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。     

近549年来黄河天然径流量时间变化特征研究

天然径流量是流域气候及下垫面综合作用的结果，同时是流域水资源分配的重要依据。深入探究长时间序列年径流量时间变化特征对流域水资源调控以及水资源可持续利用意义重大。基于黄河1470—2018年长时间序列天然径流量数据，综合采用EMD经验模态分解法、滑动平均法以及距平累积法揭示黄河549年间天然径流量的年际变化与周期变化特征。结果表明，黄河年天然径流量变化过程具有显著的随机特征，随年份不同呈现波动性变化，5%及95%频率的年天然径流量分别为337.0亿m³和681.0亿m³。采用距平累积法可将黄河近549年天然径流序列以1825年为界分为2个时期；黄河年天然径流量以2.8年变化周期最为显著，其次为23.8年、47.3年、5.6年、11.3年周期规律，出现该周期性规律主要是由于太阳黑子活动、厄尔尼诺现象以及地极移动振幅变化因子的影响。     

黄河下游近50年径流量变化特征及影响因素

应用Mann-Kendall趋势性检验和突变性检验法、双累积曲线法、GM(1,1)模型等方法,对黄河下游1962—2012年径流量和降水量的变化特征及规律进行了深入探讨,以期对黄河下游水资源调配,防洪减灾提供科技支撑。结果表明:降水量减少趋势不显著,突变时间为1964年,径流量减少趋势显著,突变时间为1979年。降水量和径流量变化具有明显的阶段性,降水量以1986年为界,分为丰水期、枯水期两个阶段,径流量以1979年、1985年为界,分为枯—丰—枯3个阶段,黄河目前处于枯水期。采用双累积曲线法定量分析了降水量和人类活动对径流量的影响程度。结果表明:突变时刻前,降水量和径流量同步变化,呈现正相关,突变时刻后,人类活动是影响径流量变化的主要因素,人类活动和降水量对径流量的作用比例分别为68%和32%。利用GM(1,1)模型预测了未来5年降水量和径流量的变化趋势,表明未来5年降水量和径流量将会有所增加。     

黄河中游地区生态恢复对流域水资源的影响

[目的] 研究黄河中游地区生态恢复对水资源的影响，为流域生态保护和高质量发展提供科学依据。[方法] 利用GIMMS NDVI、ET、土壤水分、地表径流等相关水文数据，基于趋势分析和双累积曲线等方法，探讨生态恢复前后黄河中游地区蒸散发、土壤水分、地表径流的时空变化特征。[结果] 1982-2018年，黄河中游地区植被覆盖度增加了29.72%；在黄河中游地区植被覆盖度增加1%，蒸散发量增加了3~4 mm；在生态恢复区土壤水分呈下降趋势，下降速率为0.001 3%/a；各站点的平均径流量在1961-2018年呈逐年下降趋势，以生态恢复为代表的人类活动对径流量下降起到重要作用。[结论] 由于生态恢复和暖干化的气候背景，黄河中游水资源严重短缺。建议后续黄河中游生态恢复综合考虑水资源，减少人为干扰，以自然植被恢复为主。     

天山南坡清水河1639-2015年径流量重建与变化特征

[目的]揭示树轮宽度对气候水文的响应特征，重建1639—2015年天山南坡清水河径流量变化历史，分析其长期变化特征，并给出水文特征值，为流域水资源规划管理提供科学依据。[方法]采用Pearson相关法分析树轮宽度与气候水文要素的关系，基于树轮宽度与径流量之间的指数转换方程重建清水河径流量长期变化。[结果]建立了清水河流域山区雪岭云杉树轮宽度年表（1436—2005年），树轮宽度与巴仑台气象站上年7月到当年5月的降水量相关系数为0.579，与克尔古提水文站上年8月至当年7月径流量相关系数为0.641。基于树轮宽度标准年表与径流量之间的指数转换方程，重建了清水河1639—2015年径流量序列。[结论]树轮宽度对极端丰水年的捕捉能力有限。重建径流量序列的低频变化记录了4个持续枯水期和4个丰水期。从近400 a的径流量记录来看，近百年来（特别是1950年代以来）极端干旱出现的频率明显较高。     

