典型喀斯特流域降水与径流特征分析及径流年际变化的影响因素贡献分解

地下水文过程是地球关键带科学研究的重要问题,在具有地表地下二元水文结构的喀斯特地区,其水文过程与其他类型区差异显著,研究黔中典型喀斯特小流域后寨河流域降水与径流特征及径流年际变化的影响因素,有助于在区域视角上了解气候变化与人类活动影响下的喀斯特流域水文特征。本文基于贵州省普定县后寨河流域出口观测站1987~2006年实测降水、地表径流、地下径流序列水文数据,分析比较了后寨河流域降水、径流的年内与年际变化特征,并采用集中度与不均匀系数两个指标分析比较了流域降水与径流的年内分配特征。采用累积距平法、年际累积量法分析了流域降水量与径流量的年际变化趋势,确定出1990年与2002年两个拐点年份,其中1990年为突变年。运用累积量斜率变化率比较法定量计算出气候变化与人类活动对径流年际变化的贡献率：以人类活动影响较小的初始阶段T₁（1987~1990年）为基准期,在不考虑潜在蒸散量的影响时,计算得到人类活动影响加剧的措施期T₂（1991~2002年）时段降水量减少对于地表、地下径流量减少的贡献率分别为39.32%、46.52%,人类活动对于地表、地下径流量减少的贡献率分别为60.68%、53.48%;如果考虑潜在蒸散量的影响,潜在蒸散量减少对于地表、地下径流量减少的贡献率分别为-14.89%、-17.61%,而人类活动对于地表、地下径流量减少的贡献率分别增至为75.57%、71.09%。可见,人类活动是后寨河流域径流量年际变化的主要驱动因素。

     

气候变化与人类活动对渭河源区近30年径流量影响研究

利用渭河源区渭源水文站和气象站1981—2010年气温、降水、蒸发以及径流实测资料,运用坎德尔秩次相关、斯波曼秩次相关、线性趋势回归检验法对水文气象要素变化趋势进行检验,利用双累积曲线以及累积距平曲线找出年径流量突变年份,运用定量分析法计算气候变化与人类活动对径流量变异的贡献程度。结果显示:渭河源区年均降水量与年径流量均呈减少趋势,年均气温与年蒸发量呈显著上升趋势;渭河源区年均气温、年均降水量、年蒸发量、年径流量均发生显著性突变;年均降水量与年径流量相关性最高,降水量是影响渭河源区年径流量衰减主要气象因素;气候变化与人类活动对径流量变化的贡献率分别为23.2%和76.8%。人类活动是渭河源区流域径流量变异的关键驱动因素,对径流量变化的影响远大于气候变化影响程度。     

渭河流域径流变化及驱动机制研究

采用渭河干流林家村、咸阳和华县水文站1961年至2012年间的径流资料,基于径流年际变化分析方法、Mann-Kendall检验法和降水—径流双累积曲线法等数理统计方法,分析渭河干流径流年内变化特征、年际变化特征、径流变化趋势及径流变化的驱动因子。结果表明:渭河径流量年内主要集中于6-10月,占年均流量的65%;径流年际变化大,且呈现出下降趋势,减少率分别为60.93%、47.6%和45.72%;受气候和人类活动影响,渭河径流在70年代至80年代间发生突变;90年代后,渭河径流量变化受人类活动影响增强。     

长江-黄河源寒区径流时空变化特征对比

长江源区比黄河源区寒冷而干燥, 年径流量仅为黄河源区的60%, 径流年内分配较黄河源区均匀性差, 丰水年与枯水年比例基本相当, 而黄河源区枯水年占较大优势. 近40 a来长江源区径流量总体上呈明显的递减趋势, 黄河源区径流量则呈现略微增长趋势. 长江源区径流量以8～9 a的周期变化较为显著, 黄河源区径流量则以7～8 a周期比较显著. 对寒区径流变化的主要影响因子分析表明, 长江源区温度因子对径流年际变化影响大于黄河源区, 而降水因子影响相对较小, 长江源区寒区水文环境对径流影响较大是造成长江、黄河源区径流差异形成的主要原因.     

