经验方法研究下垫面变化对洪水的影响

1980s以来,人类活动对下垫面的影响加剧,研究下垫面变化对流域产汇流规律的影响具有重要意义.通过对海河流域中紫荆关、阜平两个流域分别用经验方法进行洪水模拟演算,并把洪水资料按照年代不同分时段,建立P+Pa～Rs相关关系图,分析流域下垫面变化对降雨径流相关关系的影响.建立产流量R与洪峰Qm之间的相关关系,通过统计比较不同年代的趋势线发现,在产流量相同情况下,1980s后的洪峰流量较1980s前有所减少,说明海河流域的调蓄作用有增强的趋势.同时建立流域下垫面条件改变后产流量与洪峰变化幅度的相关关系,发现流域产流量变化与洪峰变化呈正相关关系.     

流域土地利用/覆被变化的水文效应及洪水响应

干旱与洪涝灾害已成为全球关心的重大问题.土地利用/覆被变化影响雨水的截留、下渗、蒸发等水文要素及其产汇流过程,并进而影响流域出口断面的流量过程,加大流域洪涝灾害发生的频率和强度.深入研究土地利用/覆被变化对洪涝灾害的影响,对于社会经济可持续发展具重要意义.通过分析和总结已进行的有关流域土地利用/覆被变化的水文效应及洪水响应研究工作进展,讨论了其研究内容、方法及现有工作的不足之处.     

黄河与长江流域水资源变化原因

利用1951～2008年黄河与长江流域逐月降水和径流资料,对流域年径流变化进行趋势性检验,分析年降水量和径流量的相关关系变化,比较不同时段流域降水和径流的变化趋势和双累积曲线,以及径流对降水的敏感性变化.结果表明,黄河干流上游年降水量微弱下降,中下游降水减少趋势显著,为8.8～9.8mm/10a;而全流域径流量均呈现显著递减的趋势,为7.8～10.8mm/10a(通过95%置值度检验);径流系数也明显下降,下降范围为0.013～0.019/10a,流域产流能力下降,径流减少趋势在20世纪80年代末至90年代初发生突变.长江流域大部降水减少趋势显著,为18.2～24.7mm/10a;上游(寸滩站,宜昌站)径流减少趋势显著,为9.9～7.2mm/10a,中游(汉口站)和下游(大通站)径流呈微弱下降趋势,为2.9～2.1mm/10a;长江流域上游径流系数增加不显著,中下游径流系数呈显著增加趋势,速率分别0.005/10a和0.005/10a,表明中下游产流能力增强.根据水文参数公式计算,与1951～1969年相比,1970～2008年,降水减少和人类活动引起的下垫面变化对黄河流域径流减少量的贡献率分别为11%和83%;在长江流域,降水减少对径流量变化的贡献占29%,人类活动引起的径流量增加占71%.1980～2008年,黄河流域由于下垫面变化造成径流量减少的比例在兰州、三门峡、花园口、利津分别为97%,83%,83%和91%,降水引起的径流量减少比例分别为3%,17%,17%和9%.长江流域降水减少对寸滩、宜昌、汉口、大通径流量减少的贡献分别为89%,74%,43%和35%,下垫面变化对径流增量的贡献分别为11%,26%,57%和65%.人类活动的作用强度逐年增大,2000年之后,下垫面变化对黄河、长江流域径流变化量的贡献率上升到84%和73%.下垫面变化引起了黄河下游径流减少和长江下游径流增加,在干旱区和湿润区对径流变化的作用相反.造成这一现象的原因是:黄河流域人类的活动用水量的增加直接造成径流减少;长江流域因太阳辐射下降引起实际蒸发量下降,同时湖泊面积减少,下垫面硬化也在一定程度上造成产流能力增加.     

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.     

应用新安江-海河模型研究下垫面变化对设计洪水的影响

为了探明流域产汇流参数变化特征及其演变机理,分析流域下垫面条件变化对设计洪水的影响.通过新安江海河模型研究卫河流域代表区下垫面变化情况,采用综合线性权重法对元村集站设计洪水资料系列进行一致性修正.结果表明:自由水蓄水容量、河网水流退水系数、地表填洼蓄水能力和地下水库出流初始水深这4个参数在1980年后都变大,可见代表区下垫面1980年前、后发生了明显的变化,导致流域内径流量大幅减少;合河—新村—五陵区间在1980年前15场洪水和1980年后32场洪水的预报径流深合格率都超过80%,达到乙等精度;元村集站最大5日洪量修正后比修正前平均减小27.1%;最大15日洪量修正后比修正前平均减小25.4%;最大30日洪量修正后比修正前平均减小23.0%.本研究可为水利工程的建设规模的确定提供科学依据,保障地区的防洪安全,满足人民生活和生产用水需求.     

