Analysis of characteristics of time-frequency correlations between runoff,tidal range and salinity in the Changjiang Estuary

Power spectrum and cross-wavelet transform analysis was adopted to study the time-frequency characteristics and multiscale correlations between runoff,tidal range and salinity in the Changjiang Estuary based on the runoff data collected at the Datong Station,the tidal range measured at the Baozhen Station,and the salinity at the Baogang Station from 2008 to 2009.The variations of the salinity showed significant periodicity at scales of 2-3,7-8,14-15 and 26-30 d.The correlation between the salinity and the runoff and the tidal range were found to be significantly related to shock at scales of 5-7,14-15,26-30 d and 0.5 a.The correlation between the runoff and the salinity was mainly in the same phase,while the correlation between the tidal range and the salinity was in the antiphase.Different frequency bands were related to different degrees,and their relevance increased as the resonance frequency decreased.In addition,changes of the seasonal runoff were obvious.Specifically,a point of discontinuity was reached in early June with a cycle of 7-8 d,which coincided with the periodicity of plum rains in the Changjiang-Huaihe region.High-frequency changes （8-16 d period） of the salinity corresponded to the time domain in January-April 2008,February-April 2009 and October-December 2009 and exhibited an approximately 0.5 a （184 d） long frequency oscillation.Short-period changes were found to be stronger than long-period changes.Cross-wavelet transforms for the salinity,the runoff and the tidal range revealed local features in the time domain,while the significant levels of different periodic oscillations were observed in the frequency domain.The correlation characteristics of the salinity and the runoff were significant in the 80-90 d frequency domain,indicating that the major impact of the runoff on the salinity was reflected in seasonal changes.The tidal range on the small scale of 14-15 and 30-32 d was more obvious than the runoff.

Sediment Load in Runoff Under Laboratory and Field Simulated Rainfall

Soil erosion is one of the most important problems in the Loess Plateau of China affectingsustainable agriculture. Near Luoyang (Henan Province, China), field plots were constructed tomeasure soil erosion rates under conventional tillage practices using field-simulated rainfall.Field rainfall experiments were carried out to compare previous results from laboratoryrainfall simulations on the same soil for interrill conditions. Although in the laboratoryexperiments, a strong correlation was found between the stream power of the runoff water andthe unit sediment load, this sediment transport equation overestimated the field rainfallsimulation results. Another sediment transport equation derived by Nearing et al. for rillerosion was in better agreement with the results of the field experiments, although it alsooverestimated these values. The measured sediment load values during the field rainfallsimulations were also lower than those found during field experiments on the same soil but witha loosened surface layer. This difference indicates the importance of soil physical conditionof surfce like soil structure and aggregate size, which may contribute to the discrepancybetween the field and laboratory experiment results.

Synchronism of runoff response to climate change in Kaidu River Basin in Xinjiang,Northwest China

The runoff in alpine river basins where the runoff is formed in nearby mountainous areas is mainly affected by temperature and precipitation. Based on observed annual mean temperature, annual precipitation, and runoff time-series datasets during 1958-2012 within the Kaidu River Basin, the synchronism of runoff response to climate change was analyzed and iden- tified by applying several classic methods, including standardization methods, Kendall＇s W test, the sequential version of the Mann-Kendall test, wavelet power spectrum analysis, and the rescaled range （R/S） approach. The concordance of the nonlinear trend variations of the annual mean temperature, annual precipitation, and runoff was tested significantly at the 0.05 level by Kendall＇s W method. The sequential version of the Mann-Kendall test revealed that abrupt changes in annual runoff were synchronous with those of annual mean temperature. The periodic characteristics of annual runoff were mainly consistent with annual precipitation, having synchronous 3-year significant periods and the same 6-year, 10-year, and 38-year quasi-periodicities. While the periodic characteristics of annual runoff in the Kaidu River Basin tracked well with those of annual precipitation, the abrupt changes in annual runoff were synchronous with the annual mean temperature, which directly drives glacier- and snow-melt processes. R/S analysis indicated that the annual mean temperature, annual precipitation, and runoff will continue to increase and remain synchronously persistent in the future. This work can improve the understanding of runoff response to regional climate change to provide a viable reference in the management of water resources in the Kaidu River Basin, a regional sustainable socio-economie development.

