水利工程对长江荆南三口水系结构变化的影响

利用1954、1975、1990、2008和2016年5期长江荆南三口水系图进行解译,并运用灰色关联度模型定量评价区内外水利工程对水系结构变化的影响。结果表明：① 近60 多年来,荆南三口在水系结构一般特征上,河流数量由264条缩减为132条,河流长度由2 183.6 km缩短为1 560.6 km,河频率与水面率分别由0.084条/km ²、17.45%减小为0.042条/km ²、14.33%;在水系结构发育特征上,河网密度、面积长度比和河网发育系数由1954年的0.687 km/km ²、3.96 km/km ²、6.902,依次减小为2016年的0.475 km/km ²、3.17 km/km ²、4.165;从分形特征上看,三口水系4个河区的分维数都在1.5~2.0之间波动,但均呈下降趋势。这表明随着水利工程的不断建设,荆南三口水系自然发育过程受到严重干扰;② 水系结构特征变化受水库总库容影响最大,内部水利工程次之,外部水利工程影响最小,各项指标的灰色关联度均大于0.5。其中,区外水利工程与河频率、水面率、河网密度、河网发育系数、分形维数的灰色关联度分别为0.571 8、0.592 2、0.585 8、0.577 1、0.634 0;区内水利工程数量与各项指标的灰色关联度分别为0.632 5、0.652 7、0.646 5、0.630 6、0.693 7;水库总库容与各项指标的灰色关联度依次为0.707 0、0.729 4、0.722 6、0.712 7和0.728 4。③ 水利工程对水系结构的影响在不同时段呈现出不同的状态,在不同时期水利工程相继运行的叠加影响下,水系受到水利工程影响逐渐增大,水系结构逐步呈现简化趋势。     

水系连通变异下荆南三口河系水文干旱识别与特征分析

为揭示水系连通变异下荆南三口河系水文干旱演变特征,运用荆南三口河系五站1956-2016年的月径流量数据,采用游程理论识别该河系水文干旱特征变量,并运用Kolmogorow-Smirnov优度检验法选出干旱历时、干旱强度和峰值的概率分布函数,构建出水文干旱特征联合分布Copula函数,对水系连通变异下该河系水文干旱特征进行深入研究。结果表明：① 1989年为荆南三口河系（1956-2016年）水系连通变异分割点;② 该河系连通性变异前后水文干旱特征均发生显著变化,水文干旱事件发生的次数增多,干旱历时增长,干旱强度增大,峰值增高;③ 各站点的相同单变量重现期下二维联合重现期在水系连通变异前基本上均比水系连通变异后长,二维同现重现期在水系连通变异前均比水系连通变异后短;④ 水系连通变异后,该河系水文干旱历时、干旱强度和峰值呈现增加趋势,且在相同单变量重现期的情况下,干旱历时更长,干旱强度更大,峰值更高;⑤ 水系连通变异后水文干旱特征的变化幅度与变异前存在差异,不同河系其水文干旱特征的变化幅度不同。     

人类活动对河湖水系连通的影响评估

河湖水系承载着人类赖以生存的水资源,也支撑着经济社会的可持续发展。在自然因素和人类活动双重影响下,河湖水系不断发生着改变,也影响着人类生存和发展。特别是在人类活动日益剧烈的背景下,研究人类活动对河湖水系连通的影响是一个非常重要的科研问题,也是河湖水系连通工程实践的一个关键问题。本文从自然和人工两个方面分析了河湖水系连通的影响因素,阐述了人类活动对河湖水系连通的影响过程,并从河湖水系连通关系、河湖水系功能（自然角度）、河湖水系连通功能（社会角度）三个方面归纳了人类活动的正负面影响;在此基础上,提出了有针对性的影响量化评估方法,便于宏观角度量化和分析人类活动对河湖水系连通的影响。本研究以人类活动剧烈的淮河流域为实例应用,分析了人类活动对淮河水系的影响评价结果。     

