密云水库白河流域基流演变特征

基流是水文过程的一个重要组成部分,选择科学合理的基流分割方法,研究明确影响基流变化的驱动因素,对于保证河湖的生态水量至关重要。以北京密云水库的白河流域为例,根据白河流域张家坟水文站1967—2012年的实测径流数据和相关气象数据,对比分析了局部最小值法、单参数数字滤波法和递归数字滤波法三种方法的基流分割结果,并从气候变化和人类活动两方面分析影响基流变化的驱动因素。结果表明,相比局部最小值法和单参数数字滤波法,递归数字滤波法在白河流域有着更好的应用稳定性;在密云水库白河流域,基流对河川径流有着相当高的贡献比例(BFI>0.65);1967—2012年白河流域年基流量存在极显著的减少趋势(P<0.01),而年基流指数值基本保持不变。白河流域基流序列分别在1980年和1999年发生了突变,其中1999年的突变主要受到降雨过程(气候变化)的影响,而1980年的突变点主要受到其他因素(如人类活动)的影响。     

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。     

砚瓦川流域河川基流变化规律及其驱动因素

基流是黄河径流的重要补给来源,目前大部分研究都集中在黄河流域径流变化规律上,而对维持河道基本流量和生态环境安全方面发挥着重要作用的基流却研究较少。因此,基于黄河中游砚瓦川流域1981-2016年的水文、气象及植被资料,选用9种数值模拟法对基流进行分割并分析其适用性,利用Mann-Kendall法和滑动t检验法对基流进行了趋势分析和突变点检验,并定性和定量的探讨了气候变化和植被变化对流域河川基流变化的影响。结果表明：（1）在各种基流分割方法中,Lyne-Hollick滤波法的计算结果精度较高,且分割结果比较符合实际日基流变化规律,因此更适用于研究区的基流估算;（2）流域多年平均河川基流量和基流指数BFI （基流量与河川流量的比值）分别为0.152 m³/s和0.58,两者在年际上均呈现极显著的减少趋势（P<0.01）,且分别于1993年和2006年附近发生了突变;（3）基流量与潜在蒸散发量相关性最强,流域降水量、潜在蒸散发量及NDVI的变化对基流量变化的贡献率分别为-99.1%、113.3%和85.8%,可见潜在蒸散发量和NDVI的增加是引起基流量减少的主要原因,而基流指数与NDVI相关性最强,且呈负相关关系,流域降水量、潜在蒸散发量及NDVI的变化对基流指数变化的贡献率分别为41.3%、-27.7%和86.5%,这说明流域NDVI的增加对流域基流指数的降低起到了主导作用。     

气候变化对淮河流域中上游汛期极端流量影响的SWAT模拟

致洪暴雨主要是3天以上连续强降水,是淮河流域洪涝的直接原因。构建淮河流域中上游SWAT模型,用RegCM3在SRES A2排放情景下的模拟结果(2071-2100年)驱动SWAT模型,研究气候变化对淮河流域中上游汛期极端流量的影响。结果表明:(1)在SRES A2排放情景下,淮河流域中上游未来(2071-2100年)气温升高,降水量增加,降水的空间差异增大;颖河流域中游年降水量有较大幅度的减少,呈现暖干化的趋势;汛期极端过程降水增加,汛期最大9 d降水量平均增幅都在10%以上。(2)在SRES A2排放情景下的气候变化将导致淮河流域中上游汛期极端流量大幅度增加,干流5个水文站汛期最大9 d平均流量的增幅都在20%以上。(3)淮河流域中上游极端流量的概率分布更加集中,更大的极端流量出现的频率更高,研究流域下游更容易出现较大的极端流量。(4)研究流域下游极端流量概率对极端流量变化更敏感,下游也面临着更大的洪涝风险。     

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.     

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。     

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.     

疏勒河流域气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响评价

气候变化和人类活动是对陆地生态系统碳循环产生重要影响的两个因素,定量评估气候变化与人类活动对植被净初级生产力(NPP)的相对影响,对深入理解其驱动机制和控制荒漠化发展具有重要意义。以疏勒河流域为研究区,利用遥感和气象数据计算潜在NPP(PNPP)及其与实际NPP(ANPP)之间的差值,分别衡量了气候变化和人类活动对流域NPP的相对影响。研究结果表明:(1)2001—2015年疏勒河流域年ANPP整体呈缓慢增加趋势,与全国和西北地区相比,普遍较低,流域植被整体生产力水平不高。流域年ANPP空间分布呈现上游祁连山区和中下游绿洲区ANPP较高,而中下游荒漠戈壁区ANPP较低的分布格局。(2)2001—2015年流域年PNPP的变化趋势表明,降水量的变化是导致疏勒河流域植被退化加剧或缓解的主要气候驱动因素,但气温的变化对植被的影响较为复杂。(3)2001—2015年流域大部分地区植被退化系人类活动造成的,但人类活动的负向影响力在减弱。(4)气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响均表现出明显的空间异质性,其中人类活动是疏勒河流域植被变化的主要驱动因素。     

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...     

