Synergistic changes in river-lake runoff systems in the Yangtze River basin and their driving force differences

Climate change and human activities simultaneously alter river–lake relationships. Determining the dynamics of river–lake runoff systems on multiple time scales and their differences in response to driving forces can provide insights into hydrological processes and water resource management. This study investigates the synergistic evolution of river–lake runoff systems in the middle and lower reaches of the Yangtze River basin (MLYR) using the cross-wavelet transform method. The effects of different driving force changes on river–lake runoff regimes are quantified based on the Budyko hypothesis, and an InVEST model is developed to assess the spatial and temporal patterns of habitat quality. The results indicate that during the variation period, the runoff distributions of the Yangtze River–Dongting Lake and Yangtze River–-Poyang Lake runoff systems are both skewed towards lower values in the flood seasons compared with those in the base period. The storage of lakes mitigates the extent of human disturbance to the mainstream hydrological regime, particularly under extremely low conditions. From 1960 to 2021, five significant resonance periods are indicated in the river–lake runoff system, and the phase–angle relationships indicate a positive phase coupling between the lake and mainstream hydrological regimes, with the lake lagging behind the mainstream; however, this interaction tends to weaken. In the mainstream and Dongting Lake basins, subsurface conditions are the dominant factor contributing to runoff variability, with contributions ranging from 50.9% to 72.6%; in the Poyang Lake basin, precipitation is the dominant factor, with a contribution of 50.6%; and in the Han River basin, changes in the potential evapotranspiration contribute to 50.6% of runoff variability. The proportion of high habitat quality in the MLYR is approximately 52%, the Dongting and Poyang Lake basins indicate a high habitat quality rating. However, frequent human activity is the main reason of conversion from higher habitats to lower ones, which may result in wetland habitat degradation.     

泰国蒙河流域水沙变化趋势及影响因素

水沙变化是影响泰国社会经济发展的重要因素。基于湄公河支流蒙河流域下游乌汶水文站1980—2014年径流量和输沙量监测数据,运用线性回归、Mann-Kendall及小波变化等方法分析了水沙序列的演变规律,探讨了流域水沙变化的驱动力。结果表明: 研究期间,蒙河流域年径流量呈微弱增加趋势,输沙量呈减少趋势;2000年以前,输沙量与径流量保持同步变化,但2000年以来输沙量显著减少;汛期径流量和输沙量均呈下降趋势。水沙突变点的发生年份不完全一致,径流量的突变点分别发生在1999、2006和2011年,而输沙量的突变点为1986、1999和2011年。径流量变化的主周期依次为14、8和4年,输沙量的主周期依次为32、12、9及4年,除输沙量32年变化周期外,水沙变化周期基本一致,均与南方涛动、地极移动、太阳黑子活动等因素有关。月径流量与输沙量具有显著的相关关系。海-气作用和人类活动是流域水沙变化的重要影响因素。厄尔尼诺和拉尼娜与流域降雨关系密切,并直接影响流域水沙变化。2000年以来,流域内建设用地面积增加,林地面积减少,流域产流能力提高,而水库大坝的建设导致流域汛期径流量和输沙量减少,抵消了林地减少对输沙量增加的影响。     

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法

水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素。以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据。与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征。其次,利用多期MODIS数据驱动的TS/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进。通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7%和-1.5%。结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟。2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度。     

水文变异条件下鄱阳湖流域的生态流量

受气候变化和人类活动综合影响,鄱阳湖流域水文状况发生变异。河流生态系统适应了变异前的水文状况,变异后势必会影响当地生态系统。基于此,采用8种变异检测方法对水文变异进行综合诊断,阐明水文变异原因。在此基础上,采用15种概率分布函数分别拟合5站各月变异前日流量序列,最终确定5站点各月最优分布函数及所对应的概率密度最大处的流量,即得河道内生态流量。研究表明:(1)抚河于1962年发生弱变异,赣江、修河于1968年发生中变异,信江、饶河于1991年发生弱变异;(2)变异后,赣江、信江、饶河、修河生态需水满足率平均上升11%,抚河生态需水满足率下降32%;(3)水文变异增加提高生态需水满足率,水利工程建设降低年均生态需水满足率、提高干季生态需水满足率。高森林覆盖率提高干季生态需水满足率,对年均生态需水满足率影响不明显。研究结果为鄱阳湖流域水资源管理及区域水资源规划与配置提供重要科学依据。     

