气候变化和人类活动对中国地表水文过程影响定量研究

利用中国372个水文站月径流数据（1960-2000年）及41个水文站年径流数据（2001-2014年）,采用基于Budyko假设的水热耦合平衡方程,构建气候变化和人类活动对径流变化影响定量评估模型,在Penman-Monteith潜在蒸发分析基础上,进一步分析气象因子对径流变化的弹性系数,量化气候变化和人类活动对径流变化的影响。结果表明：① 中国北方地区流域径流变化对各气象因子弹性系数明显大于中国南方地区。就全国而言,径流变化对各因子的弹性系数为：降水>土地利用/土地覆盖变化（LUCC）>相对湿度>太阳辐射>最高气温>风速>最低气温;② 1980-2000年,气候变化总体上有利于增加中国年径流量,而降水对年径流量增加的贡献最为显著;③ 1980-2000年,中国南方流域中,气候变化对年径流变化的影响以增加作用为主,而北方流域,以减少年径流作用为主。对中国大多数流域径流变化而言,人类活动的影响主要以减少年径流量为主。2001-2014年,气候变化以减少径流量为主,人类活动对径流变化的影响程度明显增强,气候变化与人类活动对径流变化的贡献率分别为53.5%、46.5%。该研究对气候变化与人类活动影响下,中国水资源规划管理、防灾减灾及保障水资源安全具有重要理论与现实意义。     

基于Budyko假设的党河径流变化归因

流域水资源变化特征及其归因识别一直是水文研究的重要科学问题。本文以党河流域为研究区,采用线性倾向估计等方法分析了流域气象、下垫面和水文要素变化特征,基于Budyko水热耦合平衡方程量化了气候变化和人类活动对径流变化的贡献。结果表明：(1)流域内气温呈升高趋势,降水呈增加趋势,气候向暖湿化方向发展;(2)林地、草地、耕地、水域和建设用地面积增加,未利用地面积缩减;冰川退缩速率为3.86 km²·a^-1;多年平均最大冻结深度平均递减速率为1.14 cm·a^-1;(3)党河径流年际递增速率为0.21亿m³/10a,年内分配为“双峰型”,降水和气温对径流年内变化贡献分别为57.2%和42.8%,气候变化和人类活动对径流变化贡献分别为59.46%和40.54%。     

流域土地覆被变化水文效应的模拟——以长江上游源头区梭磨河为例

为分析地表覆被变化的水文效应,以半分布式的地形指数模型 (TOPOMODEL) 为基础,对梭磨河流域1960~1999年逐日流量过程进行了模拟。结果表明,对于流域面积2536km² 的梭磨河流域,该模型也能取得较好的模拟结果。模拟了流域40年来气候波动和地表覆被变化对流域水文的影响。最后在4种不同的流域土地覆被情景下模拟了1960~1999年逐日径流过程。对于实际蒸散发与潜在蒸发有300多mm差距的梭磨河流域,在其它条件不变的情况下,随着流域土地覆被和冠层最大截流量的增加,冠层截流蒸发和流域总蒸发增加,植被蒸腾和土壤表面蒸发减少,土壤水分增加而流域水分含量和饱和层含水量减少。地表径流、地表以下径流、总径流减小。重现期小于20年的洪峰流量减小,但对40年一遇的洪峰流量影响很小,甚至有增加洪峰流量的作用。     

青藏高原大通河流域径流变化归因分析

大通河流域地处青藏高原东北部边缘,生态环境敏感脆弱,开展变化环境下水资源演变、归因研究对保护区域水生态环境,保障水生态文明建设具有十分重要的意义。采用线性倾向估计、集中度、集中期、有序聚类检验、小波分析等统计方法,分析了流域径流的年际变化、年内分配、周期和突变变化特征,基于累积量斜率变化率法和双累积曲线定量评估了气候因素和人类活动对径流变化的影响。结果表明：(1)近60 a大通河流域气候暖湿化明显,年平均气温、降水量、潜在蒸发量增幅分别为0.42℃·(10a)^-1和8.9 mm·(10a)^-1、5.6 mm·(10a)^-1,年径流呈减少趋势,倾向率0.67×108m3·(10a)^-1。(2)径流集中度和不均匀系数呈微弱下降趋势,枯季径流增加趋势明显,年内分配更趋于均匀,集中期有推迟趋势,延迟速率为3.0 d·(10a)^-1。(3)年径流在44 a左右尺度上周期震荡明显,突变发生在1990年,突变后径流量减少3.52×108m3,流域冰川分布呈减小趋势,植被覆盖无显著变化。(4)...     