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明:1)以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505(P<0.05),模型精度随着流域面积增大而下降,在面积大于7000 km^(2)的流域适用性较差;2)年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期纳什效率系数平均值为0.84,均方根误差平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3)影响研究流域年输沙量变化的因素依次是:年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。

Artificial Neural Networks for Event Based Rainfall-Runoff Modeling

The Artificial Neural Network (ANN) approach has been successfully used in many hydrological studies especially the rainfall-runoff modeling using continuous data. The present study examines its applicability to model the event-based rainfall-runoff process. A case study has been done for Ajay river basin to develop event-based rainfall-runoff model for the basin to simulate the hourly runoff at Sarath gauging site. The results demonstrate that ANN models are able to provide a good representation of an event-based rainfall-runoff process. The two important parameters, when predicting a flood hydrograph, are the magnitude of the peak discharge and the time to peak discharge. The developed ANN models have been able to predict this information with great accuracy. This shows that ANNs can be very efficient in modeling an event-based rainfall-runoff process for determining the peak discharge and time to the peak discharge very accurately. This is important in water resources design and management applications, where peak discharge and time to peak discharge are important input

基于径流侵蚀功率的长江典型流域能沙关系模型及改进

基于径流侵蚀功率概念建立流域能沙关系模型,可为长江流域泥沙变化精准模拟与水土保持规划提供技术支撑。该研究以长江典型流域及其典型小流域为研究对象,通过收集1965—2018年金沙江流域、嘉陵江流域和湘江流域3个典型流域逐日水沙数据以及万安和李子口2个典型小流域2014—2020年场次降水径流泥沙数据,采用径流侵蚀功率、径流量和降雨侵蚀力对比分析不同时空尺度水沙(径流量和输沙量)、雨沙(降雨侵蚀力和输沙量)和能沙(径流侵蚀功率和输沙量)关系的优劣性,解析能沙关系优越性,并识别能沙关系非一致性变化,从而改进能沙关系模型提高流域输沙量模拟精度。结果表明:1)长江流域3个典型流域及2个典型小流域,在绝大部分情况下能沙关系的表现总是优于水沙关系和雨沙关系,在场次、月和年尺度修正的决定系数最大值分别可达到0.94、0.87和0.54。2)对于不同时间尺度,其流量序列中任意2个流量乘积与输沙量的相关性较高时,第一个流量Q_(1)分位点总是接近1且第二个流量Q_(2)分位点在0.5附近或者高于0.5。基于径流侵蚀功率可以较为准确地计算不同时空尺度流域输沙量,具有明显适用性。3)随着时间升尺度,水沙、雨沙和能沙关系逐渐变差,3个典型流域径流侵蚀功率和输沙量在一些月份上均存在显著变化趋势和显著突变点(P<0.05)。特别是在年尺度上,输沙量均为显著减少趋势(P<0.05),其能沙关系均表现出非一致性变化。4)水库建设和植被增加是导致流域能沙关系变差的重要原因,其均与输沙量呈现极显著负相关(P<0.001)。通过考虑水库指数和NDVI改进能沙关系模型的年决定系数(R^(2))可提高27.28%~97.62%。研究成果可支撑开发新的流域泥沙预报模型,服务长江流域生态保护与高质量发展。

气候变化对南方典型小水电站入库径流及发电的影响

在全球气候变化不断加剧的背景下,降水、气温、蒸发等气象要素的变化对流域水文和水力发电产生重要影响;中国作为水能资源丰富的国家,水力发电在能源结构中具有重要地位,研究气候变化对入库径流和水力发电的影响,对实现水资源和水电能源的可持续开发利用具有重要意义。以位于北江支流的官溪水电站为研究对象,基于19个CMIP6全球气候模式数据,利用RCCC-WBM模型分析了未来气候变化对官溪水电站入库径流和发电量的影响。结果表明:(1)在SSP2-4.5情景下,官溪水电站以上流域的气温、降水均呈现上升趋势;(2)尽管不同GCMs模式预估结果存在一定差异,从19个模式集合平均结果看,官溪水电站未来入库径流和水力发电量将有所增加;(3)与基准期(1981—2020年)相比,2031—2060年和2061—2090年官溪水电站入库流量将增加3.55%[−34.14%,39.84%]和5.66%[−32.27%,41.96%],发电量将可能增加5.87%[−29.3%,50.1%]和8.03%[−27.3%,52.4%]。未来径流和发电潜能的增加为官溪水电站的扩容改造提供了一定的科学依据。