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。     

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。     

Nutrient runoff dynamics in a rural catchment: Influence of land-use changes, climatic fluctuations and ecotechnological measures

The main trend in land-use changes in the Porijõgi River catchment, south Estonia, is a significant increase in abandoned lands (from 1.7% in 1987 to 10.5% in 1997), and a decrease in arable lands (from 41.8 to 23.9%). Significant climatic fluctuations occurred during the last decades. Milder winters (increase of air temperature in February from −7.9 to −5.5°C during the period 1950–1997) and a change in the precipitation pattern have influenced the mean annual water discharge. This results in more intensive material flow during colder seasons and decreased water runoff in summer. During the period 1987–1997 the runoff of total-N, total-P, SO₄, and organic material (after BOD₅) decreased from 25.9 to 5.1, from 0.32 to 0.13, from 78 to 48, and from 7.4 to 3.5 kg ha⁻¹ year⁻¹, respectively. Most significant was a 4–20-fold decrease in agricultural subcatchments while in the forested upper-course catchment the changes were insignificant. Variations of total-N, and total-P runoff in both the entire catchment and its agricultural subcatchments are well described by the change of land use (including fertilization intensity), soil parameters and water discharge. In small agricultural subcatchments the rate of fertilization was found to be the most important factor affecting nitrogen runoff, while land-use pattern plays the main role in larger mosaic catchments. Ecotechnological measures (e.g. riparian buffer zones and buffer strips, constructed wetlands) to control nutrient flows from agricultural catchments are very important.     

西南亚高山森林植被变化对流域产水量的影响

国内曾有许多研究认为,长江上游亚高山地区的森林具有增加流域年径流量的作用,所以多年来一直以此来指导该区域的森林恢复与经营实践.将以往的径流场和集水区的观测数据结合起来,应用加权平均插值方法,建立了森林采伐后产水量变化的时间序列;使用SEBAL模型、液流测定结果和水量平衡方程,根据以往研究结果,计算了各森林植被类型的年蒸散量和年产水量.分析结果表明:西南亚高山老龄暗针叶林蒸散低,具有较高的产水量;老龄林采伐后产水量增加,但随着次生植被的快速恢复,产水量增加的持续时间很短,6a后即恢复到原有水平;之后伴随着演替进入灌丛、次生阔叶林、针阔混交林或人工云杉林阶段,产水量会进一步下降并长期处于相对较低的水平,而且会持续百年以上.以往研究中该区森林可以增加年径流量的结论,只适用于其所研究的老龄暗针叶林,不适用于原始林采伐后恢复起来的天然次生林和人工营造的云杉林.在天然次生林和人工林占主导的区域,森林覆盖率增加导致产水量减少,人工林减少尤甚.为深入认识西南亚高山森林的生态水文功能,应采用配对集水区试验长期观测研究,才能为亚高山森林的恢复和经营管理提供决策支持.     

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。     

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.     

Phytoplankton response to changed nutrient level in Lake Peipsi (Estonia) in 1992–2001

To clarify the sediment yield processes following a disturbance by a forest fire in a mountainous catchment, and considering the hydrological and geomorphological processes in the headwater, we measured bedload sediment yield at rainfall events in disturbed and secondary forest catchments in the western part of Japan. The three catchments were under different hydrogeological conditions. The IK, TB and TY catchments were disturbed by forest fires in 2000, 1994, and 1978, respectively. In the IK catchment, although runoff response to rainfall was fastest with high peak flows, the catchment also had the highest base flow. Moreover, the annual sediment yield there was about ten times as high as in the other two catchments, and it was found that there was a steep linear curve in the relationship between precipitation and bedload sediment yield. This is thought to be caused by overland flow generation following water repellency on the slopes, and by the accumulated sediment that forms the thick soil layer on the valley bottom. On the other hand, in the TB catchment runoff experienced high peak flows at rainfall events and low base flows, and there was a gradual linear curve in the precipitation–sediment yield relationship. This might be the result of there being a thin soil layer on the hillslope and on the valley bottom because of successive erosion after the fire. In the TY catchment, runoff had a low peak flow at rainfall events and a high base flow; and the bedload sediment yield increased exponentially with increasing precipitation. Therefore, sediment yield in the TB catchment was more than that in the TY during storm events with precipitation of less than 100 mm, whereas it was the opposite during heavier rainfalls. It indicates that there is a thick soil layer on the slope and a thin soil layer on the valley bottom in the TY catchment following the recovering of vegetation, and that the sediment yield process predominates only during big rainfall events, only then does subsurface flow generate.     