1374~2012年长江源区重建径流变化特征及对气候变化的响应

依据长江源区1374~2012年重建径流,采用水文统计和交叉小波方法,分析了长江源区径流近600年变化趋势、突变、周期等特征,并进一步探讨了该区域径流对气候变化的响应。结果表明,径流总体呈现波动上升的变化特征,其中年平均径流量在20世纪以前以减少趋势为主,但2000年之后有增多趋势。年代际变率波动明显,丰水期、枯水期数量基本相同,但持续时间不等;突变现象集中在16世纪20年代~17世纪中期,20世纪50年代~90年代初期;源区径流存在多时间尺度的周期变化,以准16~32 a周期为主。径流对气候变化的响应十分明显。其与降水的相关性较高,且同相位变化主要集中在1710~1730年、1900~1930年的准8 a周期和1730~1800年、1810~1950年的准32 a周期上;气温与径流的相关性弱于降水量,在不同时期二者正负相关性存在差异。通过滑动相关分析经流与ENSO、PDO、NAO指数的关系,发现径流与NAO、PDO在部分时间窗口显著相关。3个环流指数与径流的显著相关关系主要集中在1700~1850年的16~32 a周期和1600~1800年的准64 a周期;结合气温、降水与环流指数相关关系,可推断ENSO、NAO和PDO指数通过影响气温、降水等气候要素,滞后影响径流的变化。

     

新疆精河径流变化及其原因分析

利用1959~2012年精河出山口气温、降水、径流数据,对近54年的径流量特征变化进行统计分析、距平分析,采用Mann-Kendall法对天然径流进行检验,并对降水、气温、人口、工业、第一产业等影响因素进行主成分分析。结果表明:(1)精河地区的降水量和温度的变化趋势一致,均为上升趋势。径流量稳定,趋势线为几近平行于X轴的直线,斜率为0.001;(2)径流突变年为1988年,通过0.01的显著性检验,从1999年以后呈显著上涨趋势。近54年的精河径流距平变化趋势大体分为两个阶段,1958~1966年波动幅度较小,1966~2012年波动幅度明显增大;(3)对影响精河径流的几个影响因子进行主成分分析得出,人为因素对于径流的影响比较大,贡献率达到48.98%,远高于其他因子。     

降水丰枯变化和产流条件改变对汾河径流影响的定量研究

定量分析汾河径流锐减的形成原因是汾河流域水资源可持续利用与管理中迫切需要解决的问题。本项研究首先采用降水-径流双累积曲线对汾河流域产流条件演变过程进行了两个时期的划分;然后采用距平百分比法对汾河流域年降水系列进行了丰枯状态划分,并建立了汾河河津站年径流量与当年降水量、上一年降水量之间的多元动态回归模型;并运用该模型定量分析了降水丰枯变化和产流条件改变对汾河径流的影响程度。结果表明：在1956-1973年间的产流条件下,降水变化使得河津站年均径流量平均减少约22.71%;在1974-2008年间的产流条件下,降水变化使得河津站年均径流量在平、枯两种年份平均减少了约18.95%;在1956-1973年间的年降水为平水或枯水条件下,产流条件改变使得河津站年均径流量减少了约47.11%;在1974-2008年间的降水条件下,产流条件改变使得河津站年均径流量减少了约55.20%。     

甘肃省石羊河流域径流多年变化特性研究

基于第三次甘肃省水资源调查评价收集的1956-2016年系列径流资料,补充至2018年,对甘肃省石羊河流域径流多年变化特性进行研究,主要对其变化趋势、突变年份、周期变化、年际变化特性进行研究。以降水补给为主的甘肃省石羊河流域径流量的大小,制约着地区经济的发展。经采用累积滤波器法和斯伯曼秩次相关法分析得出石羊河从北向南趋势由增向减的变化,采用滑动t检验法得出石羊河突变年份在1990年左右,采用谐波分析法得出石羊河北部周期为32年,南部径流周期不明显,径流年际变化较稳定。     

长江源区1956-2000年径流量变化分析

利用Mann-Kendall趋势检验法对长江源区直门达水文站的资料进行分析,揭示长江源区年径流量在1956-2000年间呈微弱的减少趋势。结合流域气象资料分析,该时段流域内升温明显,最大可能蒸发量呈增加趋势,降水也呈微弱减少趋势。径流变化与降水变化基本一致,降雨-径流关系没有发生明显变化,表明1980-2000年降水量减少是该时段径流量减少的直接原因,温度升高有利于融冰融雪和降水形式的变化,但由于融冰融雪占径流补给的比率相对较小,该时段温度升高导致融冰融雪的增加不足以抵消降水量的减少对径流的影响。径流量季节变化分析,揭示长江源区春季径流呈增加的趋势,这可能与融雪过程提前以及融雪量增加有关。     