平原河网区水利工程调控下水文连通变化

在水利工程建设及其人为调度的影响下,平原河网水系连通程度发生了巨大变化。为此,针对平原河网区水文连通难以模拟的问题,在现有水系结构连通的基础上,将水利工程的运行纳入水文连通的评价体系,提出一种适用于平原河网区水利工程调控下的水文连通评价指数（SLCI）。该指数从水闸通过概率、水流分流能力及河网连通程度,从点—线—面分尺度逐步评价不同调度规则下汛期与非汛期水文连通的动态变化。并且,该指数以格网为评价单元,结合反映地理要素空间集聚性的Getis-Ord G_i^*指数,相比行政单元、水利片区等大尺度评价单元,能够更精细地描述水文连通空间上的分异性。太湖流域武澄锡虞区是一个典型的平原河网区,本指数在该区域进行了应用,得到以下结果：受到水闸调控的作用,武澄锡虞区非汛期时平均水文连通指数为0.66,汛期时平均水文连通指数则为0.50。另外,非汛期时水文连通集聚空间范围比汛期时高5%。其中,非汛期与汛期连通高值区SLCI值分别为0.93与0.87,低值区SLCI值分别为0.25与0.16。本文提出的水文连通评价指数可为有关部门开展长三角地区水系建设工作提供理论支撑,也为开展人为调控下平原河网区水文连通评价提供新思路。     

谷城汉江湿地公园的生态水系规划

在分析谷城汉江湿地水系现状、水利工程对汉江湿地影响的基础上,对汉江湿地公园的建设进行生态水系规划。通过生态水系的规划,谷城汉江湿地公园中的水资源得到合理布局,重现谷城汉江湿地水陆交错的湿地风貌,为湿地公园功能的全面发挥奠定良好基础。     

感潮河网地区水系结构特征及城市化响应

根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据,尝试以水利片作为河网地区流域水系结构的基本单元, 类似Strahler水系分级,采用上海水资源管理信息系统中的河道分级体系作为水系分级方案,探讨了感潮河网地区的水系结构特征及城市化响应。研究表明：(1) 非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现,反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化,不同等级水系的发育具有自相似特征。(2) 城市化是改变感潮河网地区水系结构的重要因素,在高度城市化的城区水利片,不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏,其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的削弱,即高度城市化地区河网水系结构趋于简单,非主干河道减少,河网水面率与城市化水平成反比,反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3) 河网水系的结构与功能参数之间具有显著的相关水平,说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱,指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义,在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。     

历史时期西北干旱区生态环境演变过程和演变阶段

在历史时期,西北干旱区的生态环境演变过程是绿洲化与沙漠化并存,人进沙退和沙进人退皆有。灌溉绿洲是通过人工水系(渠、库、井)、栽培植物和耕作土壤,逐步替代自然水系、自然植被和土壤形成的。沙漠化则是由于人类活动改变了水资源的地域分配,使河流中下游地表水减少,地下水位下降,植被衰败向发展扩大。在受人类干扰很少的自然水系情况下,本区生态处自然平衡;在较强干扰下的半自然水系时,生态平衡失调;在强烈干扰的人工水系时期,河流上游生态改善,下游急剧恶化。     

长江荆南三口河系水位演变规律及对江湖水量交换关系的响应

为分析荆南三口河系水位演变规律与江湖水量交换关系。依据1956—2017年荆南三口、湖南四水、洞庭湖城陵矶站以及长江干流枝城站月平均水位及流量和该流域8个雨量站的降水数据,运用Mann-Kendall趋势检验法、回归分析、流量年特征值等方法研究了三口水位的时序演变特征及其与流量、降水、江湖水量交换、人类活动的关系。结果表明：① 与阶段一（1956—1966年）相比,阶段二（1967—1980年）、三（1981—2002年）、四（2003—2017年）河系年平均水位、年最高水位分别下降0.74 m、0.37 m,年最低水位上升0.07 m;② 在涨（4—5月）、丰（6—9月）、退（10—11月）、枯（12月—次年3月）四个水文节点上,最低水位降幅最大（-0.98 m）,平均水位次之（-0.78 m）,最高水位最小（0.55 m）,并将其降幅按水文节点排序依次为退水期（-0.95 m）>丰水期（-0.61 m）>涨水期（-0.21 m）>枯水期（0.15 m）;③ 河系水位变化与其流量变化有着较好的一致性（二者的相关系数r =0.65）,与降水量相关性较弱（r =-0.16）,但2002—2017年相对干旱的气候加剧了河系水位的下降。从总体上看,长江枝城来水量减少和以水利工程为代表的人类活动方式是导致荆南三口河系特征水位下降的主要驱动因素。     

