变化环境下海河流域降水演变研究综述

全球气候变化与大规模的人类活动显著地影响了全球的水汽循环和区域降水特征。海河流域是我国人类活动影响最剧烈的地区,近百年来其降水的总量和时空分布均发生了显著的变化,对海河流域水资源产生了十分显著的影响。本文对近年海河流域降水演变相关研究成果进行了综述,重点总结了海河流域降水演变事实和变化趋势、气候变化和人类活动对海河流域降水影响等方面研究成果。

黑龙港地区土壤含水量的垂向分布研究

黑龙港地区是河北省为落实＂2020年我国新增粮食500亿kg＂的规划而划定的粮食主产区之一,土壤水的开发利用是未来粮食增产的重要措施。为探讨黑龙港地区土壤含水量垂向分布情况,以河北省农林科学院旱作农业研究所衡水试验站土壤为观测点,分别利用FDR、TDR、烘干法测量了不同深度的土壤含水量。结果表明在0-110cm深度上土壤含水量整体上呈现先增加后减少再增加的趋势,这种趋势主要是由于不同土层的不同性质所决定的,而土壤垂向剖面存在的两个潴育层是土壤水分含量呈现这种变化趋势的主要原因。

青海省适宜太阳能提水灌溉草场区域分析

针对近年来在全球气候变化和人类过度放牧的影响下降水偏少、草场退化严重的现状,利用太阳能提水灌溉草场是解决干旱地区草场退化的有效途径,以青海省为例,分析了水资源与草场的匹配情况,并分别从经济效益与地下水可持续两方面论证了实施太阳能提水灌溉的可行性。结果表明,青海省实施太阳能提水灌溉的潜力很大,当降水量为350~400 mm时太阳能提水灌溉单位投入产出量最大,提水后仍可保持地下水的可持续性。该法有效可行,并可促进生态改善和当地经济发展,供借鉴。

1961年以来海河流域干旱时空变化特征分析

以干旱易发区海河流域为例,利用流域内及其周边地区58个气象站点1961—2010年逐日气象观测数据,结合累积相对湿润度指数和模糊集对评价法,考虑了干旱的累积效应以及评价标准等级边界的模糊性和评价因子的时程分配,分析了海河流域干旱时空变化特征。结果表明:①近50年来流域主要干旱类型为中旱和重旱,平均面积分别约为7.30万km2和7.78万km2,重旱面积呈现出显著的增加趋势;②近25年来,重旱易发区范围表现出扩张的态势,1985—2010年重旱易发区面积达到14.9万km2,为1961—1985年的1.6倍。

黄淮海流域旱涝时空分布及组合特性

以黄淮海流域及其周边地区204个气象站点1961—2010年逐日降水过程资料、国家1∶25万DEM数据和1∶20万土地利用数据为基础,在利用降水Z指数对黄淮海流域旱涝进行评价的基础上,采用下垫面数据对结果进行修正,并分析黄淮海流域旱涝面积的时间变化特征,对黄淮海地区的易旱区、易涝区进行了划分,进一步选取集对分析法划分了流域内季节间旱涝交替的易发区。结果表明:黄淮海流域内夏秋两季旱涝问题较为严重,且秋旱面积上升趋势较为明显;黄河和海河流域以干旱居多,淮河则是干旱和雨涝并存,季节间的旱涝交替多集中在淮河流域中上游地区。

城市排水防涝基础设施应对能力的三个阈值

城市排水管网、沟渠、河湖水系是承纳、转输、调蓄暴雨径流的重要基础设施,在应对城市暴雨内涝中发挥着至关重要的作用。城市排水防涝基础设施受设计标准、运行维护水平、城市下垫面环境变化等多重因素的影响,其自身应对暴雨的能力差异较大。科学量化城市排水防涝设施的应对能力对城市洪涝预报、预警和应急调度十分必要。本文提出了城市排水防涝基础设施应对能力的三个阈值,即:雨水管渠排水能力阈值、内涝防治系统应对能力阈值和应急设施防御上限阈值。这三个阈值通俗讲就是“不积水”阈值、“不内涝”阈值和“不失防”阈值。基于郑州2021年“7·20”特大暴雨灾害的调研结果,对三个阈值的表征指标和确定方法进行了初步探讨。结合文献调研,对北京、东京、深圳等城市对应阈值进行了分析量化,对暴雨量级超过不同阈值标准后的防控策略进行了探讨,提出了城市排水防涝阈值协同提升途径,可为城市极端暴雨的防控提供决策参考。

