关键词： 径流演变   SWAT模型   土地利用变化   人类活动影响  

摘要： 永定河流域人类活动频繁且复杂,造成了该流域径流的急剧减少。永定河是京津冀区域重要的水源地和生态屏障,径流量的减少直接对京津冀地区的社会经济发展造成威胁,因此,研究流域内径流演变规律对水资源的管理利用及保护和修复流域生态有重要意义。本文以三家店以上永定河山区流域为研究区域,分析径流演变特性,根据流域水文气象、土地利用、灌区用水等实际情况,构建流域SWAT模型,模拟分析土地利用变化、农业灌溉及水库运行等人类活动对研究区径流的影响。主要研究内容和研究成果如下:(1)采用滑动平均法、倾向率法、Mann-Kendall秩次相关检验法、有序聚类分析法、LEE-Heghinian检验法以及Pettitt检验法探究径流趋势性和突变性。结果表明,永定河山区流域径流量为显著下降趋势,径流变异点为1984年。(2)采用数字高程数据、土壤、土地利用以及气象等基础数据,考虑水库运行、农业灌溉以及其他取用水的影响,建立了永定河山区流域水文模型,采用从流域上游到下游依次率定的方法,模型率定期和验证期的相关系数和Nash效率系数均大于0.50。其中石匣里站和雁翅站验证期的R和E均高于0.80。因此,构建的SWAT模型在永定河山区流域适用性较好,可用于模拟研究区域的水文过程。(3)分析1980、1995、2010、2015年四期土地利用变化特征,基于SWAT模型模拟分析土地利用变化对径流的影响。1980年至2015年四期土地利用变化主要表现为耕地面积减小,逐渐转变为其他土地类型;除了壶流河源头至壶流河水库区间外,其他区间多年平均径流量均为上升趋势,其中桑干河源头至东榆林水库径流增加率最大为126.05%,册田水库与响水堡至官厅水库径流增加量最大,为692.6万m,各区间月径流受土地利用变化较为明显的时期为汛期(6-9月)。(4)利用构建的流域SWAT模型模拟了水库运行对径流的影响。水库的运行使得柴沟堡(东)、石匣里和雁翅水文站多年平均径流量分别减小了405万m、2259万m和5904万m,变化率分别为17.8%、47.3%和87.8%,主要与研究区域内水库的多年蓄水有关。水库的运行对径流年内分配影响也较大,柴沟堡(东)水文站10月和次年4-5月月平均流量增加21.11%-145.04%;石匣里水文站汛期月平均流量减少49.29%-69.17%;雁翅水文站全年径流量均有减小,其中汛期月平均流量减少43.78%-62.84%,非汛期减少11.67%-68.54%。(5)通过改变研究区域种植结构,模拟分析了农业灌溉对径流的影响。当山西省区域按照实际灌区规划进行种植结构调整,而河北省、内蒙古自治区以及北京市则将耕地面积的1.62%由玉米调整为牧草,多年平均径流量增加了3346.1万m。

