湿地水文学研究进展及科学前沿问题

湿地水文过程控制湿地的形成与演化,湿地水文情势制约着湿地环境的生物、物理和化学特征,从而影响到湿地类型分异、湿地结构与功能,湿地水文研究是认识湿地生态系统的结构、过程与功能的主要内容。湿地水文情势分析涉及湿地的降雨-径流、湿地蒸散发、湿地地下水运移等主要过程。湿地水循环及水量平衡是湿地水文情势和过程研究的综合,关系到湿地水文循环过程的各个方面。湿地水文过程、边际效应和参数特征及对不同尺度水周期的响应与功能差异等是现代湿地水文研究的重要科学问题。     

扎龙河滨湿地水系统脆弱性特征及影响因素分析

在总结分析国内外水资源脆弱性研究成果的基础上，提出了湿地水系统脆弱性概念，湿地水系统脆弱性表征了在湿地水文-生态系统耦合演化背景下水系统的生态水文功能满足程度，并以著名湿地-扎龙湿地为靶区，分析了湿地水系统脆弱性内涵和特征，详细讨论了降水量、气温、土地开发、水利工程建设及工农业污染对扎龙河滨湿地水系统脆弱性的影响，相应提出了减轻脆弱性程度的扎龙湿地水系统恢复措施和管理建议。     

新安江模型参数的不确定性分析

水文模型的不确定性研究是水文科学研究的重要课题。模型参数的不确定性分析是水文模型不确定性研究的重要内容之一。本文采用GLUE方法分析新安江模型参数的不确定性,结论基于对不同水文特征流域的长时间径流模拟,研究发现大量"等效性"参数组存在。据此将参数总结为三类:第一类为非敏感参数,如上层张力水容量UM等。它们对似然判据,及确定性系数(R²)影响小。第二类为敏感性参数,如河网蓄水消退系数CS等,其特点是对R²的影响大。第三类为区域性敏感参数,如张力水蓄水容量曲线的方次B等,它们对R²的影响力跟流域特征密切相关。这些结论有助于理解新安江模型参数,为今后流域水文模拟提供参考。文中还展望了未来水文模型不确定性研究的发展方向。     

基于DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。     

荒漠绿洲交错区绿洲扩张与主要水文过程

干旱区绿洲扩张主要发生在荒漠绿洲交错区(边缘区),绿洲空间变化对地表主要水文过程有直接影响。为了更好地了解这一变化机制,以绿洲与沙漠、荒漠、石质裸山交错分布的张掖绿洲边缘区为对象,采用F显著性检查和Mann-Kandell趋势分析对1987年以来绿洲与不同生态系统之间转化特点与趋势进行了研究,同时分析了绿洲扩张与主要水文过程关系。结果表明:1987-2017年来荒漠绿洲交错区不同生态系统空间变化主要发生在绿洲与沙漠和荒漠3种生态系统之间。转化以绿洲扩张为主要特点,累积扩张了1 696.86 hm^2,平均每年56.56 hm^2。其中,沙漠和荒漠分别转化了31.73 hm^2·a^-1和24.83 hm^2·a^-1。黑河中游干流用水量在研究时段内无显著性突变,多年平均为7.68×108 m^3,对绿洲面积扩张无显著性影响。但是地下水埋深在1998年发生显著性突变,突变周期发生在1997-2000年。总体来看,绿洲面积每增加520 hm^2,地下水埋深下降1 m。地下水位埋深对绿洲扩张有显著性影响,是绿洲扩张最敏感的水文过程要素。     

分布式水文模型在黄河流域的应用

流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量,尤其是在大流域,必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据,已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段,它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性,并基于物理控制方程来描述水文过程,这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。     

岩溶地区人类活动的水文效应研究现状及展望

在全球气候变化背景下,加之岩溶生态系统的脆弱性及敏感性,地表水与地下水交换迅速,岩溶水动力系统对人类活动及其造成的生态环境变化反馈敏感。岩溶地区人类活动导致的植被退化、石漠化等环境问题已对岩溶地区的水文水循环过程造成了严重影响,水资源问题已成为岩溶地区发展的重要限制因素。本文在对岩溶生态系统及水文环境特性分析的基础上,从土地利用变化的水文效应,人类活动对降水—径流的影响、岩溶水资源的开发利用、岩溶地下水污染及水文模型在岩溶地区的应用等方面,概述了岩溶地区人类活动水文效应的相关研究现状与不足,总结了未来岩溶地区人类活动水文效应的5个研究趋势,并探讨了研究中的重点及难点问题。     

Quantification of human and climate contributions to multi-dimensional hydrological alterations: A case study in the Upper Minjiang River,China

Dual factors of climate and human on the hydrological process are reflected not only in changes in the spatiotemporal distribution of water resource amounts but also in the various characteristics of river flow regimes. Isolating and quantifying their contributions to these hydrological alterations helps us to comprehensively understand the response mechanism and patterns of hydrological process to the two kinds of factors. Here we develop a general framework using hydrological model and 33 indicators to describe hydrological process and quantify the impact from climate and human. And we select the Upper Minjiang River(UMR) as a case to explore its feasibility. The results indicate that our approach successfully recognizes the characteristics of river flow regimes in different scenarios and quantitatively separates the climate and human contributions to multi-dimensional hydrological alterations. Among these indicators, 26 of 33 indicators decrease over the past half-century(1961–2012) in the UMR, with change rates ranging from 1.3% to 33.2%, and the human impacts are the dominant factor affecting hydrological processes, with an average relative contribution rate of 58.6%. Climate change causes an increase in most indicators, with an average relative contribution rate of 41.4%. Specifically, changes in precipitation and reservoir operation may play a considerable role in inducing these alterations. The findings in this study help us better understand the response mechanism of hydrological process under changing environment and is conducive to climate change adaptation, water resource planning and ecological construction.     