气候变化对伊逊河流域水资源量的影响

海河流域作为中国水资源最为紧张的流域,其水资源对气候变化非常敏感。以海河流域中受人类活动影响较小的伊逊河流域为对象,基于海河流域未来气候变化研究成果构建了20种气候变化情景,应用具有物理机理的分布式流域水文模型模拟了不同气候变化情景下的流域水循环情景,对气候变化对伊逊河流域水资源量的影响进行了分析,结果表明气温升高1℃将使流域内3.8mm的径流转化为蒸散发,降水的增加将使流域的蒸发和径流都有所增加,其中新增降水50%转化为蒸发,30%转化为径流。同时径流和蒸散发对于高温和强降水更为敏感。未来气候变化的不确定性使未来水资源量的变化也有很大的不确定性,在以升温为主、降水变化存在很大不确定性的情况下,伊逊河流域天然径流量可能进一步衰减。

下垫面变化对流域产汇流影响研究进展

近年来随着人类活动影响的加剧,流域的下垫面条件发生了显著变化,改变了流域入渗、蒸散发、径流等水文过程的特征,对流域的水资源、洪旱都造成了显著影响。为科学合理地开发流域水资源,下垫面变化对流域产汇流影响成为水文科学研究的热点问题。近年来国内外关于下垫面变化对水循环影响方面的相关研究历程可以划分为萌芽阶段、起步阶段和发展阶段,现有研究认为,森林砍伐与草地开垦、农业开发与城镇化建设活动可以增加径流量,而水土保持措施可以减少径流量,流域下垫面通过各种景观变化的耦合作用影响河川径流。下垫面变化的水文效应的研究方法主要有流域对比试验法、特征变量时间序列法、水文模型法等,其中,流域生态水文模型是生态水文研究的前沿和热点。此外,多种综合方法越来越多地应用在下垫面变化影响水文效应的研究中,而"原型观测+数值模型"的研究方法可能会成为一个发展趋势。

农业干旱灾害风险评价及预测预警研究进展

在总结国内外关于农业干旱定义的基础上,对适应于农业干旱灾害风险评价的不同指标进行分析对比,归纳了农业干旱灾害风险评价方法并介绍其应用情况,总结了农业干旱预测预警理论和方法研究进展,结合农业、水文等相关学科的最新进展对农业干旱灾害风险评价和预测预警的发展趋势做出展望。

基于SWAT模型的滦河流域径流模拟

应用SWAT模型对滦河流域进行了天然径流模拟,以承德、三道河子和滦县3个水文站的还原径流量对模型进行了参数率定与模型验证,基于模型模拟结果分析了下垫面变化对径流的影响。结果表明:滦县水文站率定期与验证期月径流模拟值与实测值的相关系数、确定性效率系数均在0.90以上,相对误差控制在5.00%左右,表明模型具有较高的模拟精度;与1985年相比,2000年土地利用的变化主要是林地面积减少与耕地、草地面积增加,导致径流量增加了2.91%,而年内降水量的增加则强化了下垫面变化对径流的影响程度。

海河流域历史水旱序列变化规律研究

对历史时期旱涝灾害的重建及其影响研究是当前探求气候事件发生规律的热点之一,而对周期的计算和对突变点的检测又是探求规律的重要手段。基于海河流域540 a旱涝等级资料,运用谱功率分析、小波分析、指数分析和Mann-Kendall法等方法分别对海河流域水旱发生周期和突变点进行计算分析。结论显示:海河流域水旱灾害在历史上分别存在10 a,23 a,37 a和75 a左右的主导周期;在17至18世纪间,流域经历了旱型-涝型的转变。

井灌区水循环研究进展

在阐述井灌区水循环基本特征的基础上,统筹试验观测、遥感、数值模拟等研究手段,梳理基于井灌区水循环开展的水分通储量、可灌溉水量评估、灌溉水质、多水源联合配置调度等领域的研究和实践,指出现有研究局限于水循环单一或部分环节的表达,不利于井灌区的水资源系统的综合调控和管理。以农田水利学、灌溉水力学、土壤物理学、作物生理学和水文地质学等学科理论方法为基础,以数值模型、遥感、控制试验等为手段,以灌区水循环综合调控和管理为导向,构建了灌区尺度水循环全过程定量研究的基本框架。

基于降水频率特性分析的Z指数界限值修正

P-III型分布已被众多学者广泛应用于降水量的拟合,且效果良好,而降雨Z指数恰好假设某一时段的降水量服从这一分布,并且计算简便,结果比较符合实际,是反应旱涝分布及程度的一种常见的方法。在实际应用中,由于各区域降水的特征,导致结果不符合实际情况,需对其进行修正。从此角度出发,从我国七个区(华北、华中、华东、华南、东北、西北和西南地区)选取各区代表站的年降水量资料,分析了代表性站点降水频率特性,并对Z指数等级界限值进行修正。结果表明:由于各区域降水特性的差异,Z指数界限值有所不同,尤其华东、华南两区与其他区域差异较明显,由此推测我国降水在空间上存在差异。

