关键词： 湟水流域   经验模态分解   模态混叠   径流预测方法  

摘要： 近年来随着全球气候变化加剧与人类活动影响导致湟水河流域径流量有逐年减少的趋势。面对这样的境况,我们必须要提前做好各种分析预测,以更好的掌控径流的变化提前做好准备工作。本论文以湟水河四个主要水文站点(石崖庄站、西宁站、乐都站、民和站)的实测年径流量数据作为研究对象,应用传统方法(累计距平法、小波分析、Mann-Kendall检验、T检验等方法)与时频分析方法(经验模态分解,EMD)分析其年内年际变化特征、丰枯特性、周期特性、趋势特性、突变特性;在径流预测部分使用支持向量机(SVM)、EMD+SVM、改进EMD+SVM三种方法进行预测,并通过相对误差大小比较三种方法预测效果。结果得出:湟水流域枯水年较多且持续时间长,使用传统方法得出径流存在5、15、30年的周期变化,径流量呈现出下降趋势,2000年以后径流下降趋势减弱;使用时频方法(EMD)得出径流存在3.08、7.3、11.5、33年的周期变化,该周期更加接近太阳黑子周期(11.5年)与厄尔尼诺现象周期(2-7年)。三种预测方法中SVM单独预测相对误差在13.5%左右,预测点精度最小为4.70%,最大为22.58%;EMD+SVM的相对误差在8.5%左右,预测点精度最小为3.59%,最大为11.57%;改进EMD+SVM的相对误差在6.2%左右,预测点精度最小为0.09%,最大为10.27%。可以发现改进EMD+SVM预测效果更好。本文使用时频分析方法将径流序列进行处理之后再进行后续分析,并且提出改进EMD,把径流数据平稳化的更加理想,使得周期、趋势、预测结果等的精度有所提高,但文章也存在许多不足之处。我们应该继续寻找更加有效可靠的中长期预报方法,做好流域水资源管理和科学规划。

关键词： 非一致性   气候变化   水热耦合   可调水量   汉江流域  

摘要： 气候变化及人类活动使得流域水循环的降雨、径流等关键要素发生了突变,致使传统水文分析计算中水文序列一致性条件不再成立,使基于水文一致性假设构建的水利工程调度规则与需进一步修正。本研究以汉江丹江口以上流域为典型研究区,结合大气环流模式,系统分析了不同气候变化情景下径流非一致性变异对丹江口水库入库流量过程的影响及其对南水北调中线调水工程可调水量及下游生态水量的影响,为下游未来建设水利工程设施及水资源优化利用提供参考意见。本文主要研究结论如下:（1）汉江安康以上及丹江口以上流域近45年气温、降水及蒸发能力均呈增加趋势;两个流域径流变异时间均为1990年,与气温、降水及蒸发能力发生变异的年份相近,说明气候因子变化是造成径流变异的影响因素;由基于流域水热耦合模型的归因分析可知,相较于下垫面情况,流域径流对气候变化比较敏感,但由于流域内下垫面情况改变剧烈,因此导致人类活动影响造成的土地利用改变成为流域内径流变化的主要因素。（2）安康以上及丹江口以上流域未来RCP4.5情景下气温呈升高趋势,不同气候模式预测升温幅度在1.2-3.6℃之间;蒸发能力的变化受气温变化控制,其变化趋势与气温变化趋势相同。基于相同下垫面条件,仅考虑未来气候变化对径流的影响,未来期径流折合径流深度将减少25.7mm,其中降水的影响为为-16.0mm,蒸发能力的影响为-9.7mm,说明影响径流演变的气候因子中降水为主要因素,其对径流演变的贡献较大。（3）基于已有1967-1997水文年调度规则及气候模式模拟结果获得2020-2030水平年丹江口水库调水情况。结果表明与基准方案相比,方案一（叠加未来气候变化）中未来气候变化将导致径流呈衰减趋势;方案三及方案四在未来气候变化基础上叠加引汉济渭近期10亿m3及远期15亿m3调水规模,此两种方案下丹江口水库入库水量均不能满足规划的调水需求,其中方案四未能达到95%的下游供水保障率要求,是最不推荐方案;方案五及方案六在上述两方案基础上叠加引嘉入汉4.8亿m3的调水,多年平均调水量有所增加,说明引嘉入汉调水对引汉济渭有一定改善作用,但仍不能满足调水规划需求。

