基于小波分析和灰色预测的莺落峡年径流量特征分析

[目的]研究黑河莺落峡年径流量的变化规律及周期特征,为水量调配和水资源管理提供理论基础与科学依据。[方法]基于黑河莺落峡水文站1944—2014年径流量实测资料,采用Morlet小波分析、Mann-Kendall突变和灰色预测等方法分析了莺落峡流域径流变化趋势及其变化特征。[结果]莺落峡年径流量呈现微弱的增加趋势,年径流量距平百分率的倾向率为2.78%/10a。在莺落峡流域径流小波方差分析图中,有4个较为明显的峰值,它们依次对应的时间尺度为43,56,12和9a。43a时间尺度对应的最大峰是莺落峡流域年径流变化的第一主周期。根据年径流主周期的循环交替特征推测,在2020年左右莺落峡流域处于丰水时期,年径流量预测为1.843×109 m3。[结论]莺落峡年径流量周期变化特征明显,径流量呈增加趋势。     

小凌河流域近52 a水沙演变特性分析

结合小凌河流域干流水文站近52a实测水沙数据,分析了小凌河流域水沙演变特征。分析结果表明:①小凌河干流缸窑口站、锦州站年均流量均呈减少趋势,两站点的径流突变点均出现在1980年和2000年,其径流量出现从增加到递减的的转变,与1980年代前相比,小凌河年流量降低约70%;②小凌河干流锦州站的输沙量总体呈现下降变化趋势,相比于2000以前,下降趋势显著,与1980年代前相比,小凌河年输沙量降低90%以上;③各站洪峰总体呈现下降趋势,相比于1980年代,小凌河年最大洪峰流量下降80%以上。     

黄土高原林区植被变化对水沙演变的影响——以仕望川流域为例

[目的]研究林区植被变化对水沙演变的影响,可以为黄河流域生态环境建设政策的制定与调整提供科学依据。[方法]基于仕望川流域控制水文站大村站1959—2018年的径流量与输沙量数据以及流域内的降水数据,分析了其60年水文变化特征。结合1985—2018年的NDVI数据以及五期土地利用数据,分析讨论了流域水沙变化的植被下垫面驱动效应。[结果]仕望川流域近60年来的径流量和输沙量呈显著减少的趋势(p<0.01),突变年分别在1988年和1983年,而流域内土地利用情况和降水在60年间并无明显的变化趋势,流域内生长季NDVI在2000年前变化不明显,但在2000年后有显著提升趋势。[结论]2000年以前,各种水土保持治理措施的实施是流域径流量与输沙量减少的主要原因;进入21世纪后,流域内植被质量的提升使径流量与输沙量进一步减少。     

三峡库区香溪河流域水沙关系变化及其驱动因素

[目的]分析降水量及水土保持措施等人类活动对流域水沙关系的响应,为水土保持措施效益评价提供科学依据。[方法]以香溪河流域兴山站输沙量数据为基础,采用Mann—Kendall趋势检验、线性回归、水文频率曲线及双累积曲线等方法,分析了1973—2010年香溪河流域面降雨量、径流量和输沙量变化,并进一步量化分析了流域水沙变化极其驱动因素。[结果]香溪河流域年降水量,年径流量和年输沙量均呈下降趋势,年降水量和年径流量变化趋势不显著,但年输沙量减少趋势显著;年输沙显著减少开始的年份是1994年,流域径流量开始减少的年份是1991年。[结论]水土保持等人类活动是香溪河流域水沙变化的主要驱动因素。     

黄河流域植被指数对气候变化的响应及其与水沙变化的关系

[目地]研究流域植被对气候变化的响应及其与水沙的关系,为黄河流域生态环境政策调整提供科学依据。[方法]基于归一化植被指数(GIMMS NDVI)、气温、降水和径流量、输沙量数据,利用线性回归和相关分析方法分析了黄河流域NDVI时空变化和对气温与降水的响应,及其与径流量和输沙量关系。[结果]①1982—2015年黄河流域及上、中游流域NDVI均呈显著线性增加趋势,中游流域增速最快,显著增加区域面积也最大。②1982—2015年黄河流域NDVI与年平均气温、年降水量呈显著正相关面积分别占22.39%和21.99%,集中分布在中北部区域。③2000—2015年黄河流域总体和上游流域年径流量均表现出增加趋势,上游和中游流域输沙量呈下降趋势。黄河流域水沙关系变化是多种因素共同作用的结果。[结论]气候变化背景下黄河流域1982—2015年植被总体呈改善趋势,但具有明显空间差异特征,植被变化与河流径流和输沙变化关系尚待进一步研究。     