基于遗传算法的水文时间序列变点分析方法

为处理常规变点分析方法计算复杂、识别全部变点困难等问题,提出了用遗传算法进行水文时间序列多变点分析的一套新方法(AGA-CPAM)。实例计算的结果说明,AGA-CPAM用于水文时间序列多变点诊断简便、可行和有效,在各种非线性时间序列灾变分析中具有推广实用价值。     

Character,Age, and Ecological Significance of Pleistocene Periglacial Slope Deposits in Germany

Periglacial slope deposits (PSD) of Pleistocene age are one of the most widely distributed sediment types in nonglaciated mid-latitude regions. As diamictons of different genesis (geli-solifluction, cryoturbation, eolian transportation) they have a wide range of physical, chemical and mineralogical characteristics which are mainly controlled by bedrock geology, including saprolite. This paper reviews concepts used in Germany to study PSD stratigraphy and describes the different PSD units encountered (Upper Head, Middle Head, Lower Head). The paper is relevant to the understanding of PSDs in other mid-latitude regions. Classical and new results concerning the age of PSDs show differences in the interpretation of Upper Head genesis. In terms of their ecological significance, case studies from eastern Bavaria illustrate the influence of PSDs on the character and intensity of slope hydrological processes as well as on the formation and distribution of soils. Presently important research questions include (1) the establishment of a genetically based classification of PSDs, (2) the intensification of dating studies on PSDs, and (3) the clarification of hydrological processes in PSDs.     

干旱指标研究的进展与展望

对气象干旱指标、农业干旱指标、水文干旱指标和社会经济干旱指标4个方面的研究成果进行了较为全面的对比分析,并提出了干旱指标研究中仍存在的主要问题以及今后研究的重点与展望。干旱气候的影响具有持续时间长、范围广、灾害程度重的特点,而干旱指标是衡量干旱气候的标准。分析指出,按照大气、土壤、水文和作物干旱的相互关系及其因果关系,应该首先考虑大气干旱,而考虑大气干旱时,最好利用降水百分数或距平百分率,这样便于统一比较各个地区的干旱程度。其次,再根据不同的领域和对象,考虑土壤、农作物、牧业和水文干旱等。在研制干旱指标时,要注意要素的可收集性及其适时性,考虑主要要素和监测业务的可行性,干旱指标要简单、明了,可计算性强,以便于业务使用和推广。     

分布式水文模型的并行计算研究进展

大流域、高分辨率、多过程耦合的分布式水文模拟计算量巨大,传统串行计算技术不能满足其对计算能力的需求,因此需要借助于并行计算的支持。本文首先从空间、时间和子过程三个角度对分布式水文模型的可并行性进行了分析,指出空间分解的方式是分布式水文模型并行计算的首选方式,并从空间分解的角度对水文子过程计算方法和分布式水文模型进行了分类。然后对分布式水文模型的并行计算研究现状进行了总结。其中,在空间分解方式的并行计算方面,现有研究大多以子流域作为并行计算的基本调度单元;在时间角度的并行计算方面,有学者对时空域双重离散的并行计算方法进行了初步研究。最后,从并行算法设计、流域系统综合模拟的并行计算框架和支持并行计算的高性能数据读写方法3个方面讨论了当前存在的关键问题和未来的发展方向。     

水文时间序列分析方法研究进展

水文时间序列不仅组成复杂,而且特性也复杂多变。目前认为水文时间序列主要表现出随机性、模糊性、非线性、非平稳性和多时间尺度变化等复杂特性。本文首先简要介绍了用于揭示水文过程复杂变化特性的时间序列分析方法的相关进展,包括序列相关性分析方法、水文频率分析方法、模糊分析方法、混沌理论分析方法、信息熵分析方法和小波分析方法等6种。然后,对各种分析方法存在的主要问题和有待解决的问题进行讨论,指出了各种方法应用于水文时间序列分析时存在的主要缺陷和不足。最后指出,不断改进和完善时间序列分析方法,探讨各种方法的联合和耦合,加强物理成因分析和数理统计分析相结合,是提高水文时间序列分析结果精度和可靠性的有效手段,也是研究和解决环境变化影响下水文水资源问题的有效途径。     

