皇甫川流域1955-2013年水沙变化趋势与周期特征

为揭示黄河流域重要的产沙支流皇甫川在新时期水沙如何变化,采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验及Morlet小波变换,分析了皇甫川流域1955-2013年水沙变化的趋势、突变和周期变化特征.结果表明:在99％显著性水平下,皇甫川流域的年径流量和输沙量均呈显著减少趋势,且径流量的减少大于输沙量的减少,进入21世纪以来,水沙年际变异更为显著;径流量、输沙量序列一级突变点均发生在1984年,二级突变点有所不同,年输沙量序列突变时间(2003年)晚于年径流量序列突变的时间(1998年);水沙演化过程中均存在4个尺度的周期变化,分别为22～32,13～21,7～12,3～6 a和23～32,13～22,7～12,3～6 a;在径流量和输沙量整体减少的趋势下,2011-2020年径流量将处于相对偏丰阶段,而输沙量在2013-2018年将处于相对偏多沙时期.研究表明,皇甫川流域径流量和输沙量的减少是气候的暖干化和渐强的人类活动综合作用的结果,而大规模的水土保持措施是水沙减少的重要影响因素.     

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。     

黄土高原粗泥沙集中来源区水沙变化特征及趋势性分析

黄土高原粗泥沙集中来源区为治理黄河泥沙的重点核心地区.根据1960-1999年黄土高原粗泥沙集中来源区皇甫川、孤山川I、窟野河,秃尾河和佳芦河径流及输沙资料,以流域为单元,分析了区内各流域径流量、输沙量的年内、年际变化特征及变化趋势.结果表明,区内径流量及输沙量的年际、年内变化较大.在季节上,除秃尾河径流量集中期为6月份外,其余4条流域径流量的集中期均为8月份;5条流域输沙量的集中期均为8月份.各流域径流量、输沙量的突变时间均在20世纪70年代,说明各流域水沙量呈现减少的趋势,尤以20世纪90年代减少最明显.人类活动和气候变化是影响该区内各流域水沙变化的主要因素.     

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.     

西汉水流域径流泥沙演变特征及其归因研究

自20世纪90年代开始西汉水流域实施了一系列的水土保持治理工程，下垫面发生了明显改变，对流域水沙造成了显著影响。利用西汉水流域1965—2017年径流泥沙资料，采用Mann-Kendall趋势检验、Lee-Heghinian突变检验和双累积曲线等方法，研究了西汉水近50 a水沙演变特征及其原因。结果表明：近50 a西汉水流域降雨量无显著变化趋势，而径流量和输沙量分别以0.177亿m³/a和50.202万t/a的速率显著减少(P<0.05);径流量和输沙量显著减少的突变点分别在1993年和1990年，这与流域实施水土流失治理的时间相对应；与突变前相比，突变后径流量减少47.64%,输沙量减少71.19%;降雨量和人类活动对径流量减少的贡献率分别约为15%和85%,对输沙量减少的贡献率分别约为10%和90%;人类活动引起的下垫面条件变化是西汉水流域水沙减少的主要原因。     

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。     

黑河流域上游水沙变化特征及成因分析

[目的]研究黑河流域上游干流的水沙时空变化特征及其成因,为流域生态保护和水资源开发利用提供科学依据。[方法]选取黑河上游干流主要水文站近60a的实测径流、输沙及降雨资料,通过采用Mann-Kendall秩相关检验法、累积距平法和相关分析法,研究水沙变化特征及驱动因子。[结果]黑河上游干流径流量总体上从20世纪80年代以后呈增加趋势;输沙量从20世纪70年代开始呈不显著增加趋势,但莺落峡水文站输沙量从2001年开始呈显著下降趋势。[结论]降水增加是影响黑河上游径流量增多的重要原因;水土流失导致了札马什克站和祁连站输沙量的增加,而水库拦沙是莺落峡水文站输沙量显著减少的主要原因。     

基于相似年降水的人类活动对延河水沙变化影响

定量评价人类活动对河流径流和泥沙的影响是目前地学研究热点之一.由于河流水沙变化受人类活动和气候变化共同作用,降水是径流的来源和产沙输沙的主要动力.通过选择降水条件相似的年份,比较河流水沙差异,可以反映人类活动对水沙变化的作用大小.利用1952年到2001年延河甘谷驿水文站逐月径流量、输沙量实测值和流域逐月降水量实测资料,通过分析和确定年、汛期降水量和年内降水过程相似的年降水条件相似年组,比较相似年降水条件下径流量和输沙量的差异.分析表明,与1954-1963年相比,延河1969-1977年年和汛期径流量分别减少18.03%和32.52%,输沙量分别减少47.08%和47.52%;1981-1984年年和汛期径流量分别减少29.77%和46.29%,输沙量均减少73.46%;1988-1996年年和汛期径流量分别增加71.72%和97.79%,输沙量分别增加162.07%和161.88%.     