浑太森林流域径流过程模拟

基于浑河与太子河上游1998-2007年北口前站和南甸峪站水文数据以及清原、新宾和本溪县气象站点同期气象数据,应用DHSVM分布式水文模型模拟浑太流域的水文过程,验证模型的科学适用性,并提供最敏感模型参数的参考值.结果表明：浑河源区月径流模拟的Nash-Suttclife系数(E值)在率定期(1998-2002年)和验证期(2003-2007年)分别达到0.9675和0.8957,较好重现了研究区的月径流过程.太子河上游流域的年、月径流模拟值的E值均大于0.6,说明模型在浑太流域有较好的适用性、率定的参数方案有良好的可靠性.本文为无站点观测资料的流域水文研究建立了一个坚实的框架,并构建了合理的参数方案.     

黑龙江省汤旺河和呼兰河流域森林对河川年径流量的影响

利用连续１７年的流域森林资源和水文资料,分析黑龙江省汤旺河和呼兰河流域森林对河川径流的调节效应,结果表明：（１）森林能使径流年内分配和年际变化趋于均匀,其调节径流能力与森林状况相关;（２）森林覆被率和单位面积蓄积与河川年径流量和年径流系数均呈正相关关系,森林具有增加年径流量和年径流系数的作用,但年径流量和年径流系数主要受年降雨量的影响。     

岷江上游不同景观结构小流域水量平衡的比较

研究了1988～2002年岷江上游两个小流域（镇江关流域和黑水河流域）不同景观结构（土地覆盖、海拔、坡度、斑块密度、最大斑块指数等）对水量平衡的影响.基于两个流域土地覆盖类型、1988～2002年多年平均降水量和蒸散量的空间分布、两个流域土地覆盖类型同期多年平均径流深度的数据,得到不同土地覆盖类型的海拔、坡度、坡向与降雨、蒸散、径流的关系.结果表明,两个流域有林地海拔、坡度、坡向的不同导致其降水、蒸散降水比、径流降水比各异;两个流域草地水量平衡对景观格局的响应模式与有林地基本一致;由于黑水河流域的耕地分布在干旱河谷中,其蒸散量远远大于降水量,耕地本身的景观结构（坡向、坡度,斑块密度）并不对其水量平衡产生影响,这一点与镇江关完全不同.     

小波变换在岷江上游杂古脑流域径流时间序列分析中的应用

采用Dmey小波函数对杂古脑(岷江的一个重要流域)水文站41年(1962～2002)的月径流时间序列进行了多尺度分析和周期性分析.结果表明,无论在64月(5.4年)还是在128月(10.7年)的时间尺度上,1962～1978年期间杂古脑流域植被虽然破坏严重,但其径流相对稳定,并略低于多年历史平均;1986～1997年期间径流明显处于上升趋势,表明全球变暖对岷江上游水文动态规律具有重要影响.周期性分析发现,在最近40多年间,杂古脑流域径流出现了多次丰枯交替,次数与时间尺度有关(5年尺度7次,10年尺度3次).这表明在流域尺度上研究土地利用/土地覆盖变化的水文效应时应考虑全球气候变化的影响.     

洞庭湖流域中上游地区景观格局变化的水文响应

将洞庭湖流域中上游地区1980、1995和2000年的Landsat MSS和TM卫星照片解译所得的景观数据,与经过最大似然估计法“消噪”的湘、资、沅、澧四水入湖水文站的年内最高洪峰水位、最大瞬时流量、年入湖径流量和年入湖泥沙量数据进行Paneldata模型处理,并对处理后的景观和水文数据进行灰色分析和主成分分析。结果表明：研究区最高洪峰水位的变化受景观格局变化影响最大,入湖泥沙量的变化受景观格局变化影响最小。对最高洪峰水位变化影响最大的是山地水田、水库坑塘和灌木林地疏林地景观面积的变化,影响指数值分别达-48．5、-48．1和45．2;对最大瞬时流量变化影响最大的是水库坑塘、水田（山地水田除外）和灌木林地疏林地景观面积的变化,影响指数值分别达-41．9、41．2和41．2。有林地景观因林分差和林种结构单一,对各水文特征指标变化的影响较小,影响指数值分别仅为-10．1、-13．5和-14．5。     

