气候变化情景下海河流域水文循环变化模拟

Climate change scenarios, predicted using the regional climate modeling system of PRECIS (providing regional climates for impacts studies), were used to derive three-layer variable infiltration capacity (VIC-3L) land surface model for the simulation of hydrologic processes at a spatial resolution of 0.25° × 0.25° in the Haihe River Basin. Three climate scenarios were considered in this study: recent climate (1961-1990), future climate A2 (1991-2100) and future climate B2 (1991-2100) with A2 and B2 being two storylines of future emissions developed with the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) special report on emissions scenarios. Overall, under future climate scenarios A2 and B2, the Haihe River Basin would experience warmer climate with increased precipitation, evaporation and runoff production as compared with recent climate, but would be still likely prone to water shortages in the period of 2031-2070. In addition, under future climate A2 and B2, an increase in runoff during the wet season was noticed, indicating a future rise in the flood occurrence possibility in the Haihe River Basin.     

海河流域不同地貌气候变化时空分析

近百年来,全球气候变暖显著,潜在改变了区域水循环。过去50 a,海河流域气温增温明显,水分亏缺严重,影响了社会、经济的发展。为了探究海河流域气候时空变化特征,考虑了流域地貌差异性,将海河流域划分为山区、丘陵、平原3个区域进行研究。选用1958—2011年34个站点的8种气象要素资料,采用线性趋势法分析要素年际趋势;用M-K进行趋势显著性检验;用P-M公式计算流域潜在蒸散发并用Spearman法分析气象要素与潜在蒸散发之间的相关性,以探求海河流域子区域的时空变化规律和改变区域水循环的主要驱动力。分析结果显示,海河流域气候变化明显,气象要素时空变化具有显著的地带性、季节性和年际性特征。气温先下降后上升,山区升温速度较丘陵、平原快;流域降水呈整体下降,平原地区降水量降幅较山区、丘陵大;平均风速、日照时数、相对湿度均呈明显下降趋势;海河流域潜在蒸散发与相对湿度呈负相关,与日较差呈正相关。     

海河流域典型山区子流域近34年气候及径流变化趋势

基于海河流域27个气象站点和7个子流域出水口的水文站点34a（1966—1999年）逐日观测气象水文数据,运用非参数统计检验方法（Mann-Kendall法）对滹沱河、冶河、洋河、桑干河、唐河、沙河、潮白河7个典型山区子流域的气候和径流变化趋势及时空分布进行分析。结果表明：（1）降雨量呈下降趋势的测站较多,占66．67％,但大部分都没有通过0．05水平的检验,下降趋势不明显。（2）气温呈上升趋势的测站较多,占88．89％,且大部分测站都通过了0．05水平的显著性检验,上升趋势明显。（3）径流量普遍呈下降趋势,但程度各不相同,南部和西北部流域下降趋势明显（通过了0．05水平的检验）,其它子流域不明显。     

海河流域畜禽养殖污染负荷研究

建立畜禽养殖输出系数模型,从省级行政区和水资源3级区两个层面分别估算了2007年海河流域畜禽养殖污染物产生量、排放量和入河量以及各省和各3级区所占的比例。结果表明,2007年全流域畜禽养殖产生污染物COD 534.69万t、BOD 459.47万t、NH3-N 45.42万t、总氮116.53万t、总磷37.16万t、污水41 672.73万t;排放污染物COD 36万t、NH3-N 2.88万t、总氮4.15万t、总磷0.55万t;入河污染物COD 7.2万t、NH3-N 0.58万t、总氮0.83万t、总磷0.11万t。从各省来看,河北省所占比例最大,产生量占全流域的51%,排放量和入河量分别占54.4%;从水资源3级区来看,徒骇马颊河平原所占比例最大,产生量占全流域的23.7%,排放量和入河量分别占18.66%。     

面向21世纪的海河流域水土保持

海河流域地处京畿要地,严重的水土流失正在成为制的流域经济社会可持续发展的头号环境问题。随着新世纪的来临,流域上下必须把加强水土保持生态环境建设作为一项重大而紧迫的任务,切实搞好水土保持,加大退耕还林还草力度,建设山区高效生态农业,建立京津水源工程上游生态与水质保护区,建立水土保持生态环境建设保障机制。     

