基于长短记忆模型的鄱阳湖流域径流模拟及其演变的归因分析

气候变化和人类活动直接或间接的影响着全球和区域水文循环过程,是导致水文水资源时空分布的主要因素,同时也是流域-湖泊水文情势变化的根本原因.本文基于长短记忆模型构建了鄱阳湖气象-径流模型,同时引入了基准期的概念,定量区分了导致鄱阳湖流域径流变化的主要影响因素.研究结果表明:在同时考虑计算效率和模拟效果的前提下,采用10 d预测窗口大小来构建鄱阳湖气象-径流模型能够很好地捕捉径流的极值,并且对径流的短期波动也能有很好的体现.训练期模型在各个子流域的纳什效率系数均高于0.94,而在验证期,模型在各个子流域的纳什效率系数均高于0.90.基于径流模拟结果,定量区分了人类活动和气候变化对鄱阳湖径流的影响,研究结果显示:人类活动对径流的影响主要发生在春、秋季,其中,人类活动在春季主要会造成径流的增加,平均增加幅度约为139.47 m³/s,而在秋、冬季,人类活动则会导致径流平均减少约34.37 m³/s.对比二者的相对贡献率,可以发现,春季人类活动对径流造成的影响较大,平均相对贡献率为77.26%.而在其余季节,鄱阳湖流域径流过程的改变主要是由于气候变化,平均相对贡献率约75.84%.研究结果能够为鄱阳湖流域水资源管理提供科学依据和理论指导.     

青藏高原多年冻土区热融湖塘对土壤物理特性及入渗过程的影响

全球变暖背景下高寒土壤水文过程的变化是流域水文学及生态系统稳定性研究的关键问题之一,以多年冻土区典型发育的热融湖塘为研究对象,基于土壤物理特性、入渗过程及土壤水分等的观测,并进行模型模拟.结果表明：热融湖塘改变了土壤的入渗过程,随着其影响程度的加剧,初始入渗速率降低,且在中度影响迹地降低幅度最大;稳定入渗速率与累积入渗量在表层逐渐增加,10与20 cm深度处均为先减小后增加,与土壤质地显著相关,且累积入渗量受制于稳定入渗速率变化;通过对比分析,Hoton模型更适用于热融湖塘影响迹地高寒草甸土壤水分入渗过程的研究.总之,热融湖塘的形成降低了高寒草甸土壤的持水能力,使其导水性增强,导致热融湖塘分布区域的产流能力降低.     

近40a来新疆地区冰雪径流对气候变暖的响应

分析了新疆地区 33条主要河流出山口水文站 5 0～ 80年代的径流资料和 84个气象台站气温和降水资料 ,以 1 980年为界 ,通过对比前后两时段的水文气象特征的变化结果 ,表明尽管 80年代以来 ,春季气温升高并不十分明显 ,但大多数河流春季径流却明显增加 ,平均增加约 1 0 % ;特别是山区融雪最盛的 5月份 ,径流增加最为显著 ,平均增加 2 0 % .与此相反 ,6月份径流普遍减少 ,平均减少约 5 % .从全年及整个夏季情况看 ,径流变化与流域冰川覆盖率没有直接的响应关系 ,但在冰川消融最强烈的 8月份 ,径流的变化与冰川覆盖率存在有明显的正相关关系 ,反映出气候变暖引起冰川径流增加的趋势     

过去50年中国西部气候和径流变化的区域差异

通过对过去50年中国西部降水和主要河流径流变化的对比分析, 研究降水和径流的区域变化差异, 结果表明, 黄河上游径流和降水与新疆北部和青藏高原南部雅鲁藏布江流域径流、降水呈显著的反相关关系. 中国西部降水变化大体上以青藏高原唐古拉山和天山为界, 表现出南北一致, 中部(西部的喀喇昆仑山除外)相反, 即从南到北呈现出干-湿-干或湿-干-湿的区域变化差异; 在河流径流上表现为北部伊犁河流域和南部雅鲁藏布江流域径流变化的一致性, 而与黄河上游径流变化呈反位相变化; 同时, 新疆和黄河径流的反位相变化表现在年代际上, 而黄河和雅鲁藏布江径流变化表现在年际变化上. 黄河上游径流的变化与西北太平洋季风指数的变化比较一致, 这表明黄河上游径流变化受到较强的东亚季风的影响; 新疆总径流分别与西北太平洋季风指数和西风指数存在显著的正负相关关系, 寻找不同地区径流变化异同对于认识和预测径流未来变化具有重要的指导意义.     

