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...     

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.     

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。     

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。     

气候变化和人类活动对黑河上中游径流量变化的贡献率

利用1960-2008年气象和水文资料,采用线性趋势法、Mann-Kendall非参数检验、累积距平法、年累积量法、累积量斜率变化率法,分析了黑河上中游径流量和气候变化特征及趋势,并计算了气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率.结果表明:黑河上游年径流量、年降水量和年蒸发量呈上升趋势,且年径流量和年蒸发量变化显著;中游径流量与蒸发量为下降趋势,降水量为上升趋势,但变化趋势都不是那么明显.上游和中游径流量变化的突变年份分别为1979年和1984年.以径流突变年份分割时间序列为上游(1960-1979、1980-2008)和中游(1960-1984、1985-2008),得到累积径流量、累积降水量及累积蒸发量与年份线性关系式.上游以气候变化为主,人类活动的影响较小,二者对径流量增大的贡献率分别为59.71％和40.29％;中游气候变化影响较小,以人类活动为主导,二者对径流量减小的贡献率分别为25.23％和74.77％.研究结果对黑河流域未来水资源的开发利用有一定的指导意义.     

生态恢复对流域水沙演变趋势的影响——以北洛河上游为例

黄土高原生态环境恶劣,水土流失严重。选择退耕还林(草)程度非常显著的陕北吴旗县所在北洛河上游为研究区,探讨黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理及大幅度退耕背景下流域水、沙等生态要素的演变规律,分析人类活动的影响贡献程度,为黄土高原生态治理及环境效应分析提供理论依据。结果表明:在1963—2009年期间年降雨量没有显著变化背景下,同时期流域年径流量和年输沙量均呈现极显著减少趋势,年均减少率分别为0.28 mm/a和180 t km-2a-1,其突变时间均发生在1979和2002年,具有很好的同步性。与1979年前相比,20世纪70—80年代水土流失综合治理以及1999年后退耕还林(草)的事件背景,使汛期和平水期径流量逐时段减少,而枯水期径流量反而持续增加。输沙量呈持续性大幅度减少态势,且其减少程度远大于径流量的变化程度。水土流失综合治理和退耕还林(草)工程实施等人类活动,对流域径流量减少的影响贡献程度分别为38.2%和51.4%,对输沙量减少的影响程度分别为74.7%和86.7%。研究结果提示,黄土高原生态环境的大幅度改善在区域尺度上已经表现出一定程度上削洪补枯的水文效应特征,以及林草措施减水更减沙的良好生物治理效果。     

赣南九曲水流域基流变化特征及其对降水的响应

基流是水资源重要组成部分,探究流域基流变化特征及其对降水的响应,对优化流域水资源配置具有重要意义。本研究基于赣南九曲水流域1982—2019年逐日降水、径流观测资料,运用数字滤波法、交叉小波变换及累积量斜率变化率比较法等,分析了基流变化特征,探讨了基流对降水的时滞效应,并计算了降水对基流变化的贡献率。结果表明: 研究期间,九曲水流域年基流深和年基流指数变化趋势均不显著,年均值分别为384.21 mm和0.44;春、夏季基流深大于秋、冬季,基流指数则与之相反。年降水量控制着年基流深的动态变化,春、夏季降水对基流深的作用强于秋、冬季;年及春、夏、秋、冬季基流滞后降水的时长分别为3.5～10.3、1.5～8.5、2～10、2～13和5～20.5 d,年均滞后时长依次为6.4、4.9、5.3、6.8和10.8 d。年基流深在1992年发生突变,降水对基流变化的贡献率为68.2%,其他因素对基流变化的贡献率为31.8%。本研究成果可为南方红壤区评价流域的森林水文效应、保障河流的水生态安全提供科学依据。     

不同时间尺度小流域径流变化及其归因分析

流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文领域的一个重要的科学问题。当前,大部分研究基于年尺度定量分析了流域径流变化及其影响因素的贡献率,而季节尺度上的研究较少。因此,季节尺度上径流变化的归因分析值得深入研究。基于彭冲涧小流域1983—2014年降水、径流等水文气象资料,通过Mann-Kendall检验法对降水、径流序列进行突变分析,采用累积量斜率变化率比较法计算季节及年尺度上降水变化、蒸发散和植被恢复对径流变化的贡献率。结果表明:2003年为降水与径流的一致突变点;春、夏、秋、冬季及年降水变化的贡献率分别为50.88%、42.60%、-10.39%、-3.28%和31.26%,蒸发散的贡献率分别为32.89%、40.71%、29.33%、47.43%和42.64%,植被恢复的贡献率分别为16.23%、16.69%、81.06%、55.85%和26.10%。季节尺度上,春、夏季,降水变化和蒸发散是径流深减少的主要原因,而秋、冬季,植被恢复居主导地位;年尺度上,蒸发散对径流深减少的贡献率最大。该研究揭示了彭冲涧小流域近30年来径流变化规律以及不同时间尺度上影响径流的主要驱动因子,为流域水资源合理配置和管理提供科学依据。     

