不同时间尺度下流域径流侵蚀功率输沙模型模拟精度

流域不同时间尺度下的水沙关系及其模拟预测是国内外水土流失研究的热点问题,基于水蚀动力过程的径流侵蚀功率理论,建立了径流侵蚀功率输沙模型,选取黄河一级支流无定河流域的实测径流泥沙资料,系统研究了年、月和次暴雨3种不同时间尺度下的径流侵蚀功率和输沙量之间的相关关系,对比分析了径流侵蚀功率输沙模型与径流—输沙模型在表征流域径流侵蚀输沙上的优劣。结果表明:1975—2010年,无定河流域径流、输沙和径流侵蚀功率在不同时间尺度下均呈下降趋势;不同时间尺度下的径流侵蚀功率输沙模型的R~2相对于径流—输沙均较高,表明基于径流侵蚀功率的流域径流侵蚀功率输沙模型在不同时间尺度上均能够更准确地表征径流侵蚀输沙关系。     

变化环境下黄土丘陵沟壑区次暴雨输沙模型参数

气候变化和人类活动加剧了水资源时空分布的变化,使流域暴雨洪水规律更为复杂,因此开展变化环境下的次暴雨计算产流输沙规律研究十分必要.本文以黄土丘陵沟壑区6个典型流域为研究对象,采用径流侵蚀功率、Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变点检验法分析6个典型流域1984-2014年的次暴雨资料的变化特征.结果表明:6个典型流域次洪流量和输沙量总体呈减少趋势;洪峰、沙峰、洪量以及输沙量突变年份集中在1998和2003年;径流侵蚀功率和输沙模数之间满足幂函数分布,幂指数参数b能够表征降雨和下垫面因素对流域产沙和输沙的影响,参数b受气候变化和人类活动影响较大.突变前后径流侵蚀功率和输沙模数关系显示:突变前参数b倾向于0.60,突变后参数b倾向于0.85;因此次暴雨输沙模型中参数b可以作为水土保持防治以及改善水土流失区域生态环境的参考指标.     

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。     

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。     

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。     

黄土丘陵沟壑区多尺度地貌单元输沙能力及水沙关系

以黄土丘陵沟壑区裴家峁沟为原型观测流域,利用流域内相互嵌套的全坡面径流场、水文站网等观测设施,定量研究黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙关系和输沙能力特征。结果表明:1)坡面尺度地貌单元的径流深和输沙模数在多年平均时间尺度上均大于流域尺度地貌单元。当地貌单元空间尺度达到流域尺度时,多年平均径流深随着流域尺度增加而增加,输沙模数与流域面积之间存在着负相关关系。但在次降雨条件下,不同空间尺度地貌单元径流深和输沙模数峰值可能出现在全坡面、桥沟一支沟、桥沟或裴家峁沟。2)不同空间尺度地貌单元水流输沙能力随着空间尺度的增大而减少,相对于裴家峁沟,全坡面径流场、桥沟一支沟和桥沟的单位水流功率含沙量分别是裴家峁沟的186、77和58倍。3)不同空间尺度地貌单元径流量与输沙模数的水沙关系表现出较好的线性关系,且径流量与输沙模数关系随着空间尺度增加更为密切,但随着空间尺度增加,径流量和输沙模数的水沙关系曲线斜率急剧减小。研究成果可为水土流失空间尺度效应及尺度转换的研究提供科学依据。     

洮河流域径流输沙演变与降雨及降雨侵蚀力的关系

[目的]揭示气候变化、人类活动耦合作用下复杂的水沙变化、水沙关系,探明降雨侵蚀力的影响及径流输沙变化的响应机理,为流域水土流失防治和生态建设提供科学参考依据。[方法]基于洮河流域及周边6个气象站点逐日降水和下游控制站逐月径流输沙数据,采用多元统计分析法、水沙曲线、相关系数、灰色关联度、弹性分析法等方法分析研究了径流、输沙、降雨(P)、降雨侵蚀力(R)演变规律,及其相互作用关系。[结果]洮河流域1956—2019年径流整体呈显著下降趋势,线性变化率-2.8×10⁷m³/a, 1987年发生突变,输沙整体呈显著下降趋势,线性变化率-4.61×10⁵t/a, 2003年发生突变,降雨、降雨侵蚀力均呈不显著上升趋势,且未出现明显突变。洮河流域R上中游小于下游,夏季(626.33)>秋季(125.31)>春季(122.22)>冬季(0),夏季降雨侵蚀力占比71.67%,夏季对泥沙侵蚀影响最大。P与R分布相反,P相对较小的下游流域R较大,P相对较大的上中游R较小,流域水沙异源,上中游产水,下游产沙。对输沙量影响最大...     

