1958-2022年黄河头道拐水文站水沙特征分析及预测

[目的]探究黄河头道拐水文站径流量与输沙量演变特征,为区域水资源合理规划提供理论依据。[方法]基于1958—2022年径流输沙数据,采用非参数检验方法与CEEMDAN法研究了头道拐水文站水沙趋势、突变及周期变化特征,并通过水沙月值数据构建Informer预测模型。[结果](1)年径流量与年输沙量的M-K统计量分别为-3.380,-5.067。年径流量和年输沙量分别于1986年、1968年和1986年发生突变,下降率分别为36%,44.38%和61.32%。(2)使用CEEMDAN法对径流量与输沙量年值序列进行分解后均得到3个IMF分量与1个RES分量,水沙序列的3个IMF分量平均周期分别为3.69 a,7.67 a,30 a和3.41 a,7.5 a,26 a;水沙月值序列经过分解后得到7个IMF分量,短周期为3.46月与3.61月,长周期为226.33月与184.50月,主导周期为7.25月和8.09月。(3)模型构建后发现径流的预测精度高于输沙,原因是输沙量受影响因素众多,变动幅度更大,较径流量预测难度大。[结论]黄河头道拐水文站水沙存在显著下降趋势,主要归因于降水影响,且序列突变节点与上游水库建成密切相关。

1960—2020年黄河、长江、珠江入海水沙通量演变特征

[目的]基于动态更新数据综合对比中国三大河流入海水沙通量的特征,为流域开发和管理提供依据。[方法]收集黄河(利津站)、长江(大通站)、珠江(高要站、石角站、博罗站)5个水文控制站1960—2020年实测数据,采用滑动平均法、Pettitt检验法、双累积曲线法以及小波变换分别对水沙通量的趋势性、变异性、周期性特征进行分析,采用交叉小波变换和小波相干谱探究径流量和泥沙量的共振周期与相干性。[结果]近60a黄河、长江、珠江入海水沙通量均发生了明显变化,黄河径流量和泥沙量在1986年突变减少,泥沙量在1997年二次突变减少;长江和珠江入海径流量未发生变异,泥沙量分别于1992,1999年突变减少。这三大河流入海水沙具有显著的年际和年代际周期特征,年代际共同演化周期分别集中于1980年以前、1990年以前和2000年以前。年际共同演化周期为5a,“丰—枯”转换频繁。交叉小波分析结果显示,黄河、长江和珠江的入海径流量和泥沙量在1965—1975年具有显著的1~3a的共振周期,以正相位演变为主。[结论]中国三大河流入海水沙具有显著的趋势性、变异性和周期性特征,可以据此进行的流域开发和管理更有效。

极端暴雨条件下北江重金属非点源污染负荷估算

为掌握极端水文气象条件下北江上游地区重金属通量及非点源贡献,以2012年6月25日北江最大暴雨径流过程为研究对象,采用通量计算和基流分割理论,估算了北江上游高桥断面在极端暴雨条件下的溶解态重金属(Pb、Zn、Cu和Cd)通量及基流和非点源负荷,比较分析了暴雨径流前后不同阶段溶解态重金属的输运总量及特点.结果表明:暴雨径流发生前、后30 d内,溶解态Pb、Zn、Cu和Cd的通量分别达到24.1、91.4、14.6和3.4 t.暴雨径流前、后的4个典型阶段中,以地表径流为主的全流域产流期(第Ⅱ阶段)污染负荷最重,Pb、Zn、Cu和Cd日均通量较洪水前(第Ⅰ阶段)分别增长了29.6、42.6、11.6和15.4倍.深层地下水产流期(第Ⅳ阶段)Zn、Cu和Cd的输运强度较洪水前均有所下降,降幅在3.6%～33.6%之间.基流重金属污染负荷比例仅占1.7%～9.9%,非点源污染负荷在90.1%～98.3%之间,洪峰期间(第Ⅱ阶段)非点源污染负荷所占比例在96.7%以上.