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。     

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。     

黄土高原吕二沟流域侵蚀产沙对土地利用变化的响应

研究了甘肃天水黄土高原吕二沟流域土地利用变化对流域产沙的影响.结果表明,与1982年相比,1989年该流域林草面积增加约5%,梯田增加2.09%,裸地略有增加,坡耕地减少约1.5%,灌木林略有减少.1998～2000年,在植被覆被增加、陡坡坡耕地减少情况下,随降水增多,其减沙效应明显,如803mm和78 mm降雨条件下,后期较前期(1982～1989年)分别减少85 326 t和52 937 t,降水较少,减沙效应较不明显;从年内含沙量变化来看,后期土地利用的减沙效应主要集中在5～10月,与降水的季节分配一致,各月降水越多,月日均含沙量减少越多,50 mm的月降水月日均含沙量减少6kg·m^-3,100mm月降水月日均含沙量减少12kg·m^-3.两期土地利用在重现期小于5年时,后期土地利用洪水含沙量较前期稍大,主要由于两期的降水频率分布曲线不一致;若两期降水频率分布曲线一致,则同一频率降水产洪的洪水含沙量后期将小于前期.     

乌江流域上游水沙特性变化及其水电站建设的影响

鸭池河水文站上游流域是乌江流域最大的产沙区,其产沙和向下游的输沙情况对流域输沙有重要影响,1959年以来流域上的产水、产沙以及输沙特性都发生了较大变化。本文以降雨、径流以及输沙的长历史资料为基础,分析了鸭池河流域水沙变化特性,并对这些变化的成因进行归纳。结果表明:流域降雨没有发生显著变化,但径流具有显著下降趋势;流域输沙量总体与径流量保持大水高沙的一致性,但1994年后的鸭池河水文站和2004年后的洪家渡水文站输沙发生巨变,前者输沙量减少约98.8%,而后者输沙量几乎接近于零。分析表明,流域径流的变化主要是由人类活动改变产汇流关系引起,尤其是2002年的径流突变与洪家渡水电站的运用密切相关;流域产沙变化则主要由人类活动改变下垫面引起,而输沙则集中体现在水库大坝对泥沙输运的阻断。1994—2014年淤积在上游各级水库中的泥沙量约为261.4百万t,而2004—2014年淤积在洪家渡水库内的泥沙量约为33.8百万t。     

黄土丘陵沟壑区典型流域径流输沙对土地利用/覆被变化的响应

基于动力水文过程测定技术和景观生态学测度方法,对位于黄土丘陵沟壑区第三副区的甘肃天水罗玉沟流域1986—2004年土地利用/覆被变化对流域径流输沙的影响进行了研究.结果表明：研究期间,罗玉沟流域土地利用/覆被变化对年径流输沙有显著影响,1995—2004年的输沙量比1986—1994年减少约63.0%,且随着年降水量的增多,其减沙效应明显;土地利用/覆被变化对流域径流输沙的影响具有季节性特征,相对于1986—1994年而言,研究区1995—2004年的减沙效应主要集中在5—10月,且月降水越多,后期的月均输沙量较前期减少得越多.降雨和洪峰流量频率分析表明,若具有相同频率分布的雨强,则任一重现期下罗玉沟流域1995—2004年的洪水平均含沙量小于1986—1994年.     

黄河改道以来黄河三角洲演变过程及其驱动机制

基于1976—2009年的23期遥感影像,并结合1976—2008年利津站水沙数据以及黄河流域年均降水量数据,定量分析黄河入海水沙特征以及黄河三角洲演变过程及其驱动机制.结果表明:1976—2008年间,黄河入海年径流量和年输沙量呈现出年际变化大和丰枯水(沙)年交替的特征,但总体均呈下降趋势;清水沟流路河口三角洲岸线和面积变化总体呈淤积增长趋势,三角洲的发育过程大致分1976—1985年、1986—1995年和1996—2009年3个阶段,3个阶段的增长速率逐阶段递减;黄河三角洲岸线和面积与利津站累积输沙量之间均呈显著的指数函数关系;黄河流域降水量的年际波动与利津站入海输沙量年际波动基本同步,并具有相关性,说明黄河流域降水量的年际波动是引起入海径流量和输沙量波动的重要原因.     

