气候与土地利用变化对涟水流域径流的影响

以涟水流域为研究对象,选用1990年、2000年、2010年三期土地利用数据资料,将1985-2014年30 a气象条件相应划分为1985-1994年、1995-2004年、2005-2014年三段气象背景时期,并组合细分为7种模拟情景,应用SWAT分布式水文模型模拟不同情景下的径流量,探讨气候和土地利用变化对流域径流的影响。利用PSO粒子群优化算法,以克林效率系数KGE为目标函数,通过湘乡站实测径流数据校准模型参数。运用p-factor、r-factor评价模拟的不确定性,采用相关系数R2、纳什效率系数NS和偏差百分比PBIAS评价模型模拟效果,评价结果表明不同土地利用情景下,校准期和验证期的模拟效果均达到可信程度,模拟的不确定性较小。组合情景间模拟分析结果表明,1985-2014年30 a间,气候变化使涟水流域径流不断减少,土地利用变化使径流有所增加,年径流深总体呈现下降趋势。气候变化对涟水流域径流变化的影响贡献率在逐渐上升,从71.4%上升到了86.3%。土地利用变化对径流变化的影响贡献率则相应下降,从28.6%降低至13.7%。因此,在气候变化背景下,科学管理流域水资源还需要充分考虑流域土地资源空间配置结构和利用方式。

几种降雨侵蚀力模型在潋水河流域的对比研究

在分析江西兴国县潋水河流域东村水文站1967～2005年逐日降雨资料的基础上,利用国内外常用的6种降雨侵蚀力计算模型,即周伏建等(A)、章文波等(B)、吴素业(C)、史志华等(D)、Wischmeier等(E)和CREAMS(F)模型,分别计算其降雨侵蚀力大小。用有效系数和相对偏差对各模型的计算结果进行了分析。结果表明:模型C比较理想,在计算降雨侵蚀力时具有较高的有效系数(0.97)和较低的相对偏差(0.073)。月雨量模型(A、C、E)与日雨量模型(B、D、F)相比,具有较高的有效系数和较低的相对偏差,说明月雨量模型要优于日雨量模型。从趋势系数来看,这两类模型的趋势系数均值分别为0.058和0.196,均为正值,说明39年来潋水河流域年降雨侵蚀力的年际变化呈增加趋势;后者高于前者,说明用日雨量模型计算的年R值,其增加趋势高于月雨量模型。

不同监测方法对土壤侵蚀监测结果的影响——以江西省潋水河流域为例

分析土壤侵蚀监测的尺度大小问题,认为在南方红壤区,区域尺度面积范围在500 km2以上较为合理,属于土壤侵蚀宏观监测范畴。将人机交互目视解译法、RUSLE模型法和流域卡口站观测法3种方法应用于江西省兴国县潋水河中尺度流域内,进行土壤侵蚀监测及对比。结果表明:用人机交互目视解译法监测的2000年土壤侵蚀量最大,约是流域卡口站观测结果的6.2倍,约是模型法监测结果的1.9倍,差异很大。其主要原因是流域卡口站观测法只观测了悬移质输沙量,推移质输沙量无法观测。此外,利用模型法,不同比例尺DEM对监测结果影响很大,其差异主要体现在土壤侵蚀强度为轻度和微度级别上。在分析不同监测方法对土壤侵蚀监测结果差异的基础上,对我国今后土壤侵蚀宏观监测工作提出了建议。

南方红壤区潋水流域降雨侵蚀力时空特征

降雨侵蚀力(R)反映降雨引起土壤侵蚀的潜在能力,是进行土壤侵蚀预测预报及科学布置水土保持措施的重要依据。本文以南方红壤区典型流域——赣江上游潋水流域2000—2016年4个雨量站的降雨资料为基础,采用月雨量模型计算降雨侵蚀力,并采用统计学方法及Arc GIS空间分析技术对其时空特征进行分析。结果表明:1)流域的多年平均R值为5 899.0 MJ·mm/(hm2·h·a),最大值为10 306.9 MJ·mm/(hm2·h·a)(2015年),最小值为2 387.1 MJ·mm/(hm2·h·a)(2003年),各站R值年际间变化无显著差异。2)研究期内流域各雨量站R值的统计值M均为正数,流域面临着不同程度的水土流失潜在危机。3)R值和降雨量年内变化趋势一致,均表现为单峰型,集中分布在3—8月,约占R值全年的80.92%;最大值出现在6月,约占全年R值的23.8%。4)各站点年均R值分布范围为1 904.12~10 841.48 MJ·mm/(hm2·h·a),空间上表现为从流域的东北部向西南部呈逐渐增加的趋势。潋水流域降雨侵蚀力的年内分布、年际变化特征与降雨量时空分布基本一致,时空特征除与降雨量分布密切相关外,还与降雨格局等因素有关。