关键词： LWHM-LUCC模型   澜沧江   径流演变   非一致性   频率计算   归因分析  

摘要： 近年来,受日益显著的气候变化和人类活动的影响,澜沧江流域内径流发生了明显的变化。本文以澜沧江的昌都站和允景洪站控制的子流域(简称昌都子流域和允景洪子流域)为研究对象,分析了子流域的气象水文要素和下垫面的变化规律,构建了考虑土地利用/覆被变化的三水源流域水文模型(简称LWHM-LUCC模型)对子流域进行年径流模拟,并基于LWHM-LUCC模型对子流域的非一致性年径流序列进行频率计算和归因分析,主要研究结果如下: (1)1960-2010年间,昌都子流域的年蒸发序列在2003年出现向上的跳跃变异,年径流序列在1969年出现向下的跳跃变异,据此将水文序列划分为三个时期:基准期1960-1969年,变异Ⅰ期1970-2003年和变异Ⅱ期2004-2010年;1961-2014年间,允景洪子流域的年蒸发序列在2002年出现向上的跳跃变异,年径流序列在2004年出现向下的跳跃变异,据此将水文序列划分为两个时期:基准期1961-2004年和变异期2005-2014年;1990-2010年间,昌都和允景洪子流域的土地利用结构均未发生较大的变化,其中,昌都子流域的主要土地利用类型是草地,允景洪子流域的主要土地利用类型是林地和草地。 (2)在两水源LWHM-LUCC模型的基础上,构建三水源LWHM-LUCC模型分别对昌都和允景洪子流域进行年径流模拟,参数率定和检验结果说明三水源LWHM-LUCC模型在昌都和允景洪子流域均具有很好的适用性。 (3)提出基于LWHM-LUCC模型的非一致性年径流频率计算方法,并对昌都和允景洪子流域的非一致性年径流序列进行频率分析与计算,结果表明:昌都子流域在同频率条件下,从过去远期到过去近期和现状时期,其年径流深设计值均显著减少,但现状时期较过去近期略有增加;从过去远期到过去近期,年径流深设计值的减少幅度随年径流频率的增加而减小,而从过去远期到现状时期,年径流深设计值的减少幅度随年径流频率的增加而增大。允景洪子流域在同频率条件下,从过去远期、过去近期到现状时期,其年径流深设计值呈减少趋势,且现状时期与过去近期的差值远大于过去近期与过去远期的差值;从过去远期到过去近期和现状时期,年径流深设计值的减少幅度均随年径流频率的增加而增大。 (4)采用基于LWHM-LUCC模型的径流还原和情景模拟相结合的方法对昌都和允景洪子流域的年径流变化进行归因分析,结果表明:昌都子流域从基准期到变异Ⅰ期,土地利用变化和冰川融雪等其他因素对径流减少有明显的贡献;从基准期到变异Ⅱ期,蒸发增加和土地利用变化引起径流减少,降水增加引起径流增加,由于流域径流对降水变化的敏感性远大于蒸发变化,所以气候变化整体对径流有增加的贡献,而气候变化对径流增加的贡献量远小于土地利用变化对径流减少的贡献量,则气候与土地利用变化整体以及冰川融雪等其他因素对径流减少有一定的贡献。允景洪子流域从基准期到变异期,降水、蒸发、土地利用和其他驱动因素对径流减少的贡献率分别约为34%、21%、10%和35%,且径流对降水变化的敏感性远大于蒸发变化,气候变化对径流减少的影响大于人类活动。

关键词： 永定河流域   气候要素   径流   人类活动   归因分析  

摘要： 永定河水系是海河流域较大的支流,也是京津冀城市群的重要补给水源。20世纪以来,永定河流域一直面临天然水资源短缺难题,水循环发生显著变异,科学评估气候变化和人类活动对水热耦合过程的响应对水资源规划和管理极其重要。因此,选取永定河流域为研究区域,以长时间序列的水文气象资料和遥感数据为基础,辨析水文气象要素和土地利用/覆被的时空演变规律;根据Budyko假设的水热耦合概念模型量化气候变化和人类活动对桑干河和洋河子流域天然径流的敏感性和贡献率。主要结论如下:运用多种统计分析方法,研究永定河流域径流量、降水量、气温和蒸发量在60年间的演变特征。1957-2017年径流量呈显著下降态势,石匣里、响水堡、官厅水库和卢沟桥的下降速率分别为1.55亿、1.01亿、2.98亿和2.2亿m3/10a。石匣里和响水堡径流1969年和1983年开始突变,变化主周期分别为28年和32年。1957-2018年平均气温呈显著上升趋势,上升速率为0.3℃/10a,蒸发皿蒸发量以-48.88mm/10a显著下降趋势,存在明显“蒸发悖论”现象,该现象主要影响因子为净辐射和平均风速。年均降水量和潜在蒸发量呈不显著减少趋势,流域整体呈暖干化的变化趋势。突变性分析发现,气温和潜在蒸发量在1990年和1975年开始突变。选择1980-2015四期遥感数据分析土地利用变化,耕地面积占比43%,30年间减少991.49km2;水域面积持续减少77.13km2;草地增加191.35km2;城乡、工矿、居民用地面积明显增加了935.28km2;由于植被造林、退耕还林等水土治理,永定河流域归一化植被指数（NDVI）1982-2019年期间增加趋势显著,变化速率为0.02/10a。在空间上,官厅山峡段植被盖度较高,NDVI值在0.351～0.457之间,册田以上区域植被覆盖最低,NDVI值在0.205～0.327之间,总体表现为从西北部至东南部数值逐渐增加。根据Budyko假设的互补关系法可准确划分气候和人类活动对径流变化的影响量。总体来说,桑干河流域降雨、潜在蒸发量、下垫面变化对径流减少的贡献率分别为54%、4%和42%,其中降水量是1970-1983年径流的主要控制因子,1984年以后人类活动转变为径流的主要控制因子。洋河流域径流受人类活动影响程度较为明显,降雨、潜在蒸发量和人类活动的贡献率分别为18%、-10%和92%。总体来说,人类活动是当前永定河上游不可忽视的影响因子。

