HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用

利用流域分布式水文模型精确模拟计算和分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特征,是当前流域蒸散发研究的一个前沿与难点问题。本文基于点尺度蒸散发观测试验与机理研究,对HIMS(Hydro-Informatic Modelling System)日过程模型蒸散发模块进行改进,考虑流域内植被空间分布和生长变化特性及灌溉措施的影响,利用分类汇总和分段单值作物系数法计算流域实际蒸散发,并在海河流域进行验证分析。研究结果表明:流域实际蒸散发模拟值与水量平衡法计算值相差3.4%,与原HIMS模型相比,蒸散发模拟精度提高9.2%;改进的模型对原有模型的模拟内容有所扩展,能够模拟林地蒸散发、草地蒸散发、冬小麦?夏玉米农田总蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸发。改进后的HIMS模型能够快速模拟分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特性,可为海河流域蒸散发管理提供技术支撑。     

基于SWAT模型的南渡江流域土地利用/覆被变化的径流响应

为了探究热带岛屿性流域土地利用/覆被变化(Land Use/Cover Change,LUCC)的水文效应,以海南岛典型热带岛屿性流域南渡江流域为研究区,构建本地化SWAT模型,模拟流域水文过程及其对LUCC的响应,揭示流域径流的变化规律,对比不同土地利用类型的水文过程及调蓄能力,探讨了典型热带岛屿性流域LUCC的径流效应。结果表明:SWAT模型在南渡江流域的适用性良好,径流模拟对植被蒸散发、产生径流的坡面状况、土壤状况和地下水过程较敏感。不同土地利用类型对流域的产流贡献顺序为耕地>其他林地>橡胶林地; 耕地产流能力最强,其他林地和橡胶林地具有一定的截流蓄水作用。综上所述,与1990年相比,2015年南渡江流域河流径流量减少,流域LUCC导致的地表径流减少是河流径流量减少的直接原因,而蒸散发加剧是地表径流减少的主要原因。     

基于SWAT模型的罗玉沟流域森林植被变化的水文生态响应研究

以甘肃天水罗玉沟流域为研究区,应用分布式水文模型（SWAT）对该流域的径流、泥沙和水质状况进行模拟研究,并重点探讨了降雨和森林植被变化对水文生态响应的影响。结果表明:降雨因子对径流的影响略大于对泥沙的影响;森林植被具有明显的减水减沙生态水文功能,尤其对泥沙的影响更大于对径流的影响。     

昕水河流域径流变化及其对气候和人类活动的响应

开展流域尺度气候变化和人类活动对径流的影响研究是科学制定流域综合管理规划,并实现流域可持续管理的基础。以黄土高原丘陵沟壑区的典型流域——昕水河流域为研究对象,结合流域多年(1958—2015年)气象水文数据,采用M-K趋势检验法分析年降水、年潜在蒸发散和年径流量的变化趋势,运用双累积曲线法分析年径流量序列的突变年份,并根据生态水文分析法与水量平衡原理定量解析流域尺度气候变化和人类活动对年径流的影响。结果表明:1958-2015年,流域年径流量变化呈显著下降趋势(Z=-5.84,p<0.0001),而降水(Z=-0.72,p=0.31)和潜在蒸散发(Z=-0.5,p=0.88)变化趋势不显著。双累积曲线法表明径流量突变点为1974年和2000年,其中,1975—2000年间影响径流减少的主要因素是气候变化,气候变化导致径流量减少的贡献率为73.14%,土地利用方式仅为26.86%;而2001—2015年土地利用变化是影响径流减少的主要原因,其贡献率高达103.81%,可见土地利用变化已成为昕水河流域径流量变化的主要驱动因素。在今后的流域治理中,需合理制定土地利用方案,实现昕水河流域水土资源协调发展。     