坚持改革 更新观念 进一步发展海河流域水土保持事业

<正> 海河(包括滦河)流域山区面积18.9万平方公里,占流域总面积的59.5％。全流域共分8个河系,呈扇形分布,各河系上游山区水土流失都很严重。据建国初期统计,流失面积约12万平方公里,占山区面积的63％,各河系多年平均输沙量之和为1.75亿吨,其严重程度仅次于黄河流域。新中国成立40年来,海河流域的水土保持事业,在中央以及各级党委和政府的领导下,从无到有,得到了较快的发展。截至1987年底止,全流域已初步治理水土流失面积6.0万平方公里,占水土流失总面积的50％,     

海河流域降水径流对种植业非点源污染的影响分析

建立种植业非点源污染负荷函数,确定了种植业非点源污染负荷量的主要决定因素为降水径流,在此基础上,分析了海河流域降水径流的时空分布特征。自20世纪50年代至21世纪前8年,海河流域降水量呈现明显的逐年代下降趋势,累计下降16.5%;受降水量下降和人类活动的影响,径流量的下降幅度更大,累计下降64%。从地区分布来看,降水径流由太行山、燕山迎风坡分别向西北和东南减少。由于降水径流逐年减少,海河流域种植业非点源污染对水体污染的影响也将逐年下降。在一般的年份(除丰水年以外的年份),种植业非点源污染对水体污染的影响微乎其微;如果发生全流域洪涝灾害,种植业非点源污染对水体污染构成威胁。海河流域汛期易发生暴雨,在发生暴雨的局部地区,种植业非点源污染对水体污染构成局部威胁。徒骇马颊河平原是海河流域最重要的农作物种植区,单日降水量可达100 mm,为平原区最高,因而发生种植业非点源污染的可能性最大。     

海河流域种植业非点源污染负荷量估算

建立种植业输出系数模型,从省级行政区和水资源三级区两个层面分别估算了2007年海河流域地表径流和地下淋溶两种方式总氮和总磷的流失量及流失比例。2007年,全流域地表径流总氮流失量为51 966 t,总磷为7 976 t。从各省来看,河北省所占比例最大,总氮流失量占57%,总磷占58%;从三级区来看,徒骇马颊河平原和黑龙港及运东平原所占比例最大,分别占总氮流失量的20%和15%,总磷流失量的20%和16%。全流域地下淋溶总氮流失量为195 875 t,总磷为140 t。从各省来看,河北省所占比例也是最大,总氮流失量占55%,总磷占53%;从三级区来看,徒骇马颊河平原和黑龙港及运东平原所占比例也是最大,分别占总氮流失量的19%和13%。     

海河流域水土保持生态用水研究

 为确定海河流域不同类型区水土保持综合治理的减水减沙作用,并为估算生态用水提供依据,采用定性与定量相结合的方法,划分海河流域生态环境建设区;在分区的基础上,根据多年来小流域治理减水减沙作用的观测成果,分析、计算黄土丘陵沟壑区、土石山区、石质山区的减水减沙定额;以各分区水土流失综合治理的保存面积及规划治理面积为依据,计算出海河流域现状、2010年及2030年的水土保持生态用水分别为26.06亿、42.92亿及71.53亿m3。     

海河流域种植业非点源污染特征分析

海河流域农用化肥施用量比较大,高于全国平均水平。但是由于水资源严重缺乏,且降雨量有逐年减少的趋势,加之人类活动的影响,产生农田径流的几率极低,通常情况下,土壤中未被作物吸收利用的氮磷不会随地表径流进入水体。在发生暴雨的情况下,土壤中的氮磷则有可能随地表径流和土壤侵蚀进入附近河道,污染地表水。另一方面,海河流域的降雨80%集中在6—9月的汛期,大雨促使土壤硝态氮向土壤剖面深层迁移,存在污染地下水的威胁,但污染程度如何,需要进一步研究确定。总之,海河流域种植业非点源污染有可能集中爆发在有暴雨的汛期,具有显著的突发性特征。     

海河流域大气水汽输送的年际与年代际变化

The seasonal mean atmospheric precipitable water and water vapor transport over the Haihe River Basin （HRB） in North China with a focus on their interannual to interdecadal variability, and then the relationships of the interannual and interdecadal variability of the water cycle over the HRB to the Pacific Decadal Oscillation （PDO） and E1 Nino-Southern Oscillation （ENSO） phenomena were investigated using the observational and National Centers for Environmental Prediction （NCEP） reanalysis data. There was a strong interdecadal variability for the water cycle （such as precipitation and water vapor transport） over the region, with an abrupt change occurring mostly in the mid 1970s. The intensity of the East Asian summer monsoon largely affected the atmospheric water vapor transport. Generally, the net meridional convergence of the water vapor flux over the region was relatively large before 1965, and it declined gradually from then on with a further notable decrease since mid 1970s. Zonal water vapor transport was similar to meridional, but with a much smaller magnitude and no noteworthy turning in the mid 1970s. Results also suggested that the wind field played an important role in the water vapor transport over the HRB before the mid 1960s, and the interdecadal variability of the water cycle （precipitation, water vapor transport, etc.） in the summer was related to the PDO; however, interannual variation of the water vapor transport could also be related to the ENSO phenomena.     