杭州市多环芳烃的干、湿沉降

多环芳烃(PAHs)是一类典型的持久性有机物,在各种环境介质广泛存在。为了研究干湿沉降对空气中PAHs的去除,采集了杭州市6个干沉降尘土样品、9个湿沉降雨水样品、5个湿沉降雪样品和6个地表径流样品,用高效液相色谱法(HPLC)测定了其中15种多环芳烃的浓度水平,比较了这些介质中PAHs的分布特点。结果表明,降尘中15种PAHs的总平均质量分数为4323ng·g-1;雨水、雪水和地表径流样品中15种PAHs的总平均质量浓度分别为558.4ng·L-1、765.1ng·L-1和576.3ng·L-1。地表径流、雨水、雪水和干沉降尘土4种样品中,都以4环PAHs为主,其次为3环PAHs。降雪比降雨对PAHs的去除效果更好,地表径流中PAHs主要来自雨水。根据杭州市大气降尘通量和降雨量,估算了PAHs的干湿沉降通量。杭州市辖区大气中每年PAHs的干湿沉降通量分别为1419.1kg和2689.8kg,湿沉降是PAHs去除的主要方式,约为干沉降去除总量的2倍。

黄河入海口水沙通量变化规律

根据利津站1950-2003年长系列的水、沙实测资料,运用统计分析方法对比分析研究了长系列及近期(1986-2003年)黄河入海口区水、沙通量的季节性变化、年际变化以及水、沙通量之间的关系。结果表明,①黄河入海口区的水沙通量有明显的季节性变化,其中沙通量的变化更为显著;②丰水年很少连续出现,枯水年有75%以连续两年的形式出现;③多沙年有连续几年出现1次的,也有连续2年或3年都出现的,少沙年基本上以连续形式出现,最多可达7年;④水沙通量间存在一定的相关性,其中细颗粒泥沙通量与水通量之间的相关性较弱。

基于SCS模型的跨界小流域物质通量估算——以东莞石马河流域为例

为研究无观察资料跨界小流域的降雨-径流过程,物质通量及生态补偿问题,采用SCS（Soil Conservation Service）模型计算东莞石马河流域的月径流量,通过分析不同断面水样化学指标并结合径流量,估算了2012年石马河主要物质通量以及不同行政区污染物贡献百分比.结果表明,石马河流域最大月径流量出现在2008年6月,为9.12×108m3,最小值为8.61×106m3;不同时期的流域水质污染类型差异显著,2012年2月的水样重金属Mn、Zn、Cu和Fe的浓度范围分别为0.38∽0.75、0.09∽0.49、n.d.∽0.09和0.55∽9.86mg/L,6和11月则受N和P的污染,TN和TP浓度范围分别为6.66∽30.05mg/L和0.05∽2.49mg/L;2012年石马河重金属、N和P通量为318.16、12029和203.35t;在3次调查中,行政区对石马河N和P贡献率为惠州（59.78%和45.22%）〉东莞（35.50%和38.92%）〉深圳（4.71%和15.86%）,重金属平均贡献率的排序为东莞（43.90%）〉惠州（42.57%）〉深圳（13.52%）.

中国大陆太平洋流域河流下泄水沙通量的变化

选择中国大陆太平洋流域主要的10条河流17个代表性站点,分析、插补各站年径流量和年输沙量数据,汇总得出1955-2007年53年的水沙通量系列数据,代表中国大陆太平洋流域河流总的下泄水沙通量。总体看,中国大陆太平洋流域河流总的水通量约为每年15 600亿m3/a,从时间序列来看,无明显趋势性变化;总的沙通量约为每年13.9亿t/a,从时间序列来看,呈明显的4级梯级下降,年输沙量从20.9亿t/a降至近年的5.8亿t/a。输海沙量的降低主要是水土保持、水利枢纽对水沙量的调节、灌溉引沙和气候变化等因素综合作用的结果。

长江磷和硅的输送通量

于1997年枯水期(11月～12月)和1998年丰水期(8月和10月),对长江流域从金沙江至河口干流和主要支流、湖泊各种形式的磷和硅酸盐进行了调查。长江干流枯、丰期颗粒磷和总磷浓度变化几乎是同步的,上游快速增加,中、下游下降且变化不大;溶解态磷和硅酸盐浓度变化较小。枯、丰期各种形式磷和硅酸盐通量从上游至中、下游呈增加趋势。枯水期长江各种形式磷和硅酸盐通量,大部分是由中、下游贡献的,其中一半以上来自于支流和湖泊。丰水期各种形式磷和硅酸盐的输送,仅上游支流贡献了一半以上的颗粒磷,其余大部分是由干流贡献的。颗粒磷所占的比例,上游高于中、下游,丰水期高于枯水期,干流高于支流,主要与悬浮泥沙含量有关,颗粒态磷是长江磷的主要贡献者。溶解态磷的输送通量,枯水期干流中有机磷略占优势,支流中有机和无机磷各占一半;丰水期均是无机磷占优势。长江水中各种形式磷和硅酸盐的输送通量和总磷、磷酸盐的输出通量主要受径流量所控制,特别是硅酸盐通量具有比磷更加明显的随径流而增加的特征。本文提出了长江各种形式磷和硅酸盐的输送通量方程式及总磷、磷酸盐的输出通量方程式。