青海北川河流域径流变化的机理研究——基于模型和统计两种方法

气候变化和下垫面变化是影响河道径流的两大驱动力,研究两者对径流的影响有利于深入理解流域水文过程,为水资源管理提供科学依据。鉴于利用不同方法获得的结果存在一定程度的差异,有必要使用多种方法进行交叉验证。论文基于Budyko水量平衡法和新增水库模块的分布式水文模型(DHSVM)法量化了气候变化和下垫面变化对青海省北川河流域径流变化的贡献。结果表明：① 自1960年以来流域出口流量以每年0.037 m³/s的趋势下降,突变年份发生在1969年。② 2种方法的分析结果均表明,年代际尺度上,气候变化对径流影响的贡献率由高到低依次为：1990—1999年>2000—2009年>1970—1979年>1980—1989年=2010—2019年,且下垫面变化是1970—2019年流域出口径流变化的主导因素,对应的贡献率分别为94.58% (Budyko法)和65.68% (DHSVM法)。③ Budyko方法只能揭示流域整体的变化,而DHSVM方法能够体现水文过程变化的时空差异,模型结果表明上中游、下游地区的年平均径流变化分别受气候变化、下垫面变化主导;流域出口处月径流变化则对下垫面条件中的水库调节更敏感。此外,文中就2种方法量化结果差异的原因也展开了讨论。     

基于Budyko假设和分形理论的水沙变化归因识别——以北洛河流域为例

全球气候变化及人类活动深刻影响了区域水文过程,进行水沙变化归因识别对流域生态保护和高质量发展尤为重要。基于Budyko假设和分形理论,采用弹性系数法,对北洛河流域上（丘陵沟壑区）、中（土石山林—高塬沟壑区）、下游（渭北旱塬农区）3种不同地貌和植被类型区1959—2019年的水、沙通量变化进行归因分析。结果表明,北洛河上、中、下游径流量均显著减少,由20世纪60年代的35 mm、32 mm、34 mm,减少到21世纪10年代的19 mm、24 mm、6 mm,60 a减少率分别为0.3 mm a^-1、0.2 mm a^-1、0.4 mm a^-1。上游输沙量极显著减少,中游降低趋势不显著,下游显著减少,由20世纪60年代的99×10⁶ t、8×10⁶ t、3×10⁶ t,减少到21世纪10年代的10×10⁶ t、3×10⁶ t、0.3×10⁶ t,60 a减少率分别为1.5×10⁶ t a^-1、0.04×10⁶ t a^-1、0.1×10⁶ t a^-1。20世纪70年代以来,上游径流变化逐渐受人类活动影响,且影响程度逐渐增强,21世纪10年代人类活动贡献率达66.3%;气候变化是中游径流变化的主控因子,21世纪10年代降雨和潜在蒸散发的贡献率分别为77.0%和20.2%;下游径流减少主要为人类活动影响,21世纪10年代其贡献率为64.3%。对比20世纪60年代流域输沙量变化始终受人类活动主导,21世纪10年代人类活动对上、中、下游输沙量减少的贡献率分别为80.7%、59.2%和92.7%。上游人类活动对输沙量减少的贡献中,退耕还林等沟坡措施和沟道工程措施分别为39.0%、42.7%,中、下游人类活动贡献的估算结果反映出高植被覆盖区和农区汲水灌溉对区域水、沙的影响特征。     

基于SWAT模型的乌裕尔河流域气候变化的水文响应

乌裕尔河流域是气候变化的敏感区,其径流量是扎龙湿地的重要补给水源,探讨气候变化情景下乌裕尔河流域径流量的变化对区域社会经济发展和扎龙湿地生态环境保护具有重要的现实意义.本文利用SWAT模型对乌裕尔河流域进行径流模拟,并分析未来气候变化情景下河流径流量的变化.结果表明:SWAT模型可以较好地模拟乌裕尔河流域的径流量变化过程,尤其是产流量大的站点,模拟效率较高;气候变化对径流量影响较为显著.未来气候变化情景下,流域径流量随着时间的推移不断减少,而且不同水文站径流量减少幅度不同.     