关键词： 城市化   管流   径流   极端降水   LID  

摘要： 城市地区水循环的特殊性和复杂性在于其受人类活动强烈影响,自然水循环路径上加入了人类社会系统产生的水的入流和出流,并严重改变了水循环的过程,形成了自然-社会二元水循环系统。以往对城市水生态问题的研究主要集中于城市圈的河道外水文循环过程,然而,关于城市化对城市河道内外完整系统水文过程的研究相对不足。本研究选择中原地区发展迅速的中心城市——郑州市为研究区域,采用模型模拟的方法,以城市水文过程为中心,从城市化进程、极端降水、“海绵城市”三个方面着手,开展了城市化下城市水文过程的特征。主要研究结果如下:(1)基于MIKE 11和MIKE Urban平台,利用郑州市区的地形、管网、水系、河道断面资料,构建了研究区城市排水与城市河流动力学耦合模型,通过对小尺度区域降水过程中水深分布特征分析,率定管网模型参数;同时利用贾鲁河郑州市区出境断面实测径流,率定城市排水与城市河流动力学耦合模型参数,结果表明,模拟值与实测值较好吻合。(2)基于不同城市化水平下土地利用类型和社会经济要素的变化,模拟城市化进程中城市水文响应特征。结果表明,随着城市化水平的提高,城市化进程对城市管网系统径流系数和径流峰值的影响变大,并且对汛期河道洪峰的影响明显大于非汛期,以及对丰水年河道洪峰的影响作用要远大于枯水年。(3)极端降水事件对城市化作用具有较好的响应,在同一重现期下,随着城市化水平的提高,城市排水管网的产流明显增大,管流峰值明显提前,积水时间有所延长,河道径流洪峰出现时间明显提前,洪峰流量明显加大,随着重现期的增加,其影响越来越大。(4)通过增加下垫面的透水率和雨水蓄积利用率以及河道调蓄能力,明显削减了管道出流和河道径流,但使短历时暴雨下的管流和河道洪峰流量出现时间提前。

关键词： 径流演变规律   趋势分析   径流预测   综合集成平台   仿真系统  

摘要： 水资源是人类生活和社会发展不可或缺的要素,而径流的形成和演变深刻影响着水资源系统。由于径流受到气象、下垫面以及人类活动等多种因素的影响,其变化过程往往表现出高度的非线性特征。本文利用汉江陕西段武侯、汉中、洋县和石泉站的径流序列资料,对该区域的径流演变规律进行分析,同时运用不同的径流预测模型以洋县站为例进行年径流量预测,并且基于综合集成平台搭建出汉江陕西段径流演变及预测仿真系统。本文主要研究成果如下:(1)汉江陕西段径流序列变化趋势分析。采用Mann-Kendall检验,线性倾向估计,累计距平等方法对武侯、汉中、洋县及石泉站的年径流序列及汛期径流序列进行趋势分析,结果表明四个测站的径流序列均表现为不显著的减小趋势。其中汉中站检验统计量最小,变化速率也最小,趋势变化最不明显,石泉站检验统计量最大,变化速率也最大,趋势变化最明显。各站累计距平结果表明其径流序列都出现了一两次由上升转为下降的变化过程,但总体上仍为下降趋势。(2)汉江陕西段径流序列突变点诊断及变化趋势持续性分析。采用Pettitt与滑动t突变检验方法,检验结果表明四个站的年径流序列及汛期径流序列突变年份均出现在1990年左右。此外Pettitt突变检验结果还显示武侯与汉中站的突变点不显著,洋县与石泉站的突变点通过了一定水平的显著性检验。运用R/S分析法计算各站Hurst指数进行径流变化持续性分析,结果表明表明四个测站的径流序列在未来一段时间内均会保持原来的减小趋势。(3)汉江陕西段多模型年径流预测研究。分别采用ARIMA模型、均生函数模型、灰色动态预测模型以及DenseNet模型对洋县站年径流量进行模拟预测。从模型的预测精度和表现来看,ARIMA模型不够理想,均生函数模型较好,灰色动态预测模型良好,DenseNet模型最优,以一次预测相对误差在正负20%以内记为合格,则模型的预测合格—率,分别为 51.1%,72.9%、86.4%和 100%。(4)基于综合集成平台的径流演变及预测仿真实现。基于综合集成平台搭建的汉江陕西段径流演变及预测仿真系统,其实例应用表明该系统具有相当的适应性和灵活性,能很好地应对需求变化。系统以图表等形式直观地对仿真结果进行分析研究,研究结果可视可信,同时也便于推广和维护。