基于水文模型的流域蒸散发规律

基于双源蒸散发模型与栅格产汇流模型,该文构建了分布式流域水文模型,在老哈河上游的甸子流域模拟了蒸散量的时空变化过程。研究结果表明：相比蒸发皿观测数据计算的蒸散发能力,双源模型计算实际蒸散量作为水文模型的驱动因子更具优势,其能够有效地模拟流域尺度实际蒸散量的变化过程;不同植被类型的截留蒸发、植物蒸腾、蒸散量过程都呈单峰形式,夏季达到最大值,高大植被的植被蒸腾量和生产性蒸发比例显著高于低矮植被;不同植被条件下的土壤散发变化规律不一致,高大植被在5月达到峰值,低矮植被则在6月或7月达到峰值。     

典型黑土区不同尺度观测场地融雪径流

通过对典型黑土区坡面、微型小流域和小流域3个尺度观测场地连续4 a的融雪监测,比较分析了融雪径流发生特征及其所占的比例。结果表明,该区融雪发生和持续时间取决于日最高气温和冬季总降雪量。降雪径流系数远大于降雨径流系数,部分年融雪径流量多于降雨径流量,坡面尺度的径流系数高于小流域尺度的径流系数。小流域的融雪径流最能代表汇入河流中的雪水量。降雪径流系数年际波动大,范围为3%~83.6%,融雪径流量占全年降水径流量的59.3%,在径流观测中不容忽视。     

泾河上游流域实际蒸散发变化趋势及成因分析

利用泾河上游流域1973—2012年的径流和蒸发皿观测资料,验证了该区域蒸散发量存在互补关系;在此基础上,利用区域内1966—2012年的气象资料,采用蒸散发互补关系模型估算区域实际蒸散发量,并进一步分析实际蒸散发的变化趋势及成因。结果表明,泾河上游流域蒸散发互补关系显著,平流—干旱模型计算该区域1966—2012年多年平均实际蒸散发量为529.4mm,总体呈减少趋势,变化率为-4.64mm/(10a)。季节变化上,春、夏、秋季的实际蒸散发量均呈下降趋势,其中夏季实际蒸散发量下降趋势显著,冬季蒸散发略有上升。通过分析实际蒸散发与气象因子的相关关系以及各气象因子变化趋势可知,研究区实际蒸散发的变化与降水、相对湿度和日照时数呈正相关关系,而与风速的变化呈负相关,该区域年实际蒸散发减少的主要原因可能是由于日照时数减少导致太阳辐射能量下降及降水量减少使可供蒸发的水量减少。     

基于Budyko假设的金溪流域径流变化归因分析

[目的]探究金溪流域径流变化特征及其原因,对于水库运行调度及水资源管理具有重要指导作用。[方法]基于1982—2015年流域气象水文数据以及植被NDVI数据,采用线性回归法、Mann-Kendall突变检验及滑动T突变检验法分析径流变化特征,进一步采用Budyko水热耦合平衡方程计算各影响因子对流域径流变化的贡献率。[结果]金溪流域年径流深、降雨量均呈不显著上升趋势,变化速率分别为3.89 mm/a, 8.43 mm/a。潜在蒸散发量呈显著上升趋势,变化速率为1.17 mm/a。通过突变检验可将金溪流域径流序列分为基准期1982—2002年和变化期2003—2015年。金溪流域径流变化归因分析表明：下垫面变化对径流变化的贡献率为123.55%,潜在蒸散发的贡献率为33.83%,降雨贡献率为-57.38%,流域下垫面变化主要源于植被情况显著改善,其中NDVI在基准期上升速率为0.005/10 a,在变化期上升速率为0.024/10 a。[结论]导致金溪流域径流变化的主要源于植被情况的显著改善,金溪流域径流变化的归因分析为金溪流域的水资源利用提供了理论支持。     

基于SWAT的西苕溪流域降雨一径流关系及水量平衡分析

以SWAT模型为工具,对太湖西苕溪流域进行了径流模拟,采用1988—2001年范家村水文站逐日、逐月实测径流资料对模型进行了参数率定和模型验证,效率系数均大于0.88,径流相对误差均小于4%。在此基础上,重点分析了西苕溪流域的降雨—径流关系和水量平衡。结果表明,研究时段内西苕溪流域降雨—径流关系变化不明显;西苕溪流域的降雨年际分布不均匀;受降雨影响,雨季月径流量和洪峰值均有缓慢上升的趋势。水量平衡分析表明,河道径流、蒸散发、地下水补给量分别占降雨量的54.1%,45.8%,17.3%。     