基于AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县非点源污染输出评价

非点源(NPS)污染已成为全球关注的环境问题。由于NPS特点、实验手段和监测数据的局限,其研究多采用数学模型进行时间和空间模拟。模型模拟提供了一种成本低效率高的手段来评定区域非点源污染。选择连续农业非点源污染AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型,构建该模型数据库,模拟秭归县黑沟、兰陵溪、杉木溪等3条典型流域和县域径流、泥沙和营养物质的输出。结果表明：AnnAGNPS模型对3条典型流域的径流模拟能力高于对泥沙和养分的模拟,径流模拟误差均在可接受范围之内,说明模型中采用的径流预测(SCS曲线)法对研究区的地理气候条件是适用的;对3条典型流域泥沙输出模拟误差较高,对氮磷等养分输出模拟的误差最高,通过调整RUSLE和HUSLE等子模型的输入参数来减小泥沙模拟误差;对小型降雨径流事件,模型泥沙、养分模拟误差有偏大趋势,对较大降雨径流事件,模型泥沙和养分模拟误差有偏小趋势;2006年秭归县县域模型模拟的地表径流量为363 mm,泥沙输出为19.6 t/hm2,总氮输出为122 kg/hm2,总磷输出为28 kg/hm2,有机碳输出为581 kg/hm2,模拟结果与相关文献研究和政府统计数据较为相符;AnnAGNPS模型对NPS污染物输出模拟具有一定的不确定性,但作为一个较好的高级农业流域管理工具,该模型可以在三峡库区地理气候条件下使用。     

海南岛干旱地区昌化江径流变化及影响因素

识别降水量和径流量变化过程及其影响因素对流域生态安全有重要意义。以海南岛干旱区昌化江流域主要控制水文站宝桥站58年(1956-2013年)水文资料为基础, 采用肯德尔秩次相关等统计方法和GIS技术研究流域内降水径流的变化特点及变化原因。结果表明: (1)降水和径流序列均呈缓慢上升趋势, 但2003年后径流序列有明显下降。(2)应用有序聚类分析径流系数跳跃成分, 结果显示1989年和2003年前后发生了较大改变。(3)将1956-1988年作为无人类活动影响的基准期, 建立降水-径流关系, 分析人类活动对径流变化过程的影响, 表明人类活动的间接影响使昌化江径流量减小, 流域植被覆盖率减少使蒸发作用加大, 导致径流量降低。(4)2003-2013年人类的活动影响使得昌化江径流量大幅减少, 其中直接影响减少量63.5 mm, 间接影响减少量为53.7 mm, 总减少量为117.1 mm, 人类活动综合影响对径流量下降的贡献率为13.9%。禁止砍伐热带雨林, 减少种植经济作物对维护流域生态安全尤为关键。     

基于随机森林模型的茹河流域水沙变化及其影响因素研究

水沙关系不协调已成为制约黄河高质量发展的关键问题,揭示径流量与输沙量变化的主要影响因素,对适应生态经济发展条件下的水土流失治理工作具有指导意义。以茹河流域为研究对象,采用M-K检验和Pettitt检验分析茹河流域1989—2019年水沙变化趋势,运用双累积曲线法定量研究了降雨和人类活动对茹河流域径流量、输沙量变化的贡献率,通过随机森林回归分析探索了影响水沙变化的主控因子。结果表明：(1)茹河流域径流量和输沙量峰值对应情况良好,但在2012年之后径流量和输沙量呈现出明显分异,径流量逐渐增加,输沙量平稳减小。(2)茹河流域径流量突变点为1996年和2003年,输沙量突变点为1996年和2004年,影响期的两个阶段中,人类活动对径流量的贡献率分别为95.95%和77.52%,对输沙量的贡献率分别为78.31%和77.91%。(3)显著影响径流量的因子为农作物播种面积、耕地面积、草地面积和人口密度,显著影响输沙量的因子为植被覆盖度、水利环境投资占比、人口密度和工业总产值。(4)农作物播种面积和耕地面积的变化对径流量的影响均呈显著正相关,草地面积和人口密度对径流量响应关系为显著负相关;植被覆盖度...     

