融水为主要补给来源相符。以上研究结论对于区域水资源利用、流域水资源规划以及促进研究区生态可持续发展具有十分重要的现实意义。

关键词： 寒区流域   WEP-L模型   径流演变   归因分析  

摘要： 寒区在我国分布广泛,且多为我国主要江河的源头区,其水循环演变会对地区乃至全国的水资源情势产生重要影响。针对寒区冻土作用下特殊的水文特性,研究选择松花江、黄河、黑河、长江、雅鲁藏布江流域内5个典型寒区流域,采用改进的WEP-L模型模拟分析了寒区径流在1960—2010年的时空变化规律。同时,基于水文模拟法,设计不同气候变化与土地利用情景对各寒区流域径流变化进行了归因分析。研究表明:WEP-L针对不同的寒区流域逐月径流过程,取得了较好的模拟效果,NSE(纳什效率系数)基本在0.7以上,相对误差控制在±15%内。5个流域的径流量变化趋势表现为弱显著性,但是黄河流域(唐乃亥以上)和黑河流域(莺落峡以上)的基流指数显著增加,说明这两个流域的河川基流占比不断增加,主要原因可能在于冰川融雪的增加。除了松花江流域(阿彦浅以上)外的四个寒区流域的气候变化对径流的影响较高,贡献率达到78%以上,是径流演变的主导作用。研究结果有助于增强对寒区水循环和水资源演变的认识,为应对未来变化环境下寒区水问题提供参考。