Budyko理论在水文气候分区中的应用研究

以我国西南和东北地区为研究对象,探讨在水文气候分区中应用Budyko理论的可行性。研究中给出了西南和东北地区169个站点的Budyko曲线图,发现按照传统的基于干燥指数的水文气候分区,我国西南及东北的众多站点落于同一分区。显然,这两个地区干湿状况及水文条件存在较大的差异。为此,文中引入了蒸发比因子,并拟合了反映不同下垫面干湿状况的傅抱璞公式曲线,以在子区域划分中考虑实际的干湿条件。研究显示,西南站点在Budyko曲线上的位置普遍低于东北地区。在Budyko曲线上,出现重叠的西南和东北站点,水热同比相似。而且,在同一气候区内,随着蒸发比增大,降水量呈现递减趋势。这一结果表明,Budyko曲线上站点的不同分布综合反映了流域不同的水热潜力与实际的干湿状况,利用Budyko理论可以更为有效地进行水文气候分区。

基于Budyko理论的黑河流域中游地区实际蒸散发估算及其变化归因分析

蒸散发是黑河流域中游地区农业绿洲水分消耗的主要途径,准确估算该地区的实际蒸散发量并对其变化规律进行分析对于科学指导当地农业灌溉、优化水资源配置等具有重要意义。基于Budyko理论及其改进的傅抱璞经验模型估算黑河流域中游地区2006-2015年的实际蒸散发量,利用Mann-Kendall方法分析实际蒸散发序列的趋势特征和变点特征,并通过弹性系数法对影响实际蒸散发序列变化的不同因素的贡献度作出定量评价。结果表明:黑河流域中游地区多年平均实际蒸散发量为293 mm;年尺度和春、秋实际蒸散发序列呈不显著下降趋势,夏、冬实际蒸散发序列呈不显著上升趋势;2010年为研究区实际蒸散发序列的变点年份,2011-2016年较2006-2010年实际蒸散发量减少7.3%;降水量的变化对实际蒸散发量减少的贡献最大;降水量减少导致实际蒸散发量减少约8.9%,来水量增加导致实际蒸散发量增加约1.7%,潜在蒸散发变化对实际蒸散发量减少的贡献最小,仅占0.04%;因此,供水条件是影响黑河流域中游地区实际蒸散发变化的主导因素。

基于Budyko理论的北京地区实际蒸散发估算及特征研究

为了探究近些年北京地区实际蒸散发的时空变化特征,采用基于Budyko理论的傅抱璞经验模型,对北京地区1980-2016年实际蒸散发进行了估算;并根据Mann-Kendall趋势分析、相关分析等方法,对研究区实际蒸散发的时间变化特征、空间格局以及影响因素进行了探讨;为提高傅抱璞经验模型在研究区的适用性,依据北京地区历史时期水文气象数据,结合水量平衡法对该模型参数进行了校准和验证。结果表明:优化参数后的经验模型在研究区具有较高的模拟精度,且适用性较强;北京地区多年实际蒸散发均值为447 mm;时间尺度上,呈不显著的下降趋势;空间上,表现出明显的空间异质性,其中,蓟运河山区的蒸散发最大,其次为潮白河流域东部;实际蒸散发的这种时空变化特征与区域降水量密切相关。

基于Budyko假设的黄河源区径流演变与量化归因分析

近几十年,黄河源区径流量的减少引起了科学界的广泛关注。黄河源区水资源短缺及由此引发的水生态安全问题严重威胁着当地社会经济的可持续发展。根据黄河源区1956—2018年的气象、水文和植被指数NDVI数据,采用Mann-Kendall检验法和线性趋势法综合分析了各要素的变化趋势及突变现象;采用基于Budyko框架的弹性系数法研究了气候因素、流域下垫面条件和人类活动对径流变化的影响;通过线性拟合方法获得了下垫面参数n与植被指数NDVI的函数关系。结果表明:1956—2018年黄河源区径流量减少,降水量显著增加,径流在1991年前后发生突变;下垫面参数n与NDVI的函数关系为n=25.292NDVI-6.9894(p<0.05),同基准期(1956—1991年)相比,变化期(1992—2018年)气候因素、流域下垫面条件(包括植被变化)和人类活动对径流减少的贡献率分别为-26.21%、55.61%(植被变化占25.30%)、70.60%;人类活动是影响黄河源区径流变化的首要因素,而植被恢复可能会使其产流量和径流量进一步减少。

