秃尾河流域河川径流组分变化及归因分析

[目的]探究秃尾河流域河川径流组分和基流指数(BFI)的变化特征,阐明环境因子对其变化的影响,识别主导因子,为流域水资源管理提供科学依据。[方法]以黄河中游的秃尾河流域为研究区,分析了1958—2017年流域地表径流、基流和基流指数(BFI)的变化,并通过相关性分析、弹性系数等方法定性定量分析了环境因子对它们的影响。[结果]地表径流和基流分别以4.55,9.73 mm/10 a的速度显著下降(p<0.01),BFI呈显著上升趋势(p<0.05)。地表径流(或基流、BFI)对潜在蒸散发、归一化植被指数(NDVI)和土壤含水量的变化高度敏感。NDVI和潜在蒸散发是导致地表径流(-34%,-29%)、基流(-39%,-29%)和BFI(33%,31%)变化的主要原因。[结论]植被恢复的直接及潜在水文效应对于河川径流组分减少发挥着重要作用。河川径流组分变化及其与环境变化之间的关系可为水资源和植被的可持续性提供理论依据。

基于WEP-QTP的长江源区径流组分变化及驱动机制

为研究气候变化条件下高原寒区径流演变规律,利用WEP-QTP模型模拟了1956~2020年长江源区水循环过程,分析了长江源区径流及其组分演变规律,并基于多因素归因分析方法定量分析了径流变化的驱动机制。结果表明:1956~2020年长江源区径流组分中降雨径流、融雪径流及融冰径流占比分别为79.4%,17.2%和3.4%。对比基准期(1956~1998年)与变化期(1999~2020年),气候影响下径流变化量为21.4亿m^(3),气温和降水对径流增加的贡献率分别为-8.4%和108.4%。对径流组分进行分析,气候影响下降雨径流变化量为24.8亿m^(3),气温和降水对降雨径流增加的贡献率分别为36.2%和63.8%;气候影响下融雪径流变化量为-3.1亿m^(3),气温和降水对融雪径流减少的贡献率分别为348.1%和-248.1%;气候影响下融冰径流变化量为-0.3亿m^(3),气温和降水对融冰径流减少的贡献率分别为-21.5%和121.5%。对径流及其组分逐月过程进行分析,气候变化对径流及其组分的影响主要集中在6~10月。

长江黄河源区不同径流组分变化及成因分析

长江源区和黄河源区地处青藏高原腹地,是全球气候变化的敏感区,其区域内不同径流组分受到气候变化的强烈影响,径流组分的变化尤其是高流量的变化可能会对流域生态和人类生产活动造成一系列的影响。为探究长江源区和黄河源区不同径流组分变化特征及其变化原因,在长江源区和黄河源区多年径流和气象数据的基础上,利用流量历时曲线Flow Duration Curve(FDC)、Mann-Kendall(M-K)法和多元线性回归等多种方法进行了相关研究。研究结果表明:(1)长江源区高流量(Q_(10)~Q_(30))、中流量(Q_(40)~Q_(60))和低流量(Q_(70)~Q_(90))在1964-2021年期间分别以4.68、2.18和0.38 m^(3)/(s·a)的速率增加;黄河源区高流量与总流量在1962-2021年期间变化趋势一致,分别以1.99和0.16 m^(3)/(s·a)的速率减小,但其中流量和低流量分别以0.12和0.68 m^(3)/(s·a)的速率增加。(2)在1979-2018年期间,降水增加是导致长江源区高流量和中流量增加的主要原因,其对高流量和中流量变化的贡献率分别为92.93%和71.17%;气温上升则是导致长江源区低流量增加的主要原因,其对低流量变化的贡献率达77.72%。(3)在1979-2018年期间,气温上升是导致黄河源区高流量和中流量减小的主要原因,其对高流量和中流量变化的贡献率分别为-58.79%和-53.98%;降水增加是导致黄河源区低流量增加的主要原因,其对低流量的贡献率为67.11%。研究可为气候变化背景下长江黄河源区水资源管理及生态环境保护提供一定的参考。