太湖流域宜溧河与西苕溪水质对比分析

基于2010年汛期与非汛期太湖流域西部宜溧河及西苕溪22个断面水样实测分析数据,选取高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）为主要研究指标,利用单因子评价法和综合评价法对两条典型河流汛期与非汛期水质状况及差异,以及两者间不同时期及沿程水质变化进行了对比分析,并从社会经济、自然地理等角度探讨了其产生的原因。结果表明：宜溧河流域平均水体污染程度总体高于西苕溪流域,污染程度更差。宜溧河非汛期各断面的CODMn、TN、NH3-N及TP含量均明显高于汛期的含量,水质状况更为恶劣,而西苕溪汛期的平均水质状况基本劣于非汛期。受流域内城镇空间布局以及工业污染企业的空间分布等因素的影响,河道水体水质状况的空间差异性比较显著。宜溧河段入湖河流水质污染主要来源于点源,汛期下游受到一定程度的非点源污染。西苕溪水质污染主要来源于面源污染,汛期污染物主要是由降雨径流带入河中,下游受到一定程度的点源排放影响。     

基于分布式水文模型（SWAT）的土地利用和气候变化对洮河流域水文影响特征

土地利用和气候变化是流域水资源发生变化的重要原因。以洮河流域为研究区,通过模型率定得到适宜于洮河流域的分布式水文模型（SWAT）,在综合考虑流域土地利用和气候变化特征的基础上构建多种情景模式,并对不同情景模式下的水文特征进行模拟,得到以下结论：（1）校准后的SWAT模型,R²、R_e和E_ns分别达到0.83、-8%和0.68,说明该模型在洮河流域径流模拟中具有较好的适用性。（2）与1976-1995年相比,气候变化使流域产水量增加1.30 mm,土地利用变化使流域产水量减少0.77 mm。土地利用变化对水文特征的影响小于气候变化,但土地利用变化对流域管理的作用却是不可忽视的。从极端土地利用变化情景可知,与1985年土地利用情景相比,林地、草地和耕地情景中产水量分别变化了18.1%、-7.4%和-10.1%。从气候变化情景可知,当降水量不变,温度分别变化2 ℃、1 ℃、-1 ℃和-2 ℃时,流域产水量的变化量分别为-4.23%、-2.56%、3.08%和6.70%;当温度不变,降水量分别变化20%、10%、-10%和-20%时,流域产水量的变化量分别为56.32%、30.88%、-23.66%和-45.94%。（3）在土地利用和气候变化共同作用下,地表径流增加的区域主要位于下游的广河县、和政县和康乐县以及上游的碌曲县和夏河县等地,地表径流增加地区的面积约占流域总面积的39%。     

青藏高原北部典型冰川流域化学风化研究

青藏高原生态环境对气候变化的响应是全球变化研究关注的重点问题。地表风化与气候变化之间具有紧密的联系,因此对冰川流域硅酸盐岩风化以及黄铁矿氧化进行定量研究可为理解高原气候变化提供关键性认识。本文以青藏高原北部祁连山典型冰川流域—老虎沟流域为研究对象,通过分析流域河水及降水的水化学和氢氧同位素,研究了冰川径流来源,河流溶质来源以及水文条件对溶质的影响,流域化学风化速率以及黄铁矿氧化对化学风化碳汇效应的影响。利用同位素径流分割得到地下水、冰川融水以及大气降水对冰川径流的贡献分别为18.2%、58.3%和23.5%,并进一步通过溶质产生模型讨论了冰川河流量对溶质的影响。通过反演模型计算得到碳酸盐岩、硅酸盐岩、蒸发岩和降水对河水阳离子的贡献分别为59.1%、20.1%、8.3%和12.5%,蒸发岩、降水和融雪、黄铁矿对SO₄^2-的贡献分别为14.4%、8.0%、77.6%。最终估算得到碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化通量分别为50.8 g/s和7.8 g/s,相应的CO₂吸收速率分别为24.4 t/(km²a)和5....     

