塔里木河流域水资源生态承载力动态评价与预测

采用水资源生态足迹模型,评估了塔里木河流域(简称为塔河流域)2005—2020年人均水资源生态足迹、生态承载力、生态盈亏以及生态承载状况的演变过程,并运用灰色预测模型对2021—2030年的生态盈余/赤字进行预测。结果表明:2005—2020年塔河流域水资源整体上处于生态赤字状态;多数区域水资源生态压力指数大于1.0,生态状况超载严重,万元GDP水资源生态足迹持续下降,而水资源负载指数均呈上升趋势;未来塔河流域水资源赤字状态呈现逐年下降趋势。研究成果能够有效服务于塔河流域生态环境保护和水资源规划与管理。

黄土高原地区干旱可预报性的时空分布与驱动机理

变化环境下全球干旱频发,对社会经济与生态影响重大。已有研究重点关注干旱预报技术的研发,而对干旱预报的理论如干旱可预报性的时空分布与驱动机制等关注不足。以黄土高原为研究对象,构建支持向量机模型对2008—2019年区域干旱进行预测,并以预报效果克林-古普塔效率系数(Kling-Gupta efficiency,KGE)量化干旱可预报性,探究不同时间尺度干旱可预报性的空间分布特征、甄别了影响干旱可预报性分布变化的主导因素。结果表明:黄土高原地区干旱可预报性随着时间尺度的增大呈上升趋势,SPEI12的KGE比SPEI1提高73.8%,且季节干旱可预报性在秋季最高,其次为夏季、春季、冬季;干旱可预报性存在空间异质性,呈现北高南低的分布格局,春季黄土高原中部和冬季黄土高原西北荒漠区干旱可预报性极低;季节间干旱可预报性的主要影响因素存在差异,秋季q值最高的因子是气温,夏、春季是干燥度,冬季是海气耦合PRE_AMO;各变量因子双双交互后对干旱可预报性的影响力明显高于单因子。该研究为干旱可预报性提供了新的见解,有助于进一步提高黄土高原地区干旱预报预警能力。

黄河流域植被对土壤水分亏缺的敏感性及影响因素分析

研究叶面积指数(LAI)对土壤水分亏缺的敏感性及其影响因素,对黄河流域生态保护与生态恢复具有重要意义。以黄河流域为研究对象,基于1982—2018年月尺度土壤湿度数据,计算了标准化土壤湿度指数(SSI),阐明了黄河流域植被变化特征及对不同程度土壤水分亏缺的敏感性,并探究了影响敏感性的主导因素。结果表明:在植被生长季(4—10月),各月LAI整体呈显著增大趋势,其中植树造林重点区LAI的增大趋势最为显著;6—10月植被对土壤水分的敏感性高,1—3月、12月植被受土壤水分胁迫的敏感性高值区位于黄河上游,4—11月植被易受损失区域位于内蒙古东北部、宁夏和陕西北部;气温、潜在蒸散发和植被光合有效辐射吸收系数是影响植被对土壤水分响应的主要驱动因素。

考虑非一致性的黄土高原区旱涝复合事件的演变特征及其动态变化

受气候变化和人类活动的双重影响,传统水文序列的一致性假设受到破坏,在考虑非一致性的条件下探究相邻季节间旱涝复合事件的动态变化及主导因子,对区域的粮食安全与旱涝灾害防御意义重大。为探究非一致性条件下旱涝复合事件的动态演变特征及其主导因子,该研究以黄土高原为研究对象,基于广义可加模型拟合单季节标准化降水指数的边缘分布,构建二维Copula模型分析旱涝复合事件(中、重和极端情景下)的发生概率,并利用变量投影重要性准则探究复合事件动态变化的主导因子。结果表明:(1)1982—2015年间正常转旱、旱转正常、正常转涝和涝转正常事件分布广泛且发生频次较高(高于22次);(2)春-夏内蒙古持续干旱、夏-秋青海持续干旱、秋-冬宁夏持续干旱、冬-春山西持续干旱、夏-秋陕西持续洪涝、夏-秋甘肃持续洪涝事件的发生概率较大;(3)春-夏由旱转涝、夏-秋持续洪涝、秋冬由涝转旱、秋-冬持续干旱和冬-春季持续干旱事件的发生概率显著上升,对该区域社会经济与生态将产生不利影响;(4)复合事件发生概率动态变化的主导因素为北极涛动指数和太阳黑子指数。研究成果将为黄土高原地区旱涝复合事件的精准防御提供科技支撑。