基于Budyko理论分析珠江流域中上游地区气候与植被变化对径流的影响

径流作为水文循环的关键环节,在人类活动影响较小的地区受气候因素控制的同时,也受植被等陆面要素的影响。以珠江流域中上游地区为研究区域,基于Budyko理论具体分析了气候和植被变化对该区域径流的影响。首先应用TFPW-MK方法分析了1981—2013年研究区各要素的变化趋势;其次通过逐步回归拟合参数n,改进了Budyko理论框架下的傅抱璞公式,并基于改进的蒸散发模型模拟计算了区域蒸散发和径流;最后基于敏感性分析方法,分析了区域径流对气象要素和植被要素的敏感性。结果显示:1981—2013年珠江中上游地区平均温度(T)、最高温度(Tmax)和最低温度(Tmin)都存在上升趋势,而径流(Q)、降雨(P)、风速(u2)、相对湿度(RH)呈下降趋势。傅抱璞实际蒸散发计算公式中参数n同时受气候要素P、T、RH、日照时数(S)、u2和植被覆盖指数(NDVI)的制约。敏感性分析结果显示,流域径流对降雨和NDVI具有较高的敏感性,且流域降雨减少是径流减少的主导因素,而NDVI在研究时段没有显著的变化趋势,其对径流减少的贡献不显著。总体而言,气候变化对研究区域径流的影响主要是通过同时改变水文输入要素(降雨、潜在蒸散发)和表针流域特性的参数n来表现,而植被对研究区域径流的影响主要是通过改变表针流域特性的参数n来表现。

基于Budyko理论和互补模型的浑河流域实际蒸散发时空变化特征及驱动力分析

为了弥补缺资料地区实际蒸散发模拟的不足,本研究以黄河流域内蒙古段典型植被恢复区——浑河流域为对象,建立基于Budyko理论与互补模型的耦合模型(BC_(2021)),实现对缺少实测蒸散发资料地区1982—2020年实际蒸散发的模拟,并分析其时空变化特征与影响因子。结果表明:(1)建立的BC_(2021)模型对浑河流域年际与年内不同时间尺度的实际蒸散发模拟具有良好的效果,其参数与降水呈显著正相关,与日照时数呈显著负相关;(2)浑河流域近40年平均实际蒸散发为413.24 mm, 1982—1999年以0.44 mm·a^(-1)的不显著下降,而自1999年大规模植树造林以来,该流域平均实际蒸散发则以2.53 mm·a^(-1)的速率显著上升;年内实际蒸散发以春季变化最为显著,而年际变化呈现先下降后上升的趋势。此外,受地形、气候、植被覆盖的综合影响,浑河流域实际蒸散发呈现由西北部向东南部递增的地带性特征;(3)降水是影响浑河流域年际实际蒸散发变化的主要因素,而影响年内实际蒸散发变化的驱动因素存在一定差异,降水、NDVI与日照时数分别是影响夏季、秋季与冬季实际蒸散发变化的主要因素。研究结果为缺乏实测蒸散发资料地区实际蒸散发的长时间模拟提供了可靠的依据,且对于植被恢复显著的干旱半干旱区水资源合理利用与管理具有重要的科学价值。

基于Budyko水热平衡理论的窟野河径流变化归因识别

黄河流域水沙变化剧烈,为更好地利用和开发水资源,定量的分析出引起河川径流变化的原因。采用Mann-Kendall、Pettitt突变点检验和累积距平曲线法,对1971~2016年窟野河流域内气象数据进行处理,基于budyko水热平衡理论对窟野河径流变化归因识别,得出气象因素和认为活动因素对径流变化的贡献率。结果表明:降雨和潜在蒸发均为非显著性增加,径流显著性下降,人为因素的下垫面变化对径流减少的贡献率达到98%是最主要的影响因素。人为活动中,通过土地利用类型图的变化,看出大量的煤矿开采,退耕还林还草,以及城乡居民用水导致了径流的急剧减少。