渭河与泾河流域水沙变化规律及其差异性分析

依据渭河和泾河流域1956—2016年实测水文资料、水利水保统计数据、TerraClimate年平均温度和Landsat地表反射率数据集,分析了流域水文要素、气温及植被覆盖度的历年变化规律,采用双累积值曲线法、累积距平法、有序聚类法、Lee-Heghinan法、秩和检验法等数理统计方法,确定了流域年径流量和年输沙量变化的突变年份,分析了降水和人类活动的减水减沙效应。结果表明:(1)渭河和泾河流域历年降水量、径流量、输沙量、含沙量均呈显著减少趋势,渭河流域的降水和径流比泾河流域减少较多,泾河流域的泥沙比渭河流域减少较多。(2)人类活动对2个流域径流泥沙量的影响均大于降水量对其的影响,且泾河流域受人类活动影响较渭河流域明显。(3)2个流域的水沙特征差异性较大,渭河的年径流量、年径流深、径流系数是泾河流域的2.0~2.4倍,渭河的年输沙量、年输沙模数、年均含沙量仅是泾河流域的1/2~1/5。2个相邻流域水沙特征差异性较大的主要原因是,流域气温、降水等气候条件不同,植被覆盖度等下垫面条件存在差异,水利水保措施、水资源开发利用程度等人类活动的影响所致。     

黑河流域植被水分利用效率时空变化特征及其与气候因子的关系

利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）产品总初级生产力（GPP）、蒸散发（ET）及气象数据估算了黑河流域植被水分利用效率（WUE）,分析了WUE的时空变化及与气候因子的相关性。结果表明：2005-2014年黑河流域单位面积上多年平均GPP为314.44 gC·m^-2,ET为363.35 mm,多年平均植被WUE为1.15 gC·mm^-1H₂O·m^-2;黑河流域WUE总体呈由南向北递增的空间分布格局,年内呈现单峰型结构,WUE高值区分布在酒泉-临泽东西线上及额济纳斯荒漠河岸林地带,托勒的东南部地区为WUE低值区;黑河流域生态系统WUE具有明显的季节变化规律,表现为夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季的特征,夏季为1.32 gC·mm^-1H₂O·m^-2,冬季为0.75 gC·mm^-1H₂O·m^-2;水分利用效率年均分布与倾向率的增加具有一定的对应关系,莺落峡、民乐一带是WUE的高值区也是整个流域倾向率快速增长区,在WUE稳定性方面,中下游绿洲区变化最为显著,上游高海拔区、中下游戈壁区变化不显著;WUE与年降水量、年平均气温以负相关为主,其中降水是影响植被WUE的主要因素,正相关的区域分布在山丹县、民乐县东部、肃南裕固族自治县南部湖泊区域,而气温只在下游绿洲区呈正相关。     

不同水平年塔里木河流域“四源一干”可承载灌溉面积研究

利用水量平衡原理,基于流域水资源量及水资源利用水平、灌溉定额等资料,计算探讨了塔里木河流域“四源一干”现状水平年（2010年）和规划水平年（2020年、2030年）可承载灌溉面积、不同来水频率下规划年灌溉面积超载和生态水保证情况。结果表明：（1）现状水平年,流域可承载灌溉面积为129.06×10⁴ hm²,除和田河流域外其它区域均超载,超载面积为41.7×10⁴ hm²。（2）2020年,25%来水频率下,除开都-孔雀河流域其他区域均不超载。在50%与75%来水频率下,流域规划灌溉面积超载较大,分别为10.21×10⁴ hm²与28.05×10⁴ hm²,管理部门应对规划方案进行科学论证。75%来水频率下,流域生态水保证率为76%,表明枯水期生态水供应存在压力。（3）2030年,25%来水频率下,除开都-孔雀河流域其他区域均不超载。在50%与75%来水频率下,流域规划灌溉面积超载较大,分别为7.06×10⁴ hm²与24.09×10⁴ hm²。75%来水频率下,流域生态水保证率为81%,表明枯水期生态水供应仍然存在压力。研究结果为流域水资源配置及区域可持续发展提供了重要数据支撑与理论依据。     