近54年渭干河流域径流变化特征及影响因素分析

基于1960~2013年渭干河流域逐月径流量观测资料及逐日气象数据,采用Kruskal-Wallis阶段转换检验、R/S分析、集合模态分解分析(EEMD)等方法研究了近54年渭干河流域径流量的年内、年际变化特征及其影响因素。结果表明:(1)近54年渭干河流域Cv、Cr较大,径流量年内分配不均衡,径流量夏季秋季春季冬季,未来这种趋势会更加明显。(2)径流年际变化特征可分为三个阶段,1960~1976年的枯水期、1976~1993年的平水期和1994~2013的丰水期。(3)径流量总体呈现增加趋势,其中夏季增长最为显著,其次是春秋季,冬季径流量有轻微减少。未来近期内,渭干河径流量还会继续保持增加。(4)流域气温和降水量亦呈增加趋势,突变点在1970s末和1990s初,与径流变化特征吻合,两者呈正相关关系。其中夏季径流量变化主要受降水影响,秋冬季径流量变化主要受气温影响。     

气候变化下东北中等流域冬季径流模拟和预测

为了预测未来气候变化下冬季径流，利用寒区水文模型CRHM（Cold Region Hydrological Model platform）模拟2000—2012年和预测2025—2060年松花江二级支流依吉密河上游冬季径流流量。研究结果表明:①根据2025—2060年际冬季径流深和径流系数变化，发现典型排放浓度增加，冬季径流序列不稳定性增大。②根据识别突变点位置，发现典型排放浓度越高，累积冬季径流拐点增多。③通过相关性分析发现，同时期气候为影响冬季月径流的主要因素，冬季降水是影响冬季月径流变化的主要因素。④利用累积量斜率变化率比较方法发现，相对于2025—2042年，2043—2056年和2057—2060年冬季降水增长对冬季径流增长贡献率分别为39.8%和62.6%；相对于2043—2056年，2057—2060年冬季降水减少对冬季径流减少的贡献率为27.0%。     

气候变化下东北中等流域冬季径流模拟和预测

为了预测未来气候变化下冬季径流，利用寒区水文模型CRHM（Cold Region Hydrological Model platform）模拟2000—2012年和预测2025—2060年松花江二级支流依吉密河上游冬季径流流量。研究结果表明：① 根据2025—2060年际冬季径流深和径流系数变化，发现典型排放浓度增加，冬季径流序列不稳定性增大。② 根据识别突变点位置，发现典型排放浓度越高，累积冬季径流拐点增多。③ 通过相关性分析发现，同时期气候为影响冬季月径流的主要因素，冬季降水是影响冬季月径流变化的主要因素。④ 利用累积量斜率变化率比较方法发现，相对于2025—2042年，2043—2056年和2057—2060年冬季降水增长对冬季径流增长贡献率分别为39.8%和62.6%；相对于2043—2056年，2057—2060年冬季降水减少对冬季径流减少的贡献率为27.0%。     

气候变化背景下长江源区径流变化特征及其成因分析

利用1960-2011年历年逐月长江上游通天河流域直门达水文站观测的流量资料、 长江源区气象台站观测资料以及NCEP/NCAR逐月再分析资料, 研究分析了长江源区径流变化特征及其气候归因. 结果表明: 2005年之前, 长江源区年及夏、 秋、 冬季的平均流量呈持续下降趋势, 2005年以后, 长江源区年及四季的平均流量均呈显著增加趋势. 其中, 以夏季平均流量的增幅最为明显, 年平均流量有4 a左右及12 a左右的变化周期. 高原夏季风、 长江源区夏季7、 8月地面感热、 流域降水量、 蒸发量、 气温及冰川和积雪融水均对长江源区流量变化有明显影响. 2005年以后, 长江源区年及四季的降水量呈明显的增加趋势, 而蒸发量呈明显的减少趋势. 同时, 温度急剧上升导致的冰川和积雪融水增多, 是2005年以来长江源区流量急剧增加的重要原因.     

淮河上游干流径流量对不同气候要素变化的响应研究

基于淮河流域上游地区8个气象站点1959~2008年日降水量与温度数据,通过改变降水量和温度建立25种气候情景,利用SWIM水文模型,对不同情景下的径流量进行模拟,分析了淮河上游地区径流量对不同气候要素变化的敏感性,有利于该地区旱涝灾害的及时预警。结果表明,淮河流域上游地区,降水量的变化对径流量的影响较大,在仅考虑降水量和温度的情况下,径流量对降水量变化的敏感性系数处在1.7012~2.1358范围内,而对温度变化的敏感性较弱,三个站点径流量对温度变化的敏感性系数处在-0.0499~0.1547范围内;研究区在研究期内降水量变化对径流量的变化贡献较小,由大坡岭向下游依次为-0.0014,-0.0052,-0.0009,温度变化对径流量的贡献较大,由大坡岭向下游依次为0.0828,0.0152,0.0039,径流量对气候要素的响应不仅由其对气候要素变化的敏感性决定,也受到气候要素变化幅度的影响。     

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。     

Evolution of the freeze-thaw cycles in the source region of the Yellow River under the influence of climate change and its hydrological effects

