关键词： 长江流域   径流量   输沙量   多尺度分析   非线性动力预报  

摘要： 本论文利用经验模态分解的Hilbert—Huang变换(HHT)技术,对长江流域代表站的年平均径流量、月平均径流量、月输沙量以及对他们有重要影响的气象因子进行了多尺度分析。首先我们对长江流域宜昌站、汉口站、大通站年平均径流量进行多尺度时间序列分析并且在此基础上建立了非线性预报模型;另外对长江流域的上中下游三个代表站(宜昌、汉口、大通)近60多年的径流量逐月时间系序列进行了多尺度特征分析,从而得到了不同尺度下的演变规律及其与大洪水的关系;同时本文对逐月ENSO关键区海温、逐月南方涛动指数时间序列做了多时间尺度分析,找出了这些气象因子对月平均径流量产生影响的关键时间尺度;最后我们对长江流域三个代表测站的近60多年月输沙量时间序列进行了多尺度分析,从而得到了不同尺度下的演变规律及其与月平均径流量的关系。主要研究成果总结如下:1.利用HHT方法对宜昌站(1900-2016)、汉口站(1952-2016)、大通站(1951-2016)的年平均径流量时间序列做了多尺度分析。结果表明:宜昌站、汉口站和大通站的年平均径流量的波动周期以3年和6-7年为主,两者方差贡献之和为75-77%。2.本文利用宜昌站、汉口站和大通站年平均径流量时间序列分解的IMF各分量分别建立了年平均流量多尺度非线性动力预报模型。建立了两套预报方案:方案Ⅰ采用IMF所有的分解分量和趋势项叠加建立预报方程,方案Ⅱ则把高频振荡分量C1去除,建立了第二个预报方程。一般而言,方案Ⅱ的模拟效果要优于方案Ⅰ。方案Ⅱ拟合相对误差低于20%的通过率三站在85%-93%之间。3.长江流域三个代表站(宜昌、汉口和大通)近60多年来的逐月平均径流量时间序列可以分解为6个准周期的波动和一个趋势项。其中平均周期1年左右的季节变化C2是最重要的IMF分解分量,它具有最大的方差贡献为84.48%-86.35%。另外3站月平均径流量分解出的年循环分量C2在长江流域特大洪水的发生年份:1954年和1998年,同时达到了历史上的最高点。并且低频分量合并序列(C3+C4+C5+C6)在这2年也出现了异常高值。在将来建立洪水预报模型时,这些时间序列分量可以作为更有效的预报因子,来提高洪水预报的准确度。***的4个关键海温区1951-2016年逐月海温和南方涛动指数(SOI)时间序列可以分解出6个不同周期的IMF分量和一个趋势项。结果表明ENSO关键区海温以1年为周期的季节变化时间序列分量与长江流域宜昌站月平均径流量有很好的关系。其中Nino1+2区、Nino3区Nino3.4区海温季节变化的位相较径流量提前3-5个月。南方涛动指数(SOI)和月平均径流量的时间序列没有发现很好的关系。5.长江流域三个代表站(宜昌、汉口和大通)近60多年的月平均输沙率时间序列也可以分解出的6个IMF分量和一个趋势项R,其结果表明平均周期为1年左右的季节变化C2是最重要的,该分量的方差贡献最大,为63.48%-67.32%。长江流域三个代表站的月平均输沙率和月平均径流量有很好的相关关系,尤其是各自分解出的方差贡献最大的年循环季节变化序列C2的变化规律非常一致。本论文结果显示,HHT多尺度分析技术对水文时间序列的分解是行之有效的。其分解结果可以更好地为将来水文预报模型的建立提供更有效的预报因子和理论依据。在将来建立径流量的非线性预报模型的时候,HHT多尺度分析技术可以提供IMF各分量在不同时间尺度上的变化规律。同时HHT多尺度分析技术可以通过分解相关的气象因子时间序列,找出和径流量有关的预报因子的IMF分量,为将来水文预报模型的建立提供了重要的影响因子,从而提高预报模型的准确度。