关键词： 径流演变   径流预测   最近邻回归算法   人工神经网络算法  

摘要： 为满足三岔河流域经济调度运行实践需求,采用最近邻回归(NNBR)和人工神经网络(ANN)算法,对流域的径流演变特征与趋势进行多时间尺度预测.预测值与实测数据对比分析表明:采用最近邻回归(NNBR)模型进行径流预测,其预测值的准确性和可靠性较ANN神经网络模型高,与实测数据拟合性更好,更贴近径流实际,可为三岔河流域生态保护和水资源配置及可持续发展提供科学决策的数据支撑.

关键词： 黄河流域   气候变化   水文变异   降水   径流演变   人类活动  

摘要： 在气候变化和人类活动加剧的背景下,近数十年黄河流域的水文过程发生了显著变异,洪旱灾害频繁发生。研究环境变化下流域水循环演变对流域水资源优化配置、节约利用和有效保护以及保障经济社会发展水资源支撑和保障等方面具有重要意义和参考价值。采用小波分析及经验正交分解等方法分析黄河流域降水时空分布特征,结果表明黄河流域年降水量变化空间差异较大,流域中下游区域,降水量呈减少或显著减少趋势;相反,在流域上游部分区域,降水量出现增加趋势。总体而言,黄河流域降水量呈5.1mm/10a的减少趋势。季节降水方面,春季、秋季呈减少趋势,夏季降水变化趋势不明显,冬季降水多地区呈增加趋势。基于大气水汽运动和大气环流的角度,深入探讨了影响黄河流域降水的水汽运动条件。结果表明黄河流域各季节降水差异较大,其水汽运动特征也在不同季节表现出明显差异,且降水与水汽运动的变化规律表现出明显的一致性,黄河流域水汽运动具有明显的年代际变异规律。来自流域南部的水汽异常增加(减少),决定了黄河流域水汽的充沛程度,是黄河流域降水偏多(偏少)的主要原因。基于Mann-Kendall方法,系统分析径流量在年、季节与月尺度上的时空演变特征,并确定了突变点及起始位置。此外,结合小波分析方法,检测分析主要水文站点和流域径流量周期性变化特征。结果表明黄河流域径流变化以减少趋势为主,其中流域上游部分站点和下游大部分站点呈现出显著下降趋势。在时间变化上,大多站点在20世纪80年代中期以后呈现下降趋势。基于Budyko假设的水热耦合平衡方程,并结合FAO56-PM蒸发方程评估降水、风速、相对湿度、最高气温、最低气温等气象因子变化及下垫面参数n变化对黄河流域径流变化的弹性系数及贡献率,探讨黄河流域径流变化成因。结果表明各驱动因子对径流变化的敏感性存在较大的空间变异性,其中黄土高原区域径流变化对各驱动因子变化最为敏感。降水、相对湿度变化对径流变化具有正向驱动作用,最高气温、最低气温、太阳辐射、风速变化及下垫面参数n变化对径流变化为负向驱动作用。径流变化对各驱动因子的弹性系数空间一致性良好,表明黄河流域水文、气候变化、人类活动之间紧密耦合。总体而言,人类活动为黄河流域径流减少的主导因素,对比1960-1979年,人类活动对1980-2000年径流减少的平均贡献率为63.5％,并且人类活动对黄河流径流减少的贡献率在2001-2014年明显增加。