近70年长江干流寸滩站以上流域水沙关系变化及其驱动因素

以长江干流寸滩水文站以上流域为研究对象,基于1953-2018年的实测水沙资料,采用线性回归、Mann-Kendall趋势检验和水沙关系曲线分析径流、输沙的时间趋势及其关系变化,并采用双累积曲线法分析水沙变化的驱动因素。结果表明:寸滩站以上流域多年平均径流量为3425亿m^3,多年平均输沙量为3.61亿t;多年平均月径流量为294.8亿m^3,多年平均月输沙量为3013万t,且主要分布在6-10月,分别占年径流泥沙总量的70%和95%以上。趋势分析显示,流域年降雨量和径流量变化趋势不明显,年输沙量呈极显著减小趋势;月径流量在1-4月显著增加,其他月份变化不显著,而各月输沙量均呈显著减少趋势。水沙关系曲线均可用幂函数拟合,拟合参数受时间尺度影响,统计检验显示悬移质输沙量实测值与水沙关系曲线的估算值差异不显著。双累积曲线分析发现水利工程建设和水土保持等人类活动是寸滩水文站输沙减少的主要原因,其作用占69%~93%,其中2000年以来人类活动的贡献超过90%。     

近70年长江干流寸滩站以上流域水沙关系

以长江干流寸滩水文站以上流域为研究对象,基于1953-2018年的实测水沙资料,采用线性回归、Mann-Kendall趋势检验和水沙关系曲线分析径流、输沙的时间趋势及其关系变化,并采用双累积曲线法分析水沙变化的驱动因素。结果表明：寸滩站以上流域多年平均径流量为3 425亿m³,多年平均输沙量为3.61亿t;多年平均月径流量为294.8亿m³,多年平均月输沙量为3 013万t,且主要分布在6-10月,分别占年径流泥沙总量的70%和95%以上。趋势分析显示,流域年降雨量和径流量变化趋势不明显,年输沙量呈极显著减小趋势;月径流量在1-4月显著增加,其他月份变化不显著,而各月输沙量均呈显著减少趋势。水沙关系曲线均可用幂函数拟合,拟合参数受时间尺度影响,统计检验显示悬移质输沙量实测值与水沙关系曲线的估算值差异不显著。双累积曲线分析发现水利工程建设和水土保持等人类活动是寸滩水文站输沙减少的主要原因,其作用占69%~93%,其中2000年以来人类活动的贡献超过90%。     

近60年大凌河中上游水沙变化特征

辽西地区土壤侵蚀严重,一直是区域水土流失治理的重点。大凌河是辽西地区最大的河流,对大凌河流域水沙关系进行分析,可为流域水土流失防治及生态建设提供理论依据。朝阳水文站为大凌河中游控制站,采用1960-2016年大凌河朝阳水文站实测水沙数据,结合主要气象站汛期（6-9月）逐日降雨量,应用滑动平均和累积距平等方法,分析了大凌河中上游近60年水沙变化情况。结果表明:（1） 20世纪60年代,大凌河多年平均径流量和输沙量最大,输沙量变化极为显著,径流量在2010-2016年变化极为显著;（2） 流域水沙变化呈现阶段性特征,径流量年际变化表现为丰-枯-丰-枯4个阶段;输沙量年际变化表现为上升期-动荡期-上升期-下降期,且动荡期内下降时段持续时间较长;（3） 从线性趋势来看,径流量和输沙量在总体上呈下降趋势;（4） 自1993年大凌河中上游流域实施大规模水土保持措施开始,该段流域1993-2016年径流减少总量为51.47亿m³,平均每年减少2.14亿m³;输沙减少总量为9 703.15万t,平均每年减少约404.23万t。说明大凌河流域水土保持措施实施取得显著成效。     

皇甫川流域降水和人类活动对水沙变化的定量分析

采用线性趋势法、非参数Mann-Kendall趋势检验法、累积距平法及径流历时曲线法分析皇甫川流域1955-2010年水沙变化特征,通过水文分析法定量评价降水和人类活动对水沙变化的贡献率.结果表明:皇甫川流域径流量和输沙量均呈急剧减少趋势,尤其在20世纪80年代之后,减少更加显著,近10年(2000-2010)的平均径流量与输沙量相当于1950-1959年的约20％;皇甫站径流量和输沙量均在1979年发生突变;在变化期1980-2010年,人类活动对流域水沙变化的贡献占主导因素,约为70％,而降水所占比例为30％左右;自20世纪80年代始,大规模的水土保持措施(如退耕还林(草)、梯田建设、水库淤地坝等工程)等人类活动是流域水沙锐减的主要影响因素.     