西太湖湖滨典型河网区与太湖水量的交换

以西太湖湖滨典型河网区——宜兴大浦河网区为研究区域,对于该典型河网区与太湖之间的水量交换情况进行了系统的计算研究．考虑降雨因素的影响,采用考虑下垫面分类的产汇流模型,对各计算年内(2002年(基准年)．1998年(丰水年),1995年(平水年),1994年(枯水年))典型河网区及其西部山地区域的降雨径流过程进行了产汇流模拟．建立起适合该河网区域的非稳态河网水量模型,结合径流计算结果,对各年内典型河网区内水流的动态变化进行了计算模拟,对典型河网区与太湖水体的水量交换情况进行系统研究,分别对顺流与逆流情况下交换水量的年内分布与年际变化规律进行了分析．     

半干旱地区洪水模拟效果差异性分析及影响因子响应评估

中国北方半干旱地区的降水与下垫面条件具有明显的时空异质性,如何完整准确地描述该类区域的水文过程是当代水文学研究的难点之一.选择半干旱地区水文实验区域——绥德流域和曹坪流域,通过构建不同时空规律的降水场,并结合3种不同产流机制的水文模型,进行大型数值模拟实验,去探究时间、空间、产流机制等因素对半干旱地区洪水模拟的影响,为该类地区水文模型的研制工作提供借鉴.结果 表明:1)半干旱地区中小流域的产流对降雨强度较为敏感,因此降水输入的时间步长对洪水模拟效果的影响程度较大;相比之下,流域雨量站数量的增减,仅体现在降雨分布场的暴雨中心缺失以及面平均降雨量的微小差别,对洪水模拟效果的影响程度较小.2)水文模型能否准确描述主导水文过程是半干旱地区洪水模拟效果优良的关键,流域的尺度效应及其下垫面条件的空间异质性是半干旱地区不同水文模型研制和调整应当优先考虑的问题,无论时间步长、雨量站数量怎么组合,产流结构适宜的模型其模拟效果总是趋于较好的结果.     

藻类食物对萼花臂尾轮虫繁殖的影响

为满足流域防洪规划工作的需要,针对鄱阳湖湖区暴雨洪水特点,分别用面积比拟法,修正总入流法,单水源模型（现预报方案）,新安江三水源模型,对湖区４个实际大水年份进行分析计算．在新安江三水源模型中分析了鄱阳湖高低水位时水陆面积变化对产汇流的影响,并给出了相应的计算公式．结果表明,复杂的概念性降雨径流模型能充分地模拟径流洪水过程;而在合理的条件下,运用简单的方法亦能取得较好的效果,通过比较分析,提出鄱阳湖     

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.     

考虑降雨空间变化的随机产汇流模型

引入两个负指数型差值函数,估计降雨量的概率分布,以此描述流域降雨空间变异性问题.将降雨量空间统计分布与垂向混合产流模型耦合进行产流量计算,即对地表径流,采用超渗产流模式,根据降雨与土壤下渗能力的联合分布推求其空间分布;对地面以下径流,采用蓄满产流模式,以地表渗入量的均值作为输入,进行简化处理以提高其实用性;最终推导出总产流量概率分布函数计算公式.将流域概化成一个线性水库,并根据随机微分方程理论,推导任一计算时段洪水流量的概率分布,从而构建了一个完整的随机产汇流模型.以淮河支流黄泥庄流域为例进行应用研究,结果表明,该模型可提供洪水过程的概率预报,可用于防洪风险分析,若以概率分布的期望值作为确定性预报,亦具有较高精度.     

