城镇化下流域不透水面扩张对洪峰的影响——以南京秦淮河为例

长江下游秦淮河流域近年来由于城市化崛起导致不透水面迅速扩张,改变了流域水文过程,导致暴雨洪水灾害风险增大.本文以南京秦淮河流域为例,基于1988—2015年间下垫面和水文气象资料建立了流域水文模型,通过不透水面扩张情景分析,探讨了 1988—2015年间不透水面空间扩张及对流域洪水过程的影响.研究结果表明:(1)秦淮河全流域1988—2015年不透水率从3.92%增长到19.11%,且不同区域扩张速度有所差异;(2)2006—2015年不透水面情景下的洪峰流量平均涨幅大于城市化初期;受流域上下游位置和下垫面地形条件的影响,流域溧水河和句容河两河源处的不透水面变化对洪峰的影响较流域下游出口处更显著;(3)秦淮河流域及不同位置的不透水面扩张情景下,小洪水的洪峰响应均大于大洪水,且不透水面扩张发生在下游主干河流域时的大、小洪水洪峰涨幅差距略大于河源流域.     

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%.     

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.     

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.     

基于Copula函数的太湖流域汛期洪涝灾害危险性分析

太湖流域位于长江入海口,地处中国沿海经济带和长江沿线内陆经济带的交汇处,是中国高度城镇化地区之一.流域汛期降水受到多重天气系统的影响,不同的天气系统带来时空分布各异的降水,给该地区城镇防洪排涝工作造成了巨大的挑战.本文基于Copula理论对太湖流域汛期洪涝风险进行研究,考虑了因降水主导因素不同所造成的流域洪涝风险的时空差异性.在时间角度,采用降水主导因素发生时间的概率分布,将汛期划分为梅汛期和台汛期;在空间角度,通过Copula函数,对研究区进行聚类划分;在此基础上,根据太湖流域防洪规划,对流域梅汛期和台汛期的洪涝风险进行分析.研究结果表明:①太湖流域的汛期划分为:6月24日7月21日为梅汛期,7月22日9月22日为台汛期;②根据各分区降水和太湖水位的联合分布函数拟合效果的优劣,在梅汛期,太湖流域被划分为P-Ⅰ区、P-Ⅱ区和P-Ⅲ区;在台汛期,整个流域的降水作为一个整体,不分区;③到2025年,太湖流域在梅汛期和台汛期出现排涝不利情境的风险概率分别为2.4%和1.1%.本文的研究方法可以为太湖流域设计暴雨的调整、洪水资源的利用以及防洪排涝实时调度的决策提供科学参考.     

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.     

近50a三峡库区汛期极端降水事件的时空变化

利用三峡库区35个台站1961-2010年汛期(5-9月)的逐日降水量资料,首先定义不同台站的极端降水量阈值,统计各站近50 a逐年汛期极端降水事件的发生频次,进而分析其时空变化特征.结果表明:三峡库区汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态是主体一致性,同时存在东西和南北相反变化的差异.三峡库区汛期极端降水事件发生频次具有较大的空间差异,可分为具有不同变化特点的5个主要异常区.滑动t检验表明,三峡库区西南部区代表站巴南的极端降水事件在1974年后发生了一次由偏多转为偏少的突变,北部区代表站北碚在1981年后和1993年后分别发生了由偏少转为偏多和由偏多到偏少的突变,中部区代表站武隆在1984年后发生了一次由偏多转为偏少的突变.结合最大熵谱和功率谱分析表明,近50 a来各分区汛期极端降水事件发生频次的周期振荡不太一致,三峡库区东北部区代表站宜昌、北部区代表站北碚和中部区代表站武隆分别存在5、2.4和8.3 a的显著周期.     

