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。     

景观格局视角下晋西三川河流域径流变化归因分析

黄土高原大规模人类活动造成下垫面剧烈变化,流域景观格局改变,影响产汇流过程。学科融合视角下,基于Budyko水热耦合方程、景观指数计算以及回归分析等多学科方法,以晋西黄土丘陵沟壑区三川河流域为例,分析不同尺度景观格局变化造成流域径流量变化的原因,判别地理景观空间对产汇流过程的影响。结果表明：(1)1980年至今是研究区径流锐减阶段,其中下垫面变化对径流贡献率为60.81%;(2)1980年至今的下垫面变化造成流域景观斑块破碎、形状趋于规整,景观格局分割度、蔓延度提高;(3)利用逐步线性回归模型可将径流减少的景观格局变化定位到具体地理空间,流域东部、北部主要支流上游与两条支流汇流处的林地核心斑块面积减少以及城市建设区域对于水体连通性的破坏。通过跨学科方法探究景观格局与径流变化之间的潜在空间关联,揭示径流对景观格局变化的响应,可为黄土高原水资源管理与生态规划提供决策依据。     

基于扩展的Budyko模型定量评估平江流域森林恢复和气候变异对季节性径流的影响

流域季节性径流变化反映了年内水资源的动态特征。在以森林为主的流域中,森林变化和气候变异被普遍认为是影响流域水文过程的两大驱动因素。因此在全球气候变化背景下,研究流域森林恢复和气候变异对流域季节性径流的影响,可为协调区域碳-水关系和制订可持续的森林经营管理策略提供参考。选择鄱阳湖流域上游的平江流域为研究对象,根据流域历史森林覆盖率变化情况,将研究期划分为参考期（1961-1985）和森林恢复期（1986-2006）,采用Mann-Kendall趋势分析研究流域长时期水文气象数据是否存在显著变化趋势。同时引入月干旱指数（潜在蒸散发和有效降雨的比率）,将一年定义为能量限制季（1-6月）和水分限制季（7-12月）,结合扩展的Budyko模型定量分析平江流域森林恢复和气候变异对季节性径流的相对贡献。在本研究流域整个研究期内（1961-2006）,通过Mann-Kendall趋势分析发现,研究流域水分限制季径流呈现显著增加趋势,而能量限制季水文和气候变量变化趋势均不显著。其次,相较于参考期,流域森林恢复使能量限制季径流降低了11.71 mm/a （24.40%）,使水分限制季径流增加了12.27 mm/a （17.23%）。同时,气候变异导致能量限制季径流减少了36.28 mm/a （75.60%）,而使水分限制季径流增加了58.94 mm/a （82.77%）。上述研究结果表明,森林恢复对径流影响具有累积效应。森林恢复对季节性径流具有积极的调节作用,同时季节性径流对森林恢复的响应存在时间差,而且森林恢复对径流的影响在能量限制季和水分限制季具有相互抵消的作用,气候变异与森林恢复的影响效应类似。此外,本研究也证实,平江流域季节性径流变化主要是受气候变化主导,但森林恢复对季节性径流的贡献也不容忽视。     

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。     

干旱与湿润区流域时变水热耦合参数的归因分析

气候变化和下垫面条件的改变共同影响着流域的水热耦合状况,定量剖析其影响对研究变化环境下流域水量平衡和能量分配具有重要意义。以往多数研究只做了定性分析,对不同影响因素的定量贡献研究甚少。基于此,以干旱区无定河流域和湿润区汉江上游为研究区域,在Budyko框架下,估算了干旱与湿润区流域的时变水热耦合参数,并通过逐步多元回归模型、敏感性和贡献率分析,定量归因了水热耦合控制参数的演变,并将干旱与湿润区流域做了对比分析。结果表明：干旱与湿润区流域的水热耦合参数在1970-2013年间均呈显著上升趋势;不同气候区水热耦合参数变化的主导因子不同,干旱区无定河参数对降水和植被覆盖度（NDVI）具有较高的敏感性,且NDVI的变化主导着参数的变化（贡献率为89.5%）;湿润区汉江上游参数的变化对气温、有效灌溉面积（EIA）和NDVI更敏感,其中,EIA主导着参数的变化（贡献率为83.1%）;总体来说,下垫面的变化是无定河和汉江上游水热状况改变的驱动因素。     

