基于SWAT模型的内蒙古锡林河流域降水-径流特征及不同水文年径流模拟研究

以我国北方寒旱区草原中典型流域——锡林河流域为研究对象,结合我国北方寒旱区草原型河流流域的气候特点、下垫面条件及水文过程的特殊性,通过分析锡林河流域近30 a的降水—径流变化特征,利用锡林河水文站的年径流频率曲线,采用一定保证率条件下的年径流量作为划分流域丰平枯水年的标准,对锡林河流域历史水文年进行划分。基于此基础,以ARCSWAT2012为操作平台,应用地理统计分析方法,对模型建立过程中所需的各数据库进行基础数据整备与参数化,分析影响模型径流模拟精度的主要参数,进行模型的参数率定与结果精度评价,分别对锡林河流域各丰、平、枯水年进行径流模拟,并对其结果进行了检验。结果表明:SWAT模型对细化流域降水—径流分配的径流模拟具有不同的精度,即平水年 > 偏丰水年 > 丰水年 > 偏枯水年 > 枯水年,体现出SWAT模型在中国北方寒旱区丰水年和平水年具有较好的可操作性。     

气象因素对锡林河融雪径流影响的通径分析

以锡林河流域为研究对象,针对锡林浩特、阿巴嘎旗、林西和克什克腾旗4个国家气象站,1960-2010年的逐日气象数据和锡林浩特水文站1960-2010年的实测径流数据,利用相关分析、偏相关分析和通径分析等方法,在年时间尺度和季时间尺度上研究降水、气温、最高气温、最低气温、日照时数、潜在蒸散发和有效积温等气象因素与径流的相关性、偏相关性,并通过通径分析,确定其对径流影响的直接作用和间接作用.结果表明:在年时间尺度上,日照时数、年均气温、最低气温和最高气温与径流量的相关性不显著,其对径流的直接影响和通过其他因素对径流的间接影响也较小,不是影响径流变化的主要气象驱动因素;降水、蒸发和有效积温与径流的相关性较高,这3种因素对径流的直接影响也较大,是影响流域径流的主要气象因素.在季时间尺度上,对锡林河流域径流变化影响较大的前3种因素依然是降水、蒸发和有效积温;但不同季节、不同气象因子对流域径流影响的贡献不同,春季起主要控制作用的是有效积温,夏季和秋季起主要控制作用的是降水.     

玛纳斯河流域融雪径流与积雪-气象因子分析

利用雪盖、径流、气象因子数据分析了玛纳斯河流域融雪径流特征及其与积雪-气温-降雨的关系。根据地形、植被和积雪分布特征建立了流域分带体系。以2000-2008年3-6月8日合成MODIS积雪产品（MOD10A2）为基础,插值获取流域分带日均积雪面积数据。根据天山山区气温-降雨的垂直地带性特征,以肯斯瓦特水文站1995-2008年逐日气温、降水数据为数据源,应用DEM递推获取流域分带日均气温、降水数据。定性分析了流域各带气温、降雨和积雪分布特征及其定量相关关系。同时,分析了流域积雪面积和径流的定量关系。结果表明:①低山荒漠草原带3月22号前后,云杉林带4月11号前后,高山高寒草甸带5月14号前后,高山冰雪带6月12号前后气温持续在零度以上;②降水年内分配不均,降水主要集中在夏季,占年降水量的43.39% ,春季占28.14% ,秋冬季降雨偏少,分别为13.04%和15.24%;③各带积雪面积和气温相关性很高,3-6月各带气温逐渐升高,积雪逐渐融化,除高山冰雪带不完全消融外其余分带积雪在此期间全部消融;高山高寒草甸带和高山冰雪带积雪面积和气温呈线性相关;④流域总的积雪面积和径流散点图显示出很好的幂指数相关;不同年,积雪面积与径流关系呈规律性变化。     

锡林河流域径流变化规律及气候波动和人类活动影响的定量分析

多种原因导致内蒙古高原内陆河草原流域草地退化及环境恶化,定量分析其径流变化规律和影响因素对于流域的生态保护具有重要的意义。基于内蒙古锡林河流域1963—2015年水文、气象和社会经济等数据,采用累积距平法、双累积曲线法、改进的M-K趋势检验法和累积量斜率变化率比较法等方法,从年代、水文年及季时间尺度剖析了锡林河流域径流演变的规律,定量计算了气候波动和人类活动对锡林河径流变化的贡献。结果表明:锡林河流域径流量在各时间尺度均为显著(p0.05)减少趋势,而各气候要素的波动变化趋势不明显,但流域内社会经济变化显著;径流量在21世纪初达到最小,相对于20世纪90年代减少了54.9%;流域内降水、径流变化的突变年份均为1998年,1998年前后气候波动对径流减少的贡献率仅为30.34%,而人类活动对径流减少的贡献率达到69.66%,人类活动是引起径流量减少的主要驱动因素。     