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。     

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。     

近50年黄河中游流域水沙过程及对退耕的响应

为明确黄河中游地区水土流失综合治理、退耕还林(草)政策的水沙效应问题,选择黄河中游风沙-丘陵过渡区、典型丘陵区以及土石山林区5条典型流域,用降雨及面积对水文站实测径流量、输沙量数据进行处理,探讨了近50a来流域水沙及其关系的演变过程。结果表明:5条流域标准化年径流量、标准化年输沙量均表现出显著减少趋势,且两者发生跃变时间基本一致。时段频率上的河流输沙量减少程度较径流量大,零输沙天数逐时段增加。植被覆盖度低的风沙-黄土丘陵过渡区流域,较植被覆盖度高的土石山林区流域,径流量和输沙量年均变化斜率大,跃变时间早。5条流域汛期径流量和输沙量的关系表明,植被覆盖度低的风沙-黄土丘陵过渡区流域的输沙量分布域较植被覆盖度高的土石山林区流域大一个数量级,其产沙动力也最强。近50a来,5条流域的水沙动力系数均呈现逐时段降低趋势。20世纪70～80年代水土流失综合治理使5条流域水沙动力系数平均降低24.5%,1999年后的退耕还林(草)工程则使其平均降低70.6%。流域水沙拟合线性关系常数项绝对值,以及流域冲淤平衡时的径流量呈现随时段减小趋势,进一步说明水土流失治理及退耕还林(草)措施对流域水沙动力关系的削弱效应。     

黄土高原典型支流淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献

为探明淤地坝拦沙作用对河流输沙量变化的影响,依据淤地坝作用年限、坝控面积、坝控流域侵蚀产沙模数及淤地坝排沙率,确定淤地坝拦沙量的估算方法,并结合2009年淤地坝安全大检查数据,分析黄土高原典型支流淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献.延河与皇甫川淤地坝在不同年代的拦沙量分别在92.48万～854.35万t/a与36.47万～1 138.75万t/a之间,淤地坝拦沙量占人类活动影响的比例在一级和二级突变后分别为29.1％、28.5％与8.4％、18.2％;2000年以后延河与皇甫川输沙量减幅均达到85％以上,而淤地坝拦沙量的贡献率分别小于10％和20％.淤地坝的拦沙作用已不是目前输沙量减少的主要因素,但由于土壤侵蚀环境的不同,淤地坝在皇甫川对输沙量减少的贡献比在延河要大.     

气候和土地利用变化对潮河流域产流产沙的影响

为探究气候变异和土地利用变化对流域产流产沙的影响,选择位于北京密云水库上游的潮河流域,对该流域1961-2009年的年径流、年降水、年潜在蒸散发和年输沙量分别进行了非参数检验和突变点分析,结合该流域不同时期的土地利用变化情况,采用水量平衡原理,定量评价该流域土地利用和气候变异对年径流量和年输沙量变化的贡献。结果表明:该流域年径流量在1961-2009年间呈显著减少趋势,并在1999年发生突变,但年降水和潜在蒸散发没有显著变化。该流域年输沙量显著减少,且于2004年发生突变。分析表明该流域气候变异和土地利用变化对年径流量减少的贡献率分别为43.9%和56.1%,而对年输沙量减少的贡献率分别为1.95%和98.05%。土地利用变化是导致该流域年径流量减少,特别是年产沙量减少的重要原因。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体的水土流失综合治理,是实现适应性流域管理目标的根本途径。     

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。     

Temporal Variations of Flow–sediment Relationships in a Highly Erodible Catchment of the Loess Plateau,China