人工神经网络模型预测气候变化对博斯腾湖流域径流影响

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响．本文利用人工神经网络模型建立月降水、气温与径流关系,利用开都河流域降水、气温、径流资料对模型进行训练和验证,通过试算法确定网络模型结构,气温升高和降水量增加对径流影响的敏感程度分析表明,气温升高和降水增加对该区域径流影响较大,且气温升高的影响更为显著,径流增加主要集中在夏季,根据区域气候模型（RCMs）推算的CO2加倍情况下西北地区气候的可能变化,预测位于博斯腾湖流域的开都河大山口站年径流量增加38．6％,其中夏季增加71．8％,冬季增加11．4％。     

不同尺度流域地表径流氮、磷浓度比较

选择太湖上游为研究对象,采集了1-400 km2不同尺度小流域产出径流TN、TP浓度实测数据,结合前期开展的地表坡面流人工暴雨实验监测结果,开展不同尺度流域水质监测对水体面源污染产出浓度估算影响的比较研究,探讨流域尺度之间入渗、汇流以及伴随的流域生态系统营养盐调节机制的差异．结果表明,流域监测尺度对土地利用面源污染产出浓度估算有较大影响．地表坡面流由于未经过流域汇流过程伴随的下渗滤过与吸附等过程,产出径流TN、TP浓度一般高于小流域．小流域林地生态系统具有较强的入渗机制、接近自然的生态沟谷汇流网络,对面源污染TN、TP有较强的削减作用．农业生态系统较弱的入渗机制、人工沟渠汇流网络对面源污染TN、TP的削减作用较弱．现代农业造成流域面源污染增加不仅仅是因为人类农业活动对流域局部土体及养分的改变,农业生态系统改变流域自然生态系统整体水文过程及营养盐调节机制也是面源污染增加的重要因素之一,恢复小尺度的生态沟谷网络系统对削减流域面源污染具有重要的意义．     

气候变化和人类活动对鄱阳湖流域赣江径流影响的定量分析

气候变化和人类活动对流域径流影响的定量研究是当前研究的热点,赣江作为鄱阳湖流域最大的子流域,径流变化对鄱阳湖湿地水生态系统具有重要的影响.利用Mann-Kendall突变检验分析了赣江流域径流1955—2010年间演变趋势,再分别应用统计方法和IHACRES集总式模型分析气候要素和人类活动对径流的影响.研究表明IHACRES能够较好地模拟赣江流域径流,适用于中亚热带湿润季风气候区.Mann-Kendall突变检验表明赣江流域径流在1979年发生突变,可划分为1955—1979年和1980—2010年两个时段.降水是影响赣江流域径流年际变化的主要因素,而土地利用等人类活动的影响并不明显.水库建设显著影响赣江径流的季节分配,1980—2010年间人类活动影响更加显著,其中45%的年份秋季径流增加50%以上,26%的年份秋季径流增加超过100%,其中1989年的秋季径流增加幅度达到320%.     

1961～2006年塔里木河流域冰川融水变化及其对径流的影响

以国家气象台站的月降水与月气温资料为驱动数据、90m分辨率的数字高程模型(DEM)和第一次冰川编目的冰川分布矢量数据为基础,利用月尺度的度日模型重建了塔里木河流域各水系冰川物质平衡、融水径流序列,并应用冰川物质平衡、融水径流和平衡线高度等资料对模型进行了对比验证,表明模拟结果具有较高的可信度.对冰川物质平衡和融水径流的特征、变化趋势以及其对河流径流的贡献进行的分析表明,塔里木河流域1961～2006年平均冰川物质平衡为?139.2mm·a?1,46a冰川物质一直在加剧亏损,同期升温对冰川的影响超过降水增加的影响.塔里木河冰川融水径流的年际变化主要受控于流域内冰川的物质平衡波动,46a冰川融水径流的持续增加主要是由温度升高引起的.1961～2006年整个塔里木河流域年平均冰川融水径流量为144.16×108m3,冰川融水对河流径流的平均补给率为41.5%,并且与多年平均值相比冰川融水对河流径流的贡献在1990年之后明显增大.塔里木河流域出山径流年际变化与冰川融水径流年际变化过程基本一致,总体上呈上升趋势,并且河流径流量的增加约3/4以上源于冰川退缩的贡献.     