巴音沟河近60年出山口年径流量演变规律

对径流演变规律的研究是水资源合理利用、水利规划的前提。以新疆典型山溪河流巴音沟河黑山头水文站1956—2014年的年径流序列为基础,采用累积距平法、Mann-Kendall突变检验法、小波分析方法,对巴音沟河流域年径流量的变化趋势、突变特征、周期演变规律进行了研究。结果表明:(1)近60年来巴音沟河流域年径流量有缓慢上升趋势,并且呈现出一定的阶段性。(2)近60年来巴音沟河流域年径流量变化在1958—1960年和2003年两个时间段发生突变。1958—1960年是径流由多变少的突变时段,2003年是径流由少变多的突变时段。(3)巴音沟河流域年径流量主要存在7年,11年,30年的主周期,且30年时间尺度周期最明显,是河流的第一主周期。     

桐梓河流域径流对气候和人类活动的响应

径流量变化受到气候变化和人类活动两大因素共同驱动,定量剖析气候变化和人类活动对其影响成为变化环境下水文循环研究的核心科学问题。以桐梓河流域为研究对象,基于二郎坝水文站1975—2015年长时间序列的水文和气象监测数据,通过累积距平和滑动T检验分析方法诊断了流域径流量的突变特征,并应用累积量斜率变化率比较法定量评估了流域气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率。结果表明:(1)流域多年径流量和降水量均呈现出减少趋势,减少的速率分别为0.05亿m~3/a和-3.10 mm/a。(2)流域多年径流量的突变年份为2003年,其中1975—2003年为丰水年(多年平均径流量为15.26亿m~3),而2003—2015年为枯水年(多年平均径流量为12.44亿m~3),突变年份后径流量较突变年份前减少了18.48%。(3)径流量与降水量通过95%的红噪声验证的共振周期为0.8～2.8年以及3.8～6.5年,流域径流对降水的变化具有一定的滞后作用,滞后作用的时间尺度为1～2年。(5)以1975—2003年为基准期,降水量和人类活动对桐梓河流域径流量的贡献在TB(2004年,2015年)时期分别达到43.42%和56.58%;如果考虑蒸发量对桐梓河流域径流量的影响,则人类活动对桐梓河流域径流量变化的贡献率在TB时期会增加到86.83%。该项研究可为定量化评估喀斯特典型流域气候变化和人类活动对径流量的贡献率提供方法上的借鉴。     

变化环境下滇中地区典型流域水资源演变特征

[目的]以典型流域为研究对象,揭示变化环境下滇中地区水资源的演变特征,为区域水资源综合管理服务。[方法]以滇中地区蜻蛉河流域1963—2012年的月值径流实测资料为基础,采用线性倾向估计、Mann-Kendall非参数检验、小波分析和R/S分析等作为主要研究方法。[结果](1)蜻蛉河流域径流量年内分配极不均匀,主要集中在夏秋两季,而冬春两季占全年的百分比均较小;(2)自20世纪60年代以来,蜻蛉河流域径流量总体呈现出了减少的趋势,速率为4.80×107 m3/10a,但其变化趋势的尚未达到0.05的显著性水平;(3)研究时段内蜻蛉河流域径流量的变化经历了"多—少—多—少"的演变过程,2010年为一个典型突变年份;(4)从多时间尺度特征来看,蜻蛉河流域径流量变化局域性特点较为突出,没有贯穿整个研究时段的周期性波动,相对较为明显的周期性变化为15a;(5)蜻蛉河流域年径流量的变化存在比较显著的赫斯特现象,未来持续减少的概率较大。[结论]蜻蛉河流域水资源季节性分布不均,年际波动幅度大,未来一段时间内将继续维持减少趋势,需提前做好合理规划。     

不同时间尺度孤山川流域水沙关系变化及驱动因素

以黄土高原孤山川流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变检验分析年际尺度水沙变化趋势和突变年份。结果表明:孤山川径流量和输沙量于1965—2014年呈现极显著减少趋势(p<0.01),突变年份为1979年和1996年,据此将研究时段划分为基准期(1965—1979年)、过渡期(1980—1996年)和效益期(1997—2014年)。同基准期相比,过渡期年均径流深和输沙模数分别减少34.11 mm和401.48t/km^2,效益期减少65.05mm和213.09t/km^2。径流深低于10mm时,水沙关系较为离散;高于该值时,水沙关系变化相对稳定。过渡期人类活动的减水减沙贡献率分别为79.12%和86.45%,效益期人类活动减水减沙贡献率分别为86.45%和87.45%。     