锡林河流域水文干旱演变特征及影响因素分析

利用1982—2018年锡林浩特气象站和水文站的降水、气温、径流等数据,通过计算气象水文干旱指数,并采用交叉小波分析、累积距平、游程理论等方法探究锡林河流域水文干旱演变特征及主导因素。结果表明:1982—2016年,锡林河流域降水量与潜在蒸散发量呈逐年增加的趋势,而径流深则呈现逐年减小的趋势;锡林河流域上游区域夏季和冬季的旱情等级较高,自2000年以来,甚至出现夏季与冬季连旱的情况,故高温和低温均是可能引发锡林河流域干旱的重要原因;交叉小波分析发现,气象干旱与水文干旱的滞后关系会有所改变,不是所有区域都表现出水文干旱滞后于气象干旱;人类活动和气候变化在1990—1998年、1999—2016年对出现水文干旱的影响程度分别为67.7%,55.6%和32.3%,44.4%,呈逐年减小的趋势。     

基于遥感的径流丰枯与高山区积雪关系分析——以天山玛纳斯河流域为例

山区降水和高山冰雪融水是玛纳斯河流域径流的重要补给来源。利用MODIS陆表遥感数据MOD10A2提取2001-2007年1-12月流域积雪覆盖数据。用肯斯瓦特水文站1957-2007年径流资料为样本分析年径流丰枯演变规律。选择径流丰水年和枯水年,重点分析融雪期4-7月径流量与1-5月流域积雪面积和高山区气温-降雨的关系。结果表明:①流域内积雪分布年内变化特征显著:8月中旬至次年1月上旬为积雪增长期;1月中旬至8月上旬为积雪衰减期;②流域流量20世纪90年代以来持续增加,但2002年、2003年出现丰水和枯水现象;③在春季,流域水资源主要以融雪径流方式为主,春季随着气温的升高,积雪面积逐渐变小,流量逐渐增加;④冬季山区积雪面积越大,以固态形式存储的水量亦越大,春夏季随着气温的升高,积雪消融速率越大,河流来水量就越丰富。     

天山北坡呼图壁河流域积雪水文过程对气候变化的响应

积雪是干旱区水资源的重要组成部分,气候变暖引起的降水形态和积雪消融的改变势必会对流域径流过程及其组分变化产生重要的影响。选取天山北坡呼图壁河流域作为干旱区积雪补给典型流域,利用站点气象数据及IPCC CMIP5气候情景数据,驱动改进雨雪划分方案、融雪径流计算模块的VIC模型,以观测径流和MODIS积雪面积数据进行模型多目标参数优化,定量解析呼图壁河流域径流组成、变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明:(1)呼图壁河径流呈暖季集中的单峰型分布,融雪径流、降雨径流和冰川径流分别占径流总量的27.7%,66.1%,6.2%。1978—2010年呼图壁流域在气温、降水量显著增加,降雪量变化不大,降雪占降水比例显著下降的背景下,总径流和降雨径流显著增加,融雪径流微弱增加。(2) RCP4.5情景下,预估未来呼图壁河流域气温将显著升高,降水缓慢增加,而降雪明显减少;流域总径流将缓慢增加,其中降雨径流显著增加,而融雪径流将显著减少;径流年内分配亦将改变,将表现为春季径流和峰值流量的下降,枯水期流量增加,融雪径流峰值前移。(3)春季融雪径流的占比最高,其变化直接决定着总径流的丰枯变化;预估未来融雪径流显著减少将导致3—6月灌溉期总径流减少,在现有农业生产模式下将进一步加剧灌溉用水矛盾。     

锡林河流域融雪径流时间变化特征与成因分析

融雪径流是寒旱区草原流域径流的重要补给方式和水源。融雪径流时间随着气象条件的变化而改变,这严重影响着研究区年径流量和各季径流量的分配。采用锡林河水文站1960—2009年水文年流量质心时间CT来表示锡林河水库上游融雪径流开始时间,分析了融雪径流时间变化特征。结果表明:锡林河水文站融雪径流时间具有提前趋势,且融雪径流发生在3月末与4月初期,锡林浩特气象站融雪期（3—4月）气温升高或积雪期（上年10月—当年4月降水量增加,锡林浩特水文站融雪径流时间会提前,但融雪期气温对融雪径流时间作用更明显。由融雪径流时间与年径流量和四季径流量的相关关系,可得融雪径流时间提前,年径流量、冬、夏、秋季径流量均会减小,而春季径流量会增大,但融雪径流时间与年径流量、夏、秋季径流量关系最为密切,相关系数分别为0.456,0.600与0.676。这对寒旱区草原流域合理利用雪水资源和洪水预警有重要作用。     

