黄河源区基流变化及其植被响应研究

黄河源区是我国最大的自然保护区之一,但近年来存在一系列严重的生态环境退化现象。来自地下水的基流量的变化正是植被生长环境变化的直接反映,因此开展基流量变化研究对于高寒干旱区的生态环境变化规律认识与环境恢复都具有重要的科学价值。黄河源区地下水位变化对植被生长具有直接的影响,研究结果表明：1956-1998年来自地下水的基流量总体上呈现枯—丰—枯的变化规律,表明了源区地下水位呈现低—高—低的总体变化规律;源区的基流量与地表植被的生长之间具有良好的相关性,汛期降水之后,地下水对植被生长的影响逐渐增大。     

黄河源区基流变化及影响因子分析

利用黄河源区的4个水文站及13个气象站的日系列资料,基于改进的加里宁基流分割法,分析了1956—2000年以来黄河源区基流和以水文站为节点控制的各个子流域的基流变化及其影响因素.结果表明:黄河源区基流比例较大,多年平均基流指数为0.652;黄河沿以上流域基流指数为0.556,黄河沿-吉迈区间基流指数为0.588,吉迈-玛曲区间基流指数为0.649,玛曲-唐乃亥区间基流指数高达0.704.从绝对量来看,黄河源区多年平均基流量为132.46×108m3;子流域中,玛多以上流域基流量最小,为3.92×108m3,吉迈-玛曲区间基流量最大,为68.82×108m3.对于整个研究区,年降水量决定年基流量,气温影响基流,气温升高,基流减少.不同子流域的基流对气候变化响应不同,玛曲以上各个子流域基流随气温升高而减少,而在玛曲-唐乃亥区间年气温对年基流量无明显影响.黄河源区年代尺度基流指数和降水量成反比关系.     

基于数字滤波法的甘肃省河川基流特性分析

河川基流分析计算是山丘区地下水资源量评价的重要内容。以甘肃省112个水文站2001-2016年的逐日平均流量数据为基础,采用数字滤波方法进行基流分割,并对甘肃省内陆河、黄河、长江三大流域的基流量、基径比、基流模数分布规律进行分析。结果表明:所选的水文站年径流量和切割出的年基流量相关系数均在0. 9以上,基流量与径流量存在显著的正相关关系。甘肃省2001-2016年多年平均天然河川基流量为91. 33亿m3,其中内陆河流域18. 21亿m3,黄河流域34. 56亿m3,长江流域38. 57亿m3。从甘肃省三大流域河川基流量的计算结果来看,基径比和基流模数总体上是:内陆河流域黄河流域长江流域。基径比和基流模数分布与该流域降水、径流分布趋势一致。基径比和基流模数受植被条件影响巨大,植被条件好的地区大于植被条件差的地区。     

祁连山疏勒河上游基流变化及其影响因素分析

基流是河川径流的重要组成部分,也是干旱半干旱地区最重要的枯季水文特征之一. 基流在维持河川径流和维护河流湖泊生态等方面具有重要意义. 基于祁连山疏勒河上游出山口控制水文站昌马堡站1954-2009年的日径流资料,采用递归数字滤波法和平滑最小值法对日径流进行基流分割,对比分析基流和基流指数BFI的变化特征,并从气温和降水两方面探讨基流变化的主要影响因素. 结果表明：两种方法的计算结果有差异,但平滑最小值法更适用于研究区. 疏勒河上游多年平均基流量为6.07×10⁸m³,基流变化总体上呈上升趋势,进入21世纪以后基流量增加最为显著. 研究区多年平均基流指数为0.66,基流指数的年际变化相对比较稳定,但年内波动幅度较大. 在长时间尺度上,降水是基流变化的主要影响因素,降水量的增加在一定程度上影响了基流和基流指数的变化. 在全球变暖的背景下,气温升高导致冰雪融水的增加和冻土的退化,间接的影响了基流的变化.     