天山山区典型内陆河流域径流组分特征分析

通过对天山南北坡的两个典型流域降水、地下水、河流、融冰雪水δD和δ18O及水化学检测,基于同位素径流分割模型定量分析了年内径流组分特征。结果表明:(1)两条河流的径流组成中地下水为构成径流的主要成分,其次是冰川融水,融雪水及降水,但南北坡径流组分表现出较明显的差异,乌鲁木齐河流域中冰川融水的比重要大于黄水沟流域,对气候变化响应明显。(2)两条河流在不同季节径流组分也表现出较大差异,春季径流组分差异最为明显。

南方小型岩溶流域与非岩溶流域的释水过程及径流组分差异

我国南方岩溶流域和非岩溶流域下垫面条件和含水介质结构的差异造成了不同的产汇流过程及机制,进而导致不同释水时段径流组分的开发利用价值不同。为深入理解岩溶流域的产汇流机制并探索岩溶流域的水资源评价方法,文章对鄂西庙沟岩溶流域和高家坪非岩溶流域共31次洪水过程进行了流量衰减分析,对比分析了两个流域的标准衰减方程、典型次降雨的释水过程以及不同洪峰流量下的径流组分差异。结果表明:岩溶流域的释水过程快于非岩溶流域,其衰减系数比非岩溶流域大40%;两个流域的河流基流均来自裂隙介质释水,裂隙介质为流域的主要储水空间,但非岩溶流域的裂隙介质比例比岩溶流域高8. 8%;随洪峰流量增加,两个流域的地表径流占比均呈对数形式增大,地下径流占比均呈对数形式减小;岩溶流域径流组分随洪峰流量变化比非岩溶流域更为敏感,其地表径流占比变幅为4%～40%,而非岩溶流域则始终小于10%。文章定量评价了管道和裂隙介质在流域中的导水及储水功能,在进一步刻画岩溶流域产汇流过程及机制方面进行了有益的探索,研究结果可为岩溶山区水资源评价和流域水文模型的改进提供科学依据。

基于同位素示踪的黄土塬区小流域径流组分来源解析研究

黄土塬区独特的水文地质结构极大地增加了当地水循环过程的复杂性。为探究黄土塬区河道径流组分演变过程及产流机制,选择黄土塬区王东沟小流域为研究区,针对3次典型降雨-径流事件,对雨水与径流流量及~2H含量进行了高频连续采集与测试分析,并通过二端元混合模型对径流的主要组分(降雨产流和基流)进行分割解析,得到以下主要结论:(1)小雨和中雨事件下径流水δ~2H呈现先增长后减小的变化趋势,而大雨事件呈现先减小后增加的趋势。大雨事件和小雨事件洪峰径流组分几乎全部来自于降雨直接产流,这可能与雨强有关。(2)3场降雨的有效产流面积由大到小排列为小雨(3.76 km^(2))、大雨(3.54 km^(2))和中雨(2.89 km^(2))。有效产流面积和平均雨强、30 d影响雨量呈现正相关关系,但与降雨量的相关性很弱。(3)试验中,事件尺度下小流域的主要产流机制为超渗产流。本研究对黄土塬区水资源的高效利用与配置优化具有重要意义。

疏勒河上游径流组分及其变化特征定量模拟

气候变化背景下,西北干旱区内陆河流域的水文过程发生显著变化,制约着地区经济社会和生态建设的稳定发展。定量分析和评估高寒山区径流的变化,有助于加强西北地区水资源的规划管理,实现水资源的可持续利用,保障区域水安全。选取位于青藏高原东北边缘、祁连山西段的疏勒河上游作为研究区,利用包含冰雪消融模块的寒区水文模型分布式SPHY模型(Spatial Processes in Hydrology model)对流域的径流过程进行定量模拟,根据模拟结果分析了疏勒河上游近45a径流组成及径流与各组分的变化特征。结果表明:(1)率定期日径流和月径流模拟的Nash效率系数分别为0.62和0.86,验证期达到0.79和0.95,模拟的月径流与实测月径流过程基本一致;(2)径流由四部分组成,冰川径流占总径流的年平均比例为30.5%,融雪径流的占比为12.9%,降雨径流的占比为13.5%,基流的占比为43.1%;(3)由于气温升高、降水增多,冰川径流与降雨径流均呈增加的趋势,平均增加幅度分别为4.66×10^6m^3·a^-1和2.46×10^6m^3·a^-1,融雪径流呈减少的趋势,平均减少幅度为1.01×10^6m^3·a^-1;(4)近45a年径流增加了69.6%,冰川融水对流域径流增加的贡献率达到48%,非冰川区降水增加的贡献率达到52%。