中西河流域降水变化与径流关系研究

根据中西河流域近40年的降水、径流资料，分析了流域的降水、径流变化及降雨与径流的关系。结果表明，中西河流域年均降水量为507．68mm，年均径流量为1．86亿m^3，年降水量离差系数为Cv=0．24，径流量离差系数为Cv=0．59。流域降水年际变化是影响径流年际变化的主要因素。     

天山北坡中段融雪径流敏感性分析——以军塘湖流域为例

以天山北部中段军塘湖为典型研究区,利用军塘湖河流域径流和气象数据分析了高山融雪径流与温度、降雨的定量关系。基于天山北坡中段10个气象站(乌苏、石河子、沙湾、玛纳斯、呼图壁、昌吉、米泉、小渠子、大西沟、天池)1961—2010年逐月气温、降水数据等实测数据为基础进行Mann—Kendall趋势检验与分析。以模比系数差积曲线在M—K检验基础上分析径流、温度与降水之间的趋势关系。以SWAT模型为框架建立新疆军塘湖河流域水文过程模型,利用红山水库12a径流数据在SWAT模型参数校准后对新疆天山北坡融雪径流过程进行敏感性分析预测。通过改变SWAT模型输入数据的平均温度、降水量等因素分析了其对融雪径流的敏感性及影响。结果发现,从冬季至初春温度及降水等因素变化仅在融雪期对径流产生较大影响。此外,温度数据的变化对军塘湖天山北坡流域融雪径流的影响较降水量大。     

基于SWAT模型的阿克苏河流域径流模拟

阿克苏河流域地处中国西北干旱区域,受高寒气候影响,其冰川和积雪融化补给对流域径流量变化、区域水资源合理优化及生态环境的保护影响重大。结合阿克苏河流域融雪径流的产流、汇流的独特之处,应用SWAT分布式水文模型对其月均径流进行了模拟研究。收集阿克苏河流域7个气象站点1980—2013年的逐日观测数据和阿拉尔水文站2000—2013年月均实测径流数据,基于DEM数据、土地利用数据、土壤数据,建立适合阿克苏河流域的融雪径流模型并进行月均径流的模拟。结果表明:SWAT模型在阿克苏河流域具有良好的适用性,校准期和验证期相对误差R_E均在8%以内,决定性系数R²和Nash-Sutcliffe效率系数NS均高于0.82,达到了模型的评价标准,为高海拔干旱区建立分布式水文模型提供了参考。     

基于地形因子改进融雪径流的模拟及验证

该文基于传统的气温指标经验融雪径流模型,提出结合高程、坡向和坡度的流域分带及度日因子改进计算方法,定量描述流域地形特征对气温空间差异与融雪量产生的影响,由此建立基于地形因子改进的融雪径流(snowmelt runoff model,SRM)模型.通过乌鲁木齐河上游山区流域2005-2007年春夏季融雪日径流的模拟和验证,对比分析这传统模型和改进融雪径流模型在数据稀缺流域中的应用效果.结果表明,2种模型模拟2005-2007年春夏季融雪日径流均有较好的模拟效果.比较传统模型,基于地形因子改进的融雪径流模型具有更高的模拟精度,通过流域分带和度日因子数计算的改进,减少了模拟误差,3 a平均的拟合优度R2值从0.77增加到0.80,均方根误差从5.7减少到5.35 m3/s,模拟精度有所提高.可见,建立的基于坡向和坡度等地形因子改进的融雪径流模型在数据稀缺干旱流域融雪径流模拟中具有更好的适用性.     

东北黑土区融雪径流侵蚀力时空分布

[目的] 融雪侵蚀是东北黑土区主要土壤侵蚀形式之一,是该区土地退化的重要作用力,融雪径流侵蚀力是计算融雪径流侵蚀量的关键因子,因此研究融雪径流侵蚀力具有重要意义。融雪径流侵蚀力主要受积雪深度、辐射强度及升温速率影响,其主要驱动力包括融雪速率和地表径流作用。[方法] 通过计算近31年日均融雪径流侵蚀力,分析东北黑土区融雪径流侵蚀力时空分布特征,并利用地理探测器辨析各区域融雪径流侵蚀力的主要影响因子。[结果] 3个黑土亚区1990—2020年日均融雪径流侵蚀力均呈现先增大后减小态势,近些年逐步趋于稳定,多年日均融雪径流侵蚀力为0.01 (MJ·mm)/(hm²·h·a);空间上多年日均融雪径流侵蚀力在0~0.21 (MJ·mm)/(hm²·h·a)范围内,基本呈现中间小、四周大规律。融雪径流侵蚀力影响因子空间上表现为积雪深度北部大、南部小,太阳辐射强度呈现由西向东递减,升温速率值从北部向南部递减。通过地探测器辨析融雪径流侵蚀力影响因子作用强弱发现,升温速率对蒙东黑土亚区作用最强,而积雪深度对松嫩黑土亚区及三江黑土亚区作用最强。[结论] 通过分析1990—2020年东北黑土区融雪径流侵蚀力时空特征及其影响因子,对于深化研究区融雪径流侵蚀特征及融雪侵蚀防控具有一定的理论和实践意义。     

