基于数值模拟的黄河中游典型流域基流分割研究

基流作为河川径流中相对稳定的一种组分,同时也是干旱半干旱地区枯水期径流的主要来源,对流域的水资源优化配置及生态环境的维护有着十分关键的意义。基流分割结果的准确性对于预测流域水文过程以及探究基流变化规律有很大的影响。汾河作为黄河中游重要支流,关系着整个中游地区的经济发展,研究汾河的基流变化能有效表征黄河中游基流的变化机制,因此,选取适宜的分割方法显得尤为重要。基流分割方法众多,数值模拟法凭借其客观性、可重复性和易操作性等特点,且可对长系列冗长繁琐数据进行高效便捷处理,因此在实际应用中受到广泛认可。基于黄河中游汾河静乐水文站2006-2014年日径流资料,采用8种常用的数值模拟方法进行基流分割计算,分析径流年内、年际变化特征,从基流指数的不稳定系数、标准差和变异系数3个角度分析其特征,并分析年基流指数的相关性,比较典型年的基流过程与径流过程,选用Nash-Sutcliffe效率系数、平均相对误差和相关系数这3个指标来进行基流分割结果的有效性检验。结果表明:Chapman滤波法、Chapman-Maxwell滤波法和Eckhardt滤波法是静乐水文站控制流域较为适宜的基流分割方法,计算所得的BFI值分别为0.491、0.495、0.496。研究结果为黄河中游基流分割和基流变化规律等研究提供技术支持,为黄河中游水资源合理利用和更好地建设当地生态环境提供科学依据。

广义单位线在山洪模拟中的适用性分析

广义单位线把流域对净雨的调蓄作用概化为M个等效线性水库并联,为汇流计算提供了新方法。为检验其在山洪模拟中的适用性,在淮河、长江选取4个小支流共56场典型洪水作为研究对象,与Nash单位线法对比分析暴雨洪水过程。结果表明:两种方法的模拟精度均达到了乙级精度要求标准,但从评价指标来看,广义单位线法的平均纳什效率系数、峰现时间及其合格率(0.79、0.90h、98.30%)优于Nash单位线法(0.75、1.09h、94.34%)。广义单位线综合了流域地形地貌特征,可以更好地表征流域汇流特性,适用性较强,为国内山洪灾害预警预报提供了新思路。

考虑径流过程矢量化的机器学习洪水预报模型

准确的超前洪水预报有利于开展防洪减灾工作和优化水资源调度。本文提出一种针对场次洪水的径流过程矢量化方法(Runoff Process Vectorization, RPV),并耦合3种机器学习(Machine Learning, ML)模型构建了RPV-ML洪水预报系列模型。以黄河中上游孤山川、佳芦河和祖厉河3个典型流域为研究区,分别基于43、28、37场洪水的降雨径流数据,按照洪水场次7∶3的比例进行模型训练和验证。研究表明:(1)相同预见期条件下RPV-ML模型在孤山川、佳芦河和祖厉河流域洪水预报纳什效率系数更高、均方根误差和洪峰相对误差更低,RPV-ML模型比ML模型具有更好的预报性能,在预见期为4~6 h时优势更显著;(2) RPV-ML和ML模型预报精度会随着预见期增加逐渐下降,但RPV-ML预报精度呈现缓慢下降趋势,具有更好的鲁棒性;(3)基于RPV改进的时间卷积网络(Temporal Convolutional Network, TCN)可以更好地克服预报误差问题,RPV-TCN模型在3个流域预报性能最好。

干旱区荒漠河岸林引洪灌溉生态修复研究

选择典型荒漠河段引洪灌溉生态修复区域,利用遥感数据和地下水监测数据,结合实地调查等手段对和田河沙漠段典型荒漠河岸林引洪灌溉生态修复效果开展了研究,采用多波段水体指数MBWI和归一化差异植被指数NDVI分析评价研究区生态修复效果。结果表明:引洪灌溉对生态修复区地下水有抬升作用,缓解年内地下水持续降低趋势,同时提高植被覆盖水平,这导致植被覆盖度高地区面积增加,无植被覆盖地区面积减少。然而目前引洪灌溉生态修复存在积水面积较大,积水时间较长,区域分布不均等问题,引洪灌溉生态闸位置和合理的运行制度还需要进一步研究。研究成果可以为干旱区内陆河流域荒漠河岸林生态修复提供借鉴。

新疆库山河洪水过程模拟分析

全球气候变暖背景下极端洪水灾害频发,对地处干旱、半干旱地区的新疆影响尤为明显,洪水灾害风险增大。为了提高干旱区洪水灾害应对能力,针对新疆典型流域库山河构建了洪水分析计算模型,确定模型关键参数和边界条件,经场次洪水验证,水深平均绝对误差为24.1 cm,相对误差为24%,决定系数为0.66;流量纳什系数为0.86,决定系数达到0.97,模型具有较高的计算精度。利用高精度河道地形,洪水灾害风险普查结果、遥感信息等资料建立流域数据底板,计算了不同频率下洪水行进过程、淹没范围、水深分布以及淹没历时等情景,实现了大尺度、全流域干旱区河流的洪水演进模拟,研究成果可以为干旱内陆区河流洪水风险分析提供技术依据。