应用遥感技术研究贵州春季蒸散发空间分异规律

蒸散发量的估算对于灌溉策略、蓄水流失、水分平衡计算、径流预测和气象气候研究等都是不可缺少的因素.遥感(RS)和地理信息技术(GIS)的发展实现了蒸散发量的空间分布估算.利用1 km分辨率的MODIS影像数据反演的下垫面参数(如地表温度、反照率等)数据、日值的气象数据的空间插值结果数据及高程数据等基础信息数据,以贵州省典型喀斯特环境为研究区域,利用Penman-monteith蒸散发模型,在面的尺度上估算连续2个月的日值蒸散发量,定量描述蒸散发量的转化过程.通过蒸散发与相关因子的相关性分析,总结出贵州省影响蒸散发量时间动态、空间分布变化的主要影响因子和限制因子,进一步探索典型喀斯特生态环境的贵州省蒸散发量的变化规律.     

农田墒情动态二区模拟模型

为准确模拟土壤计划湿润层内墒情动态变化,基于土壤-植物-大气连续体物质能量运动及土壤水动力学的基本理论,考虑作物根系伸展和吸水特性,把土壤水分变化土层划分为随作物根系伸展而改变深度的包含主要根系的动态根区和无根系的储水区,构建了变根区墒情动态二区模型。模型根区深度随着作物根系伸展改变,以此准确表达土壤计划湿润层内墒情的动态变化;将储水区的土壤水分作为模型变量,计算根区下界面水分通量,由此间接地考虑了深层土壤水分对作物蒸发蒸腾量的影响。将模型拟合误差作为目标函数,采用自由搜索算法率定模型参数。应用建立的模型进行墒情模拟,模拟相对误差小于±5%和±10%所占的比例分别为49.09%和94.55%;经t检验和回归分析表明预测值和实测值相差不大,具有较好的一致性,决定系数为0.779,模型具有较高的模拟精度,能准确反映计划湿润层内墒情的变化。     

The Nashwaak Experimental Watershed Project: Analysing effects of clearcutting on soil temperature,soil moisture,snowpack, snowmelt and stream flow

A forest disturbance such as clearcutting affects local climate conditions by affecting surface reflectance, amount of snow catch, amount and timing of snowmelt and stream water discharge, soil moisture, soil temperature and soil frost. In this paper, snowpack water equivalents, soil moisture and soil temperature are simulated for pre- and post-harvest conditions at the Nashwaak Experimental Watershed Project. This Project involved a paired watershed experiment, with one of the forest-covered basins cut by way of a conventional harvesting operation, and the other basin left as a control. The computer simulations involved the application of a forest hydrology model (ForHyM) and a soil temperature model (ForSTeM). Both models used monthly amounts of rain and snow and mean monthly air temperatures records as input. Forest-atmosphere energy balances were calculated for year-round conditions. In this report, special attention was given to the energy balance when the ground is covered with snow. Doing so generated a process-oriented approach for calculating snowmelt throughout the winter and at the beginning of spring. Year-round model simulations for stream discharge were compared with pre- and post-harvest discharge observations. Also compared were simulated and observed snowpack water equivalents. Simulated results were in good agreement with field observations, thereby supporting the general calculations made for pre- and post-harvest soil moisture, temperature and frost conditions. Altogether, it was found that clearcutting produced positive as well as negative contributions to the water budget of the harvested basin. Positive contributions were likely due to reduced evapotranspiration. Negative contributions were likely due to reduced snow and fog water catch. Increased ground-level insolation advanced the snowmelt season for the cut basin by about two weeks.     