近60年湘江流域水沙特性及其对人类活动的响应

湘江流域人类活动对湘江水沙变化具有显著影响。利用M-K次序法、Pettitt非参数检验法和双累积曲线法分析湘江干支流1953-2014年的年径流量、汛期径流量和非汛期径流量与输沙量的关系,并分析水土保持和水库建设等人类活动与水沙演变的关系。结果表明:1)湘江干支流水文站的年径流量、汛期径流量与输沙量的相关性强,且1990年后湘潭站径流量-输沙量的相关系数为0.83,而非汛期相关性较弱。1990年前,干流站点径流量和输沙量处于波动状态,1990年后干流站点径流量总体呈增加趋势,但输沙量呈减小趋势,且老埠头站的输沙量发生微幅突变。除个别站点之外,支流站点的径流量和输沙量发生突变的年份与变化规律均一致。2)水土保持以及水库建设对湘江流域的拦沙作用是输沙量减少的主要原因。相比支流,水土保持对湘江干流流域的输沙量减少影响更显著,水库建设与湘江干支流输沙量减少均密切相关。3)根据湘江流域输沙量突变点可划分A(1960-1987年)、B(1988-1996年)、C(1997-2013年)3个时期,在不考虑温度变化的影响下,以A时期1960-1987年为基准期,利用累积量斜率变化率比较法可知,相比基准期A时期,B、C时期水土保持和水库拦沙等人类活动对输沙量的减少的贡献率为88.58%和94.01%,人类活动为输沙量减小的主要因素。     

2000年以来长江流域水沙情势变化及成因分析

基于长江干流屏山、朱沱、寸滩、宜昌、汉口、大通6个水文站的实测水沙资料,采用线性回归、Mann-Kendall趋势分析和突变检验、Sen’s估计以及累积距平法,分析长江干流2001—2018年径流输沙年际、年内变化趋势及其成因。结果表明:2000年以来长江干流各水文站年输沙量较2000年前显著降低,降幅高于56%;年径流量下降不明显,降幅低于8%;输沙量变异程度高于径流量变异程度。2001—2018年,长江流域平均月径流量为718108 m^3,平均月输沙量为1247104 t,且主要分布在6—9月。趋势分析显示,年降雨量和径流量变化趋势不明显,年输沙量呈极显著减小趋势,其中屏山、朱沱、寸滩站分别在2010年和2012年左右发生突变,宜昌、汉口、大通站在2005年发生突变;屏山站月径流量无明显变化趋势,大通站1月径流量显著增加,其他4个水文站均在1—4月呈显著增加趋势;各水文站月输沙量主要在6—10月呈显著减少趋势。水利工程和水土保持生态环境建设等人类活动是长江流域输沙减少的主要原因。     

大通水文站水沙变化特征分析

[目的]分析大通水文站水文泥沙的趋势性、突变性和周期性,揭示其长时间序列的特征,为河口三角洲的发育及演变研究提供理论依据。[方法]采用Mann-Kendall趋势分析法、有序聚类分析法和小波分析法,对大通站近60a来径流量和输沙量时间序列进行特征分析。[结果]大通站年径流量无明显的趋势性变化特征,年际波动较大,年内分配极不均匀;年径流量不存在显著的突变性特征,但具有6和44a的周期性变化特征。年输沙量具有显著的线性下降趋势,同时年内分配不均;年输沙量存在显著的三级突变性变化,2002年为一级突变,1984年为二级突变,1968和1991年为两个三级突变;年输沙量还存在明显的12和30a周期性变化特征。[结论]大通站年径流量无明显的趋势性和突变性,存在一定的周期性;年输沙量存在显著的下降趋势,具有明显的突变性和周期性。     