黄河未来输沙量态势及其适用性对策

[目的] 探索黄河输沙预测的新思路，预估黄河未来输沙态势与输沙量水平，为黄河流域生态治理规划提供参考。[方法] 结合黄河流域水土保持生态修复现状，采用单累积曲线法、滑动平均及频率分析方法，分析1950—2019年黄河主要来沙区间的实测输沙量变化特征及其未来态势。[结果] 1950—2019年黄河输沙量呈现阶梯式减少。1950—2019年黄河中游各站累积实测输沙量随时间的变化可用“左半抛物线”表征。黄河输沙量自1997年以来已进入相对稳定态势，目前已达企稳状态；黄河潼关站未来年输沙量在90%频率下为1.00×10⁸ t左右，在10%频率下为5.00×10⁸ t左右，未来多年平均输沙量为1.40×10⁸ t。[结论] 为了维持黄河输沙量低稳状态，提升水土保持措施质量与标准，补齐“后水土保持”短板，构建完善的水沙关系调控体系，维持黄河下游河道冲淤平衡，是黄河流域生态保护与高质量发展的保障。     

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。     

新疆呼图壁河流域径流时序变化特征

 依据呼图壁河石门水文站1956—2005年50a径流量资料,选取多种径流量统计参数,分析流域范围内不同径流补给来源的径流年内分配规律和多年变化特征。结果表明:径流量时序特征与径流的补给来源有密切关系;径流量年内分配极不均匀,集中度高达66.47%;而径流量的多年变化变差系数小,仅为0.15。Kendall秩次检验显示在过去的50年,呼图壁河年径流表现出显著的递增趋势;而不同时间分辨率下的Hurst指数,尤其年径流的Hurst指数为0.8,表明径流具有强劲的持续性趋势,即年径流量在未来变化周期内将表现为持续增加的趋势。     

黄河中游典型流域近60年水沙变化趋势及影响因素

为分析黄河水沙成因并预测未来水沙情势,选取黄河中游多沙粗沙区昕水河和朱家川2条流域为研究对象,依据水文站及雨量站1956—2018年降雨和径流泥沙实测数据,采用Mann-Kendall趋势及突变检验、累积距平法和Morlet连续小波分析等方法探讨流域水沙变化趋势,并利用双累积曲线法对水沙变化进行归因分析,量化气候变化及人类活动对水沙变化的相对贡献。结果表明:1956—2018年,昕水河和朱家川小流域年均径流量分别为11.9×10⁷,1.7×10⁷ m³,年均输沙量分别为12.3×10⁶,9.8×10⁶ t,径流和输沙量均呈显著减少趋势;2条流域的径流量突变年分别为1980年和1984年,输沙量突变年分别为1980年和1972年;选取的2条流域水沙变化存在明显周期性,径流变化的第1主周期分别为45年和16年,输沙量变化的第1主周期分别为9年和15年;降雨对昕水河和朱家川小流域径流量减少的贡献率分别为19%,8%,对输沙量减少的贡献率分别为25%,35%,远不及人类活动的贡献率,人类活动是径流和输沙量锐减的主导因素。研究结果可为黄河水沙治理提供科学性建议。     

1960—2010年窟野河年径流量变化趋势及其影响因素

基于窟野河把口站温家川水文站1960—2010年的水文资料,应用Kendall秩相关系数、R/S分析法、小波分析、降水-径流双累积曲线法、Mann-Kendall突变检验法等多种数值统计方法,分析了窟野河径流量年际变化特征及趋势,以及降雨和人类活动对径流变化的影响。结果表明:1960—2010年窟野河径流量呈现显著递减趋势,递减率为1.358亿m3/10a;Hurst指数为0.533>0.5,表明未来一段时间内变化趋势与现在基本相同;51年间降雨量年际变化较大,1978年之前变化较平稳,1978—2006年显著下降,之后又有所上升;径流量变化受降雨影响较大,但在1978年以后,随着水保措施的实施和煤炭的大规模开采,人类活动成为影响径流变化的重要因素。     

