乌力吉木仁河三级区水资源变异及归因分析

随着气候变化和人类活动对水资源影响越来越显著,大量水文序列的统计规律不再满足一致性要求而出现了变异。水资源日益重要的社会地位,要求在对水文变异进行检测的同时,需进一步量化影响其变异的因素,但目前归因分析的研究仍以定性或半定量为主。由于降雨和径流是水循环中关键的水文要素,且分别可以反映气候变化和人类活动对水资源的影响,利用降雨-径流关系提出了定量研究水资源变异的归因分析方法。结合乌力吉木仁河三级区1956~2000的年径流和年降雨序列,在对其分别进行变异诊断的基础上,定量地分析了造成该区水文变异的原因。计算结果表明:气候变化对乌力吉木仁河三级区水资源变异的贡献率为24%,而人类活动影响的贡献率为76%,可见人类活动是造成该区水资源变异的主要因素。     

乌力吉木仁河水文要素时间尺度变异分析

由于气候变化和人类活动的影响,水文要素的分布形式和参数可能在统计意义上产生了变异。为了揭示水文要素在时间尺度上的变异关系,将乌力吉木仁河梅林庙测站1956~2000年的逐月径流资料,按照不同的时间尺度划分为季度、汛/非汛期和年径流序列,利用水文变异诊断系统分别对其进行变异诊断,并查阅相关文献得出剧烈的人类活动是导致变异的主要原因。通过归纳不同时间尺度的变异诊断结果得出,对于按照季度尺度划分的径流序列,不同月份径流量占年径流量的比例是影响季度变异的主要因素,在变异程度方面,第一季度的变异程度最大,而第三季度的变异程度则最小;对于汛/非汛期尺度划分的径流序列,其变异则受所包含月份的综合影响,且月径流量比例系数越大,其影响程度也越大;对于年径流序列,其变异则主要受到第三季度或汛期径流的影响。     

西南诸河地表水资源演变的基因图谱

为应对环境变化给水资源演变带来的诸多挑战,以水文基因体系为理论基础,揭示并直观地展示了西南诸河地表水资源序列的遗传和变异规律。水文基因是反映水文序列遗传和变异特性的各阶矩,基于相关系数测度构建了具有识别、检验与分级功能的水文基因检测系统,利用该方法提取了西南诸河6个水资源二级区的地表水资源量各阶矩序列的水文基因成分(包括跳跃、局部趋势与整体趋势、周期、相依和纯随机);提出了水文基因图谱的概念与绘制方法,并利用其展示了研究区域的水文基因信息。结果表明：西南诸河各二级区地表水资源量的一阶矩序列均存在不同形式的水文基因变异成分,主要表现为跳跃、局部趋势、周期与相依;二阶矩序列中,怒江及伊洛瓦底江二级区的序列只含有水文基因遗传成分,其余二级区序列的水文基因大多只存在周期弱变异成分;与一阶矩和二阶矩序列相比,三阶矩序列的水文基因构成较为简单,且变异成分对序列的影响均相对较弱。归因分析表明,地表水资源量的一阶矩基因变异主要受降水因素影响。     

基于Hurst系数的流域降雨时空变异分析方法

基于Hurst系数能够反映水文序列长期相关性的原理,结合R/S分析方法和分数布朗运动理论,提出一种从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度的分析方法.该法将变异程度划分为4个等级:无变异(或弱变异)、中变异、强变异、巨变异;结合GIS空间分析方法,进而建立降雨量的时空变异分布图.应用该法对无定河流域年降雨序列进行时空变异分析,结果表明无定河流域大部分面积上的年降雨序列处于无变异或弱变异状态,但也有部分地区如高镇一带处于中变异状态,而且年降雨量有减少的趋势,该结论对于无定河流域的沙漠化治理、水土保持规划、水资源规划等具有重要的指导意义.     