基于Budyko假设的潮河流域气候和植被变化对实际蒸散发的影响研究

由于参数较少且具有明确的物理学意义,基于水热平衡理论的Budyko假设常用于定量分析以及评价气候变化和植被变化对实际蒸散发的影响,对研究流域水量平衡和能量分配具有重要意义。依据位于我国北方密云水库上游的潮河流域1961—2015年的水文气象数据,选取了4种基于Budyko假设的模型来研究潮河流域水热耦合平衡关系,确定了该流域最适用模型以及模型参数最优值,并且采用情景设置法分析了流域实际蒸散发对气候以及植被变化的响应。结果表明:(1)与经典Budyko模型相比,采用流域下垫面参数修正的Budyko模型计算实际蒸散发的精度更高。其中,傅抱璞模型精度最高,决定系数、相对误差、纳什效率系数和均方根误差分别为0.85、4.30%、0.82和27.66 mm;(2)对傅抱璞模型下垫面参数ω进行优化,确定适用于潮河流域的模型参数取值为2.54,优化后的傅抱璞模型能够更好地反映流域实际蒸散发的变化特征;(3)情景模拟表明,气候变化和植被变化的共同作用导致潮河流域实际蒸散发的上升。其中,气候变化是引起流域蒸散发变化的主要驱动因素。     

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...     

流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化响应的文献计量分析

生态水文学在水文过程与生态过程的交叉地带开展研究,现已成为水文学与生态学最为活跃的前沿领域之一,而流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应则是其中的一个重要热点研究方向。以SCIE数据库为数据源,借助Thomson Data Analyzer （TDA）、Ucinet和Netdraw等工具,对1992-2015年间关于流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应的研究论文进行数据挖掘,分析表明：（1）近24年来,该领域的论文数量总体呈显著增长态势,依据文章数量、研究主题、机构合作特点等划分为3个阶段：低产出探索期、拓展推进期和高产出活跃期。（2）气候变化、径流、水量平衡、水文模拟、土地利用与覆盖变化等是研究的核心主题,遥感与GIS技术的应用在不断得到加强,人类活动的水文效应及其时程变化等的研究逐渐受到更多的关注。（3）澳大利亚和美国在该研究方向表现突出。中国发文量高,论文质量不断提升。（4）国际合作范围不断扩大。近十年来,中国科学院、清华大学等国内多家科教机构逐渐加强了与国外同行的合作关系,研究工作取得长足进展。     

大夏河临夏段肉鞭虫群落结构特征及其与水质的相互关系

2005年2月-2007年3月对大夏河临夏段的肉鞭虫物种多样性和分布特征进行了研究.结果表明:大夏河临夏段的肉鞭虫共记录135种,隶属于5纲16目,其中优势类群为眼虫目(Euglenida)和变形目(Amoebida);大夏河临夏段同一水期不同采样点之间以及不同水期同一采样点之间群落相似性系数均较低,均表现出明显的空间异质性;肉鞭虫群落结构特征表明,大夏河临夏段水体已受到不同程度的污染,枯水期较丰水期污染严重.     

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.     

LUCC及气候变化对澜沧江流域径流的影响

运用SWAT模型,通过设置不同情景,定量分析了澜沧江流域土地利用与土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)和气候变化对径流的影响,并结合RCP4.5、RCP8.5两种排放情景对流域未来径流的变化进行预估。结果表明:SWAT模型在澜沧江流域径流模拟中具有很好的适用性,率定期和验证期的模型参数R~2分别达到0.80、0.74,Ens分别达到0.80、0.73;从土地利用变化方面考虑,流域内的农业用地转化为林地或草地,均会导致径流量的减少,而林地转化为草地则会引起径流量的增加,农业用地、林地、草地三者对径流增加贡献顺序为农业用地草地林地,从气候变化方面考虑,流域内的径流量与降雨量成正比,与气温成反比;2006—2015年间澜沧江流域气候变化引起的月均径流减少幅度强于LUCC引起的月均径流增加幅度,径流变化由气候变化主导;在RCP4.5和RCP8.5两种排放情景下,2021—2050年间澜沧江流域的径流均呈增加趋势,这与1971—2015年间流域实测径流的变化趋势相反。     