海河流域的水文特性分析

选用海河流域代表水文站1956-2008年的月尺度水文资料,根据水文统计方法,分析海河流域的径流、泥沙、暴雨洪水的年际变化及区域分布等水文特性,为海河流域水资源的合理开发利用提供理论分析依据。

安全填埋场地下水环境影响评价情景优化设置

在安全填埋场的地下水环境影响评价中,污染途径、边界条件、控制方程等均存在不确定性。本文首先对这些造成环境影响评价结果不确定性的来源进行了定性识别。随后以某安全填埋场为例,采用多参数序列表达不确定性来源及程度,通过构建多套模拟情景,采用MODFLOW和MT3DMS进行数值模拟。计算结果表明:对以垂向运动为主的地下水系统,丰、平、枯等地下水流场对地下水中污染物的浓度增量、空间分布范围影响较小,地下水流场情景设置可简化,仅设丰、平两组;污染负荷是控制地下水污染物浓度的关键因素,其中地下水中有机物受污染范围由渗滤液负荷范围决定,且受污染物吸附-降解特性等反应项参数影响,渗滤液中重金属的影响范围由水力弥散度等弥散项参数决定。

SAWH模型及其在洪水预报中的应用

针对流域水文模拟中存在的方程适用尺度和模型应用尺度不匹配问题建立了SAWH模型,对美国Baron Fork河流域1996—2000年的6次洪水过程模拟结果表明:对于洪峰流量差别很大、峰型也不同的洪水过程,SAWH模拟得到的流量过程线与观测值均十分吻合,表明模型在洪水预报中具有很高的精度;参数敏感性分析表明,植被蒸发系数对洪水过程的影响很小,饱和导水率和洼地调蓄能力对洪峰和洪量均有明显的影响,而河道糙率主要影响洪峰峰型。

城市水源配置及其方案评估研究进展

城市作为一个多水源的系统,如何保证各个水源之间的合理配置以达到不同时间尺度的用水需要、实现水资源高效利用,已经成为当前所面临的重大问题。在讨论城市水源配置特征、城市发展与水源演变的基础上,分析了国内外城市水源配置的研究成果,对比了各种配置模型及其方案评估方法,并对未来城市水源配置的发展趋势进行展望。

农业节水灌溉评价研究历程及展望

农业节水灌溉是在我国水资源严重匮乏的大背景下,为保护水资源、促进粮食生产而提出的灌溉理念。当前我国农业节水灌溉的发展形势主要包含3个方面:(1)推广新型节水灌溉工程及设备,提高节水效率;(2)加强节水灌溉管理力度,提升管理水平;(3)完善节水灌溉综合评价理论及指标。本文针对我国节水灌溉目前面临的理论及技术问题,通过总结节水灌溉内涵及主要措施,综合比较各节水灌溉评价方法,分析了当前综合评价指标体系,梳理了国内外节水灌溉评价的发展历程,并对未来研究发展方向进行了展望。

太阳能光伏水泵提水灌溉修复草场的水资源要求

太阳能光伏水泵技术已经比较成熟,但其能否大规模推广用于草场灌溉和生态修复,资源和环保领域争议极大,争论的焦点是水资源的可持续利用和相关的技术经济问题。文中基于可持续发展的理念和青海湖太阳能提水灌溉试验区的研究成果,从水资源的视角提出了太阳能光伏水泵提水灌溉修复草场的降水量、地下水埋深、地表水供水距离、微喷灌水质和地表坡度五个方面的要求。相关成果可以为太阳能提水灌溉技术示范区域遴选和技术经济评价提供技术参考,具有实践意义和应用价值。

基于人工神经网络的流域多主体水生态补偿核算模型

水生态补偿是协调流域内生态保护主体与经济发展主体之间竞争用水关系的重要手段.水生态补偿机制实施过程中存在补偿金量化、多主体之间额度分配比例确定等一系列难题,目前国内3个主体以上的流域水生态补偿案例较少.本文基于人工神经网络多元非线性回归方法,构建了流域多主体水生态系统服务价值的核算模型;考虑流域内各主体的人均生态服务价值的水平及其横向对比,利用S型Pearl生长曲线函数确定各主体的人均水生态补偿系数,进而计算出各主体的水生态补偿总额.模型在汾河流域进行了实证应用,基于汾河流域6个地级行政分区2013~2017年的水资源、水生态和社会经济等模拟计算了各地市逐年的生态补偿金额.结果表明,2013年忻州市和晋中市受偿金额分别为1185万元和45万元,太原市、临汾市、吕梁市和运城市的支付金额分别为423万元、393万元、291万元和123万元.2013~2017年,太原市水生态补偿一直处于支付状态,其中2015年支付所占比例最高,为59%,2016~2017年支付金额减少,2017年支付比例降低为6%.基于人工神经网络流域多主体水生态补偿核算模型可实现补偿金的动态核算,为流域补偿提供借鉴和参考.