水稻灌溉需水量对气候变化响应的模拟

气候变化会导致作物耗水过程改变,从而影响灌溉需水。研究水稻灌溉需水对气候变化的响应规律,有助于合理制定应对气候变化的灌溉策略,保障水资源可持续利用和粮食安全。该文基于1961-2010年气象数据和HadCM3大气环流模式A2和B2两种情景下的统计降尺度模拟结果,利用经田间试验资料验证后的水稻模型ORYZA2000,模拟淹水灌溉和间歇灌溉两种灌溉处理下、历史和未来情景下水稻灌溉需水对气候变化的响应规律。结果表明:过去50年,间歇灌溉和淹水灌溉模式下水稻耗水量呈现显著上升趋势,而水稻灌溉需水量和产量都呈现下降趋势,分别由降水增加和气温升高、辐射下降导致的生育期缩短引起;未来气候情景下,间歇灌溉和淹水灌溉模式下水稻耗水量在未来3个时期(2020s,2050s和2080s)均呈现不同程度的增加;耗水量的显著增加和降水的减少导致了未来3个时期水稻灌溉需水量的明显增加;受持续增温的减产效应影响,水稻产量在未来3个时期呈现减少趋势,且降幅逐渐变大。     

HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用

利用流域分布式水文模型精确模拟计算和分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特征,是当前流域蒸散发研究的一个前沿与难点问题。本文基于点尺度蒸散发观测试验与机理研究,对HIMS(Hydro-Informatic Modelling System)日过程模型蒸散发模块进行改进,考虑流域内植被空间分布和生长变化特性及灌溉措施的影响,利用分类汇总和分段单值作物系数法计算流域实际蒸散发,并在海河流域进行验证分析。研究结果表明:流域实际蒸散发模拟值与水量平衡法计算值相差3.4%,与原HIMS模型相比,蒸散发模拟精度提高9.2%;改进的模型对原有模型的模拟内容有所扩展,能够模拟林地蒸散发、草地蒸散发、冬小麦?夏玉米农田总蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸发。改进后的HIMS模型能够快速模拟分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特性,可为海河流域蒸散发管理提供技术支撑。     

全球气候变化对泾河流域径流和输沙量的潜在影响

 全球气候变化对水循环产生巨大影响,而降水特征的变化因区域的不同有较大差异,这些变化对河流径流、泥沙及区域水土流失具有重要影响。以1961—2006年泾河流域降水、径流和输沙量等资料为基础,建立降水和径流、径流和输沙量之间的统计关系。通过5个大气环流模式(HadCM3、CGCM2、CSIRO-Mk2、ECHAM4和GFDL)对泾河流域未来不同时期(2010—2039年、2040—2069年和2070—2099年)的降水量进行模拟,进而根据统计关系计算出未来不同时期该流域的径流、输沙量。结果表明:不同大气环流模式对该流域降水量模拟结果不同,导致未来气候条件下径流和输沙量的预测也存在一定差异。比较IPCC排放情景中的A2、B2气候情景发现,在A2情景下径流和输沙量响应更为强烈。与近期实测资料(1961—2006年)相比,未来(2010—2099年)泾河流域降水、径流和输沙量的变化范围分别为-5.53%～31.65%、-9.26%～53.44%和-11.13%～64.59%,平均增加11.69%、19.78%和23.94%。研究结果对未来黄土高原水土保持规划和治理策略的制订具有指导意义。     

