降水和土地利用变化对罗玉沟流域水沙关系的影响

为探讨降水和土地利用变化对流域水沙关系的影响,以黄土高原丘陵沟壑区罗玉沟流域为研究区域,利用流域25年(1986—2010年)的年降水量、年径流量和年输沙量以及土地利用变化资料,分析罗玉沟流域水沙演变规律和水沙关系变化。结果表明:在1986—2010年罗玉沟流域年降水量和汛期降水量基本保持平稳,无明显的增减趋势,而流域年径流量和年输沙量整体呈波动递减的变化趋势,降水与径流相关分析得出,汛期产流产沙对流域年径流量和年输沙量影响最显著。对不同时期流域水沙变化分析,土地利用方式改变,主要是梯田、林草等水土保持措施,对于流域减水减沙作用有限,梯田和林草面积的增加并未明显改变流域水沙关系,淤地坝等工程措施对黄土高原丘陵沟壑区流域减水减沙具有重要作用。研究结果可为黄土丘陵沟壑区水土流失治理及水土保持措施布设提供理论依据。     

土地利用和气候变化对黄土区典型流域水沙变化的影响

为了探究土地利用和气候变化对黄土高原地区水沙情势的影响,选择生态恢复效果非常显著的汾河上游岚河流域为研究区域,采用Mann-Kendall非参数检验法、滑动t检验法和YAMAMOTO指数法对该流域1955—2018年的年降水量、年径流量和年输沙量进行变化趋势分析和突变检验,在此基础上,利用径流/输沙历时曲线分析黄土高原生态恢复背景下流域水沙的演变规律,并根据双累积曲线法定量评价土地利用和气候变化对流域水沙变化的贡献程度。结果表明:岚河流域年降水量在1955—2018年期间呈现不显著的增加趋势,而同时期年径流量、年输沙量均呈现极显著的减少趋势,年均减少率分别为0.65 mm和38.95 t/km²,并均在1983年和1999年附近发生突变,具有较好的水沙变化同步性。与基准期(1955—1982年)相比,水土保持效应期(1983—1998年)的年均径流量减少29.07 mm,年均输沙量减少5917.88 t/km²,退耕还林效应期(1999—2018年)两者相应减少33.18 mm和6967.34 t/km²,而分析径流和输沙历时曲线发现流域丰水期、平水期和枯水期径流量和输沙量均呈现减少趋势,且输沙量的减少程度大于径流量的减少程度。流域水土保持效应期土地利用变化对减水减沙的贡献率分别为83.21%和83.52%,退耕还林效应期土地利用变化对减水减沙的贡献率分别为117.88%和103.48%。由此可见,各时期土地利用变化是流域水沙变化的主导因素,而气候变化对流域水沙变化影响较小。在全球气候变化的大背景下,通过调整流域土地利用结构、优化土地利用方式,开展以植被恢复为主的水土保持措施,是实现黄土高原水土流失治理及生态保护的根本途径。     

黄土高原典型流域水沙变化归因对比分析

近几十年来,黄河中游黄土高原地区水沙变化显著。众多学者以该地区典型流域无定河开展了大量研究,但局限于方法的突破而忽视了方法间的对比分析。为此,该研究采用双累积曲线法、水文法、弹性系数法和水保法对无定河流域1957—2010年水沙变化进行归因对比分析。结果表明:无定河流域年降水量未发生显著变化,年潜在蒸散发、年径流量和年输沙量呈显著减少趋势且突变年份依次为1982、1971、1971年。径流归因对比分析表明,水文法与弹性系数法结果较为接近,水保法人类活动贡献率偏小;输沙归因对比分析表明,水保法与其他3种方法结果一致。归因分析表明,人类活动是流域水沙变化的主控因素且逐年增强,人类活动中对径流变化起主导作用的是灌溉引水和造林;对输沙变化起主导作用的是淤地坝和造林。淤地坝的淤满或失效对流域水保措施减水减沙效益影响较大。因此,未来无定河流域的治理应继续落实退耕还林还草政策,并加强淤地坝等工程措施的布局优化和后期维护。     

乌兰木伦河1960—2015年水沙周期性分析

采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验以及小波周期分析等方法对乌兰木伦河流域王道恒塔站1960—2015年的降水、径流和输沙过程进行了分析。结果表明:乌兰木伦河流域降水量变化趋势不显著(Z=1.19),在2010年之后有增加趋势。Mann-Kendall检验结果表明年径流量(Z=-5.62)和年输沙量有显著减沙趋势(Z=-5.56),采用Pettitt检验结果表明年径流量和年输沙量突变点均发生在1996年。相比60年代,2010年之后径流量从2.5亿m~3减少到0.9亿m~3,输沙量也从2 965.1万t减少到1.5万t。年降水量周期与年径流年输沙的周期不同步,仅在2～4a和8～10a时间尺度上具有周期性同步,而径流量和输沙量的周期有一定的同步性。研究表明,流域径流量和输沙量的短周期变化主要受降雨、太阳活动等自然因子调控,同时受到人类活动的影响,而更长周期的水沙变化特征则有赖于百年以上的水文序列。     

