基于历史参照系的三江源区径流调节功能及变化评估

以20世纪70年代植被类型图作为参照生态系统,采用径流量和径流系数作为径流调节功能的表征指标,建立了基于历史参照系的三江源区径流调节功能评估模型,以参照系径流系数与实际径流系数的比值作为径流系数质量指数,分析了2000-2017年三江源区生态系统径流调节功能参照值、现状值及变化量的时空变化规律。结果表明：2000-2017年,三江源区多年平均径流量为495.15亿m³,地表径流量为96.64亿m³,参照系条件下多年平均径流量为468.37亿m³,地表径流量为68.60亿m³。相比参照系,三江源区生态系统的径流蓄纳能力降低,总径流量和地表径流量均明显增加。空间上,基于参照系和实际生态系统的多年平均径流量表现为东南高西北低的空间分布特征,地表径流量则呈西部高东部低的空间分布特征。从时间变化看,实际径流和参照系径流的差别率在4%-9%之间,实际地表径流和参照系地表径流的差别率在22%-58%之间。径流系数质量指数得分显示,2000-2017年,三江源区径流系数质量指数平均得分为98.63,地表径流系数质量指数平均得分为96.98,两者均呈现先降低后增加的趋势,地表径流系数质量指数变化更为明显。2000-2017年,各县（镇）径流系数和地表径流系数质量指数得分具有较大差别,但各县（镇）得分变化均不明显,变化率分别在-1.95%-0.71%和-0.35%-1.90%之间。通过建立基于历史生态系统的评估参照系,定量评估了三江源区参照系和实际条件下的径流变化过程,实现了不同时间、不同区域生态系统径流调节功能的可比较,可对量化生态系统恢复进程提供支撑。     

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。     

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。     

绿色屋顶径流调控研究进展

绿色屋顶在屋顶径流调控方面发挥着重要作用,能够有效减少径流量、延缓产流时间、降低径流峰值和改善径流水质.本文从绿色屋顶的分类及界定、绿色屋顶对径流的调控机制、绿色屋顶对径流量和水质的调控作用及其影响因素等方面阐述了国内外的研究现状,并从绿色屋顶植物的选择、高效绿色屋顶构建模式筛选、绿色屋顶径流调控规律研究、绿色屋顶截流能力的价值评估、绿色屋顶径流污染物的源 汇解析及缓解措施等方面提出了绿色屋顶径流调控的研究趋势,以期为城市绿色屋顶的建设提供理论和方法支持.     

竹林坡地径流中泥沙及氮磷载荷特征模拟

采用人工模拟降雨的试验手段,设定6个降雨强度(31.8～114.0 mm·h-1),通过测试径流量、泥沙量、径流中总氮(TN)和总磷(TP)浓度,研究了浙江省2种不同经营方式竹林(用材竹林和笋竹林)坡地(坡度20°)径流的载荷特征及机理.结果表明:用材竹林地的总径流量和径流系数均高于笋竹林地;笋竹林地的径流含沙量和总产沙量远大于用材竹林地;相同雨强下,笋竹林地降雨径流中的TN浓度为用材竹林地的5～6倍,笋竹林坡地径流中TN浓度随雨强增大而减小;用材竹林地降雨径流中TP浓度高于笋竹林地,笋竹林地泥沙中TP流失量是用材竹林地的数百倍;在TN和TP随径流泥沙的流失过程中,产流前期浓度起主要作用,后期径流量和产沙量起决定作用.     