南方红壤区长期水土流失综合治理显著减少河流输沙——以鄱阳湖流域赣江上游平江为例

长时间序列水沙数据分析有助于科学评价流域尺度水土保持减流减沙效应,为科学开展区域水土保持成效评估提供实现路径.本文选取南方红壤区水土保持工程最为集中、持续时间最长的典型流域——平江流域,基于1975-2014年的逐日降水量、流量、含沙量数据,综合应用预置白M-K检验法、Theil-Sen趋势度估计法、Pettitt检验法与累积量斜率变化率比较法,开展河流水沙变化特征及归因分析,揭示长期水土流失治理对河流水沙的影响.结果表明:(1)1975-2014年平江年输沙量、汛期输沙量和非汛期输沙量均存在显著减少趋势,年均减少率分别为2.38×10⁴、1.75×10⁴和0.44×10⁴t/a,汛期输沙量在流域开始实施系统水土流失治理时即发生突变,而年输沙量和非汛期输沙量在系列国家水土保持重点工程实施一段时间后方开始突变;(2)流域长期水土保持显著减少平江输沙,但对径流无显著影响,重点治理期、治理后期以水土保持为主的生态保护工程对输沙量减少的贡献均在94.0%以上,且生态保护工程对汛期输沙量减少的贡献较非汛期的更为突出;(3)以水土保持为主的长期生态保护工程导致平江全年、汛期、非汛期输沙量分别减少59.3%、60.7%和55.7%;(4)在剔除大型水利工程(尤其是大中型水库)建设影响后,南方红壤区可以基于长时间序列水沙数据分析科学评价流域尺度水土保持减流减沙效应.研究结果可以为南方红壤区流域尺度水土保持减流减沙效应评价提供参考,并有望为区域系列国家生态保护与建设工程的布局和管理提供科学依据.     

1986-2017年太湖出、入湖水量变化分析

作为流域内水资源调蓄和调度的中枢,太湖的出、入湖水量格局随着一系列工程、非工程措施的实施已然改变.基于1986-2017年近30年的环湖出、入湖水量资料,采用Mann-Kendall趋势检验法、突变检验法和滑动t检验法,对环湖及地区出、入湖水量变化进行了定性、定量研究,并讨论了产生变化的可能原因.结果表明:1986-2017年,环湖年入湖水量增加趋势显著,在20世纪90年代后期突变增加,年出湖水量增加趋势显著,在21世纪初后期突变增加;多年平均年入湖总量突变后较突变前增加了29.66亿m3,多年平均年出湖总量增加了18.63亿m3;江苏入湖水量增长率、增长贡献率分别为53%和84%,出湖水量增长率、增长贡献率分别为31%和48%;浙江入湖水量增长率、增长贡献率无明显改变,出湖水量增长率、增长贡献率分别为26%和31%;望虞河出入湖增长率最大,但增长贡献率不大;太浦河出湖增长率、增长贡献率无明显变化;出、入湖水量的变化抬升了太湖年平均水位和年最低水位,对年最高水位影响较小;水利工程调度对出、入湖水量的影响逐渐占据主导作用.     

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％。     

Changes in potential evapotranspiration and surface runoff in 1981–2010 and the driving factors in Upper Heihe River Basin in Northwest China

Changes in potential evapotranspiration and surface runoff can have profound implications for hydrological processes in arid and semiarid regions. In this study, we investigated the response of hydrological processes to climate change in Upper Heihe River Basin in Northwest China for the period from 1981 to 2010. We used agronomic, climatic and hydrological data to drive the Soil and Water Assessment Tool model for changes in potential evapotranspiration (ET₀) and surface runoff and the driving factors in the study area. The results showed that increasing autumn temperature increased snow melt, resulting in increased surface runoff, especially in September and October. The spatial distribution of annual runoff was different from that of seasonal runoff, with the highest runoff in Yeniugou River, followed by Babaohe River and then the tributaries in the northern of the basin. There was no evaporation paradox at annual and seasonal time scales, and annual ET₀ was driven mainly by wind speed. ET₀ was driven by relative humidity in spring, sunshine hour duration in autumn and both sunshine hour duration and relative humility in summer. Surface runoff was controlled by temperature in spring and winter and by precipitation in summer (flood season). Although surface runoff increased in autumn with increasing temperature, it depended on rainfall in September and on temperature in October and November. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Quantitative assessment of the impact of climate variability and human activities on runoff changes: a case study in four catchments of the Haihe River basin,China