考虑径流非一致性的水库分期旱限水位优化研究

【目的】分析变化环境下水文序列的非一致性,为龙羊峡水库分期旱限水位优化调度模型的建立提供参考。【方法】采用Mann-Kendall检验法、有序聚类分析法和水文序列振动中心重构法,对龙羊峡水库年径流序列进行一致性分析及修正,然后利用水库旱限水位分级和Fisher最优分割法,对径流序列修正前后不同干旱等级下的水库分期旱限水位进行确定,最后通过耦合分期旱限水位建立以缺水指数最小为目标函数的龙羊峡水库优化调度模型,对径流序列修正前后两种情况下的分期旱限水位进行对比研究。【结果】一致性检验发现,龙羊峡水库径流序列具有明显下降的趋势,并在1989年发生突变。经一致性修正后计算龙羊峡水库7-10月、11-12月、1-4月、5-6月4个分期的旱限水位,在轻旱条件下分别为2530.00,2534.91,2539.10和2535.13 m,中旱条件下分别为2530.00,2535.44,2539.80和2536.70 m,重旱条件下分别为2530.00,2535.87,2540.35和2537.89 m;特旱条件下分别为2530.00,2536.06,2540.58和2538.12 m。采用不同调度模型对龙羊峡水库进行优化调度,结果显示修正后的调度效果较好,其总缺水量、缺水指数相比修正前分别降低5.37%和6.03%,其中枯水时段平均缺水量降低了10.71%,缺水程度改善明显。【结论】非一致性径流对龙羊峡水库旱限水位的确定有一定影响,一致性修正后的径流使水库旱限水位的确定更加可靠,水库的抗旱能力得以提升,可为水库供水、抗旱应急管理决策提供参考。

耦合二次因子筛选和深度学习的径流预报研究

径流影响因子的有效筛选是径流预报研究的关键环节。然而影响径流的要素众多,且因子间存在复杂的相互作用。现有研究大都采用一次因子筛选的数值驱动模型,且研究结果表明输入因子在空间上存在数据冗余,导致预报效果不佳。基于此,以渭河流域为例,对比分析支持向量回归(SVR)与长短记忆网络模型(LSTM),并选出最优的预报模型为LSTM模型。采用主成分分析法与灰色关联度分析法对输入项进行二次筛选,形成主成分分析、灰色关联度分析法与长短记忆网络的耦合模型。结果表明:①LSTM的拟合精度高于SVR;②二次筛选输入项提升了预报精度,耦合模型的预报精度均优于单一模型,其中耦合模型相对单一模型的模型精度评价指标均有大幅度提升;③灰色系统关联分析耦合模型相比主成分耦合模型的纳什效率系数、确定性系数分别提升了0.13%、0.03%,观测值标准偏差比提升了42.9%。研究表明采用灰色关联度进行二次因子筛选,能够有效提高预报精度。

变化环境下降雨集中度的变异与驱动力探究

降雨的时空分布过于集中会诱发洪旱灾害。研究降雨集中度的变异及其驱动力有助于全面掌握降雨对变化环境的响应特征,为区域水资源的综合利用与灾害预警提供依据。以汉江流域为研究对象,选取月降雨集中度指数(CIM)和日降雨集中度指数(CID)表征降雨集中度,并采用Mann-Kendall趋势检验法与启发式分割算法对降雨集中度进行变异分析,利用交叉小波变换探究太阳黑子与大气环流异常因子对降雨集中度变化的影响。结果表明:①汉江流域CIM北大南小,呈不显著的下降趋势;CID东大西小,在6个站呈显著上升趋势;②流域部分站点CID发生突变,而CIM序列较为平稳,表明CID相比CIM对变化环境的响应更为敏感;③太阳黑子和大气环流异常因子对降雨集中度的变化有较强的影响,其中太阳黑子的影响最大,它通过影响大气环流异常因子间接影响汉江流域的降雨集中度。

