关键词： 水文改变指标   指标二次优选   径流模拟   机器学习模型   抚河下游  

摘要： 水资源是人类生产与生活所必须的基础性自然资源,也是国家综合国力的重要体现。河川径流作为地表水资源的重要组成部分,在水资源利用分配中起着重要作用。为此,需要深入分析流域水文情势的演变情况,并在此基础上积极展开对河川径流量的模拟研究,为制定有效的水资源管理策略和应对干旱缺水挑战提供科学依据和技术支持。本文以江西省抚河下游为研究对象,利用MK检验、小波分析与滑动T检验方法识别了径流及气象序列中存在的的趋势、周期以及突变性变化特征。引入水文改变指标（IHA）及变化范围法（RVA）对各影响期流域水文情势改变程度进行了量化,并提出了一种主成分分析联合随机森林（PCA-RF）方法用于关键生态最相关水文指标（ERHIs）的二次优选。基于多种气象因子输入的循环神经网络（RNN）变体模型与信号分解优化的核极限学习机（KELM）模型开展了日、月尺度径流量的模拟研究。主要研究成果如下: （1）趋势方面,径流降雨年际变化不显著,而年内呈现汛期降低的整体趋势,枯季增加。周期方面,径流及降雨年序列在同周期尺度下具有部分相似的周期性变化特征。突变方面,径流年序列在1962、1983、2002年发生突变,与降雨、蒸发均存在共同突变点,根据变异情况将研究时期划分为基准期与三个影响期。 （2）三个影响期内抚河下游水文情势整体均发生中度改变,并呈现不同程度的趋势与对称性变化,IHA指标中最低日流量指标发生严重降低。初选得到八个ERHIs,并从中进一步优选出1月平均流量、4月平均流量、最小30日平均流量三个关键ERHIs。在人类活动与气候影响下,三个关键ERHIs都存在不同程度的下降趋势。 （3）随着预见期的增加,各RNN变体模型的日径流模拟精度均逐步降低。输入因子方面,相较于单一径流量输入,增加降雨与蒸发因子能够提升对日径流的模拟精度。在各模型组合中,降雨、蒸发双因子输入的双向深度门控循环网络（Bi-GRU）模型在1～3d预见期下取得最佳模拟精度,其1～3d预见期NSE分别为0.90、0.75、0.57,实现了高精度的日径流模拟。 （4）经过信号分解处理后,月径流模拟精度得到显著提升。各模型精度表现:VMD-KELM>STL-KELM>EMD-KELM>KELM。引入光谱优化算法（LSO）对KELM进行优化,模型精度进一步提升,其中VMD-LSO-KELM模型取得了最佳模拟精度,其验证期模拟的NSE与R2分别达到了0.93与0.95。因此,该模型能够有效处理月径流的非平稳性并对其实现较高精度的模拟。

关键词： 水库联合调度   分解协调   优化算法   径流演变   关中西部  

摘要： 随着人类经济社会的发展和环境变化,水资源供需矛盾愈来愈突出。研究水源工程的供水调度,是缓解区域（流域）水资源供需矛盾非常重要的非工程措施之一,可为区域水资源配置和水网规划建设提供科学依据,对保障用水安全、粮食安全和社会经济稳定具有重要意义。论文以陕西关中西部地区为研究区域,以区内宝鸡峡引渭灌溉工程、石头河水库、冯家山水库、羊毛湾水库4个重点水源工程为研究对象,研究了河源来水规律,分析计算了各部门需水过程,分别构建了单水源工程多目标供水优化调度和联合供水调度模型,研究了长系列供水优化调度与常规调度,以期为关中西部供水调度和水资源配置提供理论依据。本文主要研究内容及成果如下: （1）基于极点对称模态分解法、M-K趋势检验、Spearman秩次相关系数检验、Pettitt检验、有序聚类检验及滑动秩和检验依次对关中西部重点水源工程的来水进行径流演变特征分析并选取代表期。结果表明:林家村水库、冯家山水库、羊毛湾水库、石头河水库的年径流均呈现显著下降趋势;四个水库年径流的突变点均在上世纪90年代;除冯家山水库的年径流存在14年的大周期,其余水库年径流均存在20年左右的大周期;选取代表期为1993～2018年。 （2）基于Penman-Monteith公式结合各灌区种植情况对各灌区灌溉需水量进行估算,并结合供水任务及生态流量控制政策,分析确定了各供水对象的需水系列,并对灌溉需水与来水的频率匹配进行分析,选取相应的资料系列进行水库调度研究。结果表明:宝鸡峡塬上灌区和冯家山水库灌区的来需水匹配程度较差,羊毛湾与石头河水库灌区的匹配程度较好。 （3）基于各水库的供水任务,以发电量最大（除羊毛湾水库）、灌区缺水量最小、生态缺水量最小为目标函数,构建各水源工程的多目标优化调度模型,并利用NSGA-Ⅱ优化算法进行求解,得到不同目标间的竞争关系,结合TOPSIS法选出兼顾多个目标的最优调度方案并与常规调度结果进行对比。结果表明:发电量与灌区缺水量、生态缺水量与灌区缺水量两两之间存在明显的竞争关系,发电量与生态缺水量间随灌区缺水量的减小,两者关系由无明显竞争转变为竞争关系;各水源工程的优化调度结果整体上均优于常规调度结果;各水库的优化调度图,存在随来水减小,正常供水区变小而限制供水区变大的现象。 （4）基于分解协调理论,结合各水库的调度模型,构建以灌区缺水量最小为目标函数的联合优化调度模型,并利用GA优化算法进行求解,得到水库联合优化调度过程,与常规调度结果进行对比,并绘制相应调度图。结果表明:联合优化调度各水源工程多年平均缺水合计13740万m3;羊毛湾水库从冯家山水库多年平均调水111万m3;宝鸡峡引渭塬上灌溉工程从冯家山水库多年平均调水577万m3,魏家堡引水枢纽利用宝鸡峡引渭塬上灌溉工程弃水多年平均4341万m3、冯家山水库55万m3、石头河水库1838万m3;常规调度情况下的多年平均缺水量比优化调度下大7195万m3,联合优化调度后,关中西部水源工程的供水量得到明显提升。