Quantitative evaluation of the effect of climate variability and human activities on runoff is of great importance for water resources planning and management in terms of maintaining the ecosystem integrity and sustaining the society development. In this paper, hydro‐climatic data from four catchments (i.e. Luanhe River catchment, Chaohe River catchment, Hutuo River catchment and Zhanghe River catchment) in the Haihe River basin from 1957 to 2000 were used to quantitatively attribute the hydrological response (i.e. runoff) to climate change and human activities separately. To separate the attributes, the temporal trends of annual precipitation, potential evapotranspiration (PET) and runoff during 1957–2000 were first explored by the Mann–Kendall test. Despite that only Hutuo River catchment was dominated by a significant negative trend in annual precipitation, all four catchments presented significant negative trend in annual runoff varying from ?0.859 (Chaohe River) to ?1.996 mm a^?1 (Zhanghe River). Change points in 1977 and 1979 are detected by precipitation–runoff double cumulative curves method and Pettitt's test for Zhanghe River and the other three rivers, respectively, and are adopted to divide data set into two study periods as the pre‐change period and post‐change period. Three methods including hydrological model method, hydrological sensitivity analysis method and climate elasticity method were calibrated with the hydro‐climatic data during the pre‐change period. Then, hydrological runoff response to climate variability and human activities was quantitatively evaluated with the help of the three methods and based on the assumption that climate and human activities are the only drivers for streamflow and are independent of each other. Similar estimates of anthropogenic and climatic effects on runoff for catchments considered can be obtained from the three methods. We found that human activities were the main driving factors for the decline in annual runoff in Luanhe River catchment, Chaohe River catchment and Zhanghe River catchment, accounting for over 50% of runoff reduction. However, climate variability should be responsible for the decrease in annual runoff in the Hutuo River catchment. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

变化环境下珠江流域洪水频率变化特征、成因及影响(1951-2010年)

气候变化和人类活动导致珠江流域水文变化,变化前后洪水频率分布显著不同.运用滑动秩和(Mann-Whitney U test)结合Brown-Forsythe、滑动T、有序聚类和Mann-Kendall检验法,并用累积距平曲线法获取年最大流量序列详细信息,综合确定样本最佳变化节点,并对水文变化成因做了系统分析.在此基础上,对整体序列、变化前后序列用线性矩法推求广义极值分布参数以及不同重现期设计流量.结果表明:(1)西江大部以及北江流域最佳变化节点在1991年左右;东江流域最佳变化节点与该流域内3大控制性水库建成时间基本吻合;(2)变化后,西江、北江年最大流量持续增加,洪峰强度增大,尤其是西江干流年最大流量显著增加;东江流域年最大流量显著减小,洪峰强度降低;(3)变化后,西江与北江洪水风险增加,尤其是下游珠三角地区本身受人类活动显著影响,加之西江与北江持续增加的洪水强度,珠三角地区发生洪水的强度及频次加剧,而东江洪水风险减小.此研究对于珠江流域在变化环境下的洪水风险评估与防洪抗灾具有重要意义.     

Hydrologic prediction for urban watersheds with the Distributed Hydrology–Soil–Vegetation Model

Some relatively straightforward modifications to the Distributed Hydrology–Soil–Vegetation Model (DHSVM) are described that allow it to represent urban hydrological processes. In the modified model, precipitation that falls on impervious surfaces becomes surface runoff, and a spatially varying (depending on land cover) fraction of surface runoff is connected directly to the stream channel, with the remainder stored and slowly released to represent the effects of stormwater detention. The model was evaluated through application to Springbrook Creek watershed in a partially urbanized area of King County, Washington. With calibration, the modified DHSVM simulates hourly streamflow from these urbanized catchments quite well. It is also shown how the revised model can be used to study the effects of continuing urbanization in the much larger Puget Sound basin. Model simulations confirm many previous studies in showing that urbanization increases peak flows and their frequency, and decreases peak flow lag times. The results show that the urbanization parameterizations for DHSVM facilitate use of the model for prediction and/or reconstruction of a range of historic and future changes in land cover that will accompany urbanization as well as other forms of vegetation change. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

太湖流域LUCC对水文过程的影响

基于1971年枯水年、1989年丰水年、2000年平水年3类典型代表年的逐日降雨量、逐日蒸发量以及不同时期地表覆盖遥感分类数据,以城市化快速发展地表覆盖变化明显的太湖流域为研究区域,利用太湖流域河网水量模型进行了土地利用/覆被变化的水文响应研究,分析了太湖流域1990 2000年与2000 2006年间的土地利用/覆被变化及其对水位过程的影响.不仅有利于对城市化地区水文特征变化规律深入了解,也为典型城市化地区防洪减灾提供科学可靠的依据.研究表明,太湖流域城镇化进程的加快引起了土地利用/覆被变化的主要表现是水田、水域等面积向城镇面积转化,城镇化进程加快,2000 2006年期间的城镇化速度大于1990 2000年间;下垫面的变化对太湖流域水文过程产生了明显的影响,随着城市化进程地表覆盖的变化,水位有整体升高的趋势,并且增幅加大,与城镇化速率变化趋势相一致,城镇化程度高的地方水位上升更为明显;降雨量也是水位过程的影响因素之一.     