祁连山南麓高寒禾草-矮嵩草草甸土壤水源涵养功能的特征

青藏高原被誉为“中华水塔”,高寒草甸是主要植被类型但其水源涵养功能有待准确量化。以祁连山南麓高寒禾草-矮嵩草草甸为研究对象,通过分析2014—2018年的植被生长季(6—9月)土壤体积含水量的长期观测数据,探讨了土壤有效水源涵养量(土壤现实持水量与最小持水量之差)和水文调节功能(有效水源涵养量的时间变化速率)的变化特征及其环境调控机制。结果表明:高寒草甸0—100 cm年均土壤有效水源涵养量为(44.3±8.7)mm(平均值±标准差,下同),呈现出双峰型的季节趋势,最高峰和次高峰分别为6月下旬的(57.8±14.4)mm和9月中旬的(59.2±15.7)mm。浅层(0—20 cm)、中层(20—60 cm)和深层(60—100 cm)土壤有效水源涵养量占比分别为53.1%,34.9%和12.0%,土壤有效含水源涵养量随土层深度增加表现为对数衰减(R²=0.82,p<0.001)。增强回归树的结果表明土壤有效水源涵养量的季节变化主要受控于土壤温度,尤其是5 cm土壤温度,二者呈现出显著负相关。不同深度的年均土壤有效水源涵养量和土壤黏粒比例显著负相关(R²=0.99,p=0.004)。根系区(0—40 cm)年均土壤吸湿速率和脱湿速率分别为(0.21±0.02)mm/h和(0.22±0.02)mm/h,t检验的结果表明除了0—5 cm之外,根系区土壤脱湿速率显著大于吸湿速率。分析表明土壤温度是土壤吸湿和脱湿速率的显著环境驱动因子。因此,土壤温度是高寒禾草-矮嵩草草甸土壤有效水源涵养量和水文调节功能的主要影响因素,维持土壤的低温是高寒草甸水源涵养功能保育和提升的重要基础。     

基于SCS模型的新疆博尔塔拉河流域径流模拟

为探索SCS(soil conservation service)模型在干旱区地表径流模拟中的适用性,以新疆博尔塔拉河上游温泉流域为例,利用2013年融雪期18场次降雨量、日径流量及卫星同步观测基础数据,基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表温度-植被指数特征空间反演土壤水分等方法,探索适用于流域尺度耦合降雨、积雪融水混合补给径流的SCS模型参数改进算法,采用国产"高分一号"16m分辨率遥感影像和landsat8 OLI 30m多光谱遥影像为模型提供面状数据。分别利用参数算法改进后SCS模型与原SCS模型进行径流模拟,前者模拟值较后者更接近实测值,二者模型验证期Nash效率系数分别为0.66和0.38,相对误差系数分别17%,27%;研究结果表明,利用遥感反演地表参数,结合土壤饱和含水量计算SCS模型参数的方法在面积大且数据缺乏的温泉流域具有可行性和实用性。     

非充分灌溉条件下农田水分转化SWAP模拟

非充分灌溉改变了农田水分转化过程,以往的研究较少讨论作物根系层以下的土壤水分转化动态及其对作物耗水的影响。该文在北京市典型农田开展了冬小麦-夏玉米非充分灌溉试验,在对SWAP模型率定与验证基础上,模拟分析了非充分灌溉农田耗水规律与水分转化过程,并应用模型得到了研究区不同降水年型的最优非充分灌溉模式。结果表明:非充分灌溉的实施促使作物消耗大量土壤贮水,当降雨或灌溉量较小时,土壤水可占作物耗水量的46.1%;根区和储水区之间土壤水分交换明显,转化通量变化范围为-2.67～0.45mm/d,而储水区底部水分通量较小且无明显变化,根区土壤水分渗漏出现在灌溉或较大的降雨之后,储水区水分向上补给主要发生在作物需水关键期;与常规灌溉相比,最优非充分灌溉模式在丰水年、平水年和枯水年分别节水375、225和225mm,储水区底部深层水分渗漏量分别减少了89%、17%和2%。     