The flow–sediment relationship is important to understand the soil erosion and land degradation processes in severe eroded areas. This study researches on variations of streamflow, sediment load, and flow–sediment relationship on multi‐temporal scales (annual, flood season and, monthly scales) in a highly erodible catchment of Chinese Loess Plateau. The results demonstrated that the streamflow, sediment load, sediment concentration, runoff coefficient, and sediment coefficient all experienced evident reductions, and the decrease in the middle and downstream stations was more significant compared with the upstream stations. The land use changes and implementation of soil and water conservation measures played major role for the streamflow and sediment load reductions with respect to precipitation change, and the runoff coefficient and sediment coefficient linearly decreased with the percentage of conservation measure area. The runoff‐sediment yield relationship on annual, flood season, and monthly scales could be generally characterized by the linear function, and the slopes during the post‐change period was lower than those during the pre‐change period of sediment load. The sediment concentration–streamflow discharge relationship represented consistent form over the entire study period, and the logarithmic function was appropriate to describe the relationships on the three timescales. The decrease of sediment concentration contributed greatest (60·7%) to sediment reduction compared with runoff productivity of rainfall (30·2%) and precipitation (9·1%). Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Long-Term Hydrological Impacts of Land Use/Land Cover Change From 1984 to 2010 in the Little River Watershed,Tennessee

Assessing long-term hydrological impacts of land use/land cover (LULC) change is of critical importance for land use planning and water resource management. The Little River Watershed, Tennessee, is an important watershed supporting drinking water and recreational activities within and around the Great Smoky Mountains National Park in the Unites States. However, the potential hydrological impacts of LULC change, especially urbanization in recent decades, are not quantified. This paper assessed the long-term impacts of LULC change on streamflow and non-point source pollution using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and a detailed LULC record from 1984 to 2010. The SWAT was first calibrated and validated using observed streamflowin 2010 and then simulated using different LULC patterns in 1984-2010 to quantify the long-term hydrological impacts caused by the LULC change. Simulated results indicated a minor 3% increase in streamflow for the whole watershed from 1984 to 2010, but with a distinct spatial pattern. The increase in streamflow is closely related to urban development. Almost no streamflow increase occurred in the upper watershed within the national park, whereas > 10% increase occurred in the lower watershed, especially in areas close to cities. Model simulation also suggested 34.6% reduction in sediment and about 10% reduction in nutrient loads from 1984 to 2010, closely related to the decrease in agricultural land. However, without calibration and validation, the simulated reduction in the sediment and nutrient loads may be problematic because SWAT mainly simulates the static LULC patterns, whereas LULC transitions, such as construction phases, may generate more sediment and nutrient loads. In addition, the simulation also did not account for the sediment and nutrients generated from stream bank erosion.     

渭河流域极端降雨变化趋势及其对水沙情势的影响

为探究渭河流域极端降雨变化趋势及其对水沙情势的影响,采用非参数趋势检验、突变检验和连续小波变换诊断了渭河流域1960—2019年的极端降雨指数及径流输沙序列的变异特征,通过双累积曲线法和相关分析法定量评估了流域极端降雨对水沙变化的影响。结果表明:各极端降雨指数呈阶段性波动变化,总体上PRCPTOT,RX5day和RX1day呈不显著下降趋势,R95pTOT,SDII和FSPTOT呈不显著上升趋势。各极端降雨指数均存在以4～6 a,11～12 a,28～29 a为周期的变化特征。径流与输沙量均呈显著减少趋势,分别在1993年、1999年发生突变,其中径流存在5 a和12 a的周期。各极端降雨指数均与径流、输沙量正相关,相比之下,输沙量与各极端降雨指数之间的相关系数偏低。极端降雨变化对径流与输沙量的减少具有重要影响。其中,PRCPTOT对径流减少的影响最大(29.65%),其次是RX5day(25.68%)和FSPTOT(25.95%)。PRCPTOT对输沙量减少的影响也是最大的(10.02%),其次是RX5day(7.12%)。综上,渭河流域水沙情势的变化受极端降雨的显著影响。     

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。     

关于黄甫川流域产沙问题的思考

黄甫川是黄河中游多沙粗沙区泥沙问题最严重的支流,造成流域多沙粗沙的原因历来说法不一,一般多认为是砒砂岩所致.本文通过对多方面情况的分析,认为该流域泥沙主要来源于风沙活动.对于有的科技工作者认为黄河中游的粗沙来自风沙的只占4.6%～9.5%的说法,作者认为依据不足,其数值明显偏低.目前我国对风沙的侵蚀搬运缺乏足够的观测资料,因此还不能轻易地下结论.令后应加强对风沙活动的观测研究,以便为治黄决策提供更为科学的依据.