基于SWAT模型的淮河上游流域设计洪水修订

变化环境下洪水序列的一致性遭到破坏,引发基于统计原理计算的设计洪水可靠性下降,亟需开展非一致性条件下的设计洪水修订研究.以淮河上游流域为研究区域,运用Pettitt检验法和滑动t检验法综合检测年最大洪峰流量序列突变点,在此基础上,采用SWAT分布式水文模型对变异前的洪峰与洪量序列进行还现,利用径流深的模拟结果修订设计洪水,并对修订后的洪水序列进行频率分析.结果表明:(1)淮河上游息县和淮滨站年最大洪峰流量呈现不显著的减小趋势,王家坝站则表现出不显著增加趋势,1991年为各站年最大洪峰流量序列的突变点;(2) 3个水文站率定期和验证期的确定性系数(R2)和Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)均满足适用性要求,其中流域出口王家坝站率定期R2、NSE分别为0.77和0.79、验证期分别为0.72和0.74,模拟精度较高;(3)淮河上游流域洪水设计值较修订前略有减小,其中,洪峰流量减小幅度平均值在3.3%～6.1%之间,淮滨站的减小幅度最大;不同时段洪量的减小幅度平均值在1.4%～2.7%之间,整体修订幅度小于洪峰流量的修订幅度,并且洪量的时段越长,修订幅度越小;随着重现期的增大,各洪水指标的修订幅度逐渐减小.本研究对于变化环境下的淮河流域水利工程规划和防洪减灾具有重要意义.     

近100年来长江与洞庭湖汇流河段水文特征演变

洞悉长江洞庭湖汇流河段的水文关系及其变化规律对确保长江中下游的防洪安全至关重要.为了掌握汇流河段水文特征演变情况,本文结合汇流河段处监利、城陵矶、螺山等国家重要水文控制断面的近百年水文资料,通过M-K检验、Morlet小波分析等方法研究了该河段逐日水位、流量等水文数据,分析了汇流河段年内分配、年际变化、变化趋势、突变点及变化周期等水文特征,并探讨了具体成因.研究结果表明:①长江与洞庭湖汇流河段年最高水位一般出现在7月,年最低水位一般出现在1、2月;②汇流河段年径流量主要集中在59月,占年径流总量的63.64%~73.44%;③近50年城陵矶水位高、中、低水分别约抬升0.98、0.56、1.46 m;④近10年城陵矶与监利年径流比降至0.66.⑤在长江中下游水利开发历程中,经突变检验表明,下荆江裁弯取直和三峡蓄水175 m对江湖水文特征的影响较为明显.⑥城陵矶站和螺山站的年径流量、水位平均周期约为16 a,监利站的年径流量、水位平均周期约为8 a.⑦19542017年间,汇流比最大值一直在降低,其发生时间在逐渐提前.以上成果为深入研究流域复杂的江湖演变规律提供了科学参考.     

洞庭湖的调节作用对荆江径流的影响

洞庭湖对荆江径流有高效率的调节作用。根据长系列水文资料分析表明,荆江径流经调节后,年平均径流量,汛期径流量与汛枯期径流比分别减少了２６．３％、３２．９％与３２．４％,年平均径流量与汛期径流量均呈沿程递减。这些在长江干流都是独一无二的。下荆江的流量最大变化幅度系数Ｑｋ为０．８９２,在长江干流属最小。     

变化环境下近60年西江流域径流时空演变特征

气候变化叠加人类活动的双重影响下,西江流域的河川径流发生了不同程度的改变,重新认识和掌握变化环境下的径流时空演变规律对流域的科学管理具有重要意义。基于西江流域干支流7个控制性水文站近60年的日径流资料,综合极点对称模态分解法(ESMD)、Mann-Kendall检验、R/S分析、小波分析等方法,从年代、年、季和年内多个时间尺度对径流的时空演变特征进行分析,研究结果表明:年代尺度下,西江流域径流丰枯交替、变化悬殊,1970s与1990s径流丰沛,2010s径流偏枯,降雨影响着径流的丰枯变化,流域上、中游更易发生干旱与洪涝灾害;春、夏、秋、冬季径流振荡周期依次为2～7、15～20、28～29 a,3～5、7～10、20 a,2～3、6～8、12～15 a和3～8、12～15、20 a,均呈现年际与年代的双重周期特征,IMF1的年际振荡在径流变化中占主导地位;受降雨与水库调蓄作用的影响,年、夏、秋季径流呈下降趋势,预测下降变化具有持续性,春、冬季径流整体呈上升趋势。空间内上游的变化趋势更显著;年和季尺度径流在1980年后突变增多,尤其集中于2000—2010年间,人类活动与气候变化是造成西江...