1960-2010年延河水沙特征及其对退耕工程的潜在响应

河流水沙特征与流域降水量和下垫面变化密切相关.为揭示流域降雨以及退耕还林对延河流域水沙特征的影响,本文以延河甘谷驿站控制区1960-2010年流域降水量、河流径流量和输沙量实测数据为基础,统计分析了延河水沙变化特征及其对流域降水量的响应,并对比分析了退耕前、后(以2002年为界)延河水沙变化.结果表明:在1960-2010年间,延河甘谷驿站控制区年及汛期(6-9月)降水量、径流量和输沙量呈波动递减趋势,汛期降水量、径流量和输沙量值约占年值的64.8％、71.7％和98.1％;年及汛期输沙量与径流量呈极显著正相关关系,径流量变化可分别解释年及汛期87.6％和92.2％的输沙量变化,降水量变化可分别解释年及汛期22.7％和23.6％的输沙量变化;退耕后流域年及汛期平均输沙量、径流量和径流系数显著低于退耕前,剔除退耕前后降水量差异影响,退耕工程对年及汛期累计输沙量变化分别贡献87.5％和86.9％,对年及汛期累计径流量变化分别贡献77.4％和75.4％.研究阐明退耕可显著降低年及汛期平均径流量、径流系数和输沙量.     

纸坊沟小流域水文特征与降水量关系初步分析

应用纸坊沟小流域1959-1997年降水、输沙及径流观测资料,分析了流域降水和输沙年际、月际变化特征以及年降水量与年径流量、年均土壤侵蚀模数之间的关系,时段治理程度与时段年均输沙量之间的关系。结果表明,降水量年内分配不均且凸显单一峰值,降水在年际上呈平水年-干旱年-平水年（较丰水年）周期性变化;多年平均输沙量月分布过程线峰型单一瘦削,土壤侵蚀及输沙量年际变幅大,稳定性极差;径流年变化幅度很大,地表径流的年际变化11年为一个周期,连续出现枯水年和丰水年的周期均为6年左右;年降水量与年径流量、年降水量与年土壤侵蚀模数、时段年均输沙量与时段治理程度呈线性相关关系,其相关程度均呈极显著（在0.01水平上）。     

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.     

砚瓦川流域水沙演变特征及其驱动因素分析

为了探究降水变化和水土保持措施对黄土高原地区产流产沙的影响,选择我国水土流失最为严重的区域——甘肃省庆阳市的砚瓦川流域为研究区,对该流域1981—2012年的年降水量、年径流量和年输沙量进行趋势分析及突变检验,分析黄土高原沟壑区水土流失治理背景下流域水沙的演变规律,定量评价降水和水土保持措施对流域水沙变化的贡献程度。结果表明:在1981—2012年期间年降水量和年径流量均没有发生显著变化,而年输沙量呈现显著减少趋势,年径流量和年输沙量的突变时间分别在1996和1997年,具有很好的同步性。与基准期(1981—1996年)相比,变化期(1997—2012年)的年径流量和年输沙量分别减少了17.0%和76.0%,分析径流和输沙历时曲线发现流域丰水期和平水期的径流量逐时段减少,而枯水期径流量却持续增加,输沙量在整个时段则大幅度减少。该流域降水和水土保持措施对年径流减少的贡献率分别为-37.9%和137.9%,而对年输沙量减少的贡献率为-35.0%和135.0%,因此,水土保持措施的实施是该流域年径流量和年输沙量减少的主要原因。其中,植被措施(林地和草地)对径流影响显著,占径流减少总量的61.04%;工程措施(梯田和坝地)对产沙影响显著,占产沙减少总量的102.84%。研究结果表明,黄土高原地区水土流失治理已在区域尺度上表现出一定程度上削洪补枯和减少侵蚀产沙的水文效应特征。同时在水土保持措施建设过程中,合理配置植被措施和工程措施比例,充分发挥各项水土保持措施的优势,是开展适应性流域管理的关键。     