山地森林系统小流域降雨过程水循环与地下水补给

分析了贡嘎山森林系统水循环过程,并通过水量平衡方法,计算了考虑植被及枯落物降雨截留条件下的降雨入渗系数。结果表明:考虑植被及枯落物降雨截留条件下的水量平衡方法与地下水动态分析法、基流分割法计算成果较为接近,计算方法较为正确;而不考虑植被与枯落物截留计算出降雨入渗系数偏大。森林覆盖区,林冠、树干及枯落物是降雨再分配的重要因素,降雨入渗系数受植被、植被类型、枯落物、枯落物状态的影响。研究不同植被类型及枯落物对降雨的截留及再分配特征,具有重要的生态水文意义。     

山地森林系统小流域降雨过程水循环与地下水补给

分析了贡嘎山森林系统水循环过程,并通过水量平衡方法,计算了考虑植被及枯落物降雨截留条件下的降雨入渗系数。结果表明:考虑植被及枯落物降雨截留条件下的水量平衡方法与地下水动态分析法、基流分割法计算成果较为接近,计算方法较为正确;而不考虑植被与枯落物截留计算出降雨入渗系数偏大。森林覆盖区,林冠、树干及枯落物是降雨再分配的重要因素,降雨入渗系数受植被、植被类型、枯落物、枯落物状态的影响。研究不同植被类型及枯落物对降雨的截留及再分配特征,具有重要的生态水文意义。     

黄河源区径流长期演变特征与趋势预测模型研究

利用小波分析方法对黄河源区径流数据系列的多尺度变化特征、突变点及变化趋势进行了分析.结果表明:黄河源区年径流量具有8a、15a、22a和36a左右的变化周期,其中8a、36a左右的周期变化最为显著.这些周期变化表明,2007年后流量将呈增加的趋势;1928、1982年和1985年是径流变化趋势重要的转变点.在小波分解的基础上,基于BP神经网络模型构建了黄河源区年径流量的长期动态预报模型,利用该模型对未来10a的流量变化进行了预测,并对其预报结果进行了分析.     

基流分割方法在寒旱区流域的适用性分析

基流作为寒旱区流域的重要水分补给,在维持生态系统安全和水资源合理规划等方面发挥着重要作用,确定适合该区环境特点的基流分割方法尤为重要。基于数字滤波、滑动最小值(BFI)、时间步长(HYSEP)三类方法对我国西北寒旱区黑河流域上游莺落峡水文站1954~2012年的逐日流量进行基流分割,对三类共9种基流分割方法在研究区的适用性进行比较分析。结果表明:(1)9种方法计算所得年内基流量变化趋势均符合黑河流域特点,但不同月份降雨量的差异对基流分割结果的影响显著;(2)滑动最小值法和时间步长法对不同年份的基流过程有更好的辨识度,且滑动最小值(B1)法、滑动最小值(B2)法、时间步长(H3)法所得的多年平均基流指数与已有实验研究得到的结果相近,结果可靠,同时各法基流指数统计结果表明9种方法所得基流序列均较为平稳,年际变化平缓;(3)时间步长(H3)法得到的基流过程线符合流域汇流规律,与斜线分割法的确定性系数显著优于其它各法(R2=0.825,p0.001)。综上,时间步长法中的局部最小值(H3)法综合考虑了年内基流量变化特征、年基流指数稳定性、径流过程线合理性三个方面,在黑河上游流域进行基流分割最为适宜。     

基于SPEI的衡水地区干旱趋势变化及周期研究

基于衡水地区1964-2015年的月年降水气温数据,选取SPEI指数作为干旱指标,利用小波分析法,探讨研究区干旱趋势及干旱周期,分析衡水地区干旱变化规律。结果表明:1964-2015年衡水地区气候整体存在不显著的干旱趋势,干旱年份主要以中度干旱为主,严重干旱发生在上世纪六十年代(1965、1968)和九十年代(1997、1999);衡水地区存在两个震荡周期,第一主周期为13a,第二主周期为5a,预测未来几年内气候有变干趋势。     

基流计算方法的进展与应用

基流是由地下水补给河流的基本径流,被视为具有维持生态系统稳定功能的河道基本径流,其水量的准确计算在河流断流、湖泊萎缩和植被退化等一系列生态环境问题的研究中具有重要意义。本文阐述了基流的定义与研究意义,归纳评价了基流计算方法的类型、适用范围和优先发展方向。其中计算方法可分为图解法、数值模拟法、水文模型法、物理化学法及数学物理法等五类方法。在此基础上,还着重总结了基流研究在模型校验、水资源利用、生态需水量、河流输沙量和河流自净力等方面的应用。该研究将在如何合理估算基流量及相关领域中具有重要的参考价值。     

黑河出山径流的非线性特征分析

应用非线性动力学的理论和方法,对黑河出山径流的非线性特征进行了分析.结果表明,黑河月出山径流的年内分布、年平均流量的一次峰、谷变化符合单重或双重威布尔分布,并具有自相似性质.黑河出山径流多年变化在相空间中的运动轨迹收缩到一个约为4.32维的吸引子上,而描述流量的动力方程需要8个独立变量.黑河出山径流的非线性特征还表现在对内部结构为非线性函数的输入输出模型的良好应用上,如GRNN神经网络模型、非线性回归模型等.     

