赣江上游章水流域水沙变化及其归因分析

随着气候变化和人类活动的加剧,流域水沙情势发生变化,定量分析降水变化和人类活动的水沙效应是当前水科学研究的热点。本文基于赣江上游章水流域1961—2020年的水文、气象观测资料,采用累积量斜率变化率比较法、经验统计分析法定量分析了降水变化和人类活动对水沙变化的贡献率及人类活动的水沙效应对年降水量响应的临界值。结果表明：降水量和径流量均呈非显著下降趋势(P>0.05),输沙量呈极显著下降趋势(P<0.001);降水量和径流量的突变年份均为2003年,输沙量的突变年份为1998年;降水变化和人类活动对径流减少的贡献率分别为10.7%和89.3%,对输沙减少的贡献率分别为3.5%和96.5%;人类活动的减水、减沙效应对年降水量响应的临界值分别为1170 mm和858 mm。研究成果可为流域生态建设、水土资源优化管理提供科学依据。     

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.     

应用SWAT模型研究潮河流域土地利用和气候变化对径流的影响

为定量分析潮河流域土地利用和气候变化对流域径流变化的影响,应用SWAT模型对流域上游至下游的大阁、戴营和下会3个水文站径流进行模拟,采用情景法分析径流对土地利用和气候变化的响应。在模型校准期和验证期采用两个参数:p因子和r因子来评价模拟的拟合度及不确定性。结果表明,3个水文站在校准期和验证期的p因子值分别为:0.70和0.77,0.87和0.82,0.92和0.78,r因子值分别为0.63和0.90,0.97和0.79,0.88和0.92,评价整个流域模拟有效性的模型目标函数g最佳值为0.66,说明该模型对潮河流域的产水量模拟具有很好的适用性。以1981—1990年为基准期,1991—2000年流域土地利用变化造成年径流量减少了4.10 mm,而气候变化导致年径流增加了29.68 mm;2001—2009年土地利用变化造成年径流量减少2.98mm,气候变化造成年径流量减少了14.30 mm。与1999年土地利用条件模拟径流值相比,几种极端情景法模拟分析结果表明:灌木林地情景下年径流增加了158.2%,草地情景下年径流增加了4.1%,林地和耕地情景下年径流分别减少23.7%和41.7%;不同气候变异情景模拟结果显示,径流对降水的变化敏感性高于对温度变化的敏感性,降水每增加10%,径流平均增加23.9%。温度每增加12%,径流平均减少6%。因此,在气候变化背景下,优化土地利用结构与方式是实现流域水资源科学管理的途径之一。     

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。     

彭冲涧小流域植被恢复的水文效应及其对年降水量响应的临界值

对流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文研究领域中一个重要的科学问题.本研究以降水充沛的彭冲涧小流域为对象,运用Mann-Kendall检验法对彭冲涧小流域1983—2014年的降水、径流序列进行突变分析;采用经验统计分析法,分析降水变化和植被恢复对小流域径流的影响及其贡献率,并计算年尺度上植被恢复的水文效应对降水量响应的临界值.结果表明: 2003年为降水与径流的一致突变点;相对于基准期(1983—2003年),变化期(2004—2014年)的年降水量、年径流深分别减少8.7%、29.2%,年平均减少幅度分别为12.7、22.1 mm;春、夏、秋、冬季及年尺度上的平均径流深分别减少100.2、105.8、25.2、23.4和243.0 mm,其中,降水变化的贡献率分别为58.9%、71.6%、65.5%、35.0%和57.1%,植被恢复的贡献率分别为41.1%、28.4%、34.5%、65.0%和42.9%;植被恢复的水文效应依赖于年降水量,且临界值为1181 mm.当年降水量小于1181 mm时,植被恢复增加了年径流深;当年降水量大于1181 mm时,植被恢复减小了年径流深.此临界值的存在,将有助于解释不同流域植被恢复对径流影响贡献率的差异性,有助于找到森林对径流影响存在争论和分歧的原因.     

密云水库上游径流变化趋势及影响因素

对径流演变规律的认识和研究是水资源得到有效利用的前提。密云水库是北京市唯一的地表水源地,水库的正常运行对北京市供水安全有重要的意义。2015年9月,南水北调的水开始进入密云水库,对密云水库上游径流量的研究可以使南水北调的水与其相互配合,有效补充密云水库的水资源,研究上游河流的径流变化趋势很有必要。以密云水库白河(张家坟站)和潮河(下会站)水文站1960—2014年的月径流数据为基础,采用年内径流不均匀系数、滑动平均法、Mann-Kendall突变检验法、小波分析方法、双累积径流曲线法分析了密云水库入库径流的年内分配特征和年际变化特征,径流变化周期趋势及降雨和人类活动对径流变化的影响。结果表明:密云水库入流径流量主要分布在7—9月之间,占全年径流量的70%;白河流域年内径流变化较为剧烈。50年来白河与潮河径流量有减少趋势,递减率分别为3.24m~3s~(-1)(10a)~(-1)和1.60m~3s~(-1)(10a)~(-1)。白河流域和潮河流域径流量存在周期为7a的变化特征。利用累积径流曲线分析降雨和人类活动对密云水库上游径流量的影响,结果表明人类活动是影响密云水库径流变化的主要原因,为71.36%—91.39%,其中白河流域受人类活动干扰更为剧烈。     