基于SWAT的涟水河上游流域非点源污染模拟

以涟水河娄底水文站上游流域为研究区域,应用SWAT模型对该区域的径流、泥沙及非点源氨氮、总磷污染负荷进行模拟计算.将1998年设置为模型启动期,即"模型预热",利用娄底水文站1999～2002年的实测月径流、氨氮及总磷的实测数据进行模型参数确定,运用2003～2005年实测的月径流、氨氮及总磷数据对调参后的模型进行模型验证,验证结果表明模型基本合理可行,可用于涟水河上游流域的非点源污染模拟计算.运用率定后的模型,去除点源污染,重新进行模拟得到最终的非点源污染氨氮、总磷.根据模拟结果对该区域的径流、泥沙、氨氮及总磷污染负荷的时空分布特点进行了分析,为涟水河娄底水文站上游流域非点源污染的综合防治规划提供了参考和依据.

SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分——以濂水流域为例

本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.

涟水流域水产出服务供需分析与服务流研究

水产出服务的供需的定量评估与空间制图是当前研究的核心与前沿议题,但是需要进一步加强人类需求与自然过程的时空关联分析和服务流模拟之间的耦合。以涟水流域为研究区,基于ArcGIS和In VEST模型,利用多源数据构建了水产出服务供需平衡与空间流动模型,从子流域尺度探究了涟水流域水产出服务的供需空间匹配特征与流动规律,对流域供给区与受益区的之间的流动进行了明确。研究结果表明:(1)2000-2015年涟水流域水产出服务的供给量总体上呈现增加的趋势,水需求量则逐年增多,供需差额不断扩大,四个年份的水资源安全指数平均值仅为-0.52。(2)涟水流域水产出服务的供给与需求在空间分布上呈现显著的不匹配特征,尤其是湘乡市、娄星区、双峰县等区域水资源供需矛盾突出。(3)明确了流域内四个主要受益区域的空间范围及其相应的流动量。提出的评估模型和获得的研究成果,为实现涟水流域水资源的合理配置,确保流域用水安全,进行流域水生态补偿和综合管理提供科学依据,实现社会-经济-生态的可持续发展。

中小流域水库群智能调度与决策支持系统设计与开发

随着我国大江大河防洪工程体系日益完善,中小流域的洪涝灾害防治成为当前防洪工作的重点内容之一。以涟水流域为例,针对中小流域的水文特性、水文预报及洪水调度的现实需求,在耦合精细化降雨预报的基础上,综合应用分布式水文模型、水库调度模型开发了一套中小流域水库群智能调度与决策支持系统。该系统结合互联网、WebGIS、水利模型、倾斜摄影测量、三维虚拟现实等技术,采用J2EE开发框架,基于SpringBoot进行前后端分离开发和Restful服务接口开发,实现了良好的SOA服务式架构,采用ElementUI、EChart、Maptalks等实现人机交互展示界面。

赣江上游潋水流域径流变化特征及其驱动力分析

基于赣江上游潋水流域东村水文站1980~2010年的逐月、逐年降水和径流数据,结合M-K趋势检验、累积距平法和双累积曲线法系统分析了潋水流域降水量和径流量的年内分布特征、年际变化趋势及其突变点以及流域径流量变化的主要驱动因子.结果表明:潋水流域多年平均降水量和径流量分别为1604.8mm和6.53×10^(8)m^(3),降水量和径流量在年内均呈单峰型,主要集中在3~8月,分别占年降水总量和年径流总量的72.43%和75.93%;受人类活动的影响,虽然流域降水量在年际间呈不显著的波动增加趋势,但径流量呈不显著的波动减小趋势,且径流量在1984、1991和2002年发生突变;径流的年际变化受降水和人类活动的共同影响,降水的影响由59.05%下降到45.45%,人类活动的影响又由40.95%增加到了54.55%,表明水土流失治理初期流域径流变化主要受降水的影响,而随着植被的恢复,人类活动的影响越来越大.研究结果可为赣江上游流域水土流失的治理及水资源的合理利用提供理论和实践依据.