植被恢复和气候变化对汾河源区径流及其组分的影响

近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关。但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰。因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用9种数值模拟法对1962—2018年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响。结果表明:(1)在9种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和0.68,基流是径流的主要组成部分。流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为78.1%—79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量。研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据。

晋西黄土区流域景观格局对径流及其组分的影响

【目的】在气候变化与人类活动共同作用影响下黄土高原地表植被覆盖情况发生了显著的变化,探究不同流域景观格局对水文过程和水分循环要素分配的影响,为优化流域植被空间配置与加强水资源管理提供理论依据。【方法】以蔡家川小流域主沟道及其内部4个子流域为研究对象,通过遥感影像解译土地利用现状,并基于2016-2019年5个小流域场次暴雨径流数据,采用偏最小二乘回归和皮尔逊相关分析,探究流域景观格局变化对径流组分的影响。【结果】(1)不同土地利用方式对径流形成的作用不同,相较农地(旱地),乔木林地、灌木林地、草地和果园的增加将减少流域产流。(2)流域径流总量与斑块密度、边缘密度和香农多样性指数呈显著正相关(P<0.05),与聚集指数、蔓延度指数和斑块凝聚度指数呈显著负相关(P<0.05),景观破碎程度减小或连通度与聚集度的提高,对流域径流总量具有明显削减作用。(3)不同土地利用方式的面积占比、斑块和景观水平的景观格局指数,均与流域基流指数间未见显著相关性,景观格局对流域基流影响较小。【结论】景观格局变化对流域径流总量具有较强调控作用,但对径流中的基流影响较弱。研究成果可为流域景观格局优化与水资源综合管理等提供有益参考。

1959-2011年北洛河上游流域径流量及其组分变化趋势和时间分配特征

以实测水文数据为基础,分析了区域水土保持措施实施和植被恢复背景下北洛河上游黄土丘陵沟壑区流域1959-2011年间径流和基流数量变化、时间分配规律和阶段特征,对流域水土保持和生态平衡、水资源保护和利用具有指导和借鉴意义。结果表明:志丹、吴起、刘家河3个水文站的年均径流深分别为37.6、27.1、31.8 mm。年均地表径流量和基流量所占比例3站平均为63.8%和36.2%。3站的年径流量和地表径流量全部表现为极显著减少趋势(P<0.001),而且地表径流量决定了总径流量的变化程度。3站基流量呈增加(P<0.01)(吴起站、刘家河站)或稳定态势(志丹站)。径流量及其组分年内分配均表现为"双峰型"。随时间推移,径流量月内分配不均匀性减弱,夏、汛期径流量占年径流量的比例急剧降低。3站冬、春季枯水期基流量均为显著增加态势,而夏、秋季稳定。1959-2011年在水土保持措施的实施和生态恢复背景下,流域径流及其组分的数量和时间分配发生了很大变化,流域水循环要素比例趋于合理。

基于水化学及径流组成的中国西北内陆河流域水资源风险评估

水资源作为西北内陆区重要的战略性资源,关系着区域经济社会可持续发展。内陆河作为区域重要的水资源组成部分对全球气候变化响应显著。本文选取祁连山、天山、昆仑山地区典型的内陆河流域,基于长期径流监测,以及降水、融水、河水、地下水等多水体水化学、同位素分析数据,分析了区域径流组成特征及其与主要环境要素的相互关系,评估了其水资源风险。结果表明:(1)除石羊河外,20世纪70年代以来研究区大部分河流的年径流量呈现上升趋势;(2)研究区各水体大部分为碱性,各水体主导阴阳离子为HCO3-和Ca^(2+)和Na^(+),水化学类型多为HCO_(3)--Ca^(2+)型,且受岩石风化控制影响大;河水TDS呈现相似的季节变化趋势(夏秋低冬春高),而各离子的季节差异显著;(3)除呼图壁河外,区域河水的δ^(18)O呈现出夏秋低冬春高的季节变化特征;(4)研究区地下水、降水和冰川/雪融水对区域径流的年平均贡献分别为42.6%、34.4%和23.0%,区域径流组成存在空间异质性;(5)气温变化会增加阿克苏河、和田河和石羊河发生径流变化的风险,而降水波动可能对提孜那甫河流域和疏勒河流域的径流过程构成潜在的风险,和田河存在潜在水质风险。本文研究结果对于区域水资源可持续利用具有重要意义。