黄土塬区气候变化和人类活动对径流的影响

以黄土高塬沟壑区的黑河流域(泾河支流)为研究区域,基于Mann-Kendall和双累积曲线等方法分离了1972-2000年气候变化和人类活动对径流的影响。结果表明,黑河流域气候趋向暖干而径流减少;以径流突变年份为界将研究时段分为两段(1972-1992年和1993-2000年),后段较前段降水减少75.4 mm、温度升高0.5℃,而径流减少29 mm。气候变化和人类活动均导致黑河径流减少,但贡献率不同,分别为24%和76%。人类活动是导致黑河径流减少的主要驱动力,但气候变化的影响也不容忽视,在进行生态建设和水资源管理时应予以充分考虑。     

基于Budyko假设的洮河与大夏河径流变化归因识别

受气候变化和人类活动的影响,世界许多河流水文过程发生了显著的变化。研究河川径流变化特征及其原因对流域水资源管理和规划有十分重要的意义。以黄河上游支流洮河、大夏河为研究对象,采用Mann-Kendall趋势检验法、突变分析等方法探究河川径流的趋势变化、阶段特征,并采用Budyko水热耦合平衡方程定量评估径流变化影响因素的贡献率。研究发现洮河与大夏河流域年径流深均呈显著减少趋势,减少速率为：-1.85 mm/a、-1.36 mm/a （P≤0.01）。通过突变检验可将洮河的径流序列分为基准期1961-1987年,剧烈人类活动期1988-2017年,而大夏河的基准期为1961-1985年,人类活动期1986-2017年。洮河、大夏河流域下垫面变化对径流变化的贡献率超过60%,降雨次之,潜在蒸散发最弱,约贡献10%。流域下垫面改变是引起研究区河川径流变化的主要因素。     

基于WRF模式评估土地利用/覆被变化的气候和水文效应

目前针对土地利用/覆被变化(LUCC)导致产汇流等水文过程(直接水文效应)变化的研究较多,而对于LUCC导致区域气候变化引起的径流变化(间接水文效应)研究却鲜有报道。采用天气预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF模式)和弹性系数等方法研究了沂河流域1990—2010年LUCC产生的间接水文效应。结果表明:WRF模式对研究区气温具有较好的模拟能力,模拟值与实测值的相关系数较高(0.86—0.97,P0.001);虽然模式对降水的模拟精度低于气温,但模拟值与实测值之间的相关系数(0.41—0.91)均达到了P0.05显著性水平。近20年来,研究区LUCC主要是从旱地向建设用地(747.3km~2)和裸地(132.4km~2)转化的过程。LUCC引起2013年1月和10月气温增加了0.2℃,导致7月气温减小了0.2℃,而4月气温基本稳定。LUCC对1月、4月和10月降水变化的影响很弱,而对7月降水变化影响较大,表现在使其减少了23.7mm。弹性分析表明,1960—2013年,流域年均降水和气温变化1%,将引起年径流量分别变化2.4%和1.8%。1990—2010年,LUCC引起2013年沂河流域降水和气温变化使得径流量分别改变了18.4%和1.7%。     

东江流域降水与径流演变趋势及周期特征分析

认识流域水文演变趋势和周期性规律对流域可持续发展规划具有重要的生态意义。基于1989-2011 年东江流域9 个气象站点的逐日降水数据和3 个水文代表站(龙川、河源和博罗)的日径流数据, 分别采用Mann-Kendall 趋势检验和小波分析方法对东江流域降水量和径流量变化趋势和周期特征进行了研究。结果表明1989-2011 年间东江流域年降水量和春冬季节降水量呈不显著的减少趋势, 而夏秋季节降水量有增多的趋势; 位于上、中、下游水文站点的年径流量和枯水期径流量均呈现不显著的下降趋势; 东江流域的降水和径流趋向于更加不均的时空分布特征,其周期性演变趋势的时空特征较一致; 年径流系数的变化幅度极小(Mann-Kendal 倾斜度接近0)。这项研究也将有益于位于亚热带类似的流域森林植被恢复的政策决定。     

基于Budyko假设的渭河径流变化归因识别

定量评价河川径流量变化特征,开展其归因识别研究是制定气候变化应对策略与合理利用水资源的基础。以渭河流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线等方法分析渭河流域1958—2015年的气候、水文要素变化特征,采用基于Budyko水热耦合平衡理论的水量平衡法估算径流变化对各驱动因素的弹性系数,定量评价气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:渭河流域咸阳、张家山、状头站的年径流量呈显著减少趋势,径流深减少速率分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。3个站控制流域面平均降雨量呈非显著性减少趋势,年潜在蒸散发呈非显著增加趋势。剧烈的人类活动如工农业用水、大规模水土保持措施的实施及退耕还林草等引起的下垫面变化是径流量减少的主要因素,渭河干流和泾河流域下垫面变化对径流减少的贡献率均超过了60%,降雨变化贡献次之,潜在蒸散发的影响最小。     