森林转换对地表径流可溶性有机碳输出浓度和通量的影响

米槠次生林转换成米槠人工幼林和米槠人工促进天然更新幼林(以下简称"人促幼林")后,以这三种森林类型为研究对象,连续监测每次降雨后地表径流量及径流水中可溶性有机碳(DOC)的含量及通量,比较不同森林类型观测结果的差异,并分析降雨对实验结果的影响。结果表明:米槠人工幼林单次产流量是米槠次生林的1.5—19.0倍,观测期间总径流量为5.9倍;米槠人促幼林单次径流量和总径流量均与米槠次生林无显著差异(P0.05)。观测期间米槠次生林、人工幼林、人促幼林径流水DOC浓度值范围为5.9—18.4 mg/L,4.3—13.5 mg/L和3.2—9.9 mg/L,米槠次生林径流水浓度均值(12.6 mg/L)分别是米槠人促幼林(7.6 mg/L)和米槠人工幼林(5.3 mg/L)的1.6和2.4倍。回归分析表明,径流水中DOC浓度与降雨前土壤含水率呈显著相关;降雨前土壤含水率20.8%是一个临界值,含水率低于20.8%时,径流水DOC浓度与降雨前含水率呈显著正相关(P0.05);高于20.8%时,径流水DOC浓度与降雨前土壤含水率呈显著负相关(P0.05)。米槠人工幼林地表径流DOC输出通量是米槠次生林的0.7—5.4倍,观测期间总输出通量为2.1倍;米槠人促林DOC单次通量和观测期间总通量均与米槠次生林差异不显著(P0.05)。三种森林类型DOC输出通量均与降雨量呈显著相关(P0.05)。可见,米槠次生林转变成米槠人工幼林后DOC输出浓度降低,但径流量显著增加,导致DOC输出通量增加;而转变成米槠人促幼林后DOC输出浓度也降低,但径流量并未增加,因而并未增加DOC输出通量。     

黄土高原森林植被对流域径流的调节作用

对黄土高原腹地子午岭典型森林流域与非森林流域年径流变化的对比分析结果表明,森林流域径流年内分配比非森林流域相对均匀,汛期（6～9月）总径流量减少了8.9mm（葫芦河比蒲河）和7.1mm（合水川比东川）,枯季径流与汛期降水及枯水季节降水的回归分析可见,森林植被能将雨季蓄积的部分降水转化为地下径流,增大枯水季节的径流量,但由于黄土区土层深度,植被蒸腾耗水强烈,森林植被对枯水期河川径流的调节作用十分有限,森林植被对10～12月径流总的补枯效应仅为1.69mm（葫芦河比蒲河）和0.5mm（合水川比东川）,对1～4月径流无调节作用,说明森林植被拦蓄的大部分降雨被植物吸收利用,消耗于蒸腾,从而揭示了森林植被对河川径流的削洪补枯效应及其机理。     

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。     

植被恢复和气候变化对汾河源区径流及其组分的影响

近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关。但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰。因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用9种数值模拟法对1962-2018年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响。结果表明:(1)在9种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和0.68,基流是径流的主要组成部分。流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为78.1%-79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量。研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据。     

牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度（effective depth of interaction, EDI）的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响.结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流 扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加.覆盖度越大,EDI值越大.与裸地相比,60％、80％和100％覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34.52％、32.67％和6.00％,地表径流量分别减少了4.72％、9.84％和12.89％,侵蚀泥沙量分别减少了83.55％、87.11％和89.01％.60％和100％覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95.73％和84.05％,而80％覆盖度处理则为裸地处理的109.04％.草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”：加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量.两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量.     

牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度（effective depth of interaction,EDI）的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响．结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流-扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加．覆盖度越大,EDI值越大．与裸地相比,60％、80％和100％覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34．52％、32．67％和6．00％,地表径流量分别减少了4．72％、9．84％和12．89％,侵蚀泥沙量分别减少了83．55％、87．11％和89．01％．60％和100％覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95．73％和84．05％,而80％覆盖度处理则为裸地处理的109．04％．草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”：加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量．两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量．     

中梁山岩溶槽谷区不同土地利用方式坡地产流规律

坡地产流是造成岩溶区水土流失的主要驱动力,研究典型岩溶槽谷区坡地产流规律,对岩溶区防治水土流失、合理利用地下水资源具有重要理论意义。在重庆市中梁山龙凤和龙车槽谷选取不同土地利用方式的4个标准径流小区,对降水、地表径流、壤中流、裂隙流和土壤含水率进行了同步监测,探讨了坡地产流特征。结果表明:(1)4个不同土地利用方式的径流小区,坡地总产流量从大到小依次为:耕地(3696.9L)果园地(3657.2L)竹林地(2922.9L)林地(2211.1L),总径流系数(3.1%—5.2%)远低于非岩溶区(约20%);(2)4个径流小区的产流形式主要为地表径流,壤中流和裂隙流产生滞后于地表径流;(3)降水因子、前期土壤含水率共同影响地表径流,但降水因子对地表径流的影响远大于前期土壤含水率。降水因子中,15min最大雨强是影响耕地、果园地的地表径流的主要因素,降水量是影响林地、竹林地的地表径流的主要因素;前期土壤含水率对耕地、林地、果园地地表径流影响较大,对竹林地地表径流影响较小。     

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。     

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.     