关键词： 气候变化   非一致性   水文统计模型   Copula   玛纳斯河  

摘要： 气候的剧烈变化导致了玛纳斯河水文序列发生了变异,一致性假设受到质疑。本文根据玛纳斯河上游出山口1956～2014 a水文气象资料展开统计特征分析,并结合历史调查资料进行水文序列的综合变异诊断,针对存在变异点的年径流序列构建混合分布模型、条件概率分布模型,以及基于GAMLSS理论的以时间、气候因子为协变量的时变矩模型,并通过与传统P-Ⅲ分布进行拟合优度对比,以进行年径流序列的频率分析。通过确定年径流序列、降水量序列及累积气温亏损值序列的边际分布,结合Copula连接函数,构建多变量联合分布模型,进行联合概率分析。研究内容与成果如下:（1）径流序列统计特征分析。年径流序列不均匀系数与年内分配完全调节系数表现出降低趋势,径流年内分配逐渐趋向均匀。年内分配集中度在66.86%左右,随着时间的推移呈降低趋势。流域集中期主要在7月上旬,不同年代的集中期均表现出提前趋势。年径流序列演化过程存在着30～60年、10～30年以及2～6年的振荡周期,其中以45年与16年为第1、第2主周期控制着整个时间段内的径流序列变化特征。（2）径流序列变异诊断。通过Hurst指数分析发现玛纳斯河年径流序列存在巨变异,滑动t检验表明年径流序列发生两次显著突变,其中1995年为突变年份;Mann-Kendall检验分析认为年径流序列变异点后时段子序列变化趋势显著,结合变异年份物理成因及现场调查分析,诊断得出1995年为玛纳斯河年径流序列的变异年份是可靠的。（3）基于水文统计模型的年径流分析。通过拟合优度检验并观察分布拟合图,混合分布模型比P-Ⅲ型分布模型和条件概率分布模型拟合更佳。由于传统P-Ⅲ分布参数为常数,因此其分位数灰度图呈水平直线状,与经验点据拟合较差,而引入累积气温亏损值为协变量的GAMLSS模型可以更有效地解释受气候变化影响的年径流序列动态变化过程及物理产流机制。以累积气温亏损值为协变量的GAMLSS模型在不同设计保证率下的设计年径流较传统P-Ⅲ分布偏大3.08%16.10%,较条件概率分布与混合分布模型偏大8%14%,气候变化导致的非一致性影响显著。（4）基于Copula函数的多变量联合概率分析。当多变量连接函数为Gumbel-Copula时,多变量联合分布拟合最佳。以变异年份1995年为分割点,将年径流-降水-累积气温亏损值序列分割成两个子序列,但子序列检验统计量均未通过显著性检验,因此可认为子序列符合一致性假设。通过马尔可夫链蒙特卡罗仿真对Copula参数估计的不确定性进行量化,得出变异点前后子序列Copula参数MCMC估计值分别为1.35、1.38,参数不确定性范围分别为[1.273,1.460]、[1.221,1.599]。进行年径流-降水-累积气温亏损值三变量联合概率分析及联合重现期计算阐明变异点后气候对于玛纳斯河流域径流的影响正日益变大,独特的地理环境与产流机制让流域径流越来越倚重气候的变化。