关键词： 长江上游   黄河上游   径流演变   全球升温  

摘要： 气候变化会改变中国河流的水文状况，会给水资源管理带来额外的挑战，因此必须了解气候变化及径流对气候变化的响应，并将其纳入区域水资源管理政策，以确保水资源的可持续发展。长江上游（本文指长江寸滩以上区域）和黄河上游（本文指黄河兰州以上区域）是中国第一二大河的重要产水区，长江上游和黄河上游气候变化和径流变化对全流域甚至整个中国的水资源演变都会产生举足轻重的作用，因此明确两流域气候变化和径流在全球升温1.5-4.0℃水平下的变化趋势，对于科学制定防洪策略，充分利用水资源，合理配置水资源具有重要的意义，也可为长江上游经济带和黄河生态保护高质量发展战略的推进提供支撑。　　本文基于长江上游和黄河上游逐日气象和水文观测数据率定和验证了SWAT、HBV-D和VIC水文模型，并以国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中输出要素最多的5个全球气候模式在7种SSPs-RCPs情景(SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP4-3.4、SSP2-4.5、SSP4-6.0、SSP3-7.0、SSP5-8.5)下的经过降尺度和偏差订正到0.5°的气象数据驱动三个水文模型，预估2021-2040（近期）、2041-2060（中期）、2081-2100年（远期）流域未来径流变化趋势;并分析全球升温1.5-4.0℃下，长江上游和黄河上游的气候变化和径流变化。主要成果有:　　(1)长江上游和黄河上游的年平均气温在观测期呈显著上升趋势，气候倾向率分别为:0.21℃/10a和0.35℃/10a，长江上游升温速率低于黄河上游;长江上游年降水呈不显著的下降趋势，黄河上游降水呈不显著上升;两流域年径流呈不显著的下降趋势。　　(2)相比基准期（1995-2014年），未来三个时间段，两流域呈变暖变湿态势，黄河上游的气温、降水增幅均高于长江上游。到21世纪末期，长江上游和黄河上游增温1.4～5.1℃和1.4～5.4℃，降水增加13.4～17.0％和10.2～28.5％。　　(3)21世纪，两流域年径流有所增加，黄河上游径流增幅均高于长江上游;到末期，长江上游和黄河上游增幅可达4.0～16.6％和15.2～64.5％。21世纪，长江上游洪涝发生得可能性会增大，干旱发生可能会减少;黄河上游的洪涝发生的可能性也会加大但干旱情况则较长江上游复杂，CMIP5的4个路径改进的情景下，Q90均有所增高，干旱风险可能降低，但CMIP6新增的三个情景(SSP1-1.9、SSP4-3.4、SSP3-7.0)下，在21世纪近期和中期，存在干旱风险增加的情况。　　(4)在全球升温1.5-4.0℃水平下，长江上游增温2.01～4.21℃，黄河上游2.11～4.47℃（较工业革命前），增幅高于全球平均水平，且黄河上游增幅更高。全球升温1.5-4.0℃年降水较基准期增高，黄河上游年降水的增幅高于长江上游，每升温0.5℃，长江上游增高1.2％左右，黄河上游2.6％左右。　　(5)全球升温1.5-4℃时，长江上游和黄河上游年径流均较基准期(1995-2014)有所上升，在升温1.5℃时分别增高5％和10.9％，径流量可达9006.5m3/s和1037.7m3/s，每升温0.5℃，增幅在1.3％和5.2％左右，长江上游年径流增幅低于黄河上游。大部分升温水平下，两流域春夏冬季径流较基准期有所升高，但秋季径流有所不同，每升温0.5℃，长江上游秋季径流减少0.2％左右，而黄河上游则是增加5.8％左右。　　(6)全球不同升温条件下，长江上游和黄河上游的洪涝风险均有所加剧，干旱风险有所下降。全球升温1.5℃时，两流域的洪涝风险发生的可能性要高于升温2.0℃时，但随着全球温升继续升高，洪涝灾害发生的可能性会继续加大。在全球升温1.5-4.0℃下，长江上游丰水极值(Q10)增幅低于黄河上游;在全球升温1.5-2.5℃下，长江上游Q90增幅高于黄河上游，揭示了黄河上游水文形势整体较长江上游对于气候变化更为敏感。