黄河上中游区径流量格局长期变化过程

河川径流不仅是水资源重要的构成部分,也是自然界中水分循环的重要环节,径流量的变化直接影响区域特别是干旱区水资源的开发利用。基于黄河中游上中下三个站点(河口镇站、吴堡站以及三门峡站)1919—2013年月径流量资料,采用Spearman相关法、有序聚类法等方法分析黄河不同区间年、月径流量演变规律,揭示年径流量突变前后径流量年内集中度和不均匀性差异。结果表明:黄河上游和中游径流量因人类活动作用具有明显趋势性减小,而因气候作用表现出显著的阶段性。在径流量突变年份后,黄河上游径流量上游集中度降低,不均匀度减小,径流量年内分配趋于均匀,但黄河中游地区径流量年季不均匀性反而增大。     

半干旱黄土区降水和气温对北川河径流的影响

[目的]揭示山西省方山县北川河上游流域降水和气温对北川河径流的影响,为分析三川河上游流域乃至黄河中游流域径流量的变化原因提供参考。[方法]利用圪洞控制站数据,采用回归分析、累计距平、多元线性回归模型等方法分析了山西省方山县北川河上游流域1985—2009年间的气象数据、北川河径流变化特征及其相关性。[结果]北川河流域1985—2009年年降水量变化波动性大,整体呈现不明显的下降趋势。最高、最低气温2003年出现骤变,与气温的升高趋势相反,潜在蒸散发呈逐渐下降趋势。北川河年径流量变化差异较大,具有一定的阶段性和突变性,整体呈不明显的下降趋势。[结论]年降水量与温度是影响北川河径流量的主要因子,降水量中汛期降水量占主导地位。     

基于EEMD-SVM模型的北洛河上游径流预测

[目的]提高北洛河上游径流预报精度,为流域管理及水资源合理配置提供依据。[方法]以1971—2014年北洛河上游吴旗水文站实测径流资料为基础,采用EEMD-SVM耦合模型对吴旗站月径流序列进行了模拟预测,并与EEMD-ARIMA和EEMD-NAR两种耦合模型的预测结果进行对比。[结果]EEMD-SVM模型的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)最低,决定系数(R²)和纳什系数(NSE)最高。其中,相比于EEMD-ARIMA和EEMD-NAR模型,EEMD-SVM模型的决定系数(R²)分别提高了186.63%,49.49%。[结论]EEMD-SVM模型具有更高的预测精度和更强的非线性拟合能力,可以成功地应用于北洛河上游的月径流预报。同时,研究表明EEMD-NAR模型的预测性能高于EEMD-ARIMA性能。     

塔里木河中游径流变化分析

在多年水文数据的基础上,分析了塔里木河中游1957~2002年间径流年际变化及1992~2002年径流月际变化的特点、趋势及其原因和影响。得出1957~2002年间塔里木河中游径流不稳定、不平衡,并且径流呈逐渐减小的趋势,其主要原因是源流区和上游区大量引水所致;塔里木河径流月际变化呈明显的西北型河流的特点,在7~9月为洪水期,水量可占全年水量的79.31%,4~6月份由于农业用水,导致径流量下降。塔里木河径流的这些特点给水资源管理加大了难度。     

气候变化对华北粮食主产区水资源的影响及适应对策

气候变化已成为目前全球最为重要的环境问题之一,气候变化将通过加速水文循环进而对区域水资源产生重要影响。采用统计分析和数学模拟方法,分析了气候变化对中国华北粮食主产区水资源的可能影响。结果表明:过去50年黄河中下游地区和海河流域河川径流呈现显著性减少趋势,淮河流域及黄河上游河川径流为非显著性变化;其中,1980年以来海河流域实测径流量较前期减少超过50%。未来30~50年华北粮食主产区气温将持续上升,降水的不确定性更大,总体呈现弱增加趋势。受气温升高和降水变化影响,未来几十年水资源总体以略微偏少为主,但存在区域性增多的可能;在RCPP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下,区域水资源较基准期(1961—1990)分别变化-1.3%、1.0%和-2.3%。在空间分布上,黄河中游水资源可能略有增多,但淮河和海河流域水资源很可能进一步减少,华北粮食主产区水资源供需矛盾可能会因气候变化而更为突出。加强节水型社会建设、水利工程建设以及充分利用非传统水源是该地区未来适应气候变化的核心工作。     