热带海洋盐度障碍层多尺度变异机理及其对海气相互作用的影响研究进展

在上层海洋,受盐度的影响,温度均匀层和密度均匀层并不一定重合,出现温跃层顶界深度明显大于密度跃层顶界深度的现象,即产生盐度障碍层.重力稳定度较高的障碍层对上层海洋热量的垂直交换具有“热障”作用,使混合层和温跃层无法进行有效的热量交换,导致局地海洋上混合层偏暖,从而影响局地海气相互作用乃至全球气候变化.得益于全球海洋观测计划的实施,近20年来科学家已逐渐认识到盐度在海洋环流和气候变化中的重要性,因此盐度障碍层在上层海洋热量收支中的作用等科学问题已成为物理海洋学的前沿研究热点.以障碍层多尺度变异为中心,围绕影响和调控障碍层变异的关键海洋过程,以及障碍层通过海气相互作用影响天气、气候尺度变异的过程和机理等关键科学问题,综述了近几十年来有关热带障碍层的研究进展.重点总结了以下3个方面的进展:全球不同热带海域障碍层的空间结构和多尺度变异特征;海洋动力过程和大气热力过程在障碍层变异中的作用及其机理;障碍层与天气、气候事件及海洋生物相互作用的关键过程和机理.强调了障碍层变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应,最后提出了尚需解决的关键科学问题.     

大凌河流域水资源动态承载力研究

气候变化是影响水资源供需关系的关键因素,并对流域水资源动态承载力造成较为显著的影响作用。在分析大凌河流域动态承载力特征的基础上,提出较为完整的理论框架和计算方法,并运用该方法评价分析区域水资源动态承载力。研究表明:对大凌河承载力动态变化影响最大的指标为供水紧张程度,其次为工业增加值;流域水资源承载力在近30年间表现出动态变化的发展趋势,个别支流承载力未呈显著变化,但该流域整体处于承载力边缘。研究揭示了大凌河流域上水资源演变趋势,可为其水资源管理规划和可持续发展提供决策依据。     

边坡位移演化的多尺度分析

通过相邻两个时间区间位移观测结果均值差分的积分描述和Harr小波基函数的小波变换方程的对比分析,得到了一个将不同时间尺度下边坡位移均值变化表示为相应尺度下小波变换系数的基本关系。根据这一关系,提出了可以采用小波变换方法确定两个相邻时间区间位移均值在不同时间尺度下变化规律的边坡位移演化的多尺度分析方法。针对卧龙寺新滑坡、三峡永久船闸边坡开挖和隔河岩水电站进水口边坡变形的观测结果,讨论了它们的位移演化多尺度特征。当边坡位移呈现较规则的变化趋势时,在一个尺度上就可以提取它们的时间演化特征。开挖剧烈扰动的影响可以通过给定时间尺度支撑区端点与位移突变点之间递增连的线进行近似。     

鄱阳湖星子站水位变异诊断研究

为分析鄱阳湖水位的变异情况,通过综合变异诊断系统对星子站年均水位和逐月平均水位进行变异诊断,设定α=0.05的显著性水平,采用了滑动T检验法、克拉默法、山本法、佩蒂特法等多种经典变异诊断方法对水位序列进行了检验,并将各种检验结果互相比较印证,以避免错误结论。结果表明,检验出的水位序列变异年份集中在1999～2004年,其中2003年的变异最为显著。年均水位的均值减小幅度为1.12m。研究结果可为鄱阳湖流域水文情势分析和水资源利用规划提供指导。     

土壤水力特性空间变异的试验研究进展

土壤水力特性的空间变异是影响土壤中水分及溶质运移动态的主要因素.70年代以来国内外有关学者就土壤水力特性空间变异进行了大量的试验研究,通过对试验结果分析,得出了许多可供参考的结论,如水力特性空间变异尺度随研究区域尺度的增大而增大,且两者呈一定的比例关系,大多数水力特性遵从对数正态和正态分布,这些结论对于研究区域溶质(污染物)的迁移动态以及区域水盐动态预报十分重要的参考价值.     

