新安江模型敏感参数动态变化规律研究

为了提高新安江模型在变化环境下的模拟精度,揭示模型参数动态变化规律,以淮河上游大坡岭流域为研究区构建分布式新安江模型,采用Spearman相关系数对比分析了模型敏感参数(KC、SM和CS)动态变化与环境因子(降水、气温和归一化植被指数)的变化关系,并建立了回归方程用于未来参数计算。结果表明:参数KC和SM的动态变化反映了研究区域的降水、气温和植被条件变化,而参数CS的动态变化仅反映了年降水总量变化;相较于静态参数,动态参数的模拟结果精度显著提高,径流深相对误差均值从21.3%降低到9.1%,纳什效率系数均值从0.75提高到0.81,动态参数比静态参数更适用于当前变化的环境。

疏勒河流域径流量和输沙量变化规律

[目的]探索疏勒河流域水沙变化特性,可为国家实施西部生态安全战略提供科学支撑。[方法]基于疏勒河流域昌马堡、潘家庄、党城湾3个水文站的实测径流量和输沙量序列资料,运用滑动平均、Mann-Kendall突变趋势检验和小波分析法等方法,分析了疏勒河流域径流量和输沙量变化规律。[结果]疏勒河流域年径流量和年输沙量均呈递增趋势,且输沙量增大趋势大于径流量,昌马堡、潘家庄、党城湾3个水文站径流量分别在1999年、2016年、1982年发生突变,昌马堡和潘家庄年输沙量突变均发生在1998年,党城湾输沙量没有突变;疏勒河流域3个代表站的径流量和输沙量都呈现出多时间尺度的演化特征,昌马堡径流量主周期为58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,输沙量主周期为48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,潘家庄径流量主周期为59 a,32 a,14 a,输沙量主周期为37 a,14 a,8 a和5 a,党城湾径流量主周期为42 a和5 a,输沙量主周期为16 a和8 a。[结论]疏勒河流域水沙总体呈递增趋势,且存在明显的周期变化,除党城湾的输沙量没有突变发生以外,其余站点水沙均有突变发生,同一水文站输沙量的突变的发生滞后于径流量的突变。

县域水资源均衡配置研究

以米易县为例,针对典型县域最严格水资源红线控制和自然-社会水循环系统特点,采用总体缺水率最小和分区空间均衡为目标函数,总量控制、供水能力、分质供水等为约束条件,并采用改进时间-空间两层精英策略的非支配遗传算法,构建分区独立供水和库群联调的通用水资源调度与配置(GWAS)模型,并进行参数率定与验证,得出相关系数R为0.85,Nash效率系数为0.73,区域水文模块模拟精度较好。方案模拟研究表明,无论是基准年还是规划年,相对于水库分区独立供水,考虑均衡系数的库群联调方案更具优势,分区供水综合缺水率差异更大,而库群联调中各乡镇缺水率大幅减少,缺水差异更小。库群联调方案的水资源配置公平性更好,空间上各单元间的水量分配配置满足度高,可基本实现在动态变化下的区域水资源供需平衡。

昆仑山北坡水资源科学考察初报

2021年10月首批启动了第三次新疆科学考察——“昆仑山北坡水资源开发潜力及利用途径科学考察”。结合多源遥感信息和2022—2023年野外科考工作,对昆仑山北坡的水文水资源变化和水资源利用进行了调查研究。结果表明:(1)1990—2020年,昆仑山北坡山区的气温、降水分别以0.14℃·(10a)^(-1)和6.53 mm·(10a)^(-1)幅度增加。(2)冰川变化相对稳定,积雪面积和积雪深度表现为略微增加。(3)永久性水体和季节性水体面积分别显著增加79.89%和144.49%。(4)东昆仑-库木库里盆地的阿牙克库木湖和阿其克库勒湖两大湖泊的水域面积分别增加了68.91%和58.22%,盆地内多条河流具备水资源开发潜力。(5)昆仑山北坡陆地水储量总体呈增加趋势,表现为从西向东增加趋势越加显著。(6)昆仑山北坡的主要河流和田河、克里雅河和车尔臣河年均径流量2010—2023年较1957—2023年分别增加了20.24%、27.85%和45.17%。(7)基于不同气候变化情景模拟预测至21世纪中后叶,主要河流径流量将保持上升态势,区域水资源量总体呈增加趋势。昆仑山北坡的水资源禀赋可为区域绿色高质量发展提供有利的水资源保障条件。