基于水环境改善的城市湖泊群河湖连通方案研究

河湖水系连通作为水资源调配、水生态修复与改善的重要手段,已成为江河湖泊治理工作的重点之一。河湖水系连通方案的选择和连通效应的评估直接关系到连通工程对湖泊水动力和水环境的改善效果,但目前缺乏对水系连通后河湖水动力和水质的综合评估体系。以汤逊湖湖泊群为研究对象,构建二维水动力水质数学模型,选取NH₃-N、TN和TP作为水质指标,模拟不同连通方案下汤逊湖湖泊群的流场及水质变化情况,结合水动力、水质和经济社会三个方面的评价指标建立综合评价体系,对各连通方案下湖泊群的改善效果进行评估。研究结果表明：引水后湖泊水体流动性有了很大的改善,河湖连通工程能够在短时间内达到改善湖泊水质的目的,但随着引水时间的增长,改善率逐渐减小。通过对比五种连通方案发现,方案五对水动力和水质的改善都取得了最显著的效果,且能够带来最大的引水效益。     

基于图论法对城市水系连通性表征及优化

基于景观生态学中“点–边”数量关系建立水系环度（α）、节点连接率（β）和网络连通度（γ）3种水系连通性评价指标,绘制出南昌市水系“节点–廊道”有向图,并以城市湖水体引流化污为切入点来优化城市水系连通性。研究表明：① 南昌市城区水系存在廊道空间分布不均匀,湖节点与其他水系节点连接的廊道较少等问题;② 优化后的城区水系相较于现在水系,其中水系环度（α）提高75%,节点连接率（β）提高14.88%,网络连接度（γ）提高14.63%。在城市水系连通性优化中,不应过分追求连通性而盲目增加湖泊廊道,应在连通性与湖泊连接的廊道数量之间保持一个平衡关系,以免水体污染物在湖泊中淤积。     

1933~2012年无定河径流突变与周期特征诊断

选取黄河中游区实施水土保持最早的一级支流无定河流域,利用滑动-T、曼-肯德尔和山本等3种突变检测方法相互验证,确定了在受人类活动显著影响下,径流的突变年份为1972年,自此径流平均减少3.55×10⁸m³;基于径流突变前降水与径流的显著相关性,并借助地统计克里格空间插值法,重建1933~2012年无定河流域出口控制水位站天然径流变化序列。采用小波分析法诊断天然径流序列的周期变化,结果显示：天然年径流存在6个不同时间尺度的“丰-枯”演变特征,其平均周期分别对应着35.5、22.2、16.8、12.2、9.3和3.3 a。     

基于径流还现的洮河流域径流变化特征研究

河川径流还现计算是准确反映区域水资源状况的基础,同时也是水资源规划和决策的重要依据.选取甘肃省洮河流域李家村、红旗2个代表水文站长系列径流资料作为基础数据,在还原计算的础上,对洮河流域径流进行还现计算,同时对径流变化特征进行研究.结果 表明:1956—2016年洮河流域李家村、红旗多年平均实测径流量分别为39.52×1...     

气候变化和人类活动对信江流域径流影响模拟

以1960―1990年为基准期、1991―2005年为影响期,使用HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortran）水文模型定量分析了影响期气候变化和人类活动对信江流域径流的影响及其各自的贡献率。结果表明：1）相对于1960―1990年,1991―1995、1996―2000年的年平均径流深分别增加了271.9和246.3 mm,2001―2005年的年平均径流深减少64.1 mm。其中,气候变化对径流的影响分量在65.6%~88.0%之间,人类活动对径流的影响分量在12.0%~34.4%之间。2）人类活动对极值流量有影响。在影响期,年最大7 d平均流量和最大15 d平均流量模拟值大于对应的实测极值流量。3）在气候变化因子中,流域降水量的增加,是引起20世纪90年代信江流域径流显著增大的主要原因,其次是蒸发量的下降;人类活动包括植树造林、城市化以及水利工程修建,是影响流域径流变化的次要原因。     