气候变化和人类活动对汾河流域径流情势影响分析

在人类活动和气候变化的影响下,汾河入黄径流量锐减,加剧了山西省水资源短缺的现状,并引起生态环境的恶化,同时入黄径流量的减少致使黄河干流流量的减少,加剧了黄河中下游的水资源短缺。以汾河流域为研究区,采用水文变异诊断系统分析了汾河流域入黄控制站河津站1956-2012年的径流情势的变化情况,入黄径流有显著下降的趋势,并且在1971年左右发生了突变减少。然后采用多元分析方法,分析造成径流突变减少的影响因子,其径流受到降水量、潜在蒸散发量和人类活动引起的流域属性改变的影响。随后采用Budyko公式分析其敏感性,在相对较长的时间尺度上,气候变化对径流的影响比人类活动更加敏感。最后采用累计斜率法分析上述参数对径流的影响比率,得到径流量受降水量、潜在蒸散发量和流域属性的影响比率分别为16.29%、-4.86%和88.57%。     

基于InVEST模型的黑河流域上游水源涵养量

黑河流域上游生态系统具有重要的水源涵养功能,对维系流域生态平衡有着重要的意义。基于InVEST模型估算了黑河流域上游水源涵养量,分析了水源涵养量的时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明：2001—2015年黑河流域上游草地、林地、灌丛面积分别增加了1 665.00、381.75、162.75 km²,而荒漠和农田分别减少了2 165.25、20.50 km²;2001—2015年黑河流域上游水源涵养量年均值为228.64 mm,在空间上呈现东南高、西北低的分布特征,高值区位于祁连山一带,肃南裕固族自治县北部条带状为上游水源涵养量的低值区;从变化趋势来看,研究区水源涵养量以7.60 mm·a^-1的速率减少;近15年来,研究区潜在蒸散、降水量分别呈现增加和减少趋势,速率分别为1.45、-0.67 mm·a^-1,水源涵养与潜在蒸散以负相关为主,而与降水量正相关,降水量主要影响上游的中东部、北部的祁连山高寒地区,而潜在蒸散主要制约西北部的水源涵养量。     

长江、黄河流域生态系统服务变化及权衡协同关系研究

长江、黄河流域是中国重要的生态屏障,近几十年来强烈的人类活动改变了长江、黄河流域的自然景观,使生态系统功能遭到破坏,了解流域内生态系统服务的变化、相互作用和驱动因素是流域生态系统管理和调控的重要基础。本文利用土地利用、土壤类型和气象等数据,对2000—2016年长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务进行时空变化分析;采用相关分析法和约束线研究生态系统服务之间的权衡协同关系和约束效应。结果表明：① 2000—2016年,长江、黄河流域的NPP分别以3.21 gC/m²和3.92 gC/m²的速率递增,产水量和土壤保持量在长江流域分别以1.25 mm/a的速率递增和55 t/hm²的速率递减,而在黄河流域,产水量和土壤保持量分别以0.04 mm/a的速率递减和3.31 t/hm²的速率递增。② 长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务之间互为协同关系。长江流域的NPP和产水服务与土壤保持服务之间为驼峰型约束,NPP与产水量之间为凸波型约束。③ 黄河流域的NPP与土壤保持间的约束线形态为凸波型,NPP与产水量之间为驼峰型约束,而产水量与土壤保持之间为指数型。定量化研究不同流域的生态系统服务并探究其影响因素,对于了解和优化不同地区的生态系统服务有重要意义。     

气候和人类活动对黄河中游区间产流量变化的贡献率

黄河中游产流量在过去几十年发生了明显减小的变化趋势,鉴于迄今有关气候及人类活动对该区产流量减小的影响比重仍存争议,本研究利用累积距平方法分析了研究区近60年来的产流量变化趋势,识别出1971年和1985年两个拐点年份,利用累积量斜率变化率分析方法(SCRCQ)估算了降水量和人类活动在产流量变化中的贡献率。与基准时期1950-1970年(T_A)相比,在不考虑蒸散量影响的情况下,降水量和人类活动对黄河中游区间产流量变化的贡献率在1971-1985年(T_B)分别为25.94%和74.06%,在1986-2009年(T_C)分别为25.13%和74.87%;如果考虑蒸散量的影响,则人类活动的贡献率在T_B和T_C时期分别增大到91.74%和93.41%。显然,人类活动是该区间地表产流量减小的最重要影响因素。人类活动对黄河中游区间产流量变化的主要影响方式是拦蓄滞留,这些拦蓄滞留的水量大多数最终通过蒸散作用而从地表径流循环进入大气循环,即人类活动改变了部分水循环的途径。     