郑州市雨岛效应多方法集成评估及量化研究

为研究城市化发展带来的雨岛效应问题,选用郑州市1978—2018年社会经济资料和1960—2020年逐日降雨资料,在利用六阶段论和“S”形曲线法分析郑州城市化发展水平的基础上,多方法并举构建雨岛效应评估方法体系;基于年降水量、年汛期降水量对郑州市雨岛效应进行趋势和周期变化分析,并引入标准化距离法量化评估雨岛效应。结果表明:郑州市中心城区雨岛效应在1997年和2004年有明显突变增强趋势;年降水量、年汛期降水量雨岛效应增强趋势分别持续4 a和10 a,且分别具有8~10 a、15~20 a的第一主周期和17~20 a、6~10 a的第二主周期;标准化距离法计算的年降水量、汛期降水量增雨系数标准化显化值分别为0.261和0.643,说明郑州市雨岛效应集中于汛期。

新疆洪水预报预警中融雪径流模型应用进展

针对全球变化背景下极端升温、暴雪和暖湿化现象以及中国新疆地区融雪洪水灾害风险增大问题,概述了新疆不同类型洪水灾害特征,重点阐述了近年发生频率增加、致灾性强、灾害风险增大,但在新疆未引起重视的融雪洪水的研究进展,对比分析了不同类型融雪径流模型特点和研究现状。综合目前融雪径流模型已有进展和面临的挑战,提出新疆未来研究需考虑融雪径流模型的物理机制和融雪消融过程,以提高预报预警精度。回顾了融雪洪水在新疆的预报预警技术,指出构建高精度预报预警融雪洪水模型所面临的风吹雪、冻土表层雪和雪面雨等关键问题,并提出提升新疆洪水模拟、预报预警、应对突发洪水的综合能力的关键技术,为提升新疆融水洪水预报预警技术提供思路与建议。

玉龙喀什河62年极端日流量变化特征

为确定和田河流域流量极值的演变规律,选取和田河流域玉龙喀什河同古孜洛克站1957~2018年日实测流量,采用Mann-Kendall、EEMD、R/S等方法分析和田河流域极端日流量的变化特征。结果表明,汛期流量占比呈不显著下降趋势,非汛期流量占比呈显著增加趋势;最大1、3、5d流量亦呈非显著增加,最小15d流量显著减少;未来各流量指标与过去具有相同趋势,最大、最小1d最大主周期分别为3、61年;第95、5百分位流量均值呈相反变化趋势。

1957—2018年和田河源流径流演变特征

河川径流演变特征对流域水资源管理及开发利用具有重要的意义。基于和田河源流乌鲁瓦提站和同古孜洛克站1957—2018年62 a长时间径流实测数据,采用线性趋势、Mann-Kendall趋势检验和重标极差分析法,从年代际、年际、季节及月份4个时间尺度分析了和田河源流区径流演变特征。结果表明:乌鲁瓦提站和同古孜洛克站的径流年代际变化特征一致,均经历了“平水年-偏丰水年”;乌鲁瓦提站和同古孜洛克站年径流量均呈现不显著增加趋势,径流序列的突变点均为2009年,年径流均在一定时间内持续增加;乌鲁瓦提站夏秋季径流量变化对年径流量影响最大,同古孜洛克站夏季径流量对年径流影响最大;径流量年内分配不均匀,主要集中在5—9月,占比在86.11%~90.86%,呈“冬枯夏洪”。

和田河流域干流河道耗水过程分析

为缓解和田河流域水资源供需矛盾,提高流域水资源分段管理效益,明晰了和田河水量损失、转化和消耗规律,确定了断面来水量与干流耗水量、河段耗水量与河道损失量之间的关系。利用2006-2018年和田河干、支流各断面地表径流数据,采用Mann-Kendall趋势性检验和水量平衡原理分析了各河段的耗水变化过程。结果表明:地表径流量年际呈上升趋势,年内变化呈“单峰型”,丰水期占比为74%;乌鲁瓦提-喀河渠首段年耗水量最大(16.97×10^(8)m^(3)/a),玉河渠首-艾格利牙段年耗水量最小(2.81×10^(8)m^(3)/a),总耗水量与来水量变化趋势一致;喀河渠首-吐直鲁克、玉河渠首-艾格利牙、吐(加)艾-肖塔段河损量与耗水量存在着显著的正相关关系,其中和田河干流河损量最大;玉龙喀什河和喀拉喀什河下游是河损防治的重点,和田河沙漠段是巨大挑战。不同来水量情况下的河段耗水量、不同耗水量与河损量之间变化规律的研究可为和田河流域水资源规划及合理调度提供理论依据。

