基于径流-蒸散发-蓄水量协同率定的平原区水文模拟研究

平原区无统一流域出口断面,相关模型参数率定与水文模拟是水文学研究的薄弱环节和难点问题。以黄淮海平原为研究对象,基于实测数据、遥感反演结果及同化的区域水循环通量和储量等多源要素数据集,利用可变下渗容量(VIC)模型,构建了基于径流、蒸散发和蓄水量协同率定的模型参数率定方法,评估了其在黄淮海平原水文模拟中的适用性,并利用机器学习、广义似然不确定性估计等方法分析了该模型对水文模拟精度、模型参数异参同效性和径流模拟不确定性等方面的改进效果。得到的主要结论为:①VIC模型在黄淮海平原具有较好的适用性,与实测值相比,模拟径流和蒸散发量在率定期的相关系数大于0.9,蓄水量的相关系数大于0.6;②对于VIC模型的6个参数,第2层土壤厚度d 2最敏感,其次是可变下渗曲线指数B,其余参数敏感性较弱;③与传统的单一径流率定方法相比,参数协同率定方法提高了蒸散发量和蓄水量的模拟精度,减小了模型参数的优选空间与不确定性置信区间,模拟径流的90%置信区间约缩小26%,降低了水文模拟的不确定性。研究成果对水文模拟技术进步具有重要的支撑作用。

1961-2017年黄淮海流域主要农作物需水量和缺水量时空演变研究

作物需水量和缺水量的时空演变特征对种植区农业水资源的合理分配和农业灌溉方案的科学制定具有重要的指导意义。基于黄淮海流域186个气象站点1961—2017年的气象数据,采用Penman-Monteith公式和作物系数法,计算该流域春(冬)小麦和夏玉米的需水量、有效降水量以及缺水量。利用线性倾向估计、Mann-Kendall检验和空间插值法对黄淮海流域春(冬)小麦和夏玉米需水量和缺水量的年际变化趋势和空间分布特征进行分析。结果表明:①在时间上,1961—2017年春(冬)小麦和夏玉米多年平均需水量和缺水量都呈现先下降后上升的趋势,20世纪60年代到80年代末期、90年代初期下降,90年代初期以后上升。下降阶段,春小麦、冬小麦、夏玉米的需水量变化率分别是10.5060、-14.5235、-7.3454 mm/(10年),缺水量变化率分别是-18.6054、-12.1805、-18.2085 mm/(10年)。上升阶段,春小麦、冬小麦、夏玉米的需水量变化率分别是20.0158、0.6310、7.7833 mm/(10年),缺水量变化率分别是14.1492、8.4847、6.7295 mm/(10年)。②在空间上,就需水量而言,春小麦呈现自西向东逐渐递增的分布特征,冬小麦和夏玉米呈现中部较高、东西两部较低的分布特征;这3种作物的需水量变化率均呈现出由西向东逐步减少的分布特征,春小麦、冬小麦、夏玉米需水量变化率范围分别是-4.44~-2.25 mm/年、-5.40~3.97 mm/年和-4.56~5.32 mm/年。就缺水量而言,春小麦由东西两端向西北部和北部递增分布,冬小麦由西向东递增分布,夏玉米由东西两端向中部递增分布;春小麦缺水量变化率呈现出由中部向东西两端递增的分布特征,冬小麦缺水量变化率呈现出由西北向东南递增的分布特征,夏玉米缺水量变化率呈现出由东西两端向中部递增的分布特征,春小麦、冬小麦、夏玉米缺水量变化率范围分别为-394.05万~9.76万m^(3)/年、-1368.96万~934.98万m^(3)/年和-329.25万~1030.73万m^(3)/年。

黄淮海平原地下水储量与埋深变化特征分析

地下水储量和埋深是水循环过程的关键参数,其演变规律对流域水平衡蓄变关系具有重要的意义。基于GRACE重力卫星反演的水储量与实测地下水埋深数据,利用空间插值分析、回归分析和Mann-Kendall趋势检验等方法,研究了2003-2016年黄淮海平原地下水储量和埋深的变化特征。结果表明,近14年黄淮海平原的地下水储量呈显著下降趋势,下降速率为1.2 cm/a,其中海河平原的下降速率为1.6 cm/a,淮河平原的下降速率为0.9 cm/a;地下水埋深平均每年增加0.09 m,呈显著增大趋势,其中海河平原平均每年增大0.16 m,淮河平原平均每年增大0.05 m。在区域水量平衡变化和人类取用水对地下水影响分析的基础上,表明地下水超采是黄淮海平原水储量下降的主要原因。研究成果对变化环境下的区域水循环演变规律认识及水资源管理与开发利用具有一定的支撑作用。