降水和水土保持对黄土区流域水沙关系的影响

流域水沙关系对降水量变化和水土保持的响应可为水土保持效益评价提供科学依据。根据黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域桥子东沟和桥子西沟1987—2010年的水文泥沙数据,用Mann-Kendall法检验流域年降水量和水沙变化趋势,采用双累积曲线法分析径流量和输沙量之间的关系,探讨降水量变化和水土保持措施对流域水沙关系的影响。结果显示,年降水量和水沙变化趋势基本一致,降水量是流域产流和输沙的主要影响因素。桥子东沟在1987—2006年和桥子西沟在1987—2010年时期的年单位径流输沙量没有发生显著变化,表明降水量变化、坡面工程措施和植被措施对流域水沙关系没有显著影响;桥子东沟在2007—2010年期间的年单位径流输沙量显著减小,表明流域水沙关系发生显著改变,这是由于2006年建设的淤地坝通过拦蓄径流泥沙和减少下游沟道侵蚀,导致流域减沙比例大于减水比例。     

黄河中游窟野河流域水沙关系变化特征及其成因分析

为探讨人类活动和气候变化对窟野河流域水沙情势的影响,基于1956—2019年窟野河流域降水量、径流量和输沙量等监测数据,运用累积距平法、双累积曲线等方法对窟野河流域水沙变化的特征及其成因进行了分析。结果表明:窟野河流域降水量随时间变化呈不明显减小趋势,而径流量和输沙量随时间变化却呈显著减小趋势,流域水沙减少的因素不是气候变化引起的降水因素; 径流量和输沙量年际变化的转折年份为1979年和1997年; 同基准期A(1956—1979年)相比,B时期(1980—1997年)气候变化对径流量和输沙量的贡献率分别为14.25%,14.22%,人类活动对径流量和输沙量的贡献率分别为85.75%,85.78%,C时期(1998—2019年)气候变化对径流量和输沙量的贡献率分别为8.76%,6.65%,人类活动对径流量和输沙量的贡献率分别为91.24%,93.35%,降水变化和人类活动都是造成窟野河流域水沙减少的影响因素,其中流域内逐年增强的人类活动是窟野河流域径流和输沙减少的主要因素,而气候变化引起的降水减少是次要因素。     

基于耦合协调度的大理河流域径流和输沙关系分析

深入研究流域水沙关系变化是解决黄河流域高质量发展关键问题的重要科学途径之一。自20世纪50年代以来,黄河中游地区实施了大规模的水土保持工程,径流和输沙显著减少,水沙关系发生变化。该研究利用Mann-Kendall趋势检验法分析了1960—2015年来大理河流域的径流输沙变化趋势,并构建基于耦合协调度理论和Pettitt检验方法的径流输沙关系变异诊断方法,识别大理河流域径流和输沙关系的突变点,并通过Copula方法进行验证。结果表明:1)大理河流域径流输沙在月尺度和年尺度呈现显著的下降趋势;2)大理河流域径流和输沙关系在1996年发生显著突变;3)径流输沙关系发生突变后,径流和输沙均明显减少,输沙的减少幅度比径流的减少幅度高29.19个百分点,径流对输沙贡献程度下降幅度为5.10%,单位径流的输沙能力降低;4)淤地坝建设和植被恢复是造成大理河流域水沙变化的主要因素,修建淤地坝和恢复植被对减少泥沙具有积极作用。研究成果可以为进一步深化理解大理河流域水沙关系变化以及水土流失治理提供依据。     

乌兰木伦河1960-2015年水沙周期性分析

采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验以及小波周期分析等方法对乌兰木伦河流域王道恒塔站1960—2015年的降水、径流和输沙过程进行了分析。结果表明:乌兰木伦河流域降水量变化趋势不显著（Z=1.19）,在2010年之后有增加趋势。Mann-Kendall检验结果表明年径流量（Z=-5.62）和年输沙量有显著减沙趋势（Z=-5.56）,采用Pettitt检验结果表明年径流量和年输沙量突变点均发生在1996年。相比60年代,2010年之后径流量从2.5亿m³减少到0.9亿m³,输沙量也从2 965.1万t减少到1.5万t。年降水量周期与年径流年输沙的周期不同步,仅在2～4 a和8～10 a时间尺度上具有周期性同步,而径流量和输沙量的周期有一定的同步性。研究表明,流域径流量和输沙量的短周期变化主要受降雨、太阳活动等自然因子调控,同时受到人类活动的影响,而更长周期的水沙变化特征则有赖于百年以上的水文序列。     