基于希尔伯特-黄变换与小波分析的降雨序列多时间尺度研究

[目的]对比分析不同方法在多尺度周期计算性能方面的差异,为区域水文周期分析方法的选择提供更多参考。[方法]利用2组已知周期和趋势特征的人工序列,对基于多元经验模态分解(Multivariate Empirical Mode Decomposition,MEMD)改进的希尔伯特—黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)与小波分析在多尺度周期计算性能差异上进行了测试、对比与分析;并在此基础上,使用改进的HHT(后称HHT)进一步分析了毛乌素沙地11个站点39年降雨序列的多时间尺度特征。[结果]对于人工序列,小波分析(对称延拓)结果偏大,与预设周期存在显著差异(Sig.=0.003<0.05);而HHT和小波分析(周期延拓)的周期结果与预设周期没有显著差异,且HHT精度(Sig.=0.142>0.05)要略高于周期延拓小波(Sig.=0.109>0.05)。对于实测降雨序列,HHT显示毛乌素沙地的降雨主周期存在明显区域差异:腹地站点降雨主周期为5.5 a,而边缘站点为2.7~3.3 a;分解后的残差分量表明了沙地降雨在时间上呈上升趋势,而空间上呈现由东到西逐渐减少的分布状态。[结论]HHT因其自适应性,无需考虑众多参数的选取,在保持精度的同时可以提取更多水文信息,在区域降雨序列多尺度分析上更具优势,因此具有重要的实际应用价值。

基于CMIP6气候模式和两种水文模型综合集成预估的黄河源区未来40年流量变化

基于两个共享社会经济低碳路径(SSP1-2.6、SSP2-4.5)下的CMIP6中的8个GCMs气候模式进行黄河源区2021—2060年平均气温和降水量预估。在此基础上,利用CMIP6中的8个GCMs气候模式分别驱动HBV、SWAT水文模型综合集成预估了黄河源区2021—2060年流量的年代际变化。结果表明:SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下,2021—2060年黄河源区呈暖湿化趋势,平均气温较基准期(1995—2014年)分别上升1.3℃、1.6℃,年降水量分别增加11.6%、11.5%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下2021—2060年黄河源区年平均流量分别增多8.6%、8.5%;两种情景下黄河源区21世纪各年代际流量均增加,其中21世纪20年代和30年代流量增幅小于40年代、50年代流量增幅。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区2021—2060年6—8月流量减幅在1%以下,而3—5月和9—12月流量增幅为0.1%~2.1%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区蓄水期(9—11月)极端丰水流量增加2.5%~2.7%,SSP1-2.6情景下黄河源区2021—2060年汛期(6—8月)极端丰水流量总体增加0.1%,SSP2-4.5情景下黄河源区汛期极端丰水流量减少1.3%,SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区枯水期(12至次年5月)极端丰水流量减少0.7%~1.0%;黄河源区汛期(SSP1-2.6和SSP2-4.5情景)及枯水期(SSP1-2.6情景)极端枯水流量较基准期增加0.8%~1.9%,两种情景下黄河源区蓄水期极端枯水流量减少1.8%~2.3%。

不同目标函数对新安江模型参数的敏感性和不确定性影响分析

目标函数的选择影响流域水文模型的参数率定结果。为深入探究不同目标函数对水文模型参数的敏感性和不确定性及径流模拟结果的影响,本文以福建省金溪池潭流域日径流模拟为例,采用SCEM-UA优化算法率定三水源新安江模型,选择纳什效率系数f_(1)、均方根误差f_(2)和Kling-Gupta效率系数f_(3)作为参数率定的目标函数,同时构建分别偏好f_(1)、f_(2)、f_(3)三者的组合多目标函数F_(1)、F_(2)和F_(3)共6个率定目标,比较不同率定目标下的径流模拟精度差异,采用Sobol全局敏感性分析方法定量对比分析不同目标函数下的新安江模型参数敏感性,最后基于GLUE方法分析丰枯水期和不同流量级别下的径流模拟不确定性。结果表明:(1)6个目标函数下,新安江模型的主要敏感参数识别结果一致;(2)F_(1),F_(2),F_(3)较单目标函数展现出更高的径流模拟精度;(3)在不同水文时期和不同流量级别下,f_(1)表现出较其他目标函数更高的覆盖率和较小的不确定性区间。不同目标函数下均呈现枯水期参数不确定性最小,且随流量级别的增大而径流模拟不确定性增加的规律。