三峡水库防洪作用与鄱阳湖流域洪灾分析

近期,长江中下游洪灾引发国内外网民和社会公众的重点关注和广泛热议,人们认为这是三峡水库不作为造成的。因此,客观、公正、科学地认识长江中下游洪灾,以及评价三峡水库的防洪作用,对稳定社会、人心具有重要现实意义。在介绍长江2020年7月三次编号洪水基础上,分析三峡水库调度过程及其对长江中下游流域的防洪作用与贡献;从气象、水文、地理和防洪标准等角度,揭示鄱阳湖流域洪灾发生的原因。结果表明,三峡水库有效调度了三次编号洪水,削减洪峰幅度为34%~46%,拦蓄洪量为25~88亿m 3,大大缓解了长江中下游防洪压力。鄱阳湖流域洪灾发生的主要原因:一是入梅提前,导致降雨集中强度大、范围广、持续时间长;二是部分支流堤防建设滞后、蓄滞洪区运用不合理,导致上游形成的洪水峰高量大且与鄱阳湖洪水发生遭遇,以及城市加速排洪至河道、中下游长时间处于高水位运行、鄱阳湖受其顶托作用而无法及时通过干流泄洪等。研究结果对正确认识三峡水库的防洪作用与长江中下游流域防洪减灾具有重要参考价值。

基于综合干旱指数的黄河流域干旱多变量概率特征研究

变化环境下,全面掌握干旱演变特征对流域水资源管理具有重要意义。基于黄河流域1952-2012年月降水和径流资料,采用Copula函数和综合干旱指数(MSDI)分析了干旱多属性概率特征及其动态变化,运用交叉小波变换,探究了太阳黑子、大气环流异常因子(AO、ENSO)和植被覆盖指数(NDVI)对黄河干旱的影响。结果表明:(1)MSDI综合了SPI和SRI的优势,能够系统全面地反映流域干旱情况;(2)流域上游和中游部分分区不仅容易受到干旱的侵扰,且干旱风险还在加剧;(3)太阳活动、AO、ENSO以及NDVI都对黄河流域干旱有影响,其中太阳活动不仅直接影响MSDI的变化,也通过影响AO和ENSO间接影响MSDI的变化。

变化环境下渭河流域农业干旱形成与发展过程的时空特征研究

本研究采用3个月尺度的标准化降水指数(SPI3)表征农业干旱,对渭河流域的农业干旱发展过程包括干旱发生、结束及其转化期和持续时间的演变特征进行了研究。此外,通过交叉小波探究了太阳黑子和大气环流异常因子与SPI3指数之间的相关性。结果表明:(1)渭河流域农业干旱发生和结束的偏好季节均为夏季;(2)渭河流域干旱持续时间、发生和结束的转化期的趋势变化并不明显;渭河流域平均干旱持续时间约为3.6个月,明显长于渭河流域的干旱发生转化期和结束转化期;(3)太阳黑子对于渭河流域农业干旱发展过程的影响最为强烈,厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)和北极涛动(AO)次之,太平洋10年涛动(PDO)最弱。研究结果有助于揭示农业干旱的形成机理,为建立可靠的农业干旱早期预警系统提供一定的科学依据。

基于标准化降水指数SPI的西江流域多尺度干旱特征及其驱动力分析

为了较为全面表征流域气象干旱的演变特征,本文基于西江流域33个气象站1960-2015年降雨资料,采用标准化降雨指数(SPI)作为干旱指标,分别从年尺度(SPI12)和季尺度(SPI3)两个方面,分析了西江流域地区干旱站次比、干旱频率、干旱趋势和驱动力。结果表明:1)流域各地年降水量分布差异较大,且从东南往西北方向呈明显的逐步减少趋势;2)流域气象干旱处于正常的概率最大,发生极端干旱的概率最小;年尺度(SPI12)表征的长期干旱发生频率高于季尺度(SPI3)表征的短期干旱发生频率;3)流域西北地区SPI序列呈现较为显著的下降趋势,气象干旱有加重的趋势;4)太阳黑子和部分大气环流异常因子对西江流域气象干旱的形成与演变有较大的影响,影响程度高低依次是太阳黑子、北极涛动和厄尔尼诺。研究成果对于评估西江流域干旱灾害的风险性、防旱减灾策略的制定具有一定的参考意义,为干旱的应对和防御提供科学依据。

渭河生态流域评估

生态流域是评估生态保护和高质量发展的重要手段之一,研究生态流域评估具有现实意义。以渭河陕西段为研究对象,基于水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理、水经济8个维度,初步构建了渭河陕西段生态流域评价指标体系,评估了现状渭河生态流域发展水平,并提出了建设渭河生态流域的建议。结果表明:渭河陕西段生态流域得分为75.6分,处于中等水平;其水安全保障度、水环境宜居度、水管理完善度为良好,水生态健康度、水文化繁荣度及水景观满足度为中等,水经济发达度为合格,水资源支撑度为不合格。因此,渭河流域需要将水资源和水经济两个维度作为突破口,加快生态文明建设,支撑黄河流域生态保护和高质量发展。