关键词： 长江源区   气候变化   径流演变   驱动因素   贡献率  

摘要： 变化环境下流域的水资源响应机制已成为当前全球变化研究的热点和前沿问题,尤其是长江源这样的高寒区流域受气候因子变化的影响更为敏感。气候变化将对流域径流演变规律及水循环机制产生深刻影响,进而对水资源的时空配置及其水力资源的开发利用带来新的挑战,因此研究气候变化因子和水资源演变的特征及规律,定性与定量相结合地评价气候变化对径流及其组成成分的影响,对水资源可持续利用和维持长江源区生态功能等具有重要意义。本文以长江源区为研究区域,基于1966～2015年长江源流域的降水、温度以及蒸散量数据,1966～2015年直门达水文站径流流量数据,采用数字滤波法、线性分析、Man-Kendall秩次相关检验、Spearman秩次检验、滑动T检验法、有序聚类法和Morlet小波理论等方法在综合分析长江源区近50年气候因子与径流及其组成成分变化特征的基础上,深入研究径流对气候变化的响应过程,并结合偏相关性分析、格兰杰因果检验、累积量斜率法和双累积曲线对长江源区径流及其组成成分变化的驱动因素进行了定性与定量分析。主要取得了以下成果:（1）长江源区近50年来的降水量呈显著地上升趋势且在2004年发生突变,存在28a和19～20a的周期;气温呈显著地上升趋势且在2002年发生突变,存在28a和16～17a的周期;蒸散量呈显著地上升趋势且在1995年发生突变,存在28a和18～19a的周期;蒸散量和降水及气温均存在28a最大能量周期且蒸散量18～19a显著周期是由降水19～20a以及气温16～17a共同作用下造成。（2）1966～2015长江源区多年平均径流深的值为90.72mm,年径流深的年际波动在其年代波动内较为平缓,径流深年内分配不均,其过程曲线呈“单峰型”,峰值出现在7月,其值为20.37mm。利用数字滤波法对长江源区径流量进行基流分割,年平均地表径流深为41.72mm,基流深为48.99mm,地表径流深的年内月径流深曲线峰值出现在7月,基流深年内月径流曲线峰值出现在8月且其年内分布相对更为平稳。径流深及其组分均呈增加趋势且在2004年发生突变,与降水突变年份一致。径流波动周期与降水量波动周期存在3a、7a左右的共同周期,与气温、蒸散量存在16a左右的相似周期;突变年2004年后,源区BFI指数减小,说明突变后有更多的地表径流补给。（3）偏相关分析表明,在控制另外两种气候因子变量的条件下,降水与径流及其组分存在显著正相关,温度也与径流及其组分存在正相关性,但没有通过显著性检验,蒸散量与径流及其组分则无明显偏相关关系。（4）格兰杰因果检验表明,从近50年的长时间序列的角度,降水是径流深和基流深变化的格兰杰因果原因,气温是径流深及其组分变化的格兰杰因果原因。相较于基准期（1966～2003年）,气候因子与径流及其组分均不构成格兰杰因果原因,变化期（2004～2015年）的降水序列为径流及其组分变化的格兰杰原因。综合偏相关分析以及格兰杰因果检验,降水是控制源区径流及其组成成分变化的主要原因,而温度的影响不可忽略,考虑持续的增温影响才更有助于气候变化背景下对河道径流组成的变化预测。（5）受降水、蒸散量的直接影响以及温度等其它因素的间接影响,长江源区近50年来的径流深及其组分呈增加趋势,降水对径流及其组分变化的贡献率约为54%～63%,气温对其变化的贡献率约为0%～14%,蒸散量其变化的贡献率约为32%～37%。