模拟植被覆盖条件下坡面流水动力学特性

利用人工模拟植被试验,系统研究了6个坡度和10个流量、5种覆盖度条件下坡面流水力参数水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面植被水流阻力的内在规律性.结果表明:流态指数随植被覆盖度的增加而显著增加,相同植被覆盖度下,试验坡度对其影响并不显著.各试验工况下,水流流态主要分布在"虚拟层流区"和过渡流区,未达到紊流区.随试验坡度的增加,水流流态由缓流向急流区域延伸,而随覆盖度的增加,流态向相反方向延伸.植被覆盖条件下坡面水流阻力与雷诺数的变化规律并非呈单调增加或者单调递减的趋势,而与植被覆盖度紧密相关,当植被覆盖度较低时,阻力系数随雷诺数的增加而减小,而覆盖度较高时,阻力系数随雷诺数增加呈线性增加的趋势.     

1950~2005年大通河流域径流变化特征及影响因素

以大通河流域享堂水文站1950~2005年实测径流数据为基础,综合运用趋势分析、累积距平、R/S分析、Morlet小波分析、降水-径流深度双累积曲线等数理统计方法,研究了大通河流域径流的年内分配、年际变化和周期振荡特征、并定量分析了气候因素和人类活动因素对径流变化的影响。结果表明:（1）大通河径流年内主要集中在510月,占年径流总量的82%左右。1950~2005年,大通河流域年径流呈微弱减少趋势,递减率为-0.55×10⁸m³/10a（R2=0.025,P=0.249）,Hurst指数为0.58,表明未来一段时间内径流仍可能呈减少趋势;（2）1950~2005年,大通河流域年径流在27a时间尺度上周期震荡明显,经历了"多-少-多-少-多-少-多"7个循环交替;（3）大通河流域降水-径流深度双累积曲线在1994年发生显著偏移,1994年之前径流变化主要受降水影响,1994年以后,径流变化主要受人类活动影响。     

Variation of debris flow/flood formation conditions at the watershed scale in the Wenchuan Earthquake area

A channelized debris flow/flood generally originates from initial gully erosion by superficial runoff that evolves rapidly into massive erosion of the channel bed. Knowledge of the formation conditions of such events is crucial for accurate forecasting, and determination of rainfall and runoff thresholds for such hazards is a primary concern following a strong earthquake. This work proposed a framework for debris flow/flood formation at the watershed scale in two watersheds (area: 2.4 and 32.4 km²) in the Wenchuan Earthquake area (China). The critical runoff and rainfall conditions required for debris flow/flood formation were simulated and their annual variations investigated. Ultimately, the runoff conditions required for debris flow/flood formation in the two studied watersheds were calculated on an annual basis and found to increase in time. Similarly, following consideration of three different rainfall types, critical rainfall conditions were proposed that also showed an increasing tendency. The increase of rainfall and runoff conditions for debris flow/flood formation is attributable to both the recovery of vegetation and the reduction of source materials. In comparison with actual monitored flow behaviors and previously proposed rainfall thresholds, the results showed strong consistency and high forecasting efficiency.

     

长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

近40 a来长江源区气候变化剧烈,是青藏高原增温最为显著的地区之一,高寒生态系统与冻土环境不断退化.采用多因素逐次甄别方法与半经验理论方法相结合,基于多年冻土的不同植被覆盖降水-径流观测场观测试验结果,分析了长江源区气候-植被-冻土耦合系统中各要素变化对河川径流的不同影响.结果表明:近40 a来长江源区河川径流呈持续递减趋势,年均径流量减少了15.2%,频率>20%的径流量均显著减少,而>550 m³·s^-1的稀遇洪水流量发生频率增加;气候变化与高寒草甸覆盖变化对源区径流变化的影响较大,分别占5.8%和5.5%;气候与植被覆盖变化对径流的显著影响是与冻土耦合作用的结果,但冻土环境与冰川变化对径流的贡献尚不能准确评价.高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统对于源区河川径流的形成与稳定起到关键作用,这两类生态系统的显著退化是驱动河川径流过程中变差增大、降水-径流系数减少以及洪水频率增加的主要原因.保护源区高寒草甸与独特的高寒湿地生态,对于维护源区水涵养功能和流域水安全意义重大.     