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。     

SWAT模型子流域划分引起的土地利用变化对径流和输沙模拟结果的影响

为揭示水文模型计算单元划分引起的土地利用变化对模拟结果的影响,采用SWAT模型,通过设置11种子流域阈值情景(4 000,3 200,2 000,1 500,1 100,800,400,200,100,50,25 hm²),并保持地形和土壤数据不变,定量分析了子流域划分引起的土地利用空间离散化对径流输沙模拟结果的影响。结果表明:(1)随着子流域数量的增加,流域内土地利用中面积最大的林地呈先增加后减少趋势,所有情景下林地面积均高于实际林地面积; 而随着土地利用离散程度的增加耕地面积呈减少趋势,水域、草地和建设用地面积则呈增加趋势并逐渐接近实际面积;(2)土地利用空间离散化导致年均径流量(1.85%)和输沙量(65.84%)减少,且对输沙量影响更显著;(3)土地利用空间离散化造成洪水过程和输沙峰值显著降低,并导致年最大1 d、连续最大5 d和连续最大7 d输沙量显著下降(p<0.01)。综上所述,SWAT模型不同子流域划分显著改变了流域土地利用分布,进而引起径流输沙有关参数变化,最终导致径流和输沙模拟结果的变化。     

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。     

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%。     

金沙江流域水沙变化及其驱动机制

为了探究金沙江流域控制水文站屏山站水沙序列的趋势及突变特性,量化不同驱动因素对水沙变化的贡献。基于金沙江流域1954—2016年径流和输沙数据,从长时期及场次事件两个角度揭示了水沙关系的动态变化特征。结果表明：(1) 63年间,径流量年均变化速率为-1.16×10⁸m³/a;输沙量年均变化速率为-2.0×10⁶t/a; 1998年长江流域发生特大洪水,水沙序列在该年发生突变;(2)水沙关系的特征参数a值在1998年前后由上升改为下降趋势,退耕等坡面水保措施在1998年后发挥了重要作用;b值始终下降,河道影响因素始终发挥减沙作用;在场次降雨尺度上,流域径流-悬移质泥沙环路(C-Q环路)以顺时针形环路为主,表明坡面泥沙物源充足,是影响流域产沙的重要因素;(3)流域内降水、温度及NDVI与径流和输沙之间有明显的相关性,人类活动与降水因素对径流量的贡献比为-1∶2,而输沙量主要受人类活动影响,对应的贡献比为-6∶1。综上,金沙江流域63年间的径流输沙受多种因素综合影响,径流量的变化主要由于降水的变化,输沙量受人类活动影响更大。     

赣江上游典型流域水沙过程及驱动因素

[目的]对赣江上游典型流域水沙过程及驱动因素进行分析,为该区域土壤侵蚀治理、土地利用和功能调整等工作提供科学依据。[方法]根据桃江流域1980—2015年逐日水沙实测资料,运用MannKendall突变检验法及其它统计方法分析了桃江流域的水沙变化特征,结合水文法、双累积曲线法对降水量、径流量和输沙量三者之间的相互关系进行探讨,并以此来确定桃江流域水沙变化的驱动因素。[结果](1)桃江流域输沙量呈现显著减小趋势,突变时间出现在2005年,径流量同样出现递减趋势,但其递减趋势不甚显著,其递减时间开始于2003年。(2)径流量和输沙量突变开始的时间不同,水沙特性的划分阶段亦不同:径流量可划分为1980—2002年和2003—2015年2个阶段,输沙量可划分为1980—2004年和2005—2015年两个阶段。(3)桃江流域径流量在2003—2015年时段内年均减少量为7.26×10~(10) m~3,输沙量在2005—2015年时段内年均减少量为8.82×10~7 t。(4)人类活动引起的减水量为5.77×10~(10) m~3/a,占总减水量的76.8%;减沙量为8.44×10~7 t/a,占总减沙量的95.7%。[结论]研究区内水沙均呈减少趋势,其中输沙量减少显著。降水与人类活动引起的减水减沙量的比值约为4∶1。     

泾河张家山水文站水沙特性分析及工程实例

为合理评价和利用多沙河流水资源,基于张家山水文站1956年-2009年逐日降水量、径流量、输沙量和含沙量数据,分析张家山站水沙变化特征。各系列多年平均特征值表明:输沙量不均匀系数最大,7、8月输沙量占全年的81%;降水、径流主要集中在7-9月。统计年降水量、径流量、输沙量和含沙量分期年平均特征值,前三者时段均值呈减小趋势,含沙量时段均值波动变化。Mann-kendall秩次相关检验显示年降水量、径流量和输沙量的检验值分别为2.39、4.45、3.36,都大于0.05的置信水平,均有显著减小变化趋势。输沙模数时段均值减小,来沙系数时段均值增大。灰色相关度和双累积曲线分析表明:径流与输沙量、降水量相关性较好,径流与输沙量关联度为0.64,比径流与降水的关联度0.62稍大。最后,探讨泾恵渠渠首排沙闸工程,泾恵渠引水合理沙限为15%,排沙闸适宜排沙流量为200m3/s。研究结果可为泾惠渠渠首改建工程设计提供参考。     

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%。