马营河流域1967~2000年土地利用变化对河流径流的影响

自1960年代以来, 干旱内陆流域土地利用格局发生了以耕地持续扩张和天然林草地不断减少的剧烈变化, 分析流域土地利用变化对水文过程的影响对于流域管理十分重要. 以河西走廊中部的马营河流域为例, 选择年径流量、基流量、最大洪峰流量以及流域典型的春季和秋季汛期流量为径流过程参量, 基于流域降水和径流各参量的变化趋势分析和显著的统计回归关系分析, 区别了气候变化对径流过程的影响. 利用1956年以来4期土地利用变化数据, 分析了耕地土地利用和径流过程各参量之间的定量关系, 建立了基于降水和耕地面积两种因素的径流过程统计模拟模型, 研究结果表明, 1967年以来, 由于流域土地利用变化, 尤其是上游林草地大规模转为耕地, 使流域年均径流量减少28.12%, 基流量减少35.32%, 最大洪峰流量减少35.77%, 春季和秋季的平均季节流量分别减少了36.05%和24.87%, 其中耕地面积扩张对年径流量的影响贡献率在77%~80%, 对春季流量的影响贡献率在73%~80%, 对基流量的影响贡献率在62%~65%之间, 流域冬春季节的持续升温也对春季径流减少具有一定影响; 合理规划流域土地利用格局, 对于流域水资源可持续利用河流域可持续发展具有重要意义.     

气候变化对沅江流域径流影响研究

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响.本文在水量平衡基础上,建立考虑气象要素和地形变化的月水文模型,利用实测径流资料对模型在时空尺度上进行验证.利用全球气候模型(GCMs)预测的未来气候变化情形,对处于湿润区的沅江流域径流过程进行预测.分析结果表明,该区域径流过程对降雨和气温变化十分敏感.根据英国Hadcm2模型对本世纪中叶气候变化预测结果,沅江流域未来年降雨量减少0.43%气温升高1.55℃,丰水期降雨增加,而枯水期将有较大幅度减少.年径流量相应减少6.8%,丰水期径流量增大11%,枯水期径流减少47%,不利于防洪和水资源开发利用.     

基于Copula函数的鄱阳湖水系径流丰枯遭遇多维分析

鄱阳湖流域5大水系来水变化与湖区水文极值事件有密切关系,研究径流变化特征与丰枯遭遇规律对区域防洪抗旱有重要意义.本文运用Copula函数构建了鄱阳湖水系多维径流联合分布模型,采用特枯、偏枯、平水、偏丰和特丰的径流丰枯分类,定量研究了鄱阳湖5大水系丰枯遭遇的问题,探讨了多维丰枯遭遇同步联合概率的变化特征.结果表明：鄱阳湖水系河流之间的径流具有较高的相关性,Gaussian Copula函数能较好地模拟二维至五维的径流联合分布.多条河流的丰枯遭遇随着维数的增加,丰枯组合增加,丰枯同步的联合概率明显下降,且丰枯同步的最大联合概率趋向于丰枯两端.对于相同的概率区间,非汛期径流的丰枯同步联合概率明显大于年径流和汛期径流,而年径流和汛期径流之间的丰枯同步联合概率差别较小.同处于流域北部或南部或相邻的河流之间的组合,其同步联合概率相较其他组合大,而南、北河流组合的同步联合概率相对较小.该研究可为流域水资源管理及水旱灾害预防提供科学依据.     

巴丹吉林沙漠沙山表层径流的发现及其指示意义

在全球高差最大的巴丹吉林沙漠发现了沙山斜坡上的表层径流物理沉积及化学沉积、沙山洼地罕见的地表超渗径流和沙山底部泉水溪流.根据电镜观察、能谱分析、入渗实验、含水量测定和粒度分析等资料,研究了表层径流化学沉积物的矿物和化学组成、物理沉积物的粒度组成、沙山区水分平衡、大气降水对地下水与湖水的补给条件和补给机制.超渗径流与表层径流的存在表明,该区存在能够为地下水提供补给来源的较强有效降雨过程.各种表层径流物理沉积与化学沉积、泉水溪流、超渗径流与含量为3~6%的重力水等8项科学证据十分可靠地从深层次上证明,该区降水通过入渗达到了沙山的底部,已经对地下水构成了补给.新生方解石和石膏等径流化学沉积物和灰黑色物理沉积物以及径流沉积扇形地演化的阶段性均指示该区大气降水对地下水的补给不是偶然的降水事件造成的,具有长期补给性.细粒层的隔水性是该区地下径流出露于地表的原因.沙山区具有一定有效降水能够提供水分补给源、沙层的高入渗率能够将大气降水快速转化沙层水、植被稀少蒸腾量少、沙层受蒸发影响深度小降低了蒸发对水分的消耗、沙层含有运移较快的重力水是该区水分出现正平衡和大气降水能够补给地下水的5个因素,这5个因素的共同作用构成了该区大气降水向地下水的补给机制,为地下水和湖泊提供了水分补给来源.本文对国内外沙漠区水循环、地下水补给条件、补给动力和补给机制的研究具有重要参考意义.     