关键词： 基流分割   气象因素   植被因素   相对贡献率   昕水河流域  

摘要： 昕水河流域是黄土高原水土流失最严重的地区之一。由于气候变化和人类活动的影响使该流域的地表径流和基流发生显著变化,因此,开展气候变化和人类活动对昕水河流域基流和地表径流变化的影响对当地生态环境建设十分必要。本文以黄土高原昕水河流域为研究对象,利用4类8种自动基流分割方法对黄土高原昕水河流域基流进行分割,优选适合该流域的基流分割方法,对昕水河流域1955-2015年的基流和地表径流进行分割,分别应用趋势性分析、突变性分析、周期性分析、不均匀系数等方法计算该流域基流和地表径流的年内和年际变化情况,分析昕水河流域径流组分在时间尺度上的演变特征。利用双累积曲线、线性拟合分析等方法定量计算基流和地表径流对气象因素和非气象因素(植被因素和其他因素)的水文响应情况,从定性和定量角度,分析昕水河流域径流组分对气象因素和非气象因素的响应机制,总结该流域径流组分变化规律,以期为当地生态环境建设、水土保持措施建设以及水资源评价等提供科学依据。研究发现,(1)应用DF one(0.925,3次)对昕水河流域基流进行分割是一种比较稳定可靠的方法;(2)昕水河流域多年平均基流深为11.29mm,多年平均地表径流深为19.40mm,基流和地表径流年内各月和各季节分配不均匀。在多年平均尺度上,昕水河流域年内基流分配较为均匀,地表径流分配极其不均匀。年内基流和地表径流不同年代集中期表现一致;(3)昕水河流域1955-2015年基流和地表径流均呈显著下降趋势,突变点均出现在1985年,未来有进一步减少趋势。基流和地表径流均呈现以27年为中心的周期变化。在不同季节尺度上,呈现较为明显的趋势性、突变性、周期性和持续性变化特征;(4)基准期降水是影响基流和地表径流的主要因素,干扰期非气象因素是影响基流和地表径流的主要因素。进入21世纪,其他因素成为影响基流和地表径流变化的主要因素。在干扰期气象因素、植被因素和其他因素对基流影响的相对贡献率分别为16.7%、3.3%和80.0%,对地表径流影响的相对贡献率分别为19.2%、4.0%和 76.8%。

关键词： 人类活动   气候变化   径流演变   沅水流域   SWAT模型  

摘要： 受气候异常变化和人类生产活动的双重影响,沅水流域水旱灾害频发,并具有一定的不规律性,这对沅水流域社会经济发展产生重要影响。本文以沅水流域为对象,通过运用统计方法以及建立沅水流域的SWAT水文模型,对气候变化与人类活动对沅水流域径流变化的影响开展了研究,取得如下主要结论:(1)运用统计方法分析了沅水流域径流量、降水量、气温等的趋势和突变演变规律。1959～2014年,安江站及浦市站的年径流量在波动中总体呈增加趋势,桃源站的年径流量在波动中呈减小趋势,速率依次为0.84×106m3/a、36.8×106m3/a、-21.5×106m3/a,浦市站年径流量趋势变化程度最大;对径流序列进行Morlet小波分析得到径流存在5年和10年的主周期;运用Mann-kendall检验法和滑动t检验法对3个水文站的年平均径流序列做趋势突变分析,发现均在1989和2004年发生突变,以1989和2004年作为水文序列的分界点,即1959～1988年为基准期,1989～2003年作为变异期I,2004～2014年作为变异期Ⅱ。沅水流域的降水空间分布不均,从流域的西南到洞庭湖区逐渐增大;从年内降水分配来看,春秋季节多,秋冬季节少,6月降水量最多;沅水流域1959～2014年年际降水波动较大,但整体呈现出不显著的下降趋势;降水序列存在5年的主周期,以5年为周期,1977～1992丰枯交替显著,降水序列在1989年和2004年发生显著突变。況水流域年平均气温呈上升趋势,上升幅度为0.14℃/10a,从1989-2003年沅水流域气温增加幅度最大,在2004年以后又趋于平稳,年气温序列在1997年发生突变。(2)基于统计方法定量评估了各变异期降水和人类活动对径流量变化的影响率。以1959～1988年为基准期,不考虑蒸散发的情况下,在变异期I,沅水安江站上游,人类活动是径流量变化的主要影响因素,其影响率为60%;在沅水下游段,径流量变化的主要受降水影响较大,其影响率为74.3%;在变异期II,沅水流域人类活动对径流量变化的影响都有不同程度的增加,沅水流域下游受人类活动的影响贡献率的增幅最大。(3)通过构建沅水流域的SWAT分布式水文模型,定量分析得到气候变化和人类活动对流域径流量的影响。以1980年～2013年的气象数据和1990年、2000年、2010年三期土地利用数据驱动SWAT模型,为了减少误差、提高模型精度,从干流上游、中游到下游依次率定模型参数,得到了较好的模拟结果,3个水文站的R2均在0.89以上,Nash均在0.84以上。在率定和验证水文模型后,保持模型各流域的参数不变,采用SWAT水文模型模拟的方法定量分析气候变化和人类活动对流域径流量的影响。相对于1980年～1988年,径流量在1989年～2003年间,由气候变化引起径流量增加了 108.7亿m3,气候变化对径流量的改变贡献率占93.5%;土地利用引起径流量减少了 1.2亿m3;在2004年～2013年间,气候变化引起径流量增加了 7.91亿m3,相对于变异Ⅰ期,影响占比由变异Ⅰ期的93.5%降低到31.6%,土地利用引起径流量减少1.81亿m3,综合来说,沅水流域在变异Ⅰ期的径流量变化主要自于气候变化的影响,在变异Ⅱ期的径流量变化主要自于人类活动的影响,其中水利工程是沅水流域人类活动的主要组成部分。