大兴安岭多年冻土区森林小流域基流分割

为了解大兴安岭多年冻土区森林小流域基流特征及其与降水和土壤水分的关系,利用电导率质量平衡法(CBM)进行基流分割,利用双累积曲线法(DCM)分析降水对径流组分的影响,利用交叉相关分析法(CAM)研究土壤含水量和径流组分之间的因果和时间延滞关系。结果表明:研究期流域基流流量为123.93 mm、地表径流量为65.43 mm,总径流量为189.36 mm。基流是河川径流主要补给来源,对年径流量的贡献高达65%。径流组分存在显著的季节性变化特征,其中5月份融雪径流期基流指数最低,为23%,基流随着降雨历时的增加对总径流量的贡献逐渐减少,同时,基流和土壤含水量没有显著相关关系;在生长季(7—9月份),基流指数均大于50%,其中8月份最高,达91%,基流随降雨历时的增加对总径流量的贡献逐渐增加,基流与土壤含水量存在显著相关关系(P<0.05)和延滞效应,说明流域森林土壤有良好的水分入渗、储存和排泄的水文功能。这些研究结果表明,大兴安岭多年冻土区森林小流域径流以基流为主要来源,森林土壤具有良好的水源涵养功能,起到了消洪补枯的作用。

北方土石山区典型流域径流对森林覆被变化的响应研究

为探讨北方土石山区森林数量与质量变化对小尺度流域径流量的影响,以密云水库集水区半城子森林流域为研究对象,采用分段线性插值、线性回归、Wetspa分布式水文模型等方法,定量分析了1989~2011年间森林覆被率与生物量变化对流域径流及其组分影响.研究结果表明:(1)研究时段内半城子流域森林覆被率呈波动增加趋势,流域森林生物量增加趋势达到极显著水平(p<0.01);(2)流域森林生物量与地表径流系数和基流系数之间呈显著负相关关系,拟合方程决定系数分别为0.67和0.62;(3)模型模拟表明,在流域所有森林林分类型转化为混交林情景下,流域年均径流深最小,仅为54.63mm,较2010年土地利用情景下产流量减少23.67%;在流域森林覆被率相同情景下,单位面积生物量每增加10%,流域年经流深减少6.4%,其中,壤中流比例减少1.7%.研究结果可为深刻理解北方土石山区森林调水机理提供理论支撑.

Hydrological Impacts of Afforestation:A Case Study Based on Simulation of TOPOG in the Small Watershed of Caogou in Liupan Mountains,China

我国黄土高原的六盘山林区在过去30年中实施了大规模造林工程,景观格局发生了显著改变,并由此导致生态水文过程特征和功能的改变。本文选择泾河支流香水河的二级支流草沟小流域为研究对象,应用TOPOG模型对造林可能导致的景观变化及其造成的生态水文影响进行模拟预测,以期为六盘山地区正在进行的退耕还林植被建设提供科学指导。另外还探讨了应用该模型在研究区进行生态水文过程模拟的适用性以及存在的问题,提出了此模型未来可能作出改进的一些方面。初步情景模拟分析显示,在这一地区,华北落叶松人工林面积的增大如果以砍伐天然阔叶林和开垦灌丛的方式进行,将造成径流的减少,当落叶松林面积从11.5%增大到流域面积的58%,径流可减少28%。开垦灌丛还将引起径流波动加剧,降低水资源保证率。六盘山及其周边的山地林区作为干旱缺水的黄土高原重要水源地,景观规划中应该考虑到植被格局改变对径流量造成的影响,在水土保持和维持一定径流量这两个目标之间进行平衡,作出最优规划。