基于SWAT模型的汾河流域生态补水研究

随着人类对于河流的开发利用日益增强,显著改变了河流的天然径流过程,生态供水不足成为流域生态系统健康的重要制约因素。以山西省汾河流域为研究区,基于天然和实测径流数据,利用SWAT模型分别模拟了流域近30年天然径流和近10年跨流域调水情况下现状径流过程,并在此基础上对流域各河道生态流量及现状径流量进行时空量化,探讨了不同生态流量标准下生态缺水量在时间和空间上的变化情况。研究结果表明：(1)汾河流域各河道生态流量时空差异明显,汛期(0.50—18.80m~3/s)河道生态流量需求显著高于非汛期(0.05—1.81m~3/s),总体分布特征为中下游干流远高于上游支流;(2)在Tennant法的不同生态流量标准下,汾河流域非汛期生态流量保障情况整体优于汛期,高频缺水区主要分布在支流,呈上下游分散分布;(3)在中等级生态流量标准下,流域约84%的区域能保障基本生态流量需求,关键缺水区为岚河、潇河、浮山县及浍河地区;(4)建议流域生态补水在时间上侧重汛期补水,空间上侧重高频缺水地区,基于流域生态缺水量时空分布特征分配跨流域调水资源,提高水资源利用效率。研究从时空上量化了跨流域调水工程实施后流域生态流...     

无定河流域不同地貌区径流变化归因分析

分析了无定河流域干流与其支流(黄土丘陵区的大理河和风沙区的海流兔河)的年径流变化(1960—2012)及其成因,并预测了其径流的变化趋势。结果表明:无定河及其不同地貌区支流海流兔河和大理河流域1960—2012年径流量均显著下降,但年降水量未发生显著变化;无定河和海流兔河流域年蒸散量未发生显著变化,仅大理河流域年蒸散量在1990s年代后期显著增加。无定河流域径流变化突变点发生在1979年和1996年,海流兔河流域径流变化突变点在1971年和1990年,而大理河流域径流突变点发生在1971年。人类活动对大理河流域1972—2012年径流减少的贡献大约占50%,对海流兔河流域1972—1990年和1991—2012年两个时期径流减少的贡献率分别为44.4%和82.4%。未来,无定河及其支流年径流量均呈持续下降趋势。归因分析表明大规模的水土保持治理措施减少了大理河流域侵蚀产沙量的同时,也在一定程度上减少了大理河流域的径流量,而过度的农田灌溉引水是海流兔河径流量下降的主要原因。因此,未来在大理河流域要优化现有植被建设布局,减少流域蒸散发,减缓径流下降;在海流兔河流域要进一步退耕还林(草),适当控制农田灌溉面积,提高灌溉用水效率,在减少灌溉用水的同时提高流域水源涵养能力。     

基于SIMWE模型的典型水土保持措施侵蚀阻控路径分析——以通双小流域为例

针对东北黑土区长缓坡地形条件下坡面产汇流集中易加剧土壤侵蚀的问题,本研究基于GIS和SIMWE(SIMulated Water Erosion)模型,引入连通性指数和水深空间分布作为水文连通性与径流路径的衡量指标.通过量化不同典型水土保持措施对土壤入渗速率和地表曼宁糙率的影响,构建梯田数字高程模型(DEM)模拟表征地表...     

北京市妫水河流域人类活动的水文响应

选取1986-1987年、2005-2006年为两个研究时段,解译1987年和2005年两幅土地利用图,分析土地利用和气候变化情况.利用土壤水评价模型(Soil Water Assessment Tool,SWAT)量化近20年来人类活动对妫水河流域产生的直接与间接影响.结果显示:人类活动的间接影响使径流量增加,汛期(6-8月)增加显著,增幅达34.67％.另外,涨水与退水过程明显加快,径流分配趋于不均匀.人类活动的直接影响使径流量大幅度降低,平均径流系数下降了87％以上.涨水和退水过程基本消失,径流量分配趋于均匀.因此,在妫水河流域,人类活动的间接影响使流域涵养水源能力下降,易发生洪涝和干旱.人类活动的直接影响增加了降水的利用率,减少了洪涝和干旱.     