关键词： 径流演变   河道耗水   河道损失   Mann-Kendall检验   MIKE HYDRO River HD水动力模型  

摘要： 气候变化和人类活动将加剧西北干旱区水资源变化趋势和水资源供给的不确定性,导致极端水文灾害现象频发;同时也给水资源管理造成巨大困扰,增加河道耗水与河道损失之间的不确定性,加剧生产建设用水和生态输水之间的矛盾。因此,研究气候变化下地表径流演变规律,明晰河道水资源消耗的变化规律,揭示不同频率输水量后下游水位变化的演进过程具有重要意义。本研究以和田河流域为研究区域,基于和田河源流区1957-2018年的月平均流量资料,采用Mann-Kendal趋势检验法、累积距平法和R/S法分析了流域年际、年和年内径流演变特征;根据2006-2018年水文站引水、退水流量数据,研究河道来水量与河道耗水量、河道耗水量与河道损失量之间的变化特征;构建了和田河干流段的MIKE HYDRO River水动力模块,模拟不同频率来水情况下下泄至肖塔断面的流量,为下游生态输水提出理论指标。主要结论如下:（1）和田河源流区乌鲁瓦提站和同古孜洛克站的径流年代变化特征一致,均经历了“平水年—偏丰水年”;乌鲁瓦提站和同古孜洛克站年径流量均呈现不显著增加趋势,径流序列的突变点均为2009年,年径流在2018年后的8-9年内持续增加;乌鲁瓦提站夏秋两季径流量变化对年径流量影响最大,同古孜洛克站夏季径流量对年径流影响最大;径流量年内分配不均匀,集中期为5-9月,占比86.11%-90.86%,呈“冬枯夏洪”。（2）根据和田河流域河道耗水情况分析,乌鲁瓦提—喀河渠首段耗水最大（16.97×10～8m3/a）,玉河渠首—艾格利牙段耗水最小（2.81×10～8m3/a）,总耗水量与来水量变化趋势一致。喀河渠首—吐直鲁克、玉河渠首—艾格利牙、吐（加）艾—肖塔段河损量与耗水量存在着显著的正相关关系,其中和田河干流段河损量最大。（3）构建了MIKE HYDRO River水动力（HD）模型,根据和田河干流入口逐日流量,出口水位进行率定,并对模型进行验证,结果表明,模型在率定期和验证期模拟效果良好,可为实现塔里木河流域生态输水提供理论依据。