黄河平滩流量的多时间尺度现象

受气候系统影响的水文系统具有多时间尺度变化规律。由于平滩流量与水沙条件变化关系密切,也必然会呈现出多时间尺度演变规律。基于黄河下游主要测站1950~2007年平滩流量及水沙资料,利用小波分析原理分析了平滩流量、流量和含沙量序列的多时间尺度变化特征,以及不同时间尺度下水沙序列与平滩流量序列之间的相关关系。结果表明,黄河下游主要测站的平滩流量序列存在5~6年和19~20年的主要时间尺度,且水沙条件多尺度变化规律与平滩流量有密切关系。此外,对黄河上游和渭河支流主要测站的平滩流量与水沙条件的多时间尺度进行了分析,发现不同河段的平滩流量序列与含沙量序列存在不同的相位差,且相位差大小随含沙量增大而减少。揭示的黄河平滩流量与水沙条件的多时间尺度变化规律,可为研究河床演变的多时间尺度现象提供参考。     

气候自然变异在气候变化对水资源影响 评价中的贡献分析——Ⅰ.基准期的模型与方法

基于气候变化影响的水资源评价对水资源规划和管理具有重要意义,随着全球气候变化影响的加剧,这一研究显得越来越紧迫。在目前的气候变化研究中,很少考虑气候自然波动的影响(气候自然变异),常将所有的变化单独归因于气候变化的影响,这在气候变化的影响评价中可能导致错误的理解与判断。气候自然变异分析由于缺乏超长系列的数据资料而长期被人为避开。针对这一问题,本研究提出模型方法体系,通过历史基准期的长系列模拟来分析气候自然变异的影响。选取常用的1961~1990年水文系列作为基准期,提出一种基于拉丁超立方体抽样技术的季节分段抽样模拟方法,实现对气候自然变异的模拟。应用水文模型TOPMODEL对基准期的径流系列进行模拟,基于不确定性分析GLUE方法对基准期内水文模型参数不确定性进行分析,并探讨了气候自然变异的影响。研究结果表明,在气候变化影响评价中,气候自然变异的影响不可忽略,应在气候变化的影响中加以区分和界定。     

考虑水文变异的大通河生态需水研究

鉴于变化环境对流域水文情势的影响,开展水文变异条件下的生态需水研究尤为紧迫。以大通河流域为研究对象,采用水文变异诊断系统对变异前后的水文序列进行划分,分析变异成因;应用5种概率分布函数拟合变异前月均流量序列,推求概率密度最大处流量,将其作为当月生态需水;最后计算生态需水满足率,分析水文变异对生态需水的影响。研究表明：（1）尕大滩站在1973年、1990年发生弱变异;天堂站、享堂站在1990年发生中变异;（2）变异后,汛期生态需水满足率相比变异前平均下降7%,非汛期生态需水满足率相比变异前平均上升11%;(3)降水减少导致汛期生态需水满足率下降,冻土退化促使非汛期生态需水满足率上升;水利工程建设导致汛期生态需水满足率下降,非汛期生态需水满足率上升。研究结果可为大通河流域水资源开发利用和生态保护提供重要参考。     