广义生态水利的内涵及其过程与维度

总结中国工程水利、环境水利、资源水利、生态水利发展沿革,分析国内外生态水利研究进展、发展趋势及其特点,指出生态水利是人类社会发展到生态文明时代水资源利用的一种新途径和方式,以尊重和维护生态环境为主旨,开发水利、发展经济,为人类社会可持续发展服务。阐述了广义生态水利的内涵、定义和发展模式及其过程和维度,并提出以下结论和观点:①生态水利将水资源和水循环调控作为重要生态要素,从流域生态系统能量交换、生物链接、结构平衡、循环转化全视角开展研究,探索既能满足人类社会需求,又能兼顾水生态系统健康和良性发展的生态水利措施和方法。②建立了水利工程“规划设计-建设管理-运行调度”全过程、全生命周期的工程安全和生态安全保障体系,特别是将生态调度纳入水利工程全“服役期”,其中“后坝工时代”实施全流域大尺度生态调度,是生态保护和恢复最有效的措施。③从“生态环境-社会经济-水循环调控”三个维度,在生态文明视野下的国土空间规划治理体系中,科学把控生态水利的空间定位,促进“三生空间”优化布局,保障“三生用水”合理配置,优化“三生关系”耦合协调,实现生态保护和高质量发展,推动生态水利事业创新发展。

渭河流域潜在蒸散发时空演变与驱动力量化分析

潜在蒸散发(ET_(0))是水文循环和能量循环的重要组成部分,揭示ET_(0)的时空演变特征及其对气候变化的响应,有助于进一步了解变化环境下水循环演变机理。该研究利用渭河流域16个气象站1960-2019年的逐日气象资料,基于FAO-56 Penman-Monteith(FAO-56 PM)公式计算ET_(0),采用线性倾向估计、趋势检验和插值方法对其时空变化特征进行分析,并基于敏感性分析和贡献率定量识别影响ET_(0)变化的主导因子。结果表明:1)年尺度上,渭河流域气压(0.04 k Pa/10a)和平均气温(0.30℃/10a)呈显著上升趋势,风速(-0.05 m/(s·10a))和日照时数(-18.79 h/10a)呈显著下降趋势,相对湿度(-0.32%/10a)呈不显著下降趋势;2)年ET_(0)以2.51 mm/10a的速率呈不显著上升趋势,除夏季外,其余季节ET_(0)呈上升趋势,其中春季ET_(0)呈显著上升趋势;空间上,年ET_(0)自东北向西南递减,变化范围为763.49~954.32 mm;3)年ET_(0)变化的主导因子为相对湿度与风速,贡献率分别为2.36和-2.32;季尺度上,春、秋季ET_(0)变化的主导因子为相对湿度,夏季为日照时数,而冬季为风速。研究结果可为区域制定合理的作物需水灌溉政策及实现水资源高效利用提供依据。

定量分解气候变化与人类活动对季节径流变异的贡献率

变化环境下径流序列可能发生变异。当前径流变异的贡献率分解研究多集中于年尺度,而对季节尺度的关注不足。以黄土高原典型流域——泾河流域为研究对象,应用小波分析方法揭示其季尺度径流序列的演变规律,采用有序聚类法和累积距平法对其径流序列进行变异诊断,最后采用累计斜率变化率比较法定量分解气候变化和人类活动对其四季径流变异的贡献率。结果表明:(1)泾河流域夏季和冬季径流的周期变化均在20世纪90年代左右有发生转变,均由小尺度周期变化转变为较大尺度周期变化;(2)春、夏、秋和冬季径流分别在1969年、1996年、1985年和1990年发生变异;(3)人类活动对春、夏、秋和冬季径流变异的贡献率分别为50.40%,89.69%,39.14%和84.59%,在夏季和冬季人类活动(主要是水土保持措施的不断深入)对泾河径流变异的贡献占主导地位,且干扰影响了径流的周期变化。