气候变化对南水北调西线工程的影响及建议

南水北调工程是国家水网的重要组成部分,其西线工程建设是缓解我国西北、华北地区水资源短缺的重要举措。气候变化下西线工程引水区和受水区水资源情势直接关系到工程的规划建设与运行方式。基于历史实测资料和气候模式情景,采用数理统计与水文模拟相结合的途径分析了气候变化对南水北调西线工程引水区和受水区水资源的影响。结果表明:1)1961—2020年西线调水区和受水区气候变化以暖湿化为主要特征,调水区年径流量整体稳定略增,受水区年径流量显著性减少。2)未来中期(2035年)和远期(2050年),调水区和受水区气温继续显著升高,降水多呈非显著增加;未来中期、远期调水区年径流量较基准期(1961—2000年)分别增加1.42%和2.08%,受水区年径流量分别减少1.02%和0.28%。3)未来气候变化下,调水区年径流量相对稳定,能够满足调水需求,受水区年径流量略减,对跨流域调水需求有所增加。为确保南水北调西线工程的长期稳定运行,建议加强气候变化及其影响的不确定性研究,制定科学合理的应对措施,以应对未来可能的水资源短缺的挑战。

60多年来车尔臣河流域主要水文要素特征分析

开展河流主要水文要素变化特征分析,可为不同来水情景下水资源配置(农业需水量计算、山区水库调蓄计算、水利工程规划布局、水资源优化利用等)提供理论依据。以新疆车尔臣河为例,采用Mann-Kendall趋势检验、小波分析等方法对主要水文要素变化特征进行了分析。车尔臣河径流系列变差系数(Cv)为0.34,偏差系数(Cs)为1.14,径流年际变化相对稳定;1957—2021年间径流整体呈显著增加趋势,其中1957—2003年处于上升、下降的波动状态,在2003年后径流整体呈增加趋势,且在2008年发生突变;径流过程存在11 a和19 a的显著主周期,在主周期内还存在7 a和11 a的小周期;基于距平百分率法得到丰水年来水为6.630亿m^(3),平水年来水量为5.319亿m^(3),枯水年来水量为4.820亿m^(3);流域降水呈现显著上升趋势,气温呈先下降后上升波动,整体呈上升趋势。研究表明,1957—2021年,在车尔臣河流域,径流年际变化相对稳定,整体呈显著增加趋势,过程存在11 a和19 a的显著主周期,降水呈波动上升趋势,气温也呈增加趋势,在未来水资源配置规划时应重点关注以上特征。

长江安徽段江湖连通性及生物通道恢复研究

江湖阻隔是导致长江中下游江湖复合生态系统衰退的最主要原因,江湖连通和生物通道恢复是流域生态修复的重要措施之一。通过现场调查等方法研究了华阳河湖群、菜子湖、升金湖和安庆西江古道等与长江干流的阻隔现状及连通性特征,在此基础上探讨了技术和管理层面存在的问题并提出对策建议。结果发现:依托涉水工程建设开展恢复河湖生物通道的做法可以有效缓解江湖复合生态系统的衰退,尤其是以“过鱼设施建设、季节性灌江纳苗、生态水网建设”相结合的生物通道恢复方案具有技术可行性。相关成果可为长江中下游江湖连通性及生物通道恢复、国家水网建设提供有益的参考。

考虑植被根系深度动态变化的VIC径流模拟模型

为了提高干旱半干旱地区植被变化影响下的水文模型模拟精度,结合植物根系的垂直分布与气候、土壤条件,提出了基于流域气象和土壤性质等下垫面特征的流域根系平均深度估算方法,以黄土高原地区无定河流域为例,构建了考虑植被根系深度动态变化的可变下渗容量(VIC)径流模拟模型(VIC-DR模型)。将该模型径流模拟结果与有汇流演算的VIC模型(VIC-R模型)结果进行比较。结果表明:与VIC-R模型相比,VIC-DR模型模拟精度显著提高,VIC-DR模型对无定河流域月尺度、日尺度径流量模拟结果的纳什效率系数分别提高了10.6%和8.7%,相对误差分别下降了15.4%和5.1%,与实测值相关系数均大于0.6;VIC-DR模型的模拟结果符合流域实际情况,模型适用性良好。