基于地表水循环遥感观测的黑河流域水平衡分析

流域内水循环各环节的水量及其时空分布是不断变化的,掌握流域水循环与水平衡状况是进行流域水资源合理开发利用的重要基础。以2000—2019年黑河流域水文显著变化期为研究时段,综合应用TRMM与GPM卫星观测的降水量、遥感估算的蒸散发量等数据并结合气象站点、水文站点等观测数据,对流域降水、蒸散发与径流等水循环要素的水平衡进行了分析。结果表明:祁连山区是主要产流区,向中游年均下泄水量约为45.11×108 m3。其中,消耗于中游的年均量约为29.92×108 m3,约占66%;补充下游的年均量约为15.19×108 m3,约占34%。民乐—张掖盆地是黑河中游水资源消耗的主要区域,年均消耗的上游来水和当地降水量达43.97×108 m3,约占中游消耗量的75%;中游农田蒸散发年均消耗水量约20.3×108 m3,占总消耗量的35%;上游区降水量增加是黑河干流出山口径流量增加的主因,对径流量增加的贡献率为96%,导致年均径流增加0.35×108 m3,潜在蒸散发对径流增加几乎没有贡献。根据目前黑河干流上游径流量变化与中游水资源消耗现状,如果未来水文周期变化导致上游径流减少,中下游用水矛盾凸显的风险较大。地表水循环遥感观测可作为流域水平衡分析的方法之一,分析流域地表水水资源的空间分布状况、揭示水资源变化趋势与原因,支撑水资源合理配置,陆面实际蒸散发是水平衡分析不确定性的主要来源,准确估测不同类型下垫面实际蒸散发量是提升分析可靠性的关键。基于互补相关的陆面实际蒸散发估算方法相对简单,但其中用于计算湿环境蒸散发量的Priestley-Taylor公式中乘性经验系数受地形影响空间变异很大,区域上采用统一数值会对结果造成不可忽视的影响。     

水文变异的滑动F识别与检验方法

针对传统F检验法只能用于已知变异点的检验,而无法用于变异点的识别问题,本文提出了滑动F识别与检验法。该法首先利用传统F检验法对序列逐点进行检验,找出满足F计算值大于临界值的所有可能变异点,然后选择F计算值达到最大值的那一点作为最可能变异点。利用该法对潮白河水资源分区45年年径流量序列进行了分析,并从物理成因角度对该检验结果进行了确认。结果表明滑动F 识别与检验法具有较好的检验效果,检验结果可信度较高。     

土壤入渗特性的空间变异性及土壤转换函数

以在杨陵一级阶地上进行的入渗试验为基础,利用多重分形和联合多重分形方法,研究分析了土壤入渗特性在多尺度上的空间变异性及与土壤物理特性的相关性,并在此基础上建立了土壤入渗特性的土壤转换函数。研究表明:土壤入渗特性具有多重分形特征,观测尺度上,稳定入渗率、前30 min累积入渗量的空间变异都主要由粗粉粒和粘粒含量的空间变异造成。在多尺度上,稳定入渗率的空间变异受土壤容重、粗粉粒和粘粒含量的空间分布影响显著,前30 min累积入渗量的空间变异受粗粉粒和粘粒含量的空间分布影响显著,与观测尺度上的影响因素相同。基于联合多重分形分析建立的稳定入渗率的土壤转换函数的计算误差较小,前30 min累积入渗量的土壤转换函数的计算误差较大。     

基于小波变换的郑州降雨量与太阳黑子活动关系分析

为探究太阳黑子活动与地区降雨量的关联性,采用连续小波变换方法,分析了1980年以来郑州地区(新郑站点)降雨量和太阳黑子数的数据变化,并对不同时段两者的相关性进行研究;进一步对两者进行交叉小波变换和小波相干谱分析,并根据两者关系通过太阳黑子数观测值对降雨量进行预测。结果表明：(1)不同时段降雨量和太阳黑子数的相关性存在正负差异的现象。降雨量的第一主周期尺度是21 a,在此主周期尺度下得到14 a主周期;太阳黑子数的第一主周期尺度是16 a,在此主周期尺度下得到11 a主周期(与经验值相符)。降雨量与太阳黑子数的主周期相差了3 a,因此导致两者的相关性在不同时段存在正负差异。(2)降雨量与太阳黑子数在1992—2008年的8～12 a时间尺度上关联性显著,且降雨量比太阳黑子数存在规律性的时间滞后,两者在2～4 a和7～10 a的时间尺度上关联性较好;降雨量比太阳黑子数分别在1991—2004年和2006—2013年这两个时间段上呈现规律性的滞后,两者在其他时间段的各时间尺度上关联性不明显。(3)根据延迟年数经验公式,由太阳黑子数观测值对降雨量进行预测,最近的降雨量峰年在2022年附近,与2...     