湖南涟水流域鱼类多样性研究

为厘清涟水流域鱼类多样性空间变化,2020年10—11月采用刺网和地笼相结合方式调查涟水流域鱼类资源。共采集鱼类47种,隶属5目14科36属,其中鲤形目鱼类种数最多,占总种数的76.6%。涟水流域鱼类Shannon-Wiener多样性指数、Maggalef丰富度指数和Pielou均匀度指数分别为0~1.55、0~2.65和0.2~0.96。样点间鱼类群落相似性总体上处于极不相似水平,鱼类群落空间异质性明显。涟水干流上游、水府庙回水区和侧水为鱼类多样性高值区域,应作为敏感区域优先保护。

气候变化对涟水流域蓝水绿水资源的影响

利用SWAT分布式水文模型模拟分析1996~2015年过去20 a及2020~2079年未来60 a长期气候变化背景下涟水流域蓝水绿水资源的时空分布变化特征。将气候变化划分为1996~2015年、2020~2049年、2050~2079年三段气象背景时期,选用Had GEM2-AO大气模式的RCP2.6、RCP4.5、RCP6、RCP8.5四种典型浓度路径作为未来时期的气象输入条件,并细分为9种气候变化情景。运用PSO粒子群优化算法,以KGE克林效率系数为目标函数,采用湘乡站实测径流量及MOD16蒸散发数据并行校准模型参数,通过p-factor、r-factor、R2、NSE和PBIAS评价模型模拟效果和不确定性,评价结果表明校准期及验证期蓝水绿水模拟均达到可信程度。情景分析结果表明,对比1996~2015年、2020~2049年、2050~2079年三段气候背景时期,在各RCP浓度路径下蓝水均呈现了不同程度的下降趋势,大约降低了1.4%~17.3%,绿水流均表现出一定的上升趋势,约增长3.5%~12.4%,绿水蓄量则在持续降低,大致下降了7.8%~19.7%,即使将95PPU模拟不确定性范围考虑进来,绿水流的增长趋势也较为明显。因此,将绿水资源纳入涟水流域未来水资源评价体系,实现蓝水绿水综合规划管理具有实际意义。

流域绿水管理博弈建模及应用分析

绿水资源表示水循环通过降水渗透入土壤非饱和层并由植物蒸腾或土壤蒸发返回大气层的水汽,是农业作物生产的重要基础,但是通常被传统流域水资源管理所忽视。基于流域水量平衡和蓝水绿水综合思维,将绿水资源纳入流域水资源管理体系。在绿水信贷理念和博弈建模分析框架下,结合SWAT分布式水文模型、多目标优化及情景比较分析,利用绿水管理措施合理优化配置流域蓝水绿水资源,采用绿水生态补偿协调处理上下游利益冲突的博弈问题,探索性地提出了流域绿水管理博弈框架。该框架通过博弈建模可以识别分析流域绿水管理问题的博弈空间、博弈结构和纳什均衡等博弈特征;通过合作博弈约束条件改进的多目标优化,可以计算流域绿水管理情景的绿水补偿标准和帕累托最优收益。将建立的绿水管理博弈框架应用于涟水流域实例研究,NSE、R^2、PBIAS、p-factor与r-factor等模拟效果评价和不确定性分析结果表明,涟水流域SWAT分布式水文模型的蓝水绿水模拟均达到可信程度。上下游收益变化、绿水补偿标准与帕累托最优解集等博弈分析结果显示,涟水流域整体社会经济与生态环境收益明显改善,其帕累托最优收益平均增长2. 72亿元/a,年均绿水补偿标准折合1. 94元/m^3、1 253. 7元/hm^2。实例分析表明提出的绿水管理博弈框架在涟水流域具有较好的适用性和可行性。因此,该方法可以为流域蓝水绿水管理试点研究及其绿水补偿标准核定提供相关理论依据和技术参考,具有一定程度的的应用价值和现实意义。