气候变化及生态建设措施对宁夏典型入黄流域径流变化影响

为分析气候变化及植被和淤地坝等生态建设措施对径流变化的影响,选取宁夏典型入黄流域清水河和苦水河为研究对象,采用Pettitt突变方法分析研究流域气象水文和生态建设措施等要素的变异点,基于Budyko理论,通过建立水热耦合控制参数与生态建设措施的多元线性回归方程,构建耦合生态建设措施下的降水—径流模型,并对模型进行适用性评估,采用弹性系数法,量化不同生态建设措施对径流变化的贡献率。结果表明:研究流域径流均呈减小趋势,且年径流突变均发生在2000年;水热耦合控制参数与NDVI和淤地坝指数呈显著的正相关关系,引入NDVI和淤地坝指数构建的降水—径流模型模拟值接近实测值;清水河流域生态建设措施实施对径流减少的贡献率高达78.25%,其中,植被和淤地坝对径流减少贡献率分别为23.11%,46.50%,生态建设措施对径流的影响远大于气候变化对径流产生的影响。苦水河流域降水对径流减少贡献率可达47.30%,生态建设措施对苦水河径流减少贡献率为59.57%,植被和淤地坝贡献率分别为18.57%,13.96%,其他生态建设措施对径流减少贡献率为27.04%。生态建设是引起宁夏入黄流域径流变化的主要驱动因素。研究结果可为宁夏生态建设优化布局提供理论支撑。

岷江上游近59年径流变化及归因识别

为高效利用岷江上游流域的水资源,基于1960~2018年流域水文气象资料,采用多种统计学理论分析径流的趋势、周期和突变点,应用基于Budyko理论的弹性系数法(Choudhury-Yang公式)和累积量斜率变化率比较法(SCRCQ法)对径流变化进行归因分析。结果表明,径流以12.5mm/10a的速率呈显著减少趋势,并在1993年发生突变。径流变化存在3、8、12、18年的主周期,其年内分配不均,主要集中于夏秋两季,占比73.6%。降雨对径流变化最为敏感,下垫面参数次之,潜在蒸散发最不敏感。Choudhury-Yang公式和SCRCQ法计算出气候变化对径流减少的贡献率分别达到58.13%、63.29%,表明气候变化是研究区径流减少的主要因素,而人类活动对径流减少的贡献亦不容低估,贡献率分别达到41.87%、36.71%。

淮河流域中上游径流变化归因分析

为了研究与量化人类活动、下垫面和气候变化等影响因素对淮河径流变化的贡献率,以淮河流域中上游(蚌埠站以上)为研究区域,采用M-K检验、滑动t检验、R/S分析法,分析1958—2018年的降水和潜在蒸发序列及1958—2016年的径流序列的变化趋势,确定径流序列的突变点,并采用土地利用转移矩阵分析土地利用变化及其对径流变化的影响。基于Budyko水热耦合平衡理论,计算降水、潜在蒸发和下垫面参数的弹性系数,定量分析气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。研究结果表明:蚌埠站径流序列在1990年发生突变,变化期多年平均径流深比基准期减少了20.9 mm,草地面积也在1990年出现大幅下降,占比更大的林地、水域面积对应的径流量表现为下降趋势。基准期和变化期降水、潜在蒸发、下垫面参数的弹性系数分别为2.11、-1.10、-1.10和2.36、-1.36、-1.07。在导致径流变化的各因素中,气候变化、下垫面变化、人类活动的贡献率分别为37.13%、-53.53%、-9.34%,其中下垫面变化是导致径流减少的主要原因。

黄土高原典型流域基流变化规律及贡献率分析

[目的]为探究气候变化和人类活动对基流变化的影响。[方法]选择黄土高原地区的4个典型流域无定河、窟野河、延河和秃尾河作为研究对象。基于1965-2017年无定河、窟野河和延河及1983-2017年秃尾河逐日流量和多站点气象资料,分析9种基流分割方法的适用性和基流变化特征。基于Budyko理论,采用弹性系数法,量化气候变化和人类活动对基流变化的贡献率。[结果]数字滤波法F4分割结果在稳定性、离散程度和误差方面表现较好,在黄土高原地区典型流域中最为适用。4个流域年基流深、年径流深和年基流指数的变化趋势有较高的一致性,无定河、窟野河、延河和秃尾河流域多年平均基流指数BFI分别为0.64,0.42,0.28和0.49,年基流深和年径流深均呈显著减小趋势(p<0.01),而年基流指数均为增加趋势。降水、潜在蒸散发和人类活动对黄土高原地区典型流域基流变化贡献率范围分别是-56.72%~33.92%,-0.81%~55.16%和10.92%~104.37%。[结论]人类活动是影响黄土高原地区基流演变的主要因素,研究结果为黄土高原地区水资源综合管理提供理论支持。