关键词： 人类活动   气候变化   径流演变   资水   SWAT模型  

摘要： 全球气候变化以及人类活动的加剧是目前人类社会面对的重大环境问题,受气候变化和人类活动的双重影响,资水流域洪水和干旱灾害交替、频繁发生,给流域社会经济发展和水安全构成重大威胁。本文系统分析了资水流域长系列水文要素和气象要素的时空演变特征,应用统计方法和流域水文模型法定量分析了气候波动和人为要素对径流量的影响。主要结论如下:(1)通过线性回归法及趋势检验方法分析资水流域各水文站年径流量趋势变化:罗家庙、冷水江、大埠溪及桃江4个水文站的年径流量在波动中总体呈减小趋势,速率依次为 8.2×106 m3/a、8.1×106 m3/a、0.59×106 m3/a、1.2×106 m3/a。运用滑动t检验法对四个水文站的年际径流作趋势分析和突变检验发现均在1987和2002年发生突变,1987～2001年作为变异期I,2002～2014年作为变异期II。降水量从20世纪60年代到80年代呈现逐渐减少趋势。而到20世纪90年代降水明显增加,到21世纪,降水的变化波动较为平稳,但较多年平均值仍呈减少的趋势。降水量在1987年发生突变。年均气温呈上升趋势,上升值为0.14℃C/10a,在1997年发生突变后整体呈波动上升趋势。潜在蒸散发的年际波动较大且呈逐渐增多的趋势,与气温的变化趋势大体相同,通过滑动t检验得出潜在蒸散发序列在1968年和2002年均发生突变。(2)采用累积量斜率变化率比较法和双累积曲线法分别计算降水及人类活动的贡献率。结果表明:罗家庙站受人类活动影响较明显,其贡献量在70%～72.9%,除上游罗家庙站以外,资水中下游在变异期I(1987-2001年),降水对流域径流的影响量大于人类活动的贡献率;在变异期II(2002-2014年),人类活动的贡献率大幅增加并逐步成为径流变化的主要驱动因素。运用灰色关联模型得到:1989年～2001年资水流域径流量与8个影响因素间的综合关联度排名为降水量>蒸散发>GDP>有效农田灌溉面积>气温>水库坝塘库容量>人口>大牲畜头数。2002年～2014年资水径流量与8个影响因素之间的综合关联度排名为气温>人口>大牲畜头数>降水>有效灌溉面积>蒸散发>水库塘坝库容量>GDP。由此可得在1989年～2001年间径流量的变化主要受到气象要素的影响,人类活动在此期间对径流量的影响较小。在2002年～2014年间气象要素对径流量的影响量大大降低,而人为要素成为主导因子。(3)建立资水流域分布式SWAT水文模型并从干流上游、中游到下游分别率定模型,使模型误差减少、精度提高。相对于1980年～1986年,径流量在1987年～2001年间,由气候变化引起径流量增加了 53.5亿m3,气候变化对径流量的变化贡献率占78%;土地利用对径流量变化的贡献率占6.5%;人类活动对径流量变化贡献率占15.5%。在2002年～2013年间,由气候变化引起径流量增加15.16亿mmm3,由原来78%的影响量降低为49.3%,土地利用引起径流量减少2.49亿m3,人类活动使径流量减少了 13.08亿mmm3,对径流量的贡献率达42.6%。综合来说,资水流域在此期间径流量的变化更多的来自于人类活动(包括兴修水库、城镇化建设、人工耗水等多方面综合因素共同作用)的影响。

关键词： 气候变化   径流   响应   西营河流域  

摘要： 基于1961—2015年西营河流域格点月降水、月均温、日最高气温、日最低气温,1956—2015年九条岭水文站月径流流量数据,运用M-K趋势检验、M-K突变检验、小波分析、模型构建等方法,在综合分析西营河流域近55年气候与出山径流演变特征的基础上,深入研究出山径流对气候变化的响应过程,并对出山径流在不同气候变化情景下的未来趋势作出预测。结果表明:(1)1961—2015年西营河流域的降水量经历了“波动中下降—微弱增加”的过程,整体呈微弱增加趋势。年均气温与潜在蒸散发量均呈“先减后增”、整体增加的变化趋势,转折点均为1983年。四季降水量、年均气温与潜在蒸散发量均在波动中增加,降水量在2002年发生突变,年均气温与潜在蒸散发量均在1996年发生突变。三者存在3a、16a左右的共同周期;(2)1956—2015年西营河出山径流年平均流量经历了“缓慢减少—快速增加—快速减少”的变化过程,整体呈微弱下降趋势,1990和2002年为其突变年份。就季节而言,出山径流流量春夏减少秋冬增加,夏季为出山径流年平均流量下降的主要贡献者;(3)地表径流流量和基流流量分别占出山径流流量的66%、34%,二者与出山径流年平均流量变化过程一致,仅有秋季的地表径流流量呈增加趋势,夏季为地表径流年平均流量下降的主要贡献者。基流流量春冬增加、夏秋减少,春季为基流年平均流量增加的主要贡献者。出山径流、地表径流、基流年平均流量均在2002年发生突变,与降水量突变的年份一致,气候要素与径流存在3a、16a左右的共同周期,西营河年径流深与年降水量呈现较好的正向同步变化特征,而其与年均温、年潜在蒸发量均呈现反向异步变化特征;(4)1961—2015年西营河径流系数平均值为0.551,秋季和夏季气象干湿变化对其水文干湿状况影响最显著。水文旱涝较气象旱涝具有明显的季节滞后性,夏秋较易发生水文干旱导致年际水文干旱频发;(5)出山径流、地表径流和基流对降水的响应程度均在秋季最强而在冬季最弱,不同时间尺度地表径流对降水的响应速度均快于基流对降水的响应速度,基流对降水的反应具有滞后性和不敏感性;(6)潜在蒸散发量与气温相同时,降水量的增加均会引起径流量的增加;降水量与气温相同时,潜在蒸散发量的增加均会引起径流量的下降;潜在蒸散发量与降水量相同时,年均气温升高会引起径流量的减少,夏季和秋季气温的升高会引起径流量的增加。年径流量和秋季径流量对降水量的变化最敏感,夏季径流对潜在蒸散发量的变化最敏感。