关键词： M-K法   年径流量   水资源   张掖  

摘要： 阐明径流演变规律可为水资源评价提供支撑。通过选取张掖市近63年(1957—2019年)实测降水量,借助线性倾向估计法和累积距平法以及M-K法分析其变化规律,结果表明:6—9月降水集中,径流量呈减少趋势,其中童子坝河与酥油口河以及大堵麻河、马营河呈减少趋势显著,而海潮坝河和洪水河变化趋势不显著;年、月径流量呈“V”字型波动过程,相比20世纪60年代降水幅度增多7.8%;对莺落峡分别用SWAT模型和SDSM模型预测,发现2041—2050年径流量将呈增加趋势,可为张掖市水资源优化利用、管理与调度提供依据。

关键词： 水文水资源   径流演变   降水-径流关系   归因分析   人类活动   植被恢复   延河流域   黄土高原  

摘要： 近年来,黄土高原变绿对黄河中游,特别是黄土高原的径流演变扰动显著且影响强烈,估算其影响对保障区域水安全与黄河流域高质量发展意义重大。基于1959~2016年黄河中游延河干流延安水文站控制流域(以下简称"延河流域")径流量及同期面降水量,识别了径流演变的变异年份,分析了径流与降水和土地利用/覆被变化间的响应关系,定量估算了黄土高原变绿对延河流域径流非一致性变化的影响。结果表明:延河流域在1970、1996年发生了径流变异,总体呈现衰减趋势;若以1970年之前径流过程为参照基准,则可得统计期内降水变化导致径流减少2.8×10~8 m^3,贡献率为18.1%;1971~1995年,延河流域径流主要受以水利工程建设为主导的人类活动影响,驱动径流减少4.75×10~8 m^3,贡献率为30.6%,之后径流变化由新增人类活动和植被恢复为主导的黄土高原变绿联合驱动,贡献率分别为3.7%和47.6%。综上所述,黄土高原变绿正在成为驱动延河流域径流减少的主要因素,潜在威胁着黄土高原未来的水资源安全与社会发展。

关键词： 演变规律   降水量   水土保持措施强度   径流   半干旱区  

摘要： 为研究不同时期及水土保持措施条件下,降水量、水土保持措施强度与径流的演变规律,运用泰森多边形法、Morlet小波分析法、回归分析法,构建多元功效函数,进行甘肃省定西市安定区近60 a年降水量、措施强度与径流演变研究。结果表明:1957—2016年年径流量呈递减趋势,达极显著水平(P<0.001);在22~24 a、8 a、4 a时间尺度上,年降水量和径流具有明显的震荡周期,平均周期为15 a、5 a、3 a左右。梯田、造林、种草及封育等水土保持措施强度逐年递增,分别达36.14 hm^2·km^-2、25.26 hm^2·km^-2、11.56 hm^2·km^-2和3.22 hm^2·km^-2。随周期(3 a、5 a、15 a)的变长,同等降水量对产流量影响有所增大;同等水土保持措施强度对产流量影响有所减小;降水量和措施强度组合解释了径流模数总方差的57.46%~85.80%;降水量对径流模数的影响约低于40%,措施强度的影响约高于60%,说明措施强度对径流的影响较降水量更大。近60 a径流量的减少,主要是由于水土保持措施的递增引起。

关键词： 青海湖流域   径流变化   M-K突变检验   Morlet小波分析  

摘要： 基于1956-2016年青海湖流域逐月径流量实测资料,采用集中度、累积距平法、线性趋势回归检验法、M-K突变检验法和小波分析法等方法,分析了60年来青海湖流域径流量的年内、年际变化特征和演变趋势。结果表明:①青海湖流域径流年内分配不均匀,四季径流量变化较大;②径流的年际变化特征,大体经历了“枯-平-丰”的演变过程,即1956-2003年的枯水期、2003-2012年的平水期和2012-2016年的丰水期;③流域内径流量总体呈现增加趋势,其中夏季增加趋势最为显著,其次是冬季季节,径流突变发生在2002-2005年左右,小波分析年径流具有24年的主周期。未来一段时间,青海湖流域年径流量还将持续增加。研究结果可为青海湖水资源保护和生态恢复提供科学依据。