南方主要河流水沙变化及人类活动的影响

为了解我国南方河流的水沙变化及主要成因,利用Mann-Kendall检验法和水文量累积曲线法,分析了南方主要河流代表站径流量和输沙量的变化特征,探讨了影响南方河流水沙变化的主要因素。结果表明,长江、珠江、钱塘江和闽江等南方河流代表站年径流量都没有显著的变化态势;除钱塘江代表站外年输沙量都有显著减少趋势;钱塘江2016—2020年为平水平沙期,2011—2020年为平水多沙期,其他河流2016—2020年和2011—2020年均为平水少沙期;影响南方河流水沙变化的人类活动包括水库拦沙、水土保持措施、河道采砂、流域过度建设等,其中水库拦沙是南方河流减沙的主要措施,水土保持措施在南方河流减沙过程中发挥了重要作用,河道采砂对河道减沙也发挥了一定的作用。

不同面积蒸发池水温特征及Penman模型改进

分析蒸发池水温特征可深入认识蒸发池能量平衡特性,研究Penman模型计算误差来源并改进,对农业计划、水源评估和水文预报具有重要意义。基于太谷均衡实验站3个不同面积蒸发池的水温、蒸发量及气象数据,分析各蒸发池的垂向水温分布和蒸发量的变化特征,基于Penman模型探究适合3个蒸发池的模型参数。结果表明:1 m^(2)和5 m^(2)蒸发池4—8月水温随水深增加而显著降低,20 m^(2)蒸发池各月水温分布均比较均匀,且水温更高;1 m^(2)和5 m^(2)蒸发池各月蒸发量相近,与净辐射变化趋势一致,20 m^(2)蒸发池蒸发峰值滞后于净辐射峰值3个月;Penman模型中加入反映除净辐射外能量的综合影响参数可提高模型计算精度,夏季尤为明显,1、5、20 m^(2)蒸发池夏季的参数值分别为3.5、3.3和2.1。

基于SPEI的洮河流域气象干旱时空特征分析

基于洮河流域1976—2020年逐月的气温和降水量资料,计算了季尺度和年尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI),采用时间序列平稳性检验法和干旱频率法定量分析了季尺度和年尺度不同等级气象干旱频率的变化规律及空间分布特征,采用云模型分析了年尺度气象干旱时空分布的随机性与稳定性。结果表明:在季尺度上,四季的干旱频率都在30%左右,干旱主要发生在春冬两季;在年尺度上,流域以轻旱、中旱为主,轻旱、中旱发生频率高,重旱、特旱发生频率偏低,总体偏干旱;在空间分布上,干旱主要发生在流域的中下游区域;1976—2020年流域干旱化程度有所减弱,干旱化趋势稳定,干旱化程度波动较小。

近60a黄河上游流域不同强度降水及大气湿润指数变化的新特征

深入研究黄河上游流域降水及大气湿润度旨在为其生态环境保护提供科学依据。选用1961-2020年黄河上游流域36个测站降水、气压、气温、风速、相对湿度等资料,采用最小二乘法、Mann-Kendall突变检验和相关分析等方法,分析了黄河上游流域近60 a不同强度降水量、雨日及大气湿润指数的变化特征。结果表明:(1)黄河上游流域年降水量总体呈现西南多、东北少的特征,近60 a以4.9 mm·(10a)^(-1)的速度增加,尤以夏季增加最显著。(2)除小雨雨日减少外,小雨雨量、中雨雨日、雨量及大-暴雨雨日、雨量均呈增加趋势,其中产流区夏季中雨雨量增加最为显著。(3)黄河上游流域各区域湿润指数均呈现一致的下降趋势,其中源头区下降最多,其突变发生在1989年。(4)随着气候变暖,黄河上游流域潜在蒸散量增加的速率比降水增加的速率大,进而造成空气中水分散失增加,大气湿润度下降,对植被生长的潜在风险增加。

