改进RVA法在河流水文情势评价中的应用

【目的】研究改进变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)中各水文指标对生态环境的响应程度,以有效避免RVA在评价河流整体水文情势时容易忽略低度、中度改变指标的不足,为河流生态系统的管理决策提供参考。【方法】基于改进的RVA算法充分考虑了5类33个水文指标与生态系统之间的响应程度,并将层次分析法(主观赋权法)与熵权法(客观赋权法)相结合赋予各指标生态权重,集结并累加各指标综合生态权重与单个水文指标改变度,综合评价河流水文情势的整体改变度。以渭河关中段为例,依据林家村、咸阳、华县水文站1960-2010年的日径流资料,借助Mann-Kendall非参数检验方法诊断径流序列突变点,采用RVA法计算单个水文指标的改变度,利用改进的RVA法对渭河关中段水文情势的整体改变度进行评价。【结果】利用未改进的RVA方法计算得到渭河关中段林家村、咸阳、华县控制断面的整体改变度分别为75%,69%,67%,均属于高度改变;而用改进RVA算法计算得到的林家村、咸阳控制断面的整体改变度分别为51%,40%,属于中度改变,华县控制断面的整体改变度为29%,属于低度改变。对比两种不同评价结果并进行合理性分析可知,基于改进RVA方法的评价结果更加贴近河道所提供的整体信息和指标改变度的分布特征,符合客观实际。【结论】通过赋予各水文指标生态权重,综合考虑各水文指标与生态系统之间的响应程度,能有效融合33个水文指标在评价河流整体改变度时的内涵,研究成果更加客观且符合实际。     

基于CA-Markov模型的黄河流域土地利用模拟预测研究

【目的】分析黄河流域现有的土地利用数据，揭示黄河流域未来30年土地利用时空格局的演变趋势。【方法】基于黄河流域1980，1990，2000，2010和2015年5期土地利用数据，采用元胞自动机-马尔可夫模型（CA-Markov）对2000和2010年的土地利用格局进行模拟，在满足精度要求的基础上，对2020，2030，2040和2050年的土地利用变化情景进行预测，并借助GIS空间分析功能，剖析黄河流域2020－2050年的土地利用时空格局演变趋势。【结果】基于CA-Markov模型的黄河流域2000和2010年土地利用模拟误差均小于10%，Kappa指数高达0.872 8和0.897 0，证实了CA-Markov模型在黄河流域土地利用模拟上的可行性及精度的可靠性；未来30年间，黄河流域主要土地利用类型为耕地、林地和草地；耕地和草地将减少约10%，林地将增加约5%，建设用地将增加约150%，且主要集中于宁蒙河段以及中下游地区。【结论】CA-Markov模型可较好地模拟预测黄河流域土地利用的时空演变格局，模拟结果可为黄河流域未来土地利用规划和管理及生态修复提供科学依据。     

近50年泾河流域降雨-径流关系变化及驱动因素定量分析

为明确变化环境下流域降雨—径流关系变化特征,定量分析影响因素,该文提出利用滑动偏相关系数法诊断泾河流域降雨—径流关系变异情况,与双累积曲线法相互验证,引入Copula函数分析降雨-径流关系变化特征,在此基础上定量计算气候变化和人类活动对径流变化的影响。研究结果表明:泾河流域降雨—径流关系于1996年发生变异,主要由流域内持续增加的用水量以及大规模的水利水保工程致使的径流衰减性变化造成,降雨年际、年内变幅不明显;降雨-径流关系变异后(1997-2010年),相较1960-1996年,相同降雨条件下流域产流能力减弱,年降雨量≥400 mm时,产流量相对减幅达40%以上;降雨、径流联合分布发生明显变化,不同时段相同量级降雨、径流遭遇概率变化显著;1997-2010年与1960-1996年相比,人类活动对径流减少的贡献率达到80.96%,气候变化影响程度仅为19.04%。该研究可为合理进行流域水资源开发利用与水土保持工作等提供科学依据。     

基于SWAT模型的渭河流域分区径流模拟研究

【目的】研究SWAT模型在渭河流域水文循环过程模拟上的适用性,为渭河流域时空径流响应研究奠定基础。【方法】依据林家村、咸阳、华县、张家山和状头5个水文站,将渭河流域划分成5个子区间,基于SWAT分布式水文模型,对各子区间1978-1982年和1983-1986年的月径流过程分别进行校准和验证,并对各分区径流模拟结果的合理性进行分析。【结果】渭河流域各水文站月模拟流量过程与实测流量过程均拟合较好,校准期林家村、咸阳、华县、张家山和状头5个水文站的相关系数分别为0.73,0.81,0.86,0.79,0.79;纳什系数分别为0.58,0.75,0.77,0.65,0.51;相对误差分别为10.73,-2.73,-11.20,-19.95,-10.80。验证期5个水文站的相关系数分别为0.87,0.81,0.86,0.75,0.79;纳什系数分别为0.80,0.77,0.82,0.68,0.69;相对误差分别为16.81,17.95,19.91,19.72,19.87,均满足要求。SWAT模型模拟效果较好,但并未达到最佳,主要是研究区利用数据的限制以及模型自身不确定因素的综合影响所致。【结论】SWAT模型在渭河流域各个分区均有较好的适用性,为研究渭河流域气候和土地利用变化的时空径流响应提供了模型基础。     

气候和土地利用变化下黄河流域农业干旱时空演变及驱动机制

为全面剖析气候和土地利用变化下黄河流域农业干旱时空演变特征及驱动机制,该研究首先构建黄河流域SWAT分布式水文模型,模拟黄河流域水循环过程,基于标准化土壤湿度指数(Standard Soil Moisture Index,SSMI),识别不同干旱等级下的农业干旱历时、强度及干旱事件,分析黄河流域不同分区农业干旱特征值以及干旱事件频率在年季尺度上的演变特征;在此基础上,通过SWAT模型驱动农业干旱模拟方案集,厘定和量化气候和土地利用变化对黄河流域农业干旱的影响贡献率。结果表明:累积时间尺度越大,农业干旱发生的次数越少,但历时越长,农业干旱开始和结束时间多集中于春季和夏季;黄河流域90年代农业干旱最为严峻,尤其上游C区最容易遭受重旱和特旱,农业干旱频率高达70%～90%;气候变化是驱动黄河流域农业干旱发生的主要诱因,贡献率约为50%～90%,而土地利用变化对农业干旱的影响相对较弱,贡献率约为10%～50%。研究结果可为黄河流域制定合理的农业抗灾措施提供参考。     

渭河流域径流对土地利用变化的时空响应

为定量分析渭河流域土地利用变化对径流的时空影响,该文基于渭河流域1985年,1995年和2005年3期土地利用数据,分析了流域近20 a的土地利用变化特征,结合SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,设置5种土地利用变化情景,研究了流域土地利用变化与年、季径流的响应关系。结果表明,SWAT模型在渭河流域有较好的适用性;耕地、林地和草地为流域主要土地利用类型,面积变化小于10%,但它们在空间上的位置发生了较大转移;流域近20 a土地利用变化对径流影响小于15%;极端土地利用情景下,产流量总体趋势为耕地草地林地。退耕还林对年、季径流的影响程度均为干流大于支流,退耕还草对年径流(干流中游、下游、泾河)和季径流(冬季)的影响程度较大。该研究成果对于流域土地利用格局的合理规划及极端水文事件的控制具有重要意义。