长江上游凯江流域径流侵蚀功率时空分布与输沙关系

水土流失是长江上游面临的首要生态环境问题,准确把握区域水土流失的规律及其发展趋势是关键。基于SWAT模型和径流侵蚀功率理论,分析了该区域典型流域凯江的径流侵蚀功率时空分布特征及其与输沙的关系。结果表明:径流模拟结果在率定期和验证期基本满足R^(2)>0.85,NSE>0.75,PBIAS<±15%,评价指标均达可信以上程度。2009—2018年径流侵蚀功率年际变化大,在多年尺度上干支流表现出“上游大、下游小”的空间分布特征。另外,多种水沙关系对比分析表明,输沙模数与径流侵蚀功率主要呈幂函数关系。研究成果可为科学治理水土流失和准确预测输沙提供理论依据。

基于SWAT模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析

探明流域径流侵蚀功率的演变规律对重点侵蚀区识别和土壤侵蚀防治至关重要。以嘉陵江右岸支流渠江流域为研究区,基于SWAT模型模拟计算流域径流侵蚀功率,分析其时空分布特征与空间尺度效应,并通过聚类分析、相关性分析揭示其对流域气象、地形、土壤等因素的关系。结果表明:渠江流域年尺度的径流侵蚀功率大于季尺度,其中第3季度为土壤侵蚀重点防治时段;全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率均呈现出北部大南部小、西部大东部小、上游大下游小的空间分布特征;渠江干流与其支流大通江的多年平均径流侵蚀功率和流域控制面积之间均呈幂指数关系,且其变化规律存在空间阈值,在年尺度干流和大通江的阈值面积分别为8549.4和8504.4 km^(2),在第3季度干流和大通江的阈值面积分别为4834.9和6223.5 km^(2);气象因子、地形因子和流域形态因子为渠江流域径流侵蚀功率的主要影响因素。研究结果可为制订渠江流域土壤侵蚀治理方案提供决策依据。

基于Maan-Kendall检验和小波功率谱分析的滏阳河径流量变化研究

选用滏阳河流域典型水文站1961年~2020年的逐月径流量资料,运用Mann-Kendall非参数检验、Morlet小波分析法,探究滏阳河年径流量变化特征。结果表明,河北省近60年来径流量总体呈波状减少趋势,并以-0.112亿m^(3)/a的速率递减,但并不显著(P>0.05)。其多年平均径流量为14.96亿m^(3),丰枯变化与季节性降水、年际降水量丰度密切相关。径流量演变存在多个阶段性特征,但并未通过突变特征检验。其变化周期以3 a~5 a的短周期为主,此周期为7 a~8a和14 a。

输电线路工程不同类型塔基边坡径流产沙特征

[目的]探究输电线路工程塔基边坡水土流失特征,为输电线路工程水土流失治理提供理论依据。[方法]以黄土丘陵区输电线路工程为研究对象,通过野外调查及模拟降雨试验,分析输电线路工程各侵蚀单元水土流失特征及不同类型塔基边坡径流的产沙特征。[结果](1)输电线路工程各侵蚀单元水土流失量占项目总水土流失量的大小依次为塔基区>施工便道>牵张场区>跨越施工场地。塔基区水土流失量占项目总水土流失量的60%以上;(2)与原地面相比,修建塔基边坡增加了地表产流,各类型塔基边坡径流率是原地面的1.8~8.7倍。与偏土质塔基边坡相比,偏石质塔基边坡径流率下降4%~35%,植草的塔基边坡减少20%~48%的径流率;(3)与原地面相比,修建塔基边坡下垫面的径流含沙量增大了0.5~345倍,偏土质塔基边坡增加最大。偏石质比偏土质塔基边坡减少39%~92%径流含沙量,植草可减少83%~98%的含沙量。[结论]输电线路工程建设过程中塔基区是水土流失最大的侵蚀单元,种植草被可以显著减少塔基边坡产沙量,塔基边坡修建后应及时进行植被恢复。