高山峡谷地区森林流域分布式降雨-径流模型的构建与验证

根据岷江上游杂谷脑河流域典型的高山峡谷地区主要水文特点,选择通用性较强的水文过程模式,构建高山峡谷地区森林流域分布式降雨-径流过程模型,避免过多复杂的区域性模型参数率定,保证模型在相似地区的可移植性;并选择杂谷脑水文站上游地区进行降雨-径流过程模拟,得到1999年和2000年模拟时段长度为1000 h的两个径流过程,对模拟与实测的径流过程、累积径流量、洪峰流量与峰现时间等进行比较,其拟合效果较好.该模型结构简单,引入的经验参数较少,可推广应用到其它尺度流域.     

A water quality analysis system to evaluate the impact of agricultural activities on N outflow in river basins in Japan

We have developed a personal-computer-based water quality analysis system for river basins. The system estimates potential N outflow by model and calculates actual N outflow from monitoring data. For the former it uses the potential load factor method to estimate annual nitrogen load from various sources and runoff potential from each area of land in a basin. For the latter it analyzes water quality monitoring data in relation to meteorological data. We used the system to analyze N outflow in basins around Lake Kasumigaura and the Yahagi River in central Honshu, Japan. The land around Lake Kasumigaura is rather flat, and about 25% is periodically flooded for rice and lotus cultivation. The land around the Yahagi River is mountainous, and much less land is flooded. In the Yahagi River basin the actual N outflow agreed closely with the potential. However, the actual N outflow in the basin around Lake Kasumigaura was much less than the potential, suggesting that a large part of the N load is denitrified in flooded soils. This further indicates that a sequence of different land uses including flooded rice fields is an important factor determining N outflow in basins in Japan. On the basis of the above analyses, we incorporated a denitrification model into the system that enables us to estimate N balance in a designated basin;this system may be helpful in the formulation of scenarios of land use andsoil management for improving water quality.     

A water quality analysis system to evaluate the impact of agricultural activities on N outflow in river basins in Japan

We have developed a personal-computer-based water quality analysis system for river basins. The system estimates potential N outflow by model and calculates actual N outflow from monitoring data. For the former it uses the potential load factor method to estimate annual nitrogen load from various sources and runoff potential from each area of land in a basin. For the latter it analyzes water quality monitoring data in relation to meteorological data. We used the system to analyze N outflow in basins around Lake Kasumigaura and the Yahagi River in central Honshu, Japan. The land around Lake Kasumigaura is rather flat, and about 25% is periodically flooded for rice and lotus cultivation. The land around the Yahagi River is mountainous, and much less land is flooded. In the Yahagi River basin the actual N outflow agreed closely with the potential. However, the actual N outflow in the basin around Lake Kasumigaura was much less than the potential, suggesting that a large part of the N load is denitrified in flooded soils. This further indicates that a sequence of different land uses including flooded rice fields is an important factor determining N outflow in basins in Japan. On the basis of the above analyses, we incorporated a denitrification model into the system that enables us to estimate N balance in a designated basin; this system may be helpful in the formulation of scenarios of land use and soil management for improving water quality.     

Influence of hydrology process on wetland landscape pattern: A case study in the Yellow River Delta

A comprehensive study using ecological engineering analysis was conducted on the influence of the hydrology process in the Yellow River Delta. It was found that water and sediment played an important role in the formation and maintenance of the estuarine wetland. Based on hydrological data (1950–2005), meteorological data (1954–2005) and landscape data produced from integrated Landsat TM images of the Yellow River Delta, the relationship among all the above factors has been analyzed. The results indicated that runoff, sediment discharge and the area of the reed marsh wetland, meadow wetland and tidal wetland had evidently decreased from 1986 to 2001. The runoff and sediment discharge into the Yellow River Delta at a rate of 200–300 × 10⁸ m³ and at 5–8 × 10⁸ t, respectively, were probably the most optimal range for maintaining the stable wetland landscape pattern. Regression analysis and principal component analysis showed that there was a strong positive correlation between the area of wetland landscape and runoff, sediment discharge, whereas there was a negative correlation between the area and the temperature, and there was no significant trend with precipitation levels. The water and sediment discharge are the dominant variable factors of the wetland. Human activities also have an important influence on transformation of wetland types as well as wetland degradation. Therefore, with economic development, climate change and sustainable utilization of resources, great attention should be paid to the changes of natural landscape and their causes.