近70年黄河入海水沙通量演变特征

基于黄河入海水沙控制站利津站1950-2018年实测水沙数据,采用5 a滑动平均法等方法对水沙通量的趋势性进行了研究,以滑动T检验、Mann-Kendall检验法等对水沙时间序列的变异性进行了分析,以小波变换、经验模态分解等方法对水沙通量的周期性进行了研究,同时以交叉小波变换和小波相干谱分析了径流和输沙的共振周期与相干性。结果表明:在最近70年内,黄河入海水沙通量呈现显著下降趋势,径流量和输沙量分别在1985年和1996年发生突变,入海径流量存在3~5 a、9~11 a,19~21 a的尺度周期,输沙量存在3~6 a,9~11 a,19~21 a的尺度周期。输沙和径流之间具有显著的正相位关系,在1960-1972年存在1~6 a的共振周期,并且两者低能量区关系远大于高能量区关系。研究成果可为黄河下游水资源管理、河口三角洲的生态治理以及侵蚀保护提供理论基础。

贵州典型岩溶流域水循环驱动的岩溶碳汇通量及其主控因素分析

利用高分辨率水文水化学自动记录仪,对地处湿润亚热带季风气候条件下的贵州省黔南峰丛洼地区的板寨和黄后,以及位于黔中高原面上丘原区的后寨3个岩溶流域进行了为期6年半(2007年5月至2013年10月)的连续监测。结合流域出口水中主要化学组分的野外滴定与室内分析实验,建立了水中碳酸氢根、钙和镁等主要离子与电导率之间的线性相关关系,进而获得了高时间分辨率的水中CO_2分压、方解石饱和指数和岩溶碳汇通量等指标。数据统计分析发现:(1)板寨、黄后和后寨岩溶流域的多年平均岩溶碳汇通量分别为29、33和39 t-CO_2km^(-2)·a^(-1);(2)岩溶流域出口水中碳酸氢根离子具有化学稳定性行为,流量是流域岩溶碳汇通量的主控因子。

鄱阳湖五河入湖水沙通量及典型断面形态变化特性分析

五河入湖水沙通量及河道形态变化对五河尾闾演变、湖区低枯水位、江湖关系等研究有重要意义。以1956—2018年实测资料为基础,利用Mann-Kendall检验法和河道特征对五河入湖水沙通量、典型断面形态变化特性及其影响因素进行了研究。结果表明:①五河入湖径流量总体呈小幅度减小态势,2003—2018年五河入湖平均径流量较1956—2002年减小5.3%;②除饶河外,入湖泥沙通量均有不同幅度的减小,其中赣江和信江大幅度减小,2003年后分别减少约72.3%和52.6%;③五河典型断面形态2014年前变化较大,断面多呈锯齿状;随后逐渐恢复正常;④水利枢纽工程、水土保持工程和人工采砂是影响五河入湖泥沙通量和河道形态的主要人为因素。

西江流域的有机碳侵蚀通量

在西江下游的马口水文站对径流进行了 4个季节的有机碳采样分析。研究表明 ,西江径流有机碳的断面构成在各个季节均较为一致 ;季节性变化表现为 ,有机碳和悬浮物含量随流量的增加而增加。随着水体悬浮物含量的增加 ,悬浮物的有机碳含量呈对数趋势降低。西江流域的有机碳侵蚀通量为 10 .18× 10 6gC/km2 ·yr.,是全球外流域有机碳侵蚀通量的 2～ 3倍 ,其中以颗粒有机碳的侵蚀通量为主 ,达到 8.30× 10 6gC/km2 ·yr.,溶解有机碳的侵蚀通量为 1.88× 10 6gC/km2 ·yr .。反映了流域内较强的机械剥蚀过程 ,这与西江流域典型的季风气候、较大的地形高差 ,以及农业耕作历史长久、土地利用强度较大等因素有关。