黄土坡面径流剥离土壤的水动力过程研究

坡面土壤侵蚀是径流冲刷和坡面抗蚀作用以及地面物质补充能力之间相互作用的复杂过程。本研究采用野外实地放水冲刷实验,研究了20°裸地(CK)及鱼鳞坑(YLK)、苜蓿草地(MXCD)、秸秆覆盖(JGFG)径流调控措施坡面薄层水流剥离土壤颗粒的水动力学过程,并运用水流切应力、单位水流功率、径流动能三种理论进行了详细分析。结果表明:(1)对于裸地和调控措施坡面,输沙率与径流剪切力、径流功率之间均呈现良好线性关系,与水流动能之间呈现良好对数关系;土壤侵蚀发生时均存在临界切应力和临界功率。(2)随放水流量增加,坡面流速迅速增大,导致水流切应力、单位水流功率、径流动能增大,进而水流对土壤颗粒的剥离能力增强,最终土壤侵蚀加剧。总之,三种理论在描述土壤侵蚀过程时各具特点,径流切应力更能详细地揭示土壤颗粒分离过程,而径流动能及功率理论更能简便、准确地描述坡面土壤侵蚀过程。

坡面径流侵蚀产沙动力机制比较研究

分别利用坡面径流剪切力、坡面径流能耗和坡面径流单位水流功率理论对坡面土壤侵蚀发生过程进行了研究。研究结果表明,坡面径流平均输沙率与坡面径流平均剪切力之间均存在明显的线性关系,试验的土壤抗蚀性参数为178 5g/(Pa·min),径流临界剪切力为0 54Pa。根据径流能耗理论的计算结果表明,径流单宽输沙率和单宽径流能耗之间具有如下的线性关系式:Dr=14 61(ΔE-0 37),表明试验的土壤可蚀性参数为14 61g/J,临界单宽径流能耗为0 37J/(min·cm)。根据径流功率理论的计算结果,坡面径流功率与径流平均输沙率之间存在比较明显的线性关系,随着径流功率的增加,坡面径流输沙量明显增加,二者的线性关系为:Y=8942 2x-68 676。总体来说,3种理论在土壤侵蚀研究中的应用各有优势,其中坡面径流能耗理论相对简便并且误差较小,更利于对坡面土壤侵蚀过程进行描述。

三峡库区坡地林草植被阻止降雨径流侵蚀

为了研究林草调控措施对坡面降雨径流侵蚀的影响及其对坡面侵蚀动力的调控效果,该文在重庆开县选择栾树+黄花槐、传统农作、植物篱、封山育林、自然恢复、经济林以及裸地对照7种林草治理措施并修建标准径流小区,通过观测产流产沙状况,分析比较其水土流失特征。结果表明:林草调控措施深刻影响降雨侵蚀动力,并对坡耕地径流侵蚀量产生较大的影响。林草调控措施中,均以裸地对照样地产流、产沙量最大,而以栾树+黄花槐和植物篱措施的产流、产沙最小,水土保持效果最为明显。以洪峰流量模数和径流深表示的坡面径流侵蚀功率与侵蚀产沙量呈正相关关系,说明径流侵蚀功率能够较好的模拟侵蚀动力;以径流侵蚀功率/侵蚀量表示不同林草调控措施对侵蚀结果的影响,可以成为评价植被侵蚀动力调控效应的指标。在未来三峡库区植被恢复与生态环境建设过程中,通过各种林草调控措施的逐步实施,重视和发展植被的恢复与重建,对于当地生态环境的改善和水土流失的治理具有重要的意义。

草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响,并从径流侵蚀功率和降雨侵蚀力两个方面对比分析了草本植被对坡面侵蚀动力的调控效果,结果表明草本植被覆盖深刻影响降雨侵蚀动力,并最终对坡面径流侵蚀量产生较大的影响。植被覆盖度为0%～60%时,产流产沙量随植被覆盖度的增加迅速降低,植被覆盖度>80%时,覆盖度的增加不能引起产流、产沙量的大幅度下降,植被水沙调控作用趋于稳定,确定本研究的临界植被覆盖度为60%～80%;以径流深和洪峰流量模数表示的坡面径流侵蚀功率以及降雨侵蚀力等侵蚀动力指标均与侵蚀产沙量呈正相关关系,但径流侵蚀功率与产沙量具有更强的相关性,说明径流侵蚀功率能更好地模拟侵蚀动力;以径流侵蚀功率/侵蚀量表示植被覆盖度对侵蚀结果的影响,反映了临界植被覆盖度的存在,可以作为评价植被侵蚀动力调控效应的一个指标。