广东省主要江河68年径流量年际变化特征分析

基于广东省西江、北江、东江、韩江、鉴江等5条主要江河1956—2023年共68 a的径流量资料,分析了径流量的基本特征和趋势性、自相关性、随机性和空间相关性等变化特性。结果表明,5条江河径流量的年际变化总体较大;西江的平水年较多,而其他江河的特丰年和特枯年较多;5条江河径流量的年际变化趋势性不明显,北江、鉴江、西江呈不显著上升趋势,东江、韩江呈不显著下降趋势;径流量序列的年际自相关性很低,接近于纯随机性,旱涝切换的规律性不强;西江与其他4条江河的年径流量序列的互相关性较弱,互补性较强;北江、东江和韩江的年径流量序列的互相关性较强,同丰同枯现象明显;鉴江的年径流量序列与其他江河的互相关性也较弱。

气候变化对车尔臣河地表水资源量的影响分析

为研究气候变化对河流地表水资源量的影响,以车尔臣河为例,对其气温、降水、蒸发与径流进行分析研究。研究表明,随着气温的升高,径流量也随之增加,但降水没有明显增加,这主要是由于气温逐年升高、冰川积雪融水增多所致。车尔臣河作为南疆典型内陆河流,对区域经济社会发展起着举足轻重的作用,尤其是在全球气候变暖背景下,分析气候变化对地表水资源量的影响,为区域水资源合理开发利用提供参考,具有重要的现实指导意义。

多策略融合改进的沙猫优化算法及其在非线性马斯京根模型参数估计中的应用

针对广义非线性马斯京根模型在河道洪水演进中参数估计精度低及易陷入局部最优解的问题,文章提出一种多策略融合改进的沙猫优化算法(MSCSO),以提高洪水演算的精准程度。首先,利用Logistic混沌映射等策略提升原算法寻优能力;其次,通过与沙猫优化算法(SCSO)、灰狼优化算法(GWO)及正余弦优化算法(SCA)对比,验证MSCSO在寻优性能上的优势;最后,将其应用于广义非线性马斯京根模型参数优化。实验结果表明:MSCSO算法有效提升模型精度,具有广泛的应用前景。

基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法

为了科学评估自然-社会系统影响下非平稳水文干旱,考虑气候变化(降水、气温)和人类活动(取用水、水库)四元要素的影响,通过基于四元驱动的GAMLSS模型构建非平稳标准化径流指数(NSRI),提出了基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法。黄河流域非平稳水文干旱实例评估结果表明:黄河流域花园口站径流序列呈现出明显的非平稳特征,径流量1961—2020年发生显著下降,并在1990年发生突变;基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法能够更好地对径流数据进行非平稳概率分布拟合;对于历史干旱事件的识别,NSRI识别的干旱过程与实际更加接近,NSRI比标准化径流指数(SRI)识别效果更好,可以更好地反映变化环境下的水文干旱演变趋势。

河流分类分级分段及河流形态学研究进展

河流分类、河流分级及干流河道分段合称为河流三分(分类·分级·分段);基于河流三要素(流域-水系-干流河道)和河流三分-河流形态学-河流学体系,开展了河流三分理论研究及实践应用、河流形态学再构建以及河流形态定性特性与定量因子指标辨识。主要成果结论包括:①优化了独立与非独立河流分类、河流分级Horton法改进、河流5区分段等方法,完善了河流界定拓展、河流平等与分级、干流河道“层次分段”等新理论,总结了世界大江大河及长江河流三分实践应用;②河流形态学研究河流现状及恒常形态,包括以河流三分为基石的河流三要素特性研究和以干流河道平面-剖面-断面形态为核心的河谷-河床-河道形态研究;③定性辨识了河流形态15项殊相特性与共相原则(包括复合流域水系、复杂干流河道等形态特性,干流河道优先、河流湖泊统一、干流河道唯一、侵蚀基面统一等新增原则);④定量辨识了河流形态4类因子指标,双指标3种相关关系(并行-从属-或然)与3类组合模式(物理-化学-生物)以及三因子4类及9种相关模式(均衡线型-瓶颈线型-三角形-金字塔-均分圆-同心圆-同切圆-交叉圆-三角圆)。倡导“河流学-长江学-水科学”学科范式,积极践行“治河·治江·治水”理念。