陕南后沟小流域泥沙与总氮随径流输移特征

以2011-2012年汛期野外降雨资料为基础,分析陕南后沟小流域泥沙和总氮(TN)随径流流失特征。研究结果表明,坡耕地、退耕地、菜地泥沙流失通量与径流量拟合方程采用S形曲线方程表达较为合适;果园采用线性函数反映两者之间的关系。坡耕地和菜地径流量与TN浓度采用倒数曲线表达,而果园和退耕地采用线性函数表达;汛期不同土地利用类型土壤流失通量顺序为:菜地(4 011.7kg/hm2)>坡耕地(1 720.0kg/hm2)>退耕地(1 606.3kg/hm2)>果园(776.3kg/hm2);径流中TN流失通量顺序为:菜地(15.29kg/hm2)>退耕地(7.20kg/hm2)>坡耕地(4.92kg/hm2)>果园(1.37kg/hm2)。2011-2012年汛期后沟小流域出口径流动能与泥沙量流失量采用线性函数和幂函数描述两者之间关系,而TN流失量与径流动能采用对数函数和幂函数表示。汛期末期阶段泥沙和TN流失风险最大。

不同坡度下玉米生长期紫色土坡面径流及其可溶性有机碳流失特征

为探明紫色土横垄坡面径流与可溶性有机碳流失对不同坡度的响应特征,通过径流小区和野外人工模拟降雨相结合的方法,探讨了不同坡度条件下玉米各生育期地表径流、壤中流及其可溶性有机碳(DOC)流失特征。结果表明:玉米各生育期同一降雨时间段地表径流量均表现为20°>15°>10°,壤中流径流量却表现为10°>15°>20°。不同坡度下,玉米生育期地表径流量大小总体表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期,壤中流量整体表现为抽雄期>拔节期>苗期>成熟期。玉米各生育期地表径流DOC质量浓度均表现为20°>15°>10°,不同坡度下玉米生育期地表径流DOC质量浓度表现为苗期>拔节期>成熟期>抽雄期。苗期、拔节期和成熟期壤中流DOC质量浓度大小表现为10°>15°>20°,不同坡度下玉米生育期壤中流DOC质量浓度的总体表现为苗期最大,抽雄期最小。玉米各生育期地表径流DOC迁移通量大小均表现为20°>15°>10°,不同坡度地表径流DOC迁移通量均表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期;玉米各生育期壤中流DOC迁移通量大小均表现为10°>15°>20°,不同坡度下壤中流DOC迁移通量与地表径流一致。研究结果可为不同坡度条件下玉米生长期坡面径流损失和有机碳流失调控提供理论依据。

不同来源水沙对黄河入海泥沙通量的影响

文中研究了黄河入海泥沙通量与流域上、中游不同来源区的水沙量之间的关系 ,并以年系列和洪水系列水文泥沙资料 ,建立了表达这一关系的经验统计模型。所建立的模型表明 ,来自不同来源区的泥沙 ,对于入海泥沙通量的影响是不同的。来自多沙细沙区的每 1t泥沙 ,输送入海的为 0 .85t(年系列 )和 0 .72t(洪水系列 ) ;而来自多沙粗沙区的每 1t泥沙 ,输送入海的仅为 0 .34t(年系列 )和 0 .2 1t(洪水系列 )。 70年代以来入海泥沙通量的减少 ,与多沙细沙区水土保持工作的开展有密切关系。将文中的模型与已建立的黄河流域水土保持减水、减沙模型相耦合 ,可以用来预测未来因人类活动和气候变化而使不同来源区的水沙进一步减少时 。