基于Copula函数的新型综合干旱指数构建与应用

干旱指数是研究干旱的重要工具,构建综合干旱指数是目前干旱监测、风险评估的前沿和趋势。本文基于阿基米德Copula函数,联合降雨(气象)、径流(水文)两种要素,构建了一种能够综合表征气象干旱和水文干旱的新型综合干旱指数MSDI_p,并用其表征渭河流域的干旱演变特征,且进一步对其背后的驱动力进行了探究。结果表明:(1)MSDI_p指数既能像标准化降水指数(SPI)一样敏锐地捕捉干旱的发生,也能像标准化径流指数(SRI)一样很好地刻画干旱的持续时间和结束,同时具备气象和水文两种干旱指数表征不同类型干旱的优势,能综合表征干旱演变特征;(2)受气候变化和人类活动影响,渭河流域过去50余年综合干旱呈显著增强趋势;(3)渭河流域综合干旱指数序列存在变异点(1994年),且未来流域干旱情势有加剧趋势;(4)太阳黑子和大气环流异常因子等对渭河流域综合干旱的发生有较大影响,其中太阳黑子活动的影响最强。且除直接影响外,太阳黑子还能通过影响大气环流异常因子进而对综合干旱的发生造成间接影响。

不同季节气象干旱向水文干旱的传播及其动态变化

研究变化环境下气象干旱向水文干旱的传播与影响机制,有利于揭示水文干旱的形成过程与机理,从而建立基于气象干旱的水文干旱预警。为揭示不同季节气象干旱向水文干旱的传播动态变化及其驱动因素,本研究以无定河、窟野河和沁河流域为研究区域,采用标准化降水指数(SPI)和标准化径流指数(SRI)分别表征气象干旱和水文干旱,分析气象、水文干旱的时程变化特征,计算不同季节气象干旱向水文干旱的传播时间,探究影响不同季节干旱传播的主要因子及物理机制。结果表明:(1)气象、水文干旱有加重的趋势,水文干旱对气象干旱的响应具有滞后关系;(2)除窟野河流域变慢外,研究区域不同季节干旱传播整体呈变快的趋势,表明这些区域水循环速率加快;(3)无定河和沁河流域传播时间加快与降水和气温不断变快有关;窟野河流域传播时间的变慢与煤炭开采和水库建造有关。

气象干旱到不同等级水文干旱的传播阈值——以沁河流域为例

系统量化气象干旱到不同等级水文干旱的传播阈值对水文干旱早期预警与精细化管理具有指导作用。本文以黄土高原沁河流域为例,采用标准化降水指数和标准化径流指数表征气象干旱、水文干旱,运用游程理论识别干旱事件,并对干旱事件进行合并、剔除及气象干旱与水文干旱事件的匹配,同时使用贝叶斯网络结合Copula函数构建模型求解气象干旱到不同等级水文干旱的传播阈值。结果表明:随着水文干旱等级的升高,气象干旱到水文干旱的传播阈值增大,在传播过程中气象干旱强度削弱;沁河流域引发中度、重度及极端水文干旱对应的气象干旱历时阈值分别为12.8月、21.8月、30.9月,烈度阈值分别为14.2、22.4、30.0;沁河流域耐旱能力强与流域气象及下垫面条件有关。

基于多种混合模型的径流预测研究

变化环境下径流的波动不断加大,给径流的精准预报带来新的挑战。基于“分解-合成”策略的混合径流预报模型来提高预报精度是当前研究的热点之一。以往研究聚焦在单一的混合预报模型而忽视了它们的适用性研究。基于此,以渭河流域为例,在优选多元线性回归(MLR)、人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)单一预报模型的基础上,分别基于经验模态分解(EMD)、集合经验模态分解(EEMD)和小波分解(WD)构建了多种混合模型,并融合了大气环流异常因子的信息。结果表明:(1)SVM模型预测精度高于ANN和MLR;(2)混合预测模型预测精度均高于单一模型,混合模型中WD-SVM的预测精度优于EMD-SVM和EEMD-SVM;(3)融合大气环流异常因子后WD-SVM模型预测精度最高,对极值预报精度的提高较为明显。

基于非参数法的气象-水文干旱风险评估及其动态演变探究

参数统计法广泛应用于水文频率分析。然而,与非参数核密度估计相比,当样本出现“多峰”时,其可能会导致参数估计值的分位点出现较为明显的偏差。基于此,本文以渭河流域为研究对象,基于降水和径流信息,采用非参数核密度估计法构建了综合干旱指数(NKMSDI)。采用Mann-Kendall法和启发式分割法分析了渭河流域综合干旱的演变规律;结合干旱风险因子(脆弱性、暴露度、恢复力)探究了其干旱风险的动态演变特征。结果表明:(1)提出的NKMSDI可综合表征气象—水文干旱状况,与其他方法构建的综合指数相比,其对干旱的表征结果更为可靠;(2)渭河流域干旱呈现显著加剧趋势,且NKMSDI序列存在变异点(1994年);(3)流域干旱风险呈现显著增大趋势,其中脆弱性增加,暴露度增加,恢复力减小。