双膜覆盖对棉田土壤及棉花生长的影响

新疆巴州地区属于典型的荒漠型气候,降雨量少,水资源短缺,土壤沙化严重,保水保肥能力差,春季、春寒灾害较多,严重影响当地棉花产量的提高,为实现棉花节水增产保丰收,研究田间双膜与单膜覆盖对土壤温度、棉花生长及产量的影响,为棉田高产高效管理提供参考。布设双膜、单膜两种不同地膜覆盖大田试验处理,通过监测不同处理下土壤温度、水分、盐分,棉花出苗率、生长形态及产量等指标,分析不同覆盖措施对各项指标的影响。双膜覆盖有较好的增温效果,单膜覆盖效果不佳。双膜覆盖对抑制土壤盐分的积累和水分的散失有着积极的作用。双膜覆盖对棉花的产量有显著促进作用。双膜覆盖比单膜覆盖有更好的增温效果,抑制土壤盐分的积累和水分的散失,为棉花生长创造了有利的条件,具有良好的增产效应。

玉龙喀什河径流及气象因子演变规律及特征分析

选取玉龙喀什河同古孜洛克站实测径流及气象因子,采用Mann-Kendall趋势性检验、小波分析等方法,系统分析了径流及其气象因子的演变规律及趋势性,利用霍尔特模型预测了未来5年径流量及气象因子变化趋势。结果表明:径流、降水及气温均呈现显著增加趋势,蒸发量表现为显著减少趋势;相关性分析得出气象因子中气温与径流相关性最大,其次是降水,蒸发与径流呈负相关;未来5年径流量、降水量和气温呈增加趋势,蒸发量呈减少趋势。玉龙喀什河1980年—2018年径流和降水在研究时间内变化趋势具有一致性,气温在未来将继续主导径流变化。

和田河上游62 a径流演变特征分析

科学掌握径流演变特征,对干旱区水资源可持续开发利用及生态建设具有重要意义,本文基于和田河上游1957—2018年62 a长系列天然径流资料,采用累积距平、Mann-Kendall趋势检验和小波分析等方法分析了和田河上游径流年内分配、年际变化、径流趋势、突变性及周期变化等径流演变特征。结果表明:喀拉喀什河和玉龙喀什河年径流呈微弱增加趋势,2009—2018年时段增加明显;年内分配不均匀,其中夏季最多,约占全年70%,冬季最少,约占全年4%;喀拉喀什河和玉龙喀什河均在2010年发生突变,前者具有28a的最大主周期,后者具有4a的最大主周期。

流速仪在阿合别斗灌区测流的应用与分析

渠道水利用系数是灌区改造与节水灌溉的重要指标,也是衡量渠道输水效率的标志性指标。以阿合别斗灌区为测试渠道,结合实际应用从不同渠道确定2种仪器在不同条件的适用性,对如何快速精准测量渠道流量提供新的方法。

和田河沙漠段生态输水植被恢复遥感评价和植被变化驱动因素分析

【目的】结合和田河沙漠段生态输水以来植被变化情况,评价和田河沙漠段治理成效,研究植被变化的驱动因素,为和田河沙漠段生态修复提供指导。【方法】运用卫星遥感影像数据和野外调查资料,对和田河沙漠段生态输水以来植被响应特征指标NDVI值进行系统研究分析。【结果】2002年生态输水以来,和田河沙漠段NDVI值整体提高,平均增幅达37.24%。生态输水对河岸1~2.75 km范围内植被影响显著,年际间NDVI值呈先升高后降低又升高趋势。整个沙漠段植被呈现上、下游较好,中游较差的特点,两河汇合口下游15~115 km为植被脆弱区域。沙漠段NDVI值变化与气温和河段耗水均呈正相关关系。【结论】和田河生态输水促进河道两岸植被的生态恢复,植被变好趋势明显。沙漠段NDVI值变化与气温和河段耗水密切相关,温度升高和上、下游断面水量损耗(生态引水)增加,均有助于和田河沙漠段植被改善。

和田河沙漠地带河床入渗特征研究

和田河流域沙漠地带河床入渗特征直接影响洪水演进,实施科学调度,确保完成向塔里木河生态输水指标具有重要的意义。采用双环入渗仪对和田河上、中、下游3个河段进行入渗试验,计算河床沉积物入渗率,分析其变化规律并通过入渗模型分析沙漠地带河床的入渗特征机制。结果表明:1)和田河上游段入渗率最大,中游段次之,下游段入渗率最小,平均稳定入渗率分别为28.71、21.23、18.48mm/min。不同河段达到稳定入渗的时间在92-112min之间,累计入渗量同理。2)在常用的三个土壤入渗模型中,考斯加可夫(Koctakob)公式和霍顿(Horton)公式均适用于沙漠段水分入渗的研究,对其中考斯加可对夫(Koctakob)公式的效果较为显著,通用经验公式不适用于沙漠段水分入渗的研究。3)和田河河床渗透系数存在空间变异性。在垂直于河岸方向上,同一河段的不同位置中,从河中心到河岸,河床沉积物的渗透系数值呈逐级递减趋势;在沿水流方向上,从上游到下游河床沉积物渗透系数值亦呈逐级递减趋势。