径流功率理论在黄土坡面侵蚀产沙计算中的应用

介绍了径流侵蚀产沙功率理论的基本原理,并应用这一理论对放水冲刷试验中不同坡度和流量条件下的侵蚀产沙特征进行了分析和比较.结果表明,当坡度为3°～27°时,单位径流的侵蚀功率随坡度的增加而增大;当坡度增加到27°时,单位径流功率达到最大值,而后随着坡度的继续增加,单位径流功率有所减少.实测数据和据单位径流侵蚀功率理论计算的坡面单宽径流侵蚀产沙量表现出了相似的变化规律,两者都随坡度的增加呈抛物线变化,坡面单宽径流侵蚀产沙量的最大值都出现在21°左右,且二者之间具有良好的线性关系.说明径流功率理论可以较好地应用于坡面单宽径流侵蚀产沙量的计算.

基于径流侵蚀功率的流域次暴雨输沙模型研究--以岔巴沟流域为例

流域次暴雨侵蚀产沙模型研究是国内外土壤侵蚀研究的重点领域之一。提出了基于径流深和洪峰流量模数两个流域次暴雨洪水特征参数的径流侵蚀功率的概念;利用岔巴沟曹坪水文站1959至1990年间历年实测的次暴雨洪水径流泥沙资料,系统研究了该流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间的相关关系,建立和验证了基于径流侵蚀功率的岔巴沟流域次暴雨输沙模型。结果表明,岔巴沟流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间具有极显著的幂函数相关关系;模型验证期的次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间具有较好的一致性。

不同空间尺度次暴雨径流侵蚀功率与降雨侵蚀力的对比研究

【目的】提出径流侵蚀功率的概念,对比分析降雨侵蚀力和径流侵蚀功率在表征次暴雨水力侵蚀动力上的优劣。【方法】基于次暴雨洪水过程中径流深和洪峰流量模数2个重要的水文特征参数,提出了径流侵蚀功率的概念,并利用岔巴沟流域团山沟径流场和纸坊沟流域2个不同空间尺度实测降雨径流泥沙资料,对径流侵蚀功率和降雨侵蚀力表征次暴雨水力侵蚀动力的优劣进行了比较。【结果】径流侵蚀功率可以更好地表征坡面和流域尺度的次暴雨水力侵蚀动力,更能体现天然降雨和下垫面特性对次暴雨侵蚀产沙的综合影响。【结论】与通用的降雨侵蚀力相比,径流侵蚀功率更适宜用作坡面、流域尺度次暴雨侵蚀产沙模型的侵蚀动力因子。

混合式抽水蓄能电站水库中长期优化调度

建立了以多年年平均发电量最大为目标的混合式抽水蓄能电站水库中长期优化调度模型;使用长序列法并以引用流量和抽水时间作为双控制变量的动态规划算法对水位和抽水时间离散,寻找多种离散水位和抽水时间的最优组合,达到优化水库的各时段运行水位和抽水时间的目的。实例结果表明,在增加抽水蓄能机组后,多年年平均发电量从20.63×108 kW.h增加到了23.06×108 kW.h,保证出力增加了约10 MW,整个调度周期内各时段的水位比不抽水时有所提高;优化算法中的抽水时间以每天1 h为步长的离散处理误差在0.4%以内。

黄土高原典型流域次降雨径流侵蚀产沙规律研究

【目的】研究黄土高原地区小流域次降雨径流侵蚀产沙规律,建立适宜于该地区的侵蚀产沙预报模型。【方法】根据岔巴沟流域32年实测的水沙资料,采用径流侵蚀功率、地貌分形信息维数的计算模型及多元非线性回归方法,分析了黄土高原地区岔巴沟流域的次降雨径流侵蚀产沙规律。【结果】岔巴沟流域次降雨侵蚀产沙模数Ms与径流侵蚀功率E、地貌形态分形信息维数Di有很好的相关性,模型具有较高的精度和一定的适用性。【结论】基于流域径流侵蚀功率与地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域次降雨侵蚀产沙预报模型,能够近似反映不同尺度流域次降雨径流侵蚀产沙特性及水沙传递的关系,为建立具有广泛适用性和较高预报精度的黄土高原流域次降雨径流侵蚀产沙预报模型提供了理论依据。