Runoff characteristics in a small mountain basin analyzed by the use of hydrogen and oxygen stable isotopes

The hydrograph of a small drainage basin was separated into the components of direct runoff, soil water runoff, and ground water runoff, by a method using a stable isotope (¹⁸O and deuterium) to analyze its hydrological characteristics. It shows that the direct runoff consists of rainwater during the event, soil water runoff originating from the latest rainwater before the event, and groundwater runoff is a perfect mixture of rainwater brought to the catchment throughout the year. If these water masses constitute a triangle on a δD–δ¹⁸O diagram, they are independent of each other, and the separation gives a unique result. A comparison of the above results with the hydrograph separation in terms of the response time using a tank model led to an estimation of the flow path and dynamics of each runoff component. This study investigates the mixing process involved with these runoff components and, further, identifies physical properties to be observed in the field to provide for a more detailed analysis of the runoff process. Received: December 6, 1999 / Accepted: May 9, 2000     

Analyses of landuse change impacts on catchment runoff using different time indicators based on SWAT model

Previous researches mainly focused on the runoff responses to landuse change based on annual, seasonal or monthly time scales, there are few studies based on daily scale. We conducted a comprehensive investigation into runoff responses on the daily scale as well as annual and monthly time scales using SWAT, and compared the impacts of time scales with different time indicators quantitatively. Jinjiang, a coastal catchment of southeast China with a humid sub-tropical climate, was used for simulations. A calibrated SWAT model produced satisfactory reproduction of annual, monthly and daily runoff processes over a nine-year (2002–2010) period at three gauging stations. Runoff was then simulated and compared using the same meteorological input but two different landuse scenarios (1985 and 2006, with reduced forest and increased cropland and urbanized area). The results showed varying change in runoff among three time scales and three catchments. The annual runoff had the smallest increase between two scenarios, monthly runoffs had medium rates (increasing in all months except October–November), and daily runoff had the largest rates with the increase in flood peaks but decrease in drought flows, because of the variable influence on interception/evapotranspiration loss, percolation and antecedent soil water storage. Indicators of different time scales (annual runoff, monthly runoff, maximum 1-day and 5-day flood runoff, minimum 1-day and 7-day runoff) proved appropriate for analysing landuse change impacts.     

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。     

利用树轮揭示人类活动对柴达木盆地巴音河径流量的影响

评估人类活动对径流的影响,对区域水资源开发管理有借鉴和指导意义。利用柴达木盆地北部山区7个祁连圆柏树轮宽度数据,建立区域平均树轮宽度年表。通过对区域平均树轮宽度年表与巴音河水文站径流量进行相关、滑动相关和回归分析,模拟了巴音河1956—2002年6月天然径流量变化,进而分析出人类活动对径流量的影响。结果表明: 树轮平均年表与6月径流量的相关性最强(r=0.63,P<0.01),两者相关系数在1986年后下降;基于1956—1986年树轮平均年表与6月径流量建立的转换方程,方差解释量为50.8%;基于转换方程模拟的1987—2002年径流量均值与实际观测径流量存在显著差异,模拟均值比观测均值大3.01 m³·s^-1。上游人类活动已经对巴音河径流量的变化带来了明显的影响。因此,在巴音河流域未来水资源开发利用规划中,有必要将人类活动作为重要的影响因素加以考虑,以保障可持续的水资源利用。     

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。     

太湖地区典型水稻土稻-麦轮作地表径流中磷的变动规律

为了了解来自农田土壤径流磷浓度对太湖水体富营养化的贡献状况,采用田间小区试验的方法,研究了太湖地区安镇爽水型水稻土和常熟囊水型水稻土2000～2002年度磷素流失浓度变化及其原因。结果表明:太湖地区农田水稻土磷素流失的主要形态是颗粒态磷;施磷处理对地表径流磷浓度有显著影响;两种水稻土的径流中磷浓度呈现出随时间而降低的趋势;稻季土壤磷素流失的最大风险时期约在水稻移栽后一个月内,而麦季约在磷肥施用后1～2个月内;对于同期地表径流事件,囊水型水稻土径流中DP和TP浓度均高于爽水型水稻土;土壤类型对地表径流次数有明显的影响,并且随季节表现不同。