城市化对西安市降水及河流水文过程的影响

为探究城市化对西安市降水机制及城市河流灞河下游水文过程的影响,根据西安市及灞河1970-2015年水文气象资料以及由遥感影像解译得到的土地利用数据,在分析西安市降水、土地利用特征及灞河下游降水、径流变化特征的基础上,运用水文特征参数时间序列法分析城市化对西安市降水的影响以及灞河水文过程的影响。结果表明：1970-2015灞河降水量呈不显著下降趋势,而径流量呈显著下降趋势;西安市土地利用程度较高,土地利用变化表现为耕地及林地向建设用地转移;受城市化影响,西安市降水机制发生了改变,强降水频次呈增加趋势,且城区增幅大于郊区;降水年内分配不均匀,越来越集中于夏季,增加了城市内涝的威胁;城市化对灞河下游降水-径流关系产生了影响,降水对径流的影响呈减弱趋势,而城市化对径流的影响呈增强趋势;此外,受城市化影响,灞河下游径流量年内波动趋缓,特别是汛期;城市化是影响径流变化的主要因素（61.5%）,降水变化是影响径流变化的次要因素（38.5%）;灞河下游径流量的减流主要是水利工程的作用及过量开采傍河地下水。     

三岔河流域水文特征与化学风化碳汇效应

在喀斯特地区的流域产汇流过程中,由于富含碳酸的水体对可溶岩的溶蚀作用,导致河流断面输出大量溶解无机碳(DIC),反映了流域化学风化消耗大气CO2的强度,与流域水文过程密切相关。为了正确估算流域水文过程中化学径流及其碳汇效应,解析水文特征对流域地表过程中碳的生物地球化学行为的影响规律,以喀斯特地貌广布的三岔河流域三个水文站断面为例,研究了河源区河流水文特征与碳汇效应。结果表明:处于亚热带湿热环境下的喀斯特流域在观测水文年内,碳汇强度远大于非喀斯特的花岗岩流域且具有显著的季节变化,绝大部分的碳汇发生在高温多雨的6-11月。相关分析表明,流域碳汇强度与流域气温、降水和径流量呈显著的正相关关系;流域碳汇强度与河流总溶解固体物(TDS)浓度、DIC浓度呈显著的负相关关系。丰水期径流对河流TDS和DIC有明显的稀释效应。流域碳汇强度主要决定于河流TDS和DIC输出载荷而非河流TDS和DIC的浓度,与流域水文特征密切相关。     

SWAT模型参数敏感性分析及应用

地理信息系统(GIS)支持下的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型以流域离散化空间参数来描述流域水文变化特性,从物理意义上表达流域内的水文过程,但众多不确定的参数影响了模型的应用效果,因此有必要对参数进行敏感性分析。将SWAT模型应用到祁连山黑河上游山区流域,进行了11年(1990-2000年)逐日径流模拟,通过一个简便的敏感性分析方法,将模型影响水文过程的参数分成4类敏感级别,最后确定模型的参数。在11年的逐日模拟中,1990-1995年为参数敏感性分析期和模型率定期,1996-2000年为模型的检验期,模拟结果显示,在黑河山区流域,丰水年逐日出山径流的模型效率系数R2达到0.8以上,平水年和枯水年R2在0.51~0.79之间。     

人类活动对塔里木河年径流影响量的估算

塔里木河流域与环境的研究，一直是近年来新疆环境演化和可持续发展研究的热点问题。大规模的区域开发活动对该流域生态环境产生了根本性的影响，区域整体生态环境趋于恶化。本文通过对年径流量累积曲线和年径流量的相关分析，估算出人类活动对塔里木河各河段的年径流量变化及其对生态环境造成的影响。     

基于胡杨年轮重建黑河下游近100年春季径流量

在建立近100年来额济纳旗胡杨年轮年表的基础上,将标准年表(STD)的年轮宽度指数与黑河正义峡水文站径流量进行相关分析,结果表明年轮宽度指数与春季径流量负相关最显著,相关系数为-0.642。利用多元线性回归方程,重建了黑河下游(正义峡)近100年来的春季径流量,并用逐一剔除检验法进行了方程稳定性检验。统计检验参数表明估计序列与实测序列较为相近,残差缩减值RE和平均有效系数CE为0.419,乘积平均值t为4.949,符号检验超过95%的置信度,重建方程稳定可信。根据转换函数重建的近100年来春季径流量中,最大春季径流量为93.03m3/s,最小为37.99 m3/s。Morlet小波分析和功率谱周期分析表明,春季径流量存在3.3年的显著周期变化。