基于STELLA和气候变化情景的灌区农业供需水量模拟

为了评估气候变化对灌区农业供需水量的影响,基于系统动力学软件STELLA(structure thinking experimental learning laboratory with animation)建立了宝鸡峡灌区供需水量计算模型,结合灌区气象水文数据,利用非一致性水文频率计算原理,预估了未来可供水量和气候变化情景,模拟了气候变化情景下不同规划水平年灌区农业供需水状况。结果表明:灌区主要水源渭河径流在1989年发生跳跃变化,跃幅为-14.25亿m3,各典型年预估径流量(1989-2030年)比原序列(1954-2010年)对应值减少40%~55%,导致农业可供水量锐减;在α=0.05的显著水平上,1981-2010年灌区降水下降不显著,平均气温、最高气温显著上升而相对湿度和风速显著下降,其他因子无明显趋势;灌区未来各典型年农业需水量2030年比2010年增加1.08~2.19亿m3,水资源供需平衡指数上升9.06%~14.46%,说明灌区农业供需水平衡状况受气候变化影响显著,必须在规划、设计和管理中予以考虑并采取积极的应对措施。研究结果为气候变化条件下灌区农业水资源合理配置提供了参考。     

渭河流域气候变化与人类活动对径流的影响

以黄河最大的一级支流渭河为研究对象,根据渭河流域华县水文站1958--2011年径流资料,采用Mann—Kendall趋势检验、Pettitt非参数统计和双累积曲线法分析径流序列的变化趋势和突变点,同时采用水量平衡法定量分析气候变化和人类活动对径流量的影响。结果表明：1）华县水文站径流量呈显著下降趋势（标准正态统计变量〈-2．23）,年均递减系数为0．86mm／a;2）径流量自1994年呈显著性减少趋势,据此将径流序列划分为2个阶段,即基准期1958--1994年和变化期1995—2011年;3）变化期较基准期在枯水年、平水年和丰水年径流量分别下降64．6％、41．3％和45．5％,枯水年流量下降趋势最为明显;4）华县站以上控制区内降雨变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为49．0％和51．0％,气候变化对渭河径流量的影响主要是由降水量的减少引起的。     

海河流域生长季植被覆盖度时空变化及驱动力分析

[目的]了解海河流域生长季植被覆盖度(FVC)的时空变化及其驱动力,以期为海河流域的生态保护、建设与可持续发展提供参考。[方法]基于MODIS NDVI遥感数据和同时期的18种影响因子,采用趋势分析法和M-K显著性检验分析了2001—2019年海河流域生长季植被覆盖度的时空变化特征;并利用地理探测器探讨了其空间分异特征与驱动力。[结果]2001—2019年海河流域生长季植被覆盖度总体呈显著上升趋势,线性倾向率为0.063/10 a, 2011年之后增速减缓。空间分布差异明显,植被覆盖度总体较高,仅环渤海湾地带和一些城市区域植被覆盖率较低。改善区域的面积远大于退化面积,其中改善部分以极显著改善为主,占流域总面积的60.42%。海河流域生长季植被覆盖度的空间分布差异主要由林地比例和林草混合地比例所决定,解释力均在30%以上。对海河流域生长季植被覆盖度交互作用解释力最强的是林草混合地比例和农田比例。[结论]海河流域植被覆盖度总体显著上升,空间分布差异主要驱动力为林地比例和林草混合地比例。     

基于磷指数模型的海河流域农田磷流失环境风险评价

农田面源磷流失是导致水体富营养化的主要原因,识别农田磷流失的关键源区、影响因子是农田面源污染防治的重要环节。该研究以海河流域为研究区,采用磷指数模型,选取土壤有效磷含量、磷肥施用量作为源因子,以土壤侵蚀模数、年径流深、农田和水体间归一化距离指数作为迁移因子,结合GIS技术评估海河流域农田磷流失风险,并利用结构方程模型研究农田磷流失风险指数与各影响因子间关系。结果表明:1)海河流域农田土壤有效磷、磷肥施用量、土壤侵蚀模数、年径流深及归一化距离指数处于中-低、中-高、极低、中-高和高级别风险等级的区域面积占比最高,分别占农田总面积的66.5%、61.1%、99.0%、54.2%和64.8%;2)影响农田磷流失的关键因子为迁移因子,其中关键的迁移因子为年径流深及归一化距离指数;3)源因子与迁移因子间呈极显著负相关(P0.01),土壤性质(包括土壤质地及有机碳含量等)与源因子呈极显著负相关(P0.01),与迁移因子呈极显著正相关(P0.01);4)海河流域农田磷流失关键源区位于黄河北岸的山东省和河北省东南部的平原农耕区、海河流域西北部的山区地带。该研究结果对流域尺度上农田磷流失研究的方法创新有所裨益,可为海河流域农田面源污染防治提供科学参考。