1960—2020年黄河、长江、珠江入海水沙通量演变特征

[目的] 基于动态更新数据综合对比中国三大河流入海水沙通量的特征,为流域开发和管理提供依据。[方法] 收集黄河(利津站)、长江(大通站)、珠江(高要站、石角站、博罗站)5个水文控制站1960-2020年实测数据,采用滑动平均法、Pettitt检验法、双累积曲线法以及小波变换分别对水沙通量的趋势性、变异性、周期性特征进行分析,采用交叉小波变换和小波相干谱探究径流量和泥沙量的共振周期与相干性。[结果] 近60 a黄河、长江、珠江入海水沙通量均发生了明显变化,黄河径流量和泥沙量在1986年突变减少,泥沙量在1997年二次突变减少;长江和珠江入海径流量未发生变异,泥沙量分别于1992,1999年突变减少。这三大河流入海水沙具有显著的年际和年代际周期特征,年代际共同演化周期分别集中于1980年以前、1990年以前和2000年以前。年际共同演化周期为5 a,"丰-枯"转换频繁。交叉小波分析结果显示,黄河、长江和珠江的入海径流量和泥沙量在1965-1975年具有显著的1~3 a的共振周期,以正相位演变为主。[结论] 中国三大河流入海水沙具有显著的趋势性、变异性和周期性特征,可以据此进行的流域开发和管理更有效。     

近70年黄河流域水沙情势及其成因分析

深入剖析黄河水沙现状及成因是精准预测黄河未来水沙情势的前提与基础。为此,以黄河干流潼关断面以上4个主要干流水文站及7个主要一级支流把口站1950-2016 年水沙实测资料为基础,采用双累积曲线等多种统计分析方法,系统剖析了黄河流域水沙演变规律及水沙主要源区变化特征,定量评估了不同环境要素对黄河水沙变化影响。结果表明：1）黄河干流兰州、头道拐、龙门及潼关水文站年径流及年输沙量均呈显著减少趋势（P<0.05）,其中,年径流减幅17.93%~40.79%,年输沙量减幅均在46.74%以上。受多种因素影响,黄河水沙在20世纪80-90年代发生减少突变;2）兰州-潼关区间年均径流量沿程变化表现为由总体递增状态向递减趋势转变,年均输沙量递增状态虽未转变,但递增幅度平均减小90%以上;3）黄河泥沙主要来源区由头龙区间向龙潼区间发生转移特征明显,龙潼区间水土流失治理有待进一步加强;4）人类活动对黄河中游水沙锐减占据主导作用,平均贡献率达到90%以上。而上游兰州站年均径流量受气候影响较大,贡献率达到66.57%。研究结果可为深刻认识黄河水沙时空现状及成因提供依据,并对未来水土流失治理区位方向确定提供参考。     

悖牛川径流年内分配变化规律研究

[目的]分析悖牛川径流年内分配变化特征,为流域水资源规划、管理和开发利用提供科学依据。[方法]根据悖牛川控制性水文站—新庙站1966—2010年实测月径流资料,分析年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度(期)等特性。并采用累积滤波器和Mann—Kendall秩相关法诊断各月径流量的变化趋势。[结果](1)总体上,悖牛川径流年内分配呈双峰型分布,其峰值分别出现在3和8月。径流年内分配很不均匀,8月份径流量达到最大值,占年径流量的37.63%;1月份降到最低值,仅占到年径流量的0.65%;(2)20世纪60—70年代的不均匀性和集中程度最大,80年代最小。最大径流出现在7月中下旬到8月上中旬,相对比较集中;(3)对于1966—2010年系列,各月径流量都处于显著减小的趋势。[结论]受气候和人类活动的影响,悖牛川月径流量年内分布不均且均呈现减少趋势。     

1944-2004年黑河出山径流变化及其对区域水资源安全的可能影响

以黑河出山径流控制站莺落峡水文站1944-2004年径流序列为基础数据,分析出山径流的年际变化、年内分配特征和稳定性特征,进而分析了径流多年变化对区域水资源安全产生的可能影响.结果表明:(1)莺落峡站多年径流量呈增加的趋势,但是趋势不显著;人类活动对莺落峡站径流量变化影响较小,丰枯转化较为平衡;(2)莺落峡站径流量年内分配极为不均,主要集中在汛期,即5-10月份;(3)莺落峡站各月径流量变差系数都较小,其中1月、3月和12月的变差系数均小于全年的变差系数,径流量稳定性较好,其它各月的变差系数均大于全年的变差系数,径流量稳定性稍差;莺落峡站秋、冬季径流量持续性较好;(4)莺落峡站多年径流量的增加,尤其是5-6月份径流量的增加,既增加了区域可用水量,也缓解了春末夏初的"卡脖子"旱;(5)莺落峡站径流量年际变化的丰枯波幅不大,年际水量变化相对比较稳定,多年径流年内分配愈加均匀,径流年丰枯率越来越小,有利于黑河水资源的开发利用;(6)莺落峡站多年径流量的增加,尤其是8-10月份径流量的增加,有利于黑河中游地区全年调水计划的实施.