遗传算法的BP神经网络对滑坡孔隙水压力时间序列恢复及预测研究

由于降雨入渗过程及其对滑坡的作用机理非常复杂,获得完整的小时间尺度的孔隙水压力时间序列对于研究降雨滑坡机理意义重大。但在对滑坡孔隙水压力进行监测时,由于观测方法、传感器质量、环境干扰等原因会造成部分传感器暂时或永久失效,获得的时间序列在时间尺度上差异很大,给实际应用带来了困难。本文将应用基于遗传算法的BP神经网络对孔隙水压力时间序列进行内插和外延预测,不仅预测效果良好,而且能较好地反映降雨过程与孔隙水压力变化之间的内在物理关系。     

清代江苏省冬季冷暖等级序列的重建及特征分析

通过对历史文献资料的收集整理,重建了清代江苏省冬季逐年冷暖等级序列,并利用Morlet复小波变换分析方法对序列进行了多时间尺度特征的综合分析。结果表明:(1)整个清代江苏省冬季气候变化大致可分为2个冷时段(1644—1730年、1821—1900年)和1个暖时段(1731—1820年);(2)重建的冷暖等级序列存在多尺度下的周期变化特征,其中有较明显的周期变化尺度是38～42 a、18～20 a、13～15 a和8 a,38～42 a和8 a特征时间尺度的周期变化相对具有全域性,18～20 a尺度的周期变化在1690—1790年之间比较明显,13～15 a尺度的周期变化在1720年之前和1830年之后比较明显;(3)重建序列的第1主周期为42 a,第2、3、4主周期依次是20 a、 8 a和3 a;在42 a尺度下,清代江苏省冬季气候可划分为6个偏冷时段和6个偏暖时段。     

玉龙喀什河流域地下水的时空变异规律

对面积约942km2的玉龙喀什河流域地下水埋深进行取样检测,应用地质统计学方法对取得数据进行了半方差函数分析。结果表明,该地区2005、2006年地下水埋深变异函数曲线的理论模型符合指数模型;2007、2008年地下水埋深变异函数曲线的理论模型符合球状模型。通过对2005、2006、2007及2008年水样的分析,得出该地区地下水埋深在时间与空间上皆存在明显的变异性。在空间尺度上,地下水埋深从研究区的东北向西南方向有增加的趋势。从整体上看,地下水埋深在研究区的中部大于四周边;南部大于北部。在时间尺度上,随着时间的推移研究区中部和南部的地下水位正向下降方向发展。利用软件Geopack与Serfer7．0软件绘制了地下水埋深的时空分布图,为该地区地下水资源的评价与今后的合理开发利用提供了决策依据。     

内蒙古阴山北麓农牧交错带风蚀气候侵蚀力特征

为了解内蒙古阴山北麓农牧交错带的风蚀气候侵蚀力变化特征及规律,在收集多年风速、降水、气温、相对湿度和沙尘暴气象站观测数据的基础上,计算了典型区域风蚀气候侵蚀力。引入MHF小波函数,对该时间序列进行小波分析,揭示了区域风蚀气候侵蚀力变化的多时间尺度的复杂结构,分析了其在不同时间尺度下的周期性和突变诊断点。结合沙尘暴发生日数的观测资料,进一步分析风蚀气候指数与沙尘暴发生日数的尺度变化关系。研究表明:内蒙古阴山北麓农牧交错带风蚀气候侵蚀力具有明显的阶段性特征,以16 a的周期振动最强;在整个时间域上,区域风蚀气候侵蚀因子与沙尘暴日数的变化具有较好的对应关系,即风蚀气候指数偏大期对应沙尘暴日数偏多期,风蚀气候指数偏小期对应沙尘暴日数偏少期;并预测在未来一段时间内风蚀气候侵蚀力较大时间尺度变化处于增强的偏小期,但较小尺度表现出由大到小的过渡。