关键词： 宁夏   清水河   径流演变   生态水文干旱   驱动因素  

摘要： 宁夏地区干旱少雨,生态环境脆弱,是我国干旱缺水最严重的地区之一,干旱的极端事件频现,造成了严重且持续性的损失,干旱预防和治理的重要性越来越显著,探究宁夏区域内河流的干旱状况研究为水生态文明建设提供了科学依据和可靠途径。本文以宁夏区域内黄河第一大支流清水河为研究对象,分别选取上中下游各自的代表水文站,通过统计分析方法和模型对站点的数据进行计算,分析清水河径流量演变规律和生态水文干旱演变特征,并定量评估人类活动与气候因素对生态水文干旱的贡献率,主要研究成果包括: (1)清水河水文情势变化特征分析。研究主要采用TFPW-Mann-Kendall法和小波分析法确定径流的趋势性、突变性和周期性,并使用RI法和IHA-RVA法评估河流的水文改变度。结果表明,清水河流量主要集中在6～9月份,下游流量显著增加,中上游流量显著减少,上世纪70年代和90年代期间均有发生突变;清水河中下游存在37～39a左右的主导周期,上游存在16-17a主导周期;极端低流量事件上游主要分布在2～5月,中下游集中在12月～次年2月;清水河水文情势基本呈现高度改变。 (2)清水河生态水文干旱特征分析。本研究采用核密度估计法计算生态流量,以此构建生态水文干旱指数,分析了生态水文干旱的变化趋势和特征值,并采用交叉验证确定了干旱发展速度和恢复速度最佳理论值。结果表明,清水河生态水文干旱的重度干旱和特大干旱基本都分布在7～10月份,夏季干旱程度显著加剧;清水河下游干旱程度显著减弱,中上游干旱程度显著加强,在20世纪90年代中后期发生突变;清水河下游干旱历时变短,整体干旱强度降低,中上游干旱历时变长,干旱强度加剧;清水河平均干旱发展速度最佳理论值突变前后分别为-1.22/月、-1.11/月,平均干旱恢复速度最佳理论值突变前后分别为0.53/月、0.84/月; (3)清水河生态水文干旱驱动因素研究。本研究采用生态亏缺量的变化计算气候与人类活动的贡献率,使用交叉小波法、灰色关联度法和社会经济数据分析了气候、人类活动与干旱的相关性。结果表明,清水河上中下游人类活动的贡献率分别为76.5%、69.1%、65.6%,气候因素为23.5%、30.9%、34.4%,人类活动是生态水文干旱的主导因素,且从上游到下游人类活动对干旱的影响程度逐渐降低。