基于Boussinesq-Storage 方程同时考虑水分储存和入渗的地下径流机制

在大尺度陆面水文模型中, 地下径流量通常看作是整个流域潜水面水分储存量的函数, 这样的地下径流机制往往是一种在稳定或“拟稳定”状态下地下径流量与潜水面水分含量的依赖关系, 它没有充分地考虑潜水面处水分通量对地下径流量变化的影响. 文中基于 Boussinesq- Storage方程建立了同时考虑潜水面水分储存和非饱和层水分入渗两方面影响的地下径流机制, 并利用流域水文资料以及地下径流分离算法验证了所建立模型的可靠性, 结果表明该模型能够比较合理地模拟地下径流的变化情况.     

近60年来白洋淀流域河川径流演变及湿地生态响应

白洋淀是雄安新区的核心生态功能区,近几十年来面临水源不足、湿地萎缩等生态环境问题.选取白洋淀流域上游王快、西大洋及拒马河3个子流域开展河川径流演变研究,结合1969年以来18期白洋淀湿地遥感影像,揭示白洋淀流域河川径流驱动湿地演变的过程机制.结果表明：近60年来白洋淀流域山区径流量呈持续衰减趋势,从P1阶段(1961—1979年)至P3阶段(1997—2019年),典型子流域年径流系数均值由0.29降至0.12,山区年径流总量由30.84×10⁸m³/a降至11.37×10⁸m³/a,降幅达63.1%,梯田修建、地下水开采等人类活动是导致径流衰减的主要原因;不同子流域产流和基流减少对径流衰减的贡献率存在差异,以变质岩为主的王快子流域径流衰减的主要原因是地表产流减少,碳酸盐岩分布较广的拒马河子流域径流衰减的主要原因是基流减少;白洋淀湿地面积变化受控于地表水位波动,近60年来白洋淀湿地退化的直接原因是入淀流量减少,根本原因是人类活动影响导致的山区径流衰减.     

气候变化对黄土高原黑河流域水资源影响的评估与调控

气候变化将对水资源产生重要影响, 评估其潜在影响可为区域可持续发展提供重要的依据. 本研究的目标是评估2010~2039年气候变化对黄土高原黑河流域水资源的可能影响并进而探讨适应性对策. 基于4种全球环流模式(CCSR/NIES, CGCM2, CSIRO-Mk2和HadCM3)的各3种排放情景(A2, B2和GGa), 使用比例法预估了降水、最高和最低温度的未来变化; 使用SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型模拟气候变化的水文响应; 基于元胞自动机-马尔可夫模型(CA-Markov)建立未来土地利用情景. 结果表明, 与目前气候相比, 全球环流模式预测年均降水变化-2.3%~7.8%, 年均最高和最低温度分别增长0.7~2.2和1.2~2.8℃. 不考虑土地利用变化时, SWAT预测2010~2039年的年均径流变化-19.8%~37.0%, 土壤水分含量变化-5.5%~17.2%, 蒸散量普遍增长0.1%~5.9%. 尽管水文气象变量的变化复杂, 但增长的概率较大; 且水文过程将发生变化, 如冬季径流减少等. 考虑土地利用变化时, 较2000年土地利用, 建立的2015土地利用情景将分别增加土壤水分和径流4.0%和5.7%而减少蒸散0.6%. 这表明调整土地利用模式可以有效调控水资源, 可被用来减缓气候变化的不利影响.     

气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流过程影响的定量分析

量化气候变化和人类活动对流域水文影响及其对流域水资源规划和管理具有重要的理论与现实意义.采用水文模型和多元回归法定量分析气候变化和人类活动对鄱阳湖"五河"径流的影响,并通过与灵敏度分析法对比来进一步验证分析结果 .研究表明,1970-2009年,气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流增加的贡献率分别为73%和27%.气候变化是饶河、信江和赣江径流增加的主导因素,而人类活动是修水径流增加的主要因素,是抚河径流减少的主要原因.另外,不同季节影响径流变化的主导因素又有不同,人类活动为干季(11月到次年2月)径流增加和湿季(4-6月)径流减小的主导因素,其贡献率分别为78.9%和82.7%.本研究可为鄱阳湖流域防洪抗旱及水资源优化配置提供重要科学依据.     