濂水流域降雨变化和景观格局演变的径流效应

降雨和景观格局是影响流域径流过程的两大主要因素,开展二者的径流效应研究对流域水资源管理、生态建设等具有重要意义。本研究以赣南红壤丘陵区的濂水流域为对象,基于1958—2020年的降雨、径流和土地利用数据,分析降雨、景观格局和径流的变化特征,以及降雨、景观格局与年径流、洪枯径流的关系。结果表明: 研究期间,流域年降雨量、年径流量、年最大1 d径流量均呈非显著下降趋势,年最小1 d径流量呈非显著上升趋势且年际变化幅度最大;有林地为流域内占比最高的景观类型,其他林地的变化最剧烈;景观水平上,流域的Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数、斑块密度、景观形状指数分别由1980年的1.125、0.541、0.667、16.925上升至2020年的1.348、0.614、0.731、18.172,景观蔓延度指数由1980年的68.237下降至2020年的64.293,流域整体景观多样性、破碎化程度、形状复杂程度提高,空间分布趋于均匀,连通性降低。降雨量与年径流、洪水径流、枯水径流的相关系数分别为0.907、0.594、0.558;类型水平上,耕地减少对年径流、洪枯径流的影响均较大,而景观水平上的整体变化促进了年径流和洪水径流减少、枯水径流增加。降雨变化和景观格局演变对年径流、洪水径流和枯水径流变化的贡献率分别为17.8%、82.2%,1.5%、98.5%和-8.8%、108.8%。研究成果可为流域景观格局配置、水土流失综合治理等提供理论参考。     

水文变异下长江荆南三口河道内生态需水量变化及贡献因素

基于1951—2015年长江荆南三口5站实测原型年径流量序列,采用Mann-Kendall等方法检测其径流序列的突变年份.在此基础上,运用GEV概率密度最大流量法计算荆南三口河道内生态需水量,并从多时空尺度视角分析河道内生态需水量的时空差异及其贡献因素.结果表明: 研究期间,新江口、沙道观、康家岗、管家铺和弥陀寺水文站的第一次径流突变年份分别为1990、1959、1959、1972和1972年,并将第一次突变以前的月均流量序列作为水文变异前的水文序列.在水文变异条件下,长江荆南三口1—12月的各月生态需水量分别为69.63、26.15、55.65、452.65、2166.44、4660.83、10875.66、9966.49、7868.38、4773.60、1655.01和338.49 m³·s^-1.新江口、沙道观、康家岗、管家铺和弥陀寺5个水文站的年均生态需水量分别为901.57、507.00、221.30、1438.03和581.62 m³·s^-1.水文变异后,荆南三口满足河道内生态需水的频率大幅下降,由变异前的55%以上下降至变异后的20%以下,生态需水缺乏现象严重.影响荆南三口河道内生态需水时空变化的因素主要为不同时期水利工程、各行业用水量等人类活动.     

Water quality of the Modder River,South Africa

The Modder River is a relatively small river in the central region of the Free State Province, South Africa and has a mean annual runoff of 184 × 106m³. Botshabelo is a city, which has developed in the catchment area of the river, and its sewage outflows are discharged into the Klein Modder, a tributary of the Modder River. This study was conducted in order to determine the influence of Botshabelo's sewage outflow on the water quality of the river. It was determined that the Modder and Klein Modder Rivers do not generally follow distinctive seasonal patterns in terms of chemical parameters, although NO₃-N and PO₄-P concentrations usually increase with increasing flow and conductivity decreases with increasing flow. Physical parameters such as turbidity, flow and temperature did however follow distinctive seasonal patterns from February 1996 to December 1997, as did phytoplankton growth. Low chlorophyll-a concentrations were exhibited in the winter and higher concentrations during spring. In the Klein Modder River, algal blooms occurred more frequently, and the algal biomass was higher than in the Modder River. This could be ascribed to the higher nutrient concentrations and lower flow velocities in the former. The inflow of the Klein Modder River into the Modder River caused on average, 112% increase in PO₄-P, 171% increase in NO₃-N, 50% increase in chlorophyll-a concentration, and 230% increase in E. coli counts.