黄河首曲气候变化及其对黄河断流的影响

利用黄河首曲气候资料和黄河上游年径流量资料以及黄河下游断流资料,分析了黄河首曲气候变化特征,气候变化对径流量的影响,黄河首曲气候变化与黄河下游断流的关系。结果表明,黄河首曲大部分区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量的年际变化存在2~4,6~7,10~11 a的年周期振荡特征。黄河首曲气温年际变化趋势呈上升趋势,增温速度均大于全国增温速度。1983年之前气温距平以偏冷为主,1984年之后持续偏暖。唐乃亥年径流量存在4~5,14~16 a的年际周期振荡变化。降水量年际波动曲线与径流量年际波动基本一致。1990—1999年属高温少雨时段,也是径流偏枯时期。黄河首曲降水量与同期黄河下游利津站断流天数曲线呈明显的反相位分布,黄河上游关键区、敏感区气候变化对黄河水资源的影响重大。     

基于R/S和Morlet小波分析的北洛河上游径流变化特征

为了深入探究北洛河上游长时间序列年径流量变化规律及周期特征,加强对流域水资源规划管理和可持续开发利用,基于北洛河上游吴旗水文站1971—2014年实测径流量数据,采用M-K(Mann-Kendall)趋势检验法和R/S法(rescaled range analysis)分析了全年及汛期径流量的变化趋势和持续性; 并采用Morlet小波变换对径流时间序列进行了多尺度周期特征分析。结果表明:(1)从径流量年内分配来看,1971—2014年,北洛河上游径流年内集中分布在6—9月,月最大径流量一般出现在8月,分配曲线呈“双峰型”。随着时间推移,径流量年内分配不均匀性逐渐减弱;(2)汛期径流量占年径流量的比例降低,全年和汛期的径流量变化均呈显著减少趋势(p<0.05),且未来变化趋势与过去一致的可能性很大,即减少趋势具有一定的持续性(全年和汛期径流量序列Hurst值分别为0.53,0.69);(3)北洛河上游径流量呈现出多尺度性、主周期性和同步性变化的特点。汛期和全年径流量具有相似且显著的变化周期,主要受到3,11,19 a左右3个主周期的影响。总之,北洛河上游径流量呈显著减少趋势且变化周期比较明显。     

修河中上游流域土地利用变化对径流的影响

[目的]土地利用的变化对流域水文过程产生了重要的影响,研究土地利用变化下的水文响应已成为水文学科研究的一个热点。[方法]以修河中上游流域作为主要研究区域,分析了35年来修河中上游流域各种土地利用类型的变化特征,并利用1987—2000年水文气象数据资料,构建了SWAT模型,通过设置1980年、1990年、2005年和2015年4种土地利用情景,定量分析了修河中上游流域土地利用变化对径流的影响。[结果]SWAT模型在研究区具有较好的适用性。1980—2015年,修河中上游流域主要用地类型为林地、耕地和草地,三者面积之和占流域的98%。其中高利用城市用地和耕地对径流的影响系数是正值,说明高利用城市用地和耕地对径流起促进作用;林地、草地对径流的影响系数均表现为负值,说明林地和草地对径流有抑制作用,且草地的抑制作用更加显著。此外,林地和草地在丰水季会减少径流,在枯水季却会增加径流,有类似海绵的作用。[结论]模拟研究土地利用变化对修河中上游流域径流的影响在合理规划水土资源、改善生态环境方面具有十分重要的现实意义。