黄河径流量的历史演变规律及成因

基于黄河上、中和下游的径流及气候资料，对径流的年代际变化规律及与气候变化的关系进行了分析.结果表明：黄河流域的径流均存在显著的年代际变化趋势，径流的显著特征是从20世纪80年代开始的减少趋势，但并未达到历史的最低，径流减少的趋势在下游比上游更显著，而这种变化趋势与流域的气候变化趋势基本一致，说明在年代际尺度上，径流的变化主要受气候的控制；在不同季节，这种关系有明显差异，如在冬季两者的变化趋势有较大差异.分析还发现，近年来流域地表的干化是流域径流减少的原因，气温的升高更加剧了流域地表干化.     

黄河流域气候与农业种植面积变化对径流的影响

根据黄河流域1960—2005年5个水文站逐日流量、77个气象站1959—2013年逐日降水数据,结合流域内主要农作物种植面积及大型水库资料,全面探讨气候与农业面积变化及人类活动对黄河流域径流变化的影响.研究表明:黄河流域所有流量分位数总体呈下降趋势,并于1980s中后期到1990s中期发生突变.降水变化是黄河流域径流变化的主要影响因素.在考虑不同流量分位数情况下,农作物种植面积变化对不同分位数径流变化的影响也有差异性.花园口站农作物种植面积变化对径流量量级和可变性均有显著影响;其余4站各项气候变化与农作物种植指标参数较大,虽均未达到10%的显著性水平,但仍会对径流的量级变化产生影响.对唐乃亥站,农作物耕作面积的下降减少了灌溉用水,在0.5流量分位数时有高达60%增加径流量的间接作用.对于头道拐站,农作物耕作面积的增加使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,在0.3流量分位数时有高达40%减少径流量的间接作用.该研究为气候变化与人类活动影响下黄河流域水资源优化配置提供重要理论依据.     

城市化背景下年最大日径流演变及影响因素研究——以长江下游秦淮河流域为例

随着气候变化和人类活动的加剧,城市化地区水文过程受到较大影响,极端水文事件发生频率显著加大,探究城市化地区洪水演变和驱动机理对于防洪减灾具有重大意义。本文以长江下游快速城市化地区的秦淮河流域为例,分析了1987—2018年期间该流域年最大日径流的演变特征,构建多元线性回归模型和广义可加GAMLSS模型识别了关键驱动因子并量化其贡献作用。结果表明:(1)城市化背景下秦淮河流域年最大日径流呈现显著上升趋势,平均增长速率为14.77 m³/(s·a),并于2001年发生显著突变。(2)汛期降水量和不透水面率是年最大日径流变化的关键驱动因素,最优模型显示前者贡献率超过了70%,表明了降水改变的决定性作用,而不透水面率贡献率超过20%则表明了下垫面的改变对年最大日径流演变存在显著影响。(3)不透水面的增加对年最大日径流和汛期降水量响应关系的影响程度从突变前的6.7%增加到突变后的10.4%,快速城市化已显著改变了流域降水-径流响应过程。研究表明,随着城市发展秦淮河流域的年最大日径流受到人类活动显著影响,洪涝威胁日趋增大,研究结果可为城市化地区防洪减灾提供一定参考。     

长江流域近50年降水变化及其对干流洪水的影响

根据我国长江流域气象观测站近42年的资料,分析了整个流域年和季节平均面雨量、暴雨日数和暴雨量的变化特征,以及降水对流域径流和洪水的影响.长江流域年和夏季平均面雨量存在明显的年际和年代变化特征,也表现出比较显著的趋势变化特点.大部分测站年平均面雨量呈增加趋势,夏季和冬季平均面雨量的增加趋势尤其明显;秋季平均面雨量呈显著下降趋势.同时,年和夏季暴雨日数和暴雨量也在较大范围内呈显著增加趋势.长江流域的降水对干流平均流量具有重要影响.1973年、1983年和1998年的洪水主要是由明显高于平均的流域面雨量引起的;长江下游平均流量变化趋势也同流域年平均面雨量、夏季平均面雨量变化趋势基本一致,特别是70年代末以来,下游平均流量和流域面雨量的上升趋势更加明显,并同时在1998年达到最高值.长江流域大的丰水年一般对应El Nino年或El Nino次年,表明E1 Nino对长江较大洪水可能具有一定影响.