基于GLDAS-Noah模型的闽江流域实际蒸散发评估

以亚热带季风区的典型流域——闽江流域为研究区域,根据Penman-Monteith（P-M）公式和双作物系数法,计算了闽江流域内8个气象观测站点的实际蒸散量,并评估了GLDAS-Noah实际蒸散产品在闽江流域的适用性。在此基础上,基于GLDAS-Noah实际蒸散发数据,解读了2000—2019年闽江流域的实际蒸散量的变化特征。结果表明：① GLDAS-Noah实际蒸散发数据在闽江流域的适用性较好(R²>0.9,NSE>0.8);② 2000年以来闽江流域的实际蒸散发呈增加趋势（3.86 mm/a,P < 0.01）,且存在显著的季节差异,表现为冬季和春季的增加速率要大于夏季和秋季;③ 闽江流域冬季和春季蒸散发增加与气温密切相关,冬季蒸散发与冬季气温呈微弱正相关（ R = 0.27）,春季蒸散发的增加与春季升温密切相关（R = 0.79）。     

2000—2015年塔里木胡杨林国家级自然保护区NPP时空动态特征及其影响因素

以塔里木胡杨林国家级自然保护区为研究对象，基于植被NPP、气象、土地利用/覆盖、河流等数据，采用趋势分析、Mann-Kendall突变检验、地理探测器等方法，探究了塔里木胡杨林国家级自然保护区2000—2015年植被NPP时空变化特征及其影响因素。结果表明：（1） 在空间尺度上，塔里木胡杨林国家级自然保护区2000—2015年年均植被NPP为32.25 gC·m^-2·a^-1，变化范围在5.16~303.87 gC·m^-2·a^-1之间；年均NPP呈现出以塔里木河干流为带向周边波动递减的空间分布特征。（2） 在时间尺度上，16 a间保护区植被NPP呈现波动增长趋势，年均增加值为0.523 8 gC·m^-2·a^-1，在2001—2002年和2011—2012年出现突变性上升，2007—2008年出现突变性下降。（3） 影响植被NPP分异的核心因素为土地利用/覆盖、蒸散发、降水、河流缓冲区等，且由多因子协同作用造成；同时，地下水埋深对植被NPP变化有着重要影响。     

内蒙古半干旱区蒸散估算和归因分析

蒸散（Evapotranspiration,ET）是生态系统水循环中的重要一环,决定了生态系统水分和热量传输。从区域尺度对蒸散及其蒸腾（Transpiration,T）和蒸发（Evaporation,E）组分进行量化,认识环境因素对其的影响机制,有助于合理利用、分配水资源,为研究气候变化对区域生态系统水文循环的影响提供参考。基于生态系统生产力模拟（Boreal ecosystem productivity simulator, BEPS）模型,验证模型在研究区域的适用性,量化1981—2018年内蒙古半干旱区的ET及其组分的变化情况,并对其进行归因分析。结果表明：经不同数据验证,BEPS模型计算结果能够精确反应研究区域ET及其组分的分布情况和变化趋势。1981—2018年研究区草地、农田和森林多年平均ET分别为278.22 mm、362.50 mm和308.81 mm。E、T和ET多年呈显著上升趋势,上升速率分别为0.42 mm·a^-1、0.63 mm·a^-1和1.05 mm·a^-1。ET与T在全区域内空间分布格局相似,与E相反,ET年际波动主要受到T年际波动的影响。综合影响因子的变化和E、T、ET对因子的敏感性,研究区域草地和农田T和ET以及森林的ET主要受到饱和水汽压差（VPD）和平均气温（TEMP）变化的控制。农田和森林归一化植被指数（Normalized difference vegetable index, NDVI）都呈减小趋势,但森林环境T对NDVI的变化更加敏感,因此负贡献更大。