基于SWAT模型的乌鲁木齐河上游土地利用和气候变化对径流的影响

选用SWAT分布式水文模型,定量分析了乌鲁木齐河流域土地利用与气候变化对径流的影响,采用情景分析方法设置3类情景,对变化环境下的流域径流进行了预测。以R~2、NSE和PBIAS等3个参数评价了模拟的拟合度,不确定性。结果表明:1)在模型校准期和验证期R~2分别为0.89和0.75,NSE分别为0.84和0.74,PBIAS在18%—23%范围内,说明SWAT模型在乌鲁木齐河上游径流模拟中具有较好的适用性;2)综合型情景模拟分析得出,研究区气候变化对径流的影响强度大于土地利用变化的影响强度。土地利用和气候共同引起流域年均径流量减少1.41 m~3/s,土地利用变化引起年均径流量减少0.04 m~3/s,气候变化引起年均径流量减少1.37 m~3/s;3)极端土地利用情景模拟分析得出,草地情景的年均径流增加0.1 m~3/s,林地情景的年均径流量减少0.58 m~3/s;4)气候变化情景模拟分析得出,流域径流量与降水变化呈正相关关系,与气温变化呈负相关关系。降水量增加10%和20%时,年均径流量增加3.05 m~3/s和4.02 m~3/s。当降水量减少10%和20%时,年均径流量减少0.93 m~3/s和2.25 m~3/s。气温升高1℃和2℃时,年均径流量减少2.71 m~3/s和3.02 m~3/s。在气候变化环境下,需要重视降水和气温的预测,应通过优化土地结构来减缓气候变化的水文效应。     

1967—2006年太子河流域径流系数的变化特征

利用太子河流域6个主要支流（海城河、南沙河、北沙河、兰河、细河、太子河南支）1967—2006年日均降水和径流资料,分析了各支流径流系数的变化趋势及其与降水的关系.结果表明：1967—2006年,位于高山丘陵区的太子河南支的年均径流系数较大,而人类活动影响较多的海城河流域的年均径流系数较小;除南沙河的年径流系数总体呈上升趋势外,其余各条支流的年径流系数均呈下降趋势,以南支和兰河的下降趋势尤为明显;除细河流域的年径流系数没有发生突变外,其余各条支流的年径流系数都发生了突变,且突变出现的年份各不相同;年降水量对年径流系数的影响极显著.     

1967-2006年太子河流域径流系数的变化特征

利用太子河流域6个主要支流(海城河、南沙河、北沙河、兰河、细河、太子河南支)1967-2006年日均降水和径流资料,分析了各支流径流系数的变化趋势及其与降水的关系.结果表明:1967-2006年,位于高山丘陵区的太子河南支的年均径流系数较大,而人类活动影响较多的海城河流域的年均径流系数较小;除南沙河的年径流系数总体呈上升趋势外,其余各条支流的年径流系数均呈下降趋势,以南支和兰河的下降趋势尤为明显;除细河流域的年径流系数没有发生突变外,其余各条支流的年径流系数都发生了突变,且突变出现的年份各不相同;年降水量对年径流系数的影响极显著.     

基于降水和径流的长江源头氮素收支研究

在全球变暖的背景下,生态环境相对脆弱的江河源区的生态系统过程和生态安全是人们关注的重点,氮素作为生态系统功能和过程的重要限制性因子,其平衡和收支研究对于深入理解和分析全球变化背景下的生态系统过程具有十分重要的意义。作者利用降水,径流,输沙等数据,建立了长江上游源头地区简单的氮素收支过程,计算了长江上游源头区域的大气氮沉降总量,径流氮输出总量,泥沙氮输出总量,长江源头地区的氮收支总量,并得出以下结论:(1)长江源头地区氮素湿沉降主要集中在夏季,沉降量占到全年总湿沉降量的近70%,春季和秋季的沉降量基本相同;(2)长江源头地区氮湿沉降量为0.290—0.307gN/(m.2a),总沉降量为0.345—0.385gN/(m.2a)。在考虑径流损耗后,长江源头地区陆面实际获得的氮沉降总量为0.275—0.315gN/(m.2a);(3)输沙是流域氮损失的一个重要因素,泥沙携带的氮素有约10%溶解在径流中被径流携带。平均每年由于输沙造成的氮损失约为0.606gN/(m.2a);(4)整个长江源头地区平均每年由降水、径流和输沙作用产生的平均氮损失为-0.306N/(m.2a),说明整个长江上游源头流域是一个氮源。