关键词： 农业灌溉   需水量   时空演变   种植结构   山区径流  

摘要： 农业是耗水大户，面对白洋淀上游严重的水资源短缺和不断下降的地下水漏斗，优化流域农业耗水结构和空间布局，对实现白洋淀上游及雄安新区水资源长期保障具有重要作用。　　本文利用DSSAT作物模型模拟了白洋淀上游1986-2015年小麦、玉米的灌溉需水量，结合蒸发皿系数法估算了蔬菜、果树等其它作物的灌溉需水量，分析了白洋淀上游30年农业种植结构及农业灌溉需水量的时空演变趋势，特别是通过整理历史文献中1970-1985年间农业耕地、作物种植、灌溉等的发展演变，重建了1970-2015年消除降水年际波动影响的灌溉需水量演变趋势，探讨了灌溉及农业种植结构影响下的灌溉需水量长期变化;基于傅抱璞的Budyko模式重建了白洋淀上游山区沙河、唐河、北拒马河3个子流域的天然（理论）径流量，通过对比天然径流与观测径流，量化了人类活动对径流的影响，清晰刻画了农业灌溉需水量对径流减少的影响程度。　　主要结论如下:　　(1)研究区1986-2015年多年平均耕地面积、有效灌溉面积和播种面积分别为84.9×104hm2、71.3×104hm2、126.8×104hm2，播种面积总体呈上升趋势，其中小麦播种面积稍有下降，玉米、蔬菜播种面积显著增加，果树种植面积在山区增加、平原区减少。　　(2)1986-2015年灌溉需水量22.52×108m3/年，小麦、玉米、蔬菜、果树和其它作物分别占灌溉需水总量的58.6％、12.6％、5.8％、16.3％和6.7％，受播种面积增加影响，蔬菜和果树需水显著上升;从空间上来看，灌溉需水总量在上游山区呈显著上升趋势。　　(3)排除降水的年际波动后，研究区农业灌溉需水量在不同典型水文年型下总体呈增加的趋势，表现为自1970年以来一直呈上升趋势，进入80年代中期，虽然整体上升减缓，但随播种面积增加和蔬菜、果树需水增加影响，需水整体呈缓慢上升趋势;(4)通过Budyko模式恢复上游山区3个子流域1960-2015年的天然径流量，发现3个子流域农业灌溉需水量逐渐增加，但占径流减少量始终维持在47.6-48.7％之间，农业用水是山区径流减少的重要因素。　　综上所述，自上世纪70年代以来，白洋淀上游农业灌溉需水呈上升趋势，是上游山区径流减少和平原区地下水枯竭的关键因素，可通过适当调整农业种植结构保证白洋淀上游和雄安新区的水资源可持续发展。