As an important water source and ecological barrier in the Yellow River Basin, the source region of the Yellow River (above the Huangheyan Hydrologic Station) presents a remarkable permafrost degradation trend due to climate change. Therefore, scientific understanding the effects of permafrost degradation on runoff variations is of great significance for the water resource and ecological protection in the Yellow River Basin. In this paper, we studied the mechanism and extent of the effect of degrading permafrost on surface flow in the source region of the Yellow River based on the monitoring data of temperature and moisture content of permafrost in 2013–2019 and the runoff data in 1960–2019. The following results have been found. From 2013 to 2019, the geotemperature of the monitoring sections at depths of 0–2.4 m increased by 0.16°C/a on average. With an increase in the thawing depth of the permafrost, the underground water storage space also increased, and the depth of water level above the frozen layer at the monitoring points decreased from above 1.2 m to 1.2–2 m. 64.7% of the average multiyear groundwater was recharged by runoff, in which meltwater from the permafrost accounted for 10.3%. Compared to 1960-1965, the runoff depth in the surface thawing period (from May to October) and the freezing period (from November to April) decreased by 1.5 mm and 1.2 mm, respectively during 1992–1997, accounting for 4.2% and 3.4% of the average annual runoff depth, respectively. Most specifically, the decrease in the runoff depth was primarily reflected in the decreased runoff from August to December. The permafrost degradation affects the runoff within a year by changing the runoff generation, concentration characteristics and the melt water quantity from permafrost, decreasing the runoff at the later stage of the permafrost thawing. However, the permafrost degradation has limited impacts on annual runoff and does not dominate the runoff changes in the source region of the Yellow River in the longterm.     

Climatic causes of ecological and environmental variations in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers of China

In the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers of China, glaciers, frozen ground, the hydrological system, and alpine vegetation have changed over the past decades years. Climatic causes of these variations have been analyzed using mean monthly air temperature and monthly precipitation between 1956 and 2000, and monthly evaporation from φ20 evaporation pans between 1961 and 1996. In the source region of the Yangtze River, lower temperature and plentiful precipitation during the 1960s and continuing into the early 1980s triggered a glacier advance that culminated in the early 1990s, while a robust temperature increase and precipitation decrease since 1986 has forced glaciers to retreat rapidly since 1995. Permafrost degradation is another consequence of the climatic warming. The variations in the hydrological system and alpine vegetation are controlled mainly by the climate during the warm season. Warmer and drier summer climate is the major cause of a degradation of the vegetation, desiccation of the high-cold marshland, a decrease in the areas and numbers of lakes and rivers in the middle and north source regions of the Yangtze and Yellow Rivers, and a reduction in surface runoff in the source region of the Yangtze River for the last 20 years. The causes of eco-environmental change in Dari area, near the outlet from the source area of the Yellow River, are different from those elsewhere in the study area. A noticeable reduction in runoff in the source region of the Yellow River and degradation of alpine vegetation in Dari area are closely related to the permafrost degradation resulting from climate warming.     

基于Budyko假设预测长江流域未来径流量变化

基于Budyko水热耦合平衡假设,推导了年径流变化的计算公式,分析了长江流域多年平均潜在蒸发量、降水量、干旱指数和敏感性参数的空间变化规律。选用BCC-CSM1-1全球气候模式和RCP4.5排放情景,把未来气候要素预估值与LS-SVM统计降尺度方法相耦合,预测长江流域未来的气温、降水和径流变化情况。采用乌江和汉江流域的长期径流观测资料,分析验证了基于Budyko公式计算年径流变化的可靠性。结果表明:降水量变化是影响径流量变化的主导因素;长江各子流域未来径流相对变化增减不一,最大变幅10%左右;在未来2020s(2010—2039年)、2050s(2040—2069年)和2080s(2070—2099年)3个时期内,长江南北两岸流域的径流将出现"南减北增"现象,北岸径流变化增幅逐渐升高,南岸径流变化减幅逐渐降低。     

近55年来降水及人类活动对资水流域径流的影响

为估算气候变化和人类活动对湖南资水流域径流量变化的相对影响程度,采用累计距平法以及滑动t检验法对资水流域近55年的降水量、径流量序列进行趋势分析和突变检验;采用累积量斜率变化率比较法和双累积曲线法分别计算降水及人类活动的贡献率。结果表明:资水上游的罗家庙站受人类活动影响较明显;在资水中下游,变异期Ⅰ(1987～2001年),降水对流域径流的影响量大于人类活动的贡献率;在变异期Ⅱ(2002～2014年),人类活动的贡献率大幅增加并逐步成为径流变化的主要驱动因素。