玉米苗期横垄坡面侵蚀产沙与有机碳流失特征

为揭示紫色土横垄坡面侵蚀产沙与有机碳流失对坡度的响应特征,通过人工模拟降雨和野外径流小区相结合的方法,探讨了不同坡度下玉米苗期径流、侵蚀泥沙及其有机碳流失特征。结果表明:玉米苗期不同坡度下地表径流量总体表现为降雨初期变化较为稳定,随降雨时间持续呈逐渐增加的趋势,而壤中流表现为10°坡度下,径流量在降雨初期变化不大,随降雨时间持续呈逐渐增大的趋势,15°和20°坡度下壤中流则表现为逐渐增加的变化趋势;不同坡度下侵蚀强度均表现为20°>15°>10°,且20°坡度下侵蚀强度显著高于10°和15°坡度;不同坡度下,地表径流总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)质量浓度随降雨时间延长呈逐渐降低趋势,有机碳质量浓度均表现为20°>15°>10°,而壤中流表现为先升高后降低的趋势,质量浓度表现为10°>15°>20°,且地表径流、壤中流TOC和DOC质量浓度相差不大;不同坡度下TOC和DOC迁移通量总体表现为壤中流大于地表径流,地表径流有机碳迁移通量则表现为20°>15°>10°,而壤中流迁移通量表现为10°>15°>20°,且径流DOC迁移通量占TOC迁移通量百分比高达90%;不同坡度下侵蚀泥沙中有机碳含量随坡度增大均呈减小趋势,且同一坡度下,泥沙有机碳含量随降雨时间的延长呈降低的趋势;侵蚀泥沙中有机碳富集明显,随坡度的增大富集比减小。因此,紫色土区坡耕地径流中有机碳主要以DOC的形式流失,壤中流为DOC迁移的主要方式。

基于流量衰减过程的岩溶地区水文地质参数推求方法

针对地质条件复杂的岩溶地区,可通过分析枯期流量衰减过程推求水文地质参数。基于Boussinesq方程构建了Brutsaert和Lopez方法与Mendoza等方法,分析了枯期流量衰减特征与水文地质参数之间的关系。以贵州岩溶地区后寨河流域为例,根据实测枯期流量过程资料推求渗透系数及含水层厚度。计算结果表明,两种方法推求后寨河流域水文地质参数有效可行,可供借鉴。

小浪底水库水沙调控影响下的黄河DIC输送特征

于2011年11月~2012年10月在黄河花园口水文站进行每月1次的周期性采样观测,并在2012年小浪底水库调水调沙期间在花园口站和小浪底站进行连续采样观测,分析了在小浪底水库水沙调控影响下黄河DIC的输送规律。结果表明,在小浪底水库正常调度期间花园口站DIC含量在24.4~31.6mg/L之间,平均26.8mg/L;并且有明显的季节变化,6~8月DIC含量明显高于其他月份。在小浪底水库调水调沙期间,花园口站DIC含量为30.2~38.5mg/L,并且表现为水库排沙阶段的DIC含量明显高于水库泄水阶段的DIC含量。花园口站全年DIC输送量为79.98万t;其中6月DIC输送量最大,约占全年DIC输送量的16.2%,2月DIC输送量最小,仅占全年DIC输送量的2.4%。

无实测资料河流环境容量核算中设计流量推求

水环境容量核算过程中,经常遇到小流域没有实测径流资料,或者有短期实测径流资料但又无法展延的情况,其设计流量只能通过间接途经来推求。文章以颖河流域为例,应用等值线图法、水文比拟法和径流系数法推算该流域的年径流量,相互验证和比较上述3种方法的推算结果,并将成果用于计算设计流量。结果表明,计算方法能满足水环境容量核算的精度要求。

澜沧江自然条件下输沙质量通量与体积径流量的关系

为了研究澜沧江水沙关系和提高利用体积径流量预测泥沙质量通量的准确性,以电站建设前1982—2000年澜沧江上游旧州站和中游戛旧站沙的质量浓度和体积径流量实测资料为研究对象,根据自然状态下泥沙质量通量和体积径流量变化幅度的差异,建立输沙质量通量导数与体积径流量的关系式.公式系数为流域系统属性的综合反映,表示平均体积径流量下输沙质量通量的变化率,公式指数表示体积径流量变化对输沙质量通量变化率的影响.根据上中游站的指数差异可知,泥沙质量通量除依赖上游来沙外还依赖沿程冲刷和支流入汇的补给.通过对输沙质量通量导数公式进行积分得出输沙质量通量与体积径流量的理论关系.结果表明,输沙质量通量峰值约落后体积径流量峰值1 d,据此优化反向传播神经网络(BP-NN),可以较好地改良优化前模型预测中的峰值偏移现象,提高预测精度.