东北坡耕地春季融雪侵蚀观测研究

为研究东北地区坡耕地的春季融雪侵蚀特征及其影响因素,选取吉林省吉兴小流域内坡耕地进行原位观测,通过分析融雪过程中径流量和含沙量的变化,以及融雪径流、土壤解冻深度等指标对融雪侵蚀的影响,探讨坡耕地融雪侵蚀过程及变化规律。结果表明,在日平均温度0~3.8℃的气象条件下,春季融雪侵蚀较为集中,径流与含沙量变化均先增加后减少。融雪径流与表层土壤解冻深度是影响融雪侵蚀的重要因素,初期融雪产流,土壤未解冻,径流急剧增加,径流量占融雪期总径流量的59.15%;中期积雪融化趋于稳定,土壤表层开始解冻,径流减少含沙量增加,侵蚀量达到最大且占融雪期总侵蚀量的41.74%;末期融雪产流停止,土壤解冻深度增加,含沙量达到最大(8.00kg/m~3)。坡耕地融雪侵蚀受垄作区域与集水洼地地形变化的影响,产流产沙具有较强规律性,二者峰值出现频次一致时,径流—泥沙呈"8"字循环滞后关系,反之呈复式循环滞后关系。     

东北低山丘陵区季节性积雪特性研究

为探究东北低山丘陵区冬季积雪物理特性变化过程,利用超声雪深监测仪和Snow Fork雪特性分析仪采集积雪物理特性(积雪深度、积雪密度、液态含水率)数据,分析积雪深度、密度和液态含水率随时间的变化特征及其在垂直剖面上的变化过程。结果表明:主要积雪期为11月下旬至翌年2月中下旬,积雪深度与雪层温度、气温呈显著负相关关系,与降雪量呈正相关关系。积雪消融主要集中在10:00—18:00之间,且积雪消融相对于气温表现出滞后性,滞后时间约为4h。积雪初(12月1日观测),雪底层密度为0.198g/cm~3,表层为0.126g/cm~3,从底层至表层呈逐渐减小趋势。随着雪底层形成深霜,中间层5—10cm的积雪密度大于表层和底层。积雪0—5,5—10,10—15cm层平均液态含水率分别为0.308%,0.319%和0.205%,中间层最高,整体表现为单峰型。积雪液态含水率与积雪密度呈显著正相关关系(r=0.866,p0.05)。研究结果将为融雪径流形成、融雪侵蚀防治以及季节性积雪区生态系统功能评估提供基础数据。     

玛纳斯河流域冰川变化及水资源研究进展

玛纳斯河流域地处西北内陆干旱区,由于水资源制约社会经济发展和生态环境建设,近年来也取得了很多高水平的研究成果。按流域上游产流区和中下游消耗区对以往研究进行总结,以期对流域冰川变化及水资源方面有更清晰的认知,主要从冰雪覆盖变化、河川径流变化特征及其对气候变化的响应、径流变化的模拟预测、地下水、同位素、水资源的开发利用等方面综合概述了研究区水资源的研究进展。近半个世纪以来,玛河流域上游区开展了一些冰川野外考察工作,对流域冰川的形成、作用有了初步的认识,但缺少冰川变化方面的实测数据。在全球变暖的影响下,研究区冰川面积出现了不同程度的缩减,并导致冰川生态系统服务功能价值下降;近60年来研究区气温和降水都呈递增趋势,流域年径流变化受水文年降水量、夏季温度、永久性冰川雪地面积变化等综合影响,其中径流量波动上升与气温和降水呈正相关,流域主要依赖冰雪消融和地下水补给;流域水资源承载力呈现良性发展的态势,能够维持生态系统的正常功能。但研究区由于资源性缺水和生产生活用水不断加剧,水资源日益成为区域经济社会发展的制约因素,众多学者从不同层面提出了水资源开发利用和管理方面的对策和建议。但目前的研究中仍存在一些问题和不足,重点可以在流域冰川水资源的系统研究、建立冰川变化的定位观测体系和开展详细的流域冰川模拟预测研究,要在中下游区加强社会经济用水和生态用水的科学调配等方面展开进一步研究。