流域生物地球化学循环与水文耦合过程及其调控机制

流域生态系统的水文和生物地球化学循环通过水文通量的物理作用紧密耦合,其时空尺度的物质和能量耦合为流域生物地球化学过程的物质平衡和能量流动提供重要基础。通过研究流域尺度生物地球化学循环—水文耦合过程,将更加深刻揭示水循环驱动下陆地—水生生态系统碳氮循环与人类活动及气候系统的生物学、物理学和化学过程的耦合机制。本文综合阐述了流域生态系统的时间、空间以及时间—空间尺度的生物地球化学循环与水文耦合特征,揭示营养元素循环在时间—空间尺度上的耦合特征,通过大气、陆地、河流、河口和海洋系统形成了一个连续体并由水、气体和气溶胶通量进行物理连接;分析流域营养物质的生物地球化学循环与水文耦合过程随着时空尺度在大气—陆地界面、陆地—河流界面以及河口—海洋界面的耦合变异性;最后通过流域生态化学计量特征及水陆交错带对营养物质输出的调控分析耦合过程的生物学调控机制,以提高对流域景观水平的生态水文、生物地球化学和生态动力学的理解。     

Determination of water requirements of the Gavkhuni wetland,Iran: A hydrological approach

This study compared three hydrological methods – low flow frequency analysis, flow duration curve (FDC), and concentration-discharge (C-D) modeling – to determine the water requirement of the Gavkhuni wetland located in an arid region of Iran. Due to the effects of water impounding upstream on the hydrological regime of the Gavkhuni's inflow after construction of the Zayandehrud dam, none of the methods produced satisfactory results.Consequent modification of the hydrological regime of the wetland's inflow using a scaling process allowed all the methods except low flow frequency analysis to dependably estimate the base flow for the wetland. The results of the C–D method revealed that this method can provide a minimum health condition from the water quality point of view, while the results of the FDC demonstrated that not only the inflow estimated using this method can supply minimum conditions in terms of water quality parameters, but it also covers most areas of the wetland, based on the results of hydraulic modeling.The results reveal that the hydrological methods implemented in this study can dependably estimate environmental water allocation for wetlands in arid and semi-arid regions when there is no detailed knowledge about the biological requirements of the wetlands' biota.     

流域LUCC水文效应研究中的若干问题探讨

随着全球变化研究的深入,土地利用/覆被变化(LUCC)的水文效应研究日益成为热点问题。综合国内外研究进展,论文就流域土地利用/覆被变化水文效应研究中的几个问题进行了总结和探讨：子流域和水文响应单元是分布式水文模型对流域基本空间单元的理想划分;对国内外现有的土地利用分类系统进行了适当的调整和归并,建立了基于水文响应研究的土地利用分类系统,将土地利用分为9个Ⅰ级类和21个II级类;土地利用/覆被变化情景分析的常用方法有参照对比法、历史反演法、模型预测法、极端土地利用法、土地利用空间配置法等。     

基于模块的分布式水文模拟系统及其应用

由于水文循环过程的复杂性和空间变异性,集成不同的水循环模型,基于模块化结构、构建面向多目标的水文模拟系统已经成为当今水文模拟技术发展的一个重要方向。本文从科学研究和水资源管理的实际需要,首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统,并提出了“信息化水文模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称HIMS)”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础,基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统,侧重于分布式水文过程的模拟与应用。文中对HIMS的设计思路,主要功能与结构进行了详细介绍,包括基于国产GIS软件SuperMap的水循环信息系统、模型数据前/后处理系统和水文模型方法库系统。其中,HIMS的水文模型方法库系统集成了水文过程方法库和多种水文模型,并提供定制水文模型的功能。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术,拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

考虑水文变异的黄河干流河道内生态需水研究

气候变化及人类活动导致水文变异,变异前后样本总体分布显著不同,即改变了当地生态系统的水文状况,打破生态平衡。本文使用滑动秩和检验(Mann-Whitney U检验) 分析水文变异,并对水文变异成因做了系统的分析。在此基础上,对变异前各月平均流量序列用线性矩法推求GEV分布参数,求出概率密度最大流量,并将其视为相应月河道内生态流量。本文用该法计算黄河干流7 站各月河道内生态流量,即得河道内生态需水情况。分析表明,考虑水文变异的河道内生态需水计算方法是可行的;水文变异后,黄河流域干流各水文站满足生态需水的频率大大降低,汛期降低幅度比非汛期大;黄河生态系统水环境恶化的主要原因是人类活动。     

基于DEM的数字流域特征提取研究进展

数字高程模型(DEM)是地表形态高程属性的数字化表达,利用流域DEM数据构建数字水系模型并提取流域水文特征,是分布式水文过程模拟的重要基础。DEM中闭合洼地和平坦区域的处理、流向的确定以及DEM分辨率的大小都直接影响着流域水系特征提取的质量与效率。针对当前基于DEM提取河网与流域特征的诸多问题,阐述了DEM数据提取流域水系特征的原理,回顾了数字水系模型与流域特征提取方法,评述了洼地和平地的处理方法及水流方向的确定方法的研究进展,介绍了当前基于不同DEM数据类型的提取方法研究,探讨了DEM尺度和分辨率对提取流域特征的影响,总结了平缓区域数字水系和河网提取的研究进展。