近60年长江中游宜昌站水沙变化与驱动因素分析

根据长江中游宜昌站1952～2015年长时间序列径流泥沙资料,运用Mann-Kendall趋势检验法、小波分析法和均值差异T检验等方法,揭示宜昌站径流泥沙的演变规律及其驱动因素。结果表明:(1)径流量无显著下降趋势,而输沙量下降趋势明显;(2)径流量在2005年发生突变,输沙量在2002年发生突变;(3)通过小波分析发现年径流量和年输沙量存在以20～24a为主周期的变化规律;(4)年径流量可分为1952～1955,1961～1968,1979～2001年3个多水期和1956～1960,1969～1978,2002～2015年3个少水期,输沙量可分为1952～1993,1998～2002年2个多沙期和1994～1997,2003～2015年2个少沙期;(5)年输沙量显著减少主要为水库拦沙、河道采砂和水土保持工程等人类活动所致。     

小波变换在河西地区水文和气候周期变化分析中的应用

小波时—频分析由于其局部优化性质而优于傅立叶分析。应用 Meyer小波 ,对甘肃河西地区近 50 a来年径流量、年降水量和年平均气温做周期分析 ,发现河西地区水文气象序列的变化周期基本在 35a、2 2 a、1 1 a、5～ 6a和 2～ 3a左右的时间尺度上浮动。而这些基本周期正是太阳黑子活动周期或海—气相互作用的周期 ,说明河西地区水文、气象序列的周期变化受天体运动变化的影响。天体运动直接影响降水和气温的周期变化 ,进而在一定的下垫面条件下 ,影响径流的周期变化。     

汶川震区北川县泥石流流域崩滑体时空演变特征

2008年5月12日的汶川大地震引发了大规模同震山体滑坡,随后的强降雨又引发新的山体滑坡,滑坡形成的松散固体物质成为后续泥石流灾害的主要物质来源。为探究强震区泥石流流域崩滑体时空演变特征,文章以北川县魏家沟等8条泥石流流域为例,选取8期遥感影像（2008年震后、“9.24”泥石流发生后、2010年、2011年、2013年、2014年、2015年、2016年）,分别解译崩滑体,统计其空间分布特征。此外,利用归一化植被指数（NDVI）计算研究区内植被覆盖度（VFC）及植被覆盖度恢复率（VCRR）。结果表明:研究区内崩滑体发育面积在强降雨作用后达到峰值,随后呈稳定恢复状态,面积逐年减小。崩滑体在高程900~1 100 m范围、坡度30°~45°范围、坡向90°~135°范围、距沟道150 m范围内发育面积最大。流域内植被覆盖度在2008年“9.24”泥石流灾害后最低,随后呈稳定恢复。自震后到2010年的时期内,植被覆盖度恢复率中等以下区域较多,植被恢复程度较低。2011年之后,流域内大多区域处于植被覆盖度恢复率中等以上等级,植被恢复程度较高。到2016年,研究区植被覆盖度已恢复至较高水平。研究表明:除地层岩性、微地貌等因素影响外,植被对泥石流活动性具有一定的抑制作用。     

三岔河上游近50年降水径流变化特征分析

为分析黔中水利枢纽工程的水源区——三岔河上游的水资源演变规律,利用常规线性回归和滑动平均法、Pettitt法以及Morlet小波分析等方法,对该流域近50年降水和径流水资源要素进行趋势性、突变性和周期性等多维特征分析。研究表明:降水和径流整体减少或增加趋势不明显,但其丰枯年份交替频繁,起伏波动较大;突变检验结果显示该区水文序列均在2003年存在突变年份,且均为不显著性突变年份;Morlet小波周期性分析可以看出研究区水文序列都存在一个14a左右的周期变化。上述分析成果一定程度上可为该区域水资源开发提供依据。