开都河流域融雪径流模拟研究

高山融雪是塔里木河源流区重要的产流方式,4个山区流域具有面积大、测站稀少、降雨与融雪混合补给径流和显著局部降雨等特征.以开都河流域为研究区,分析流域特征对SRM融雪径流模型参变量的影响,确定相应选取策略以提高融雪径流模拟预报精度,为相似流域融雪径流模拟提供参考.研究结果表明(i)气温输入控制模拟径流的整体趋势,对模拟精度起决定性作用.但测站日均气温数据通常不能代表流域同高程的平均水平,直接作为输入会导致很大误差.基于遥感积雪图和模拟结果分析,开都河流域选择0.5倍巴音布鲁克站日最大气温作为流域平均气温较为合理.(ii)由于雨量站稀少和局部降雨特征显著,计算各高程分带平均降水并不现实.将测站降雨乘以放大系数,并借助参数"降雨径流系数"进行校正,可以满足模型对降雨输入的需求.(iii)根据融雪和降雨位置变化,调整参数"滞时"取值对提高局部洪峰过程的模拟精度非常重要.(iv)随气温升高,降雨增多,未能被有限测站完全监测,导致模拟精度逐步降低.     

开都河流域融雪径流模拟研究

高山融雪是塔里木河源流区重要的产流方式,4个山区流域具有面积大、测站稀少、降雨与融雪混合补给径流和显著局部降雨等特征.以开都河流域为研究区,分析流域特征对SRM融雪径流模型参变量的影响,确定相应选取策略以提高融雪径流模拟预报精度,为相似流域融雪径流模拟提供参考.研究结果表明:(i)气温输入控制模拟径流的整体趋势,对模拟精度起决定性作用.但测站日均气温数据通常不能代表流域同高程的平均水平,直接作为输入会导致很大误差.基于遥感积雪图和模拟结果分析,开都河流域选择0.5倍巴音布鲁克站日最大气温作为流域平均气温较为合理.(ii)由于雨量站稀少和局部降雨特征显著,计算各高程分带平均降水并不现实.将测站降雨乘以放大系数,并借助参数"降雨径流系数"进行校正,可以满足模型对降雨输入的需求.(iii)根据融雪和降雨位置变化,调整参数"滞时"取值对提高局部洪峰过程的模拟精度非常重要.(iv)随气温升高,降雨增多,未能被有限测站完全监测,导致模拟精度逐步降低.     

青藏高原对东亚夏季风影响的数值模拟

本文基于大气环流模式CAM,对青藏高原大地形进行简单处理并积分15年,在月和候时间尺度上对比分析了东亚夏季风对高原的响应特征.模式模拟结果表明:高原的隆升加强偏北风,使热带季风爆发之前华南及长江流域的降水加强,并通过对高层大气的显著加热作用,强化了东亚地区上层大气的南北热力差异,使得东亚夏季风加强.在西南风引导下,暖湿气流北上并使长江及江淮流域梅雨期提前,雨量加大且持续时间更长,进而使太平洋副热带高压位置偏西,并改变了东部沿海地区的降雨分布,使其呈现出旱涝相间分布的状况.自7月上旬,高原的存在反而减弱了北方雨季的降雨强度,但是延长了北方降雨期.同时由于降雨释放潜热减少与偏南风加强的作用相互消减,使得337.5假相当位温线到达最北时的位置变化不大.     

水文非线性系统与分布式时变增益模型

论述了以Volterra泛函级数表达的流域降雨-径流非线性系统理论与概念性模拟方法. 依据流域数值高程模型、遥感信息和单元水文过程, 提出了水文非线性系统理论的时变增益模型(TVGM)和推广应用到流域时空变化模拟的分布式时变增益模型(DTVGM). 研究表明, 除了常用的非线性系统分析方法之外, 从复杂水文关系研究中另辟蹊径, 提出一种简单关系的非线性系统分析是完全有可能的. 时变增益水文模型的提出及其与一般性水文非线性系统的联系就是一个例证. 水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟结合的DTVGM模型, 能够发挥水文系统方法与分布式水文模拟方法相结合的优点, 探索环境变化下的流域水文模拟问题. 将DTVGM分别应用到河西走廊干旱地区的黑河流域和华北地区潮白河流域实例研究, 模拟了水文时空变化以及陆面覆被变化与水文影响分析, 取得了较好的效果, 说明了其特色和应用价值.     