关键词： 中国   气候变化   植被变化   径流变化   水热耦合   归因分析  

摘要： 近年来,全球变暖引起的气候变化和剧烈的人类活动,对流域生态水文过程产生了深远影响。在自然界的整个水文循环系统中,径流起到了主导作用,且具有非线性、随机性和突变性等复杂特征。研究表明,径流过程不仅受到降水、潜在蒸散发等气象因子的直接影响,而且受流域下垫面特征(如植被覆盖、土地利用)的间接调控。在全国尺度下开展进行植被变化对径流的影响研究,对于理解气候变化及复杂地理环境下的水循环演变规律具有重要的科学意义。为此,本研究基于1982-2016年的水文气象数据以及归一化植被指数NDVI数据,运用趋势分析、相关分析及残差分析等多种统计方法以及Budyko水热耦合平衡原理分析了中国218个三级流域植被与径流的时空演变规律,定量评估了植被变化对径流的影响。论文主要研究内容和结果如下: (1)植被变化及归因分析。研究采用Sen+Mann-Kendall、变异系数、偏相关系数、残差分析等方法研究了不同流域植被的时空变化规律及其与降水、气温和潜在蒸散发的相关关系。结果表明,1982-2016年全国年平均NDVI呈稳步增长趋势,总体增长了7.76%。NDVI呈显著增长的流域有89个,占比达到了41%,主要位于南方地区及黄土高原地区。NDVI对各气象因子的响应表现出明显的空间异质性,与降水和气温的偏相关系数较高,与潜在蒸散发的偏相关系数较低,黄土高原地区部分流域的NDVI与降水呈显著正相关。残差分析结果显示,人类活动是植被变化的主导因素,但气候变化对植被生长的影响也不容忽视,两者对植被变化的贡献分别为56.26%和43.74%。 (2)植被变化对径流的影响分析。研究基于流域水量平衡方程和Budyko水热耦合平衡原理,通过计算径流对降水、潜在蒸散发和下垫面参数n的弹性系数量化各因子对流域径流变化的贡献,并进一步根据NDVI与下垫面参数n的拟合关系分析植被变化对流域径流的影响。结果表明,径流与降水呈正相关,与潜在蒸发和下垫面参数n呈负相关,且径流对降水的敏感性高于对潜在蒸散发和下垫面变化的敏感性,降水每减少1%,潜在蒸散发和下垫面参数n每增加1%,径流深分别减少1.54%,0.54%和0.98%。降水和下垫面对径流变化起主导作用,降水主导的区域集中在长江流域、珠江流域、淮河流域和海河流域,下垫面主导的区域集中在西北内陆河流域,且降水是引起全国径流变化的最主要因素。下垫面参数n与NDVI的拟合结果显示,西北内陆河流域下垫面参数n与NDVI呈较为明显的正相关关系,利用弹性系数法和复合链式求导法则求得径流对NDVI的弹性系数平均值为-1.02,即NDVI每增加1%,径流深减少1.02%。

关键词： 黄河源区   SWAT模型   径流变化   气候变化   生态演变  

摘要： 河川径流是流域水文循环的关键要素和环节,在调节陆地水文过程、维持生态系统平衡以及水资源供给等方面发挥着重要作用。目前,已有研究对黄河源区径流变化过程进行分析,然而对其变化原因和机理的解释仍未有定论。本研究基于黄河源区水文、气象和生态资料,采用Mann-Kendall趋势检验、Pettitt突变检验、Morlet小波分析等方法研究了黄河源区径流量的变化规律及其影响因素,利用SWAT模型定量分析降水、气温和土地利用变化对径流变化的贡献,阐明径流变化的影响机制,为黄河源区水资源综合利用和优化配置以及促进黄河流域高质量发展提供科学参考。主要结果如下: (1)黄河源区径流变化趋势不显著。1960～2020年黄河沿、吉迈站流量呈不显著上升趋势,玛曲、唐乃亥站流量呈不显著下降趋势;1990年后径流量由较高水平突变为较低水平,吉迈以上区间2005年后径流量有所恢复;存在8 a的小时间尺度周期和37 a的大时间尺度周期。 (2)黄河源区气候呈现暖湿化趋势。降水量和平均气温均呈极显著上升趋势(P<0.01),2000年后降水量和气温增长速率加快;降水量周期与径流存在一致性,而气温的大尺度周期略短于径流周期。 (3)黄河源区生态环境明显改善。NDVI呈显著上升趋势(P<0.01),超过50%区域面积的NDVI有显著增长,东部地区植被覆盖改善情况优于西部,由于三江源生态恢复工程的施行,黄河源区2000年后的土地利用变化相比2000年前更加明显,主要体现在未利用土地向低覆盖度草地的转移。 (4)SWAT模型在黄河源区具有较好的适用性。基于流域DEM、土壤属性和土地利用数据将黄河源区划分为75个子流域和682个水文响应单元。利用吉迈站和唐乃亥站月径流序列进行率定与验证,两测站在率定期与验证期内相对误差PBIAS小于15%,效率系数NS大于0.60,达到精度要求,能够反映黄河源区逐月产流过程。 (5)气候变化为黄河源区径流变化的主导因素。降水量和气温与径流量显著相关,NDVI与径流量相关性较小。降水量增大引起径流量提高,相对贡献率为43.9%;气温升高引起蒸散发增加,同时引起多年积雪和冻土消融,综合作用下径流量减少,相对贡献率为6.2%;2000年后人类活动促进了流域内植被覆盖度的提高,土地利用变化使径流量有所削减,相对贡献率为22.8%。