Estimation of the effects of climate change and human activities on runoff in different time scales in the Beichuan River Basin,China

Abstract

Assessing the impacts of climate change and human activities on runoff is important for planning and managing water resources and for maintaining the integrity of the ecosystem, as well as the normal operation of modern society. In this study, the distribution of precipitation in the Beichuan River basin from 1961 to 2013 is uneven, and we analyzed the impacts of climate change and human activity on the annual and seasonal runoff change during this period. The results showed that runoff was more sensitive to precipitation than the other meteorological factors during the study period, and a 10% increase in precipitation could increase runoff by 17.5%. The annual runoff showed a downward trend during the past 53 years, with an abrupt change point in 1972. We concluded that human activities were mainly responsible for the runoff reduction, and climate change accounted for approximately 30% of the reduction. For the change in seasonal runoff, the dry season runoff had no significant trend, but there was a downward trend in the wet season runoff, with an abrupt change point in 1998. We concluded that human activities were the dominant cause of the reduction in the wet season runoff (88.27%), and climate change accounted for 11.73% of the reduction.     

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。     

Comprehensive evaluation of the ecohydrological response of watersheds under changing environments

Human activities and climate change pose a continuous threat to the ecological stability of natural rivers in many ways. Understanding and analyzing changes in flow regimes from a multidimensional perspective is essential for water resources management. In this research, a comprehensive evaluation framework was developed to quantitatively assess the hydrological condition of the basin in four aspects: river flow regime, ecological water demand, multiple time scales, and drivers. The health status of the Yuanjiang River was assessed using a combination of Indicators of Hydrologic Alteration (IHA) and eco-flow metrics, and differences in different drivers at different time scales were quantified based on the Choudhury-Yang equation and the ABCD model. The results show that after the abrupt change of the Yuanjiang River in 2004, the runoff decreased by up to 72.97 mm, three of the five groups of IHA reached moderate alteration or above, and its ecological flow was in a tight state for a long time. In addition, the reduction of runoff by precipitation and potential evapotranspiration is not negligible (contribution 40.56%, 6.91%), and the drastic changes in land use and the construction and operation of cascade reservoirs highlight the human impact (contribution 52.53%). Anthropogenic contributions to runoff changes deepen in the order of spring, summer, fall, and winter (6%, 51%, 83%, 95%), and on a monthly scale, human activities were the dominant factor in runoff variability in nine months (61–98%), with climatic factors driving runoff increases of 0.24–6.07 mm only in March, June, September, November, and December.     

山东半岛丘陵区典型流域河流径流的影响因素分析

应用3S技术生成数字高程模型(digital elevation model,DEM),解译出大沽夹河流域范围。采用空间内插法计算流域内年平均降水量,通过选择流域内人类活动的人口数量、GDP、土地利用现状以及气候变化的降水量和气温等9个因子,采用单因子相关分析和主成分分析(PCA)方法,分析了各因素及综合因素对径流量的影响。单因子分析表明,降水量、林地和果园与径流量的相关程度显著。主成分分析表明,人口数量、耕地面积、果园面积、林地面积和水域面积对径流量影响较大,占所有分析因子贡献率的73.96%;降水量对径流量的影响次之,因子贡献率为11.38%。     

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.     

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.     

水利工程对坝下径流的影响——以葛洲坝、三峡水利枢纽为例

水利工程建设在给人类带来抗旱防洪效益、发电效益、航运效益、养殖等效益的同时,也对河流水文动态产生了一系列的影响,主要表现为对径流的调节。基于宜昌站1890—2014年径流数据,综合采用径流集中度、集中期和相位差分析等多种方法,分析了水利工程建设对径流年内分配以及枯水期的影响。结果表明:宜昌站径流集中度呈现缓慢下降趋势并在2004年发生突变,2003年以后径流集中度相对于2003年以前下降0.06(下降幅度为12.98%),说明葛洲坝水利枢纽、三峡工程建成以后宜昌站径流在年内分配变得平缓,洪峰被有效削弱,且三峡工程对宜昌站径流集中度减少的贡献率大于葛洲坝水利枢纽(贡献率分别为92.03%和7.97%);葛洲坝和三峡水利枢纽建成后,宜昌站径流重心提前8d(集中期从8月9日提前至7月31日);宜昌站进入枯水期的时间提前约20d(三峡大坝建设以前,宜昌站在12月7—11日进入枯水期,建设以后在11月底进入枯水期),水利工程对水文过程的影响可能导致下游枯水期污染加剧和湿地生境提前缩小,进而影响下游水环境和湿地生物多样性。上述结果定量揭示了水利工程对水文过程的影响及其潜在生态效应,可为认识水利工程的生态影响以及流域生态环境变化的驱动因素提供科学依据。     

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.