关键词： 气候变化   全球典型江河   径流   产水系数  

摘要： 江河径流是陆地水循环的重要组成部分,而陆地水循环又是水循环的重要分量,与水沙、水化学和水生态过程存在多向互馈,它的变化也会对全球变化产生显著影响。在气候变化和人类活动的综合影响下,陆地水循环过程和通量发生改变,干旱和洪涝等极端水文事件频繁发生,同时对水资源产生了显著影响,诱发了一系列生态环境效应,对社会经济发展和生态环境健康造成危害。识别气候变化背景下典型江河径流的时空分布规律及演变趋势,能够为陆地水循环演变及其在全球变化中的作用研究奠定基础,更是应对全球气候变化、解决水危机的重要基础和关键支撑。本文选取了全球40条典型江河,对入海径流量和径流系数的时间变化趋势、空间分布规律进行了分析,并对基于Budyko假设的径流变化归因分析方法进行了改进,定量计算了降水、潜在蒸散发、下垫面、冰川融水及人类活动对径流量变化的弹性系数和贡献率。选取黄淮海流域和长江流域为典型区,运用聚类分析等方法分析了产水系数、产水模数的演变规律,降水量、暴雨日数、无雨日数、植被覆盖度和土地利用对产水系数的影响程度,及产水模数与降水特性的关系。基于径流系数与径流和降水的关系,利用40个典型流域径流系数进行空间插值,再根据降水数据得到全球陆地径流量分布,分别从大洲、纬度带及全球总体不同尺度对径流量的时间变化和空间分布进行了分析。本文主要结论如下:(1)典型江河中径流量呈下降趋势的河流较多,在北美洲和非洲,河流径流量主要呈下降趋势,在欧洲主要呈上升趋势。径流系数变化相对稳定,在少数人类活动影响较大的流域中呈下降趋势。气候因素是径流量变化的主要影响因素,仅有约1/4的河流径流量受人类活动影响较大。径流量在亚热带季风性湿润气候和热带草原气候带内多呈上升趋势;在热带雨林气候、热带季风气候带内多呈下降趋势;在温带季风气候、温带大陆性气候和温带海洋性气候带内变化不大,基本呈稳定状态。中高纬度带径流量多呈上升趋势,中低纬度带人类活动影响较大的地区径流量多呈下降趋势,同时径流系数也呈下降趋势。(2)黄淮海流域产水系数在时间上变化较小,总体趋势为西部下降、东部上升;在空间上,从黄河流域中北部向周围逐渐增大。从影响因素看,产水系数与降水量、暴雨日数呈正相关,与无雨日数呈负相关;NDVI与产水系数变化率虽为正相关,但两者上升率却为负相关;土地利用类型的影响相对较小。长江流域产水模数在时间变化上表现为东部上升、西部不显著下降。在空间上,除中部偏西地区有异常外,大致为从北到南逐渐增加。产水模数的时空变化均与降水有密切联系。(3)近50年全球陆地径流量呈不显著上升趋势,上世纪90年代以后其年际变化频率和幅度均增大。六大洲中,只有非洲呈显著下降趋势,其余各洲无显著变化趋势。高纬度地区呈显著上升趋势,中、低纬度地区变化趋势不显著。各大洲、各纬度带的分段趋势各不相同。中低纬度带位于亚洲中北和西南部、北美洲北部和西南部、非洲北部及大洋洲的地区,径流量、降水量和蒸散发量均较小。中高纬度带位于亚洲东部和欧洲的地区,径流量、降水量和蒸散发量均较大。南美洲北部和东南亚的赤道两侧低纬度地区,降水量、蒸散发量和径流量均很大。此外北美洲东部、南美洲东部和非洲中部部分地区,降水量、蒸散发量大但径流量小。