关键词： 变化环境   径流演变   气候因子   贡献率   岩溶区流域  

摘要： 在气候变化和人类活动不断加剧的大背景下,我国河川径流在时空分布上发生了明显变化。深入认识径流演变特征及其影响因素,能够更加合理的开发利用水资源,同时也能够为相关水利部门在应对气候变化方面提供一定的理论指导。基于此,本文以“变化环境下岩溶区流域水文气象要素演变规律及径流影响研究”为题开展研究。主要内容及成果如下:(1)运用趋势综合分析、变异综合诊断和Morlet小波分析等方法对澄碧河流域水文气象要素的演变特征进行研究。结果表明:近55a流域内降水和径流都表现为不显著下降趋势,降水未发生变异,径流在1998和2014年发生变异,第一主周期分别为6a和20a;气温、蒸发和潜在蒸散发均呈显著上升趋势,分别在1985年、1993年和1985年发生变异,第一主周期分别为20a、5a和20a;Hurst指数的计算结果表明,各气象要素在未来均表现为增加趋势,而径流将继续保持减少趋势。(2)利用年内分配比例、集中期和基尼系数等指标对澄碧河流域径流年内分配特征进行分析。结果表明:流域径流年内分配呈“不对称单峰型”分布,夏季和秋季径流约占全年径流的85%,汛期径流约占全年径流的90%;由径流年内分配的不均匀系数、集中期和基尼系数等指标的计算结果可知,流域径流年内分配极不均匀,变化幅度较大,集中期主要在7月份,径流年内分布不均匀的主要原因是个别月份径流量较大。综合各种特征指标的趋势分析结果可知,随着时间推移,澄碧河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)基于ESMD和HHT法对太阳黑子、ENSO事件、涛动指数和季风指数的分解结果表明,气候因子均存在多时间尺度性和变化趋势性,且与流域内径流表现出来的周期相近;交叉小波的计算结果显示,流域径流与气候因子之间存在一定的正相关性振荡周期;相关性分析的检验结果也显示,流域内径流与气候因子存在不同程度的显著相关性。说明这些气候因子在一定程度上能对澄碧河流域径流变化产生影响。(4)采用Budyko水热耦合模型、SCRCQ法和弹性系数法,定量分析了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:基于Budyko水热耦合模型的气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为46.33%和53.67%;基于SCRCQ法的气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为40.43%和59.57%;基于弹性系数法的气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为44%和56%。三种方法的计算结果显示,人类活动对澄碧河流域径流变化的贡献率大于气候变化对径流变化的贡献率。

关键词： 雅鲁藏布江   径流   冰川积雪   水文模型   气候变化  

摘要： 雅鲁藏布江地处青藏高原,是低纬高海拔寒区流域,其径流由融冰、融雪和降雨多种成分构成,受气候变化的影响复杂,未来变化趋势具有较强的不确定性。探究径流成分的形成机制和解析方法,揭示雅鲁藏布江流域气候变化条件下的径流变化规律,对科学开发利用水资源和水能资源具有重要意义。针对雅鲁藏布江径流形成和演变规律这一关键科学问题,构建了青藏高原东南部区域夏季融合降雨数据集,应用基于流量过程线的径流组成解析方法,构建了雅鲁藏布江分布式水文模型及参数集,更新了对雅鲁藏布江径流水源组成的认识,提出了一种对未来径流变化的综合评估方法,揭示了雅鲁藏布江-布拉马普特拉河的未来径流演变趋势。首先系统收集并整理了雅鲁藏布江流域多种目前可用的气象、水文及下垫面数据集,对流域内冰川在第一和第二次编目期间的变化及消融量进行了分析研究。在此基础上,利用多年水量平衡方程评估了不同降水和蒸发数据集的精度,揭示了干流水文站控制流域1980-2004年最优水量平衡条件下的各组分水量。降水是径流变化模拟和预测的关键。整合气象和水利部门的监测站网数据和多源卫星降水产品,应用动态贝叶斯平均方法进行多源数据融合,构建了高质量的青藏高原东南区域夏季融合降雨数据集,揭示了数据集的统计特性、空间分布和水文模拟等方面的效果。该数据集填补了青藏高原区域高质量降雨数据的空白。径流形成规律是开展气候变化下径流演变研究的基础。应用基于流量过程线的径流组成解析方法,构建了基于径流组成解析率定方法的雅鲁藏布江水文模型及参数集,取得了对径流和积雪等多水文要素的良好模拟效果,基于模型解析更新了对雅鲁藏布江径流水源组成的认识。结果表明,雅鲁藏布江奴下水文站以上流域降雨径流占到总径流量的66.0%,约三分之二,融雪径流占比20.0%,融冰径流占比14.0%。在气候变化下流域径流预估方面,提出了综合区域气候模式、偏差校正和贝叶斯模型平均的未来径流演变预估研究方法,揭示了近未来时期(2020-2035年)雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流域的径流演变趋势。在RCP4.5排放情景下孟加拉国Bahadurabad水文站、上游出口断面和中国奴下水文站的多年平均径流量分别变化6.8%,-0.4%和-4.1%,而对于RCP8.5排放情景来说,在三个位置处径流变化量分别是12.9%,13.1%和19.9%。