流域水文系统产水机制稳定性研究

流域水文系统受下垫面和气候条件的共同作用,研究其产水机制的变异规律,是合理制定变化环境下水资源管理措施、实现水安全保障的基础.本文基于Budyko框架和气候模式的历史及未来数据(CMIP6),利用Budyko全微分分解法探究了下垫面和气候变化对流域产水变异的补偿机制;基于泰勒展开式求解将Budyko各阶敏感系数(一阶到高阶项)表征流域产水率对下垫面与气候的敏感程度;根据流域外部基本特征(产水率、下垫面特征参数及干燥指数)和内部敏感系数,进一步结合联合概率函数和主成分分析方法探究了流域产水机制稳定性及其演变规律.结果表明:(1)在全球各气候分区中,下垫面和气候变化对流域产水率变异互相补偿,即气候与下垫面改变引起的产水率变化可以基本相抵,使未来流域产水率维持稳定.(2)各阶流域敏感系数表明,未来流域对下垫面敏感性增加,对气候的敏感性降低,其中干旱区流域对气候和下垫面敏感性均增加.(3)未来流域水文系统产水机制稳定性逐步下降,即从基准期(1901～1950年)到变化期(2051～2100年),稳定性系数从0.054下降到0.021;其在干旱区改变量最大,可达(-0.347±0.18),而在半...     

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%.     

太湖平原高度城镇化下降雨特征时空变化研究

随着人类活动和气候变化影响的加剧,降雨特征变化引发的洪水问题日益突出,探讨其时空演变特征对保障高度城镇化地区洪涝安全有较大理论和实际意义.本研究以高度城镇化的太湖平原地区为例,选取降雨强度、降雨历时、降雨集中程度和降雨峰值程度为降雨类型特征指标,以高分辨率短历时加权集合降水资料MSWEP （multi-source weighted-ensemble precipitation）为基础探讨了快速城市化发展下（1979—2016年）不同降雨历时-强度-类型的时空演变规律及其演变机制.研究结果表明：①研究区的降雨频次呈现出强度小、历时短、雨量集中于中期和高峰型降雨发生的频次高的特征;同时历时较短、集中于前期和后期的降雨频次趋于增加,而历时较长、集中于中期且中峰型降雨的频次趋于减少.②城镇化对降雨雨型的影响分析发现,高城镇化水平地区较低城镇化水平地区的降雨量更大,其中降雨强度大于25 mm/d的大雨和暴雨事件更易发生;并且更倾向于发生前期型和高峰型的极端分布降雨.随着城镇化发展研究区更易于遭受因降雨量过于集中而导致的雨涝灾害.     

降雨作用下碎石土滑坡稳定性演化过程分析

不同的降雨强度和历时导致滑坡体内渗流场的动态演变,同时也影响着滑坡稳定性的变化,但目前对降雨作用下的滑坡稳定性变化规律的研究并不多。本文选取铜仁地区石灰溪滑坡进行案例研究,基于饱和—非饱和渗流理论和极限平衡理论,采用SLOPE/W模块研究在不同降雨强度及不同降雨历时组合工况作用下石灰溪滑坡在降雨中及降雨后1~7天的稳定性演化特征及规律。研究表明在不同降雨强度条件下,滑坡稳定性在第一天降雨过后急剧恶化,稳定性系数迅速减小,随着降雨强度的增大滑坡稳定性恶化明显,当降雨强度为100 mm/d时滑坡稳定性已经基本接近于整体滑动的状态;滑坡在降雨过程中稳定性系数迅速减小,随着降雨历时的增大滑坡稳定性恶化明显,当降雨历时为2天、3天时滑坡已经整体失稳。     

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.     

降雨条件下边坡体积含水率变化规律研究

持续降雨是边坡发生失稳破坏的主要诱因之一,基于饱和—非饱和渗流理论,对梅州市大埔县某边坡的渗流场进行模拟,研究在不同降雨工况下该边坡土体体积含水率的时空变化规律。研究结果表明:相同条件下,降雨强度越大(降雨历时越长),边坡表层土体体积含水率变化越大;降雨强度60 mm/d历时1 d的暴雨对边坡表层土体体积含水率的增幅作用存在着一定的滞后性,其余工况未表现出滞后现象;降雨强度为120mm/d和300 mm/d的两种工况各研究点任意时段体积含水率较为接近;当降雨强度达到60 mm/d以上时,边坡内部体积含水率空间变化主要受降雨历时影响,降雨历时越长,降雨入渗深度和体积含水率变化越大。