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。     

锡林河流域径流变化规律及气候波动和人类活动影响的定量分析

多种原因导致内蒙古高原内陆河草原流域草地退化及环境恶化,定量分析其径流变化规律和影响因素对于流域的生态保护具有重要的意义。基于内蒙古锡林河流域1963—2015年水文、气象和社会经济等数据,采用累积距平法、双累积曲线法、改进的M-K趋势检验法和累积量斜率变化率比较法等方法,从年代、水文年及季时间尺度剖析了锡林河流域径流演变的规律,定量计算了气候波动和人类活动对锡林河径流变化的贡献。结果表明:锡林河流域径流量在各时间尺度均为显著(p0.05)减少趋势,而各气候要素的波动变化趋势不明显,但流域内社会经济变化显著;径流量在21世纪初达到最小,相对于20世纪90年代减少了54.9%;流域内降水、径流变化的突变年份均为1998年,1998年前后气候波动对径流减少的贡献率仅为30.34%,而人类活动对径流减少的贡献率达到69.66%,人类活动是引起径流量减少的主要驱动因素。     

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。     

渭河水文情势变化评估及归因分析

河流水文情势关系着河流生态健康,对河流生态系统的完整性和稳定性具有重要影响。采用线性回归法、Mann-Kendall法、累积距平法及双累积曲线法分析了渭河流域咸阳、华县与状头3个水文站径流变化特征(1965—2018年),结合IHA-RVA法综合评估河川径流水文指标改变程度,揭示了人类活动对水文情势的影响。结果表明：1965—2018年渭河主干及子流域北洛河流域年径流量呈显著减少趋势(p<0.05),干流咸阳和华县站年径流减少速率分别为5.5×10⁷ m³/a和6.8×10⁷ m³/a,北洛河状头站年径流减少速率为8.0×10⁶ m³/a;咸阳和华县站年径流量突变年份均为1993年,状头站年径流量突变年份为1994年。对比突变前后水文指标变化程度,咸阳、华县与状头站水文整体改变度分别为48%,46%和50%,为中度改变。流量变化改变率及频率改变最为显著,水利工程与水土保持措施是河川水文情势变化的主因。研究结果可为流域水资源可持续利用与水土保持措施合理...     

黄土高原藉河流域径流对气候和土地利用变化的响应

[目的]揭示黄土高原区中尺度流域径流对气候和土地利用变化的响应规律,为合理解决流域水资源利用和实现水资源的可持续管理提供理论支撑。[方法]以黄土高原藉河流域为研究对象,采用Mann-Kendall检验、距平累积曲线、双累积曲线以及分离评判法等方法进行研究。[结果](1)1962—2010年藉河流域年降雨呈下降趋势,但下降趋势不显著(p0.05);流域年径流深呈显著下降趋势(p0.001),且在1985年发生减少突变;(2)坡耕地面积减少,梯田面积增加是研究时段内流域土地利用变化的最明显特征。[结论]研究时段内土地利用变化是藉河流域径流量减少的主要驱动因素,影响贡献率为90.2%,而气候变化影响较小,贡献率仅为9.8%。     

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。     

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明：1）以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505（P<0.05）,模型精度随着流域面积增大而下降,在大于7 000 km2的流域适用性较差;2）年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期NSE平均值为0.84,RMSE平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3）影响研究流域年输沙量变化的因素依次是：年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。     

近80年来北洛河流域径流变化特征及其归因分析

为了探究北洛河流域径流变化特征及其驱动因子,对流域治理规划和生态环境建设提供科学依据,基于北洛河流域1937—2018年径流数据,采用现代数理统计方法对径流特征进行了分析,并结合1952—2019年气象资料分析了气候变化对径流的影响。通过降水—径流双累积曲线法定量分析了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明：北洛河流域1937—2018年年均径流量显著减少(p<0.01),在1970年、1994年发生突变,且存在54 a的主周期变化。1956—2019年北洛河流域降水变化趋势不显著(p>0.05),气温显著增加(p<0.01),气候变化对北洛河径流量起到减小作用。与1957—1970年相比,1971—1994,1995—2018年人类活动对于径流减少的贡献率分别高达92%和97%,人类活动是使北洛河径流量发生减少和突变的关键因子。