关键词： 降水   径流   M-K检验   小波变换  

摘要： 为了掌握新安江流域降水、径流的演变特征,采用Mann-Kendall检验法、Morlet小波分析法对新安江流域近57年的降水、径流数据的月、年际变化,年序列的突变和周期特征进行了统计和分析。结果表明:春夏季的4—7月是新安江流域降雨和径流最为集中的时段,新安江流域年降雨、径流的年际变化均呈明显增多的趋势,新安江流域年径流、降雨的突变异常时间基本吻合,两组序列的第1主周期均为17a,第2,3周期分别是7a,3a,目前正处于不同周期中的丰水年中。两组序列高度相关,且具有极其吻合的同步变化特征。可见新安江流域属于雨水补给型河流,降雨是影响该流域径流最主要的因子。新安江流域可利用径流和降雨两组序列建立了线性回归模型,其拟合和预报效果较好,在流域长期径流量预报业务中有一定的应用价值。

关键词： 趋势检验   演变特征   非一致性   频率分析   汉江上游  

摘要： 受全球气候变化及大规模人类活动的影响,导致流域径流产生变化,水文序列发生变异。基于汉江上游武侯镇、洋县、安康3个水文站点逐日径流数据,采用Mann-Kendall及Lee-Heghinan法进行非一致性检验,并将变异的水文序列进行基于趋势分析的非一致性水文序列修正计算,根据Pearson-Ⅲ频率分布曲线确定修正前后不同保证率设计值,以期为水利工程规划设计与管理提供参考。结果表明:3站年径流呈递减趋势,递减率自上游向下游递增,均有变异发生,且下游变异时间略滞后于上游,区间汇水是控制下游水量及突变的主要因素;武侯镇年最大日径流微弱增加,洋县与安康递减;经一致性修正,对应近期气候与下垫面条件下100年一遇洪水设计值较历史值变化显著。

关键词： 黑河流域   径流   气候变化   人类活动   水热耦合平衡  

摘要： 自2001年起,黑河流域开始实施治理工程,旨在通过落实分水方案和开展生态修复措施以实现社会经济与生态系统协调发展.本文以治理工程实施为结点划分两阶段展开对比研究,采用基于Budyko假设的水热耦合平衡方法定量计算了工程实施前后气候变化及人类活动对黑河流域径流演变的影响.结果表明,下游狼心山站径流在工程实施前后分别呈-0.14mm/a的减少趋势和+0.37mm/a的增加趋势;工程实施前,狼心山径流减少主要归因于中游地区人类活动,引起径流减少-0.26mm/a,气候变化虽引起径流增加但仅为+0.12mm/a;工程实施后,狼心山径流增加主要归因于气候变化,引起径流增加+0.29mm/a,人类活动对径流的影响由负转正,引起径流增加+0.08mm/a;对比工程实施前,工程实施后狼心山多年平均径流量增加了1.97mm,气候变化引起多年平均径流量增加1.39mm,其中降水和潜在蒸散发分别引起多年平均径流量增加2.20ram和减少0.81mm,人类活动引起多年平均径流量增加0.58mm,表明治理工程发挥了积极的影响.

关键词： 径流演变   降水   涉水活动   下垫面   农业干旱  

摘要： 为探究辽宁省各部分地区的地表径流演变趋势,并为辽宁省干旱情况提供有效应对措施,现利用辽宁省辽河铁岭站、浑河抚顺站、太子河唐马寨站及大凌河凌海站四个主要径流代表站的降水、径流及地表水资源量的长系列实测数据,对降水及径流进行演变分析,并将径流因素进行分解,做进一步定量分析研究。结果表明:半湿润区(辽宁中北部:辽河、浑河、太子河,下同)、干旱半干旱区(辽宁西部:大凌河,下同)相比基准期(1956~1979,下同),1980~2000年降水分别减少0.2%~1.3%、5.6%,2001~2011年,降水分别减少1.0%~6.2%、9.0%。地表径流演变的驱动因子降水、涉水活动、下垫面定量分离研究表明:半湿润区三者贡献量分别约为5%、50%、45%;干旱半干旱区三者贡献量分别约为33%、43%、24%。