青海三江源地区土壤水分常数转换函数的建立与比较

利用土壤理化性质数据建立转换函数是间接获得土壤水力参数的重要手段之一。基于测定的土壤理化性质和土壤水分常数数据,本文采用回归分析、BP神经网络和基于BP神经网络的Rosetta模型3种方式分别建立了青海三江源地区土壤饱和含水量、毛管持水量和田间持水量的转换函数,并对其预测精度进行了比较。结果表明:(1)回归分析方法总体预测效果比较理想,特别是田间持水量的平均误差(ME)和均方根误差(RMSE)都在3.397%以下,决定系数(R2)高达0.868;(2)BP神经网络方法的预测效果非常理想,各土壤水分常数平均误差和均方根误差都在4.685%以下,并且决定系数均在0.857以上;(3)Rosetta模型的预测效果相对较差,特别是饱和含水量和毛管持水量,平均误差(ME)和均方根误差(RMSE)相对较大,决定系数(R2)相对较小。3种方式中,BP神经网络方法所建立的毛管持水量和饱和含水量转换函数均为最佳,回归方法所建立的田间持水量的转换函数要好于BP神经网络方法和Rosetta模型,Rosetta模型对土壤水分常数的预测效果不如其他两种方式。研究可为青海三江源地区土壤水力特性参数研究以及区域尺度上土壤水分估算提供科学依据。     

塔里木河中游河岸带植物区系及物种多样性初探

森林枯落物是保障森林充分发挥涵养水源功能的一个极其重要的水文层次,具有明显的蓄水、保水作用。通过分析苏南丘陵地区的主要森林类型枯落物含水率、蓄水量及其与土壤含水率和气象因子之间的关系,结果发现,苏南丘陵地区枯落物含水率由大到小依次为:常绿阔叶林、落叶阔叶林、火炬松林、毛竹林;蓄水量由大到小则为:落叶阔叶林、常绿阔叶林、火炬松林、毛竹林。降水和蒸发等气象要素对枯落物含水率有重要影响,一次连续降水会显著增加枯落物含水率,但存在1～5d的滞后;蒸发量与枯落物含水率呈显著负相关,平均蒸发量与落叶阔叶林、常绿阔叶林、火炬松林和毛竹林枯落物含水率有明显负相关。落叶林(落叶阔叶林、毛竹林)枯落物蓄水量受土壤含水率的影响要比常绿林(火炬松林、常绿阔叶林)大,而同一种林分枯落物蓄水量与该林分表层(10cm土层)含水率的相关系数高于次表层(20cm土层)与枯落物蓄水量的关系。     

Linking fragipans,perched water tables,and catchment-scale hydrological processes

Soils with very slowly permeable fragipans and fragipan-like argillic horizons are extensive throughout the Palouse Region of northern Idaho and eastern Washington, USA. These soils develop seasonal perched water tables (PWTs) under the xeric moisture regime of the region. The objective of this study was to utilize a hydropedology approach to examine the linkages between fragipans, PWTs, and catchment-scale hydrological processes such as soil water storage, runoff, and lateral throughflow. A 1.7-ha catchment dominated by Fragixeralfs (Fragic Luvisols) was instrumented with 135 automated shallow wells to monitor PWTs. Soil water content was measured with water content reflectometry probes, and catchment outflow was measured with a flume. A 35 m × 18 m plot was isolated hydrologically from the surrounding hillslope using tile drains and plastic sheeting to measure perched water outflow. Results show that during the wet winter and spring months, the transition from unsaturated to saturated conditions is accompanied by changes in volumetric water storage of only 4–5%. PWT levels are at the surface of ∼ 26–45% of the catchment soils during periods of high rainfall and snowmelt, thereby generating saturation-excess surface runoff from hillslopes. Observed solute movement via subsurface flow is very rapid and ranges between 2.9 and 18.7 m d^− 1 when PWTs are maintained in more-permeable Ap and Bw horizons. Subsurface lateral flow accounts for as much as 90% of the incident precipitation and snowmelt during early spring. Data indicate that the relatively shallow depth to the fragipans and high K_sat in surface soil layers combine to create a very flashy hydrological system characterized by considerable temporal and spatial variation in patterns of saturation-excess runoff.     

Transient acid surges in an upland stream

This paper examines the hydrological and chemical processes controlling transient acid surges in a small, upland catchment in the Cairngorm Mountains of Scotland. The major episodes of increased acidity are produced by preferential elution of pollutants from snow at the onset of melt and by heavy autumn rainstorms when the catchment is saturated or frozen. Records of flow and water quality over a 3 yr period have been used to calibrate a lumped conceptual hydrochemical model. Using this model it is shown that concentration and distribution of input pollution by hydrological processes is the major control on episodic variations of stream water quality in this catchment.