晋西黄土高原丘陵沟壑区清水河流域径流对土地利用与气候变化的响应

水资源短缺是黄土高原面临的最为关键的一个生态环境问题。研究黄土高原地区河川径流演变对土地利用与气候变化的响应是开展适应性流域管理的基础。该文以黄河流域中游山西省吉县境内的清水河流域(面积436 km²)为研究对象, 采用非参数统计秩检验法(Mann-Kendall)、滑动t检验和跃变参数分析法, 对该流域1959-2005年的年径流量、降水量和潜在蒸发散量进行了趋势分析和突变点验证; 用遥感数据判读和解译的结果分析了该流域不同时期土地利用变化; 在此基础上根据水量平衡原理, 分析了土地利用变化和气候变化对流域径流变化的贡献, 并采用FDC曲线法分析了二者对高、中、低流量变化的影响。研究结果表明: 该流域年径流量在1959-2005年的47年间呈显著下降趋势, 突变点出现在1980年, 但该流域降水量没有出现明显的趋势性变化, 而以Hamon公式计算的流域年潜在蒸发散则呈显著上升趋势, 其突变点出现在1997年。该流域气候变化和土地利用变化对年径流减少的贡献率分别为46.79%和53.21%。综合以上结果可以看出, 潜在蒸发散增加和乔木林地面积增加是导致该流域径流减少的重要原因。     

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%。     

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。     

鼎湖山针阔叶混交林生态系统水文效应研究

对鼎湖山针阔叶混交林水文效应的研究表明2002年8月-2003年7月,大气总降水量为1 690mm,林内净降水量为1212.7 mm,占总降水量的72%,其中穿透雨量和茎流量分别为1 125.3和87.4 mm,占总降水量的.66.6%和5.2%.林冠截留量为477.3 mm,截留率28.2%.地表径流量62.1 mm,占总降水量的3.7%.在一定的降水量范围内,林冠对降水的截留量随着降水量的增加而增加,不同的雨量级,林冠截留量变化的趋势曲线不同,且一次截留降水量饱和值约为25 mm;穿透雨量、茎流量均随着林外大气降水量的增加呈线性增加;当日大气降水量在0-30 mm时,地表径流量很小,且呈线性递增;当日大气降水量＞30 mm时,地表径流量随降水量增加以对数递增.与马尾松纯林和季风常绿阔叶林相比,针阔叶混交林在减少地表径流和保持水土等方面具有更好的水文生态效应.     

西北干旱区气候和土地利用变化对水沙运移的影响——以小南川流域为例

认识区域水沙运移规律及其对气候和土地利用变化的响应能够为水土流失防治提供理论依据,是水土资源综合开发的重要前提.本研究以1963-2013年逐月实测气象、径流和泥沙资料为基础,结合20世纪80年代和2000年土地利用数据和归一化植被指数(NDVI)数据,采用Mann-Kendall趋势分析和突变检验方法,系统分析了西北干旱区典型小流域--小南川流域的气候和水沙长期变化特征,并识别了研究区土地利用及植被覆盖度变化特征.在对单要素变化充分解析的基础上,利用多元线性回归等方法,定量探讨了气候和土地利用变化对小南川流域水沙运移的影响机制,并明确了关键作用因子.结果表明: 小南川流域气温向两极化发展,降水量逐渐增加,总体气候变化趋势朝向暖湿方向,极端气候事件发生频率增加,且在20世纪90年代发生突变后,其变化速度和程度均进一步加剧.自20世纪80年代以来,随着经济社会发展,流域内耕地和城镇扩张,林地增加,自然生态环境向良性发展.在土地利用和植被覆盖度变化的主导驱动作用下,流域径流量和输沙量分别以1.7×10⁶ m³·(10 a)^-1和1.5×10⁸ kg·(10 a)^-1的平均速率呈减少趋势.定量化研究结果揭示了植被覆盖度和月平均最高气温是影响该区径流变化的最关键因子,而植被覆盖度和日最大降水量是影响输沙变化的最关键因子.在当前气候变化背景下,生态修复是防止干旱区流域水土流失的最有效途径之一.