城市化流域的土地利用变化对水文过程的影响——以秦淮河流域为例

以城市化流域--秦淮河流域为例,采用SWAT分布式水文模型,结合遥感和地理信息系统技术,对流域1987~2000年的土地利用变化对水文过程的影响进行探讨和研究。结果表明,13年中秦淮河流域的土地利用变化对流域的径流影响较大,2000年土地利用情景相对于1987年的模拟结果,1980s~1990s年径流增加约为5%~6%;在相同的土地利用变化条件下,枯水年的水文响应最强,其次是平水年,丰水年响应最弱;在任意降雨条件,林地向建设用地转化,其径流系数增加0.3以上,水田向建设用地、旱地向建设用地转化,其径流系数增加0.2~0.3,林地向旱地、水田向旱地、林地向水田的转化,其径流系数增加幅度在0.1以下。     

北方干旱化和土地利用变化对泾河流域径流的影响

论文以在黄土高原上发育,流经中国北方干旱、半干旱地区的黄河二级支流--泾河为研究对象,基于20世纪八九十年代的土地利用影像资料,以及泾河流域1970~2002年的气候、水文资料,采用美国农业部开发的分布式流域水文模型SWAT,分析了20世纪80~90年代泾河流域的降雨量和径流量的变化。从80到90年代,流域年降雨量呈逐年递减趋势,80年代多年平均月降雨量明显大于90年代多年平均月降雨量,尤其在7~9月,平均降雨量明显减少。受气候干旱化和土地利用/覆被变化的共同作用,80~90年代,流域多年平均年径流减少了8.92m³s^-1。为了区分气候变化和土地利用变化对流域径流的影响,采取分别固定气候因子与土地利用/覆被变化因子的方法,将模拟情景输入模型,定量区分气候和土地利用/覆被变化对流域径流的影响方式和程度。结果表明,气候干旱化趋势使流域多年平均年径流减少28.08m³s^-1,为气候、土地利用/覆被变化共同影响径流变化量的314.80%;土地利用/覆被变化使流域多年平均年径流增加26.57m³s^-1,为气候、土地利用/覆被变化共同影响径流变化量的297.87%。     

气候波动和人类活动对滦河流域径流变化的定量影响分析

气候波动和人类活动对流域水文循环过程产生了重大的影响,定量评估它们的影响是水科学研究中的热点问题.论文以滦河流域为研究对象,利用基于SWAT水文模型的径流变化定量分离方法评估了气候波动、人类活动和土地利用变化三者分别对滦河流域径流变化的影响.结果表明:在1960—2010 年期间,滦河流域的径流深呈现显著的下降趋势.在变异Ⅰ期(1980—1994 年)和Ⅱ期(1995—2010 年)内,气候波动和人类活动对径流减少的影响量都在增加,且人类活动一直是径流减少的主要影响因素.土地利用对径流变化的影响,在变异Ⅰ期为负的影响,在变异Ⅱ期为正的影响.     

巢湖流域土地利用/覆被变化的水文效应研究

土地利用/覆被变化的水文效应导致水资源量变化,显著影响流域生态和社会经济发展。利用DEM、土壤数据库、三期土地利用数据及流域周边六个国家基本气象站1964-2000年气象、流域出口断面裕溪闸水文站1964-1989年水文资料,依托德国PIK研究所HBV-D模型建立巢湖流域降水径流关系,分析流域土地覆被变化对径流量影响：①利用HBV-D模型模拟流域降水径流关系,率定后系统相对误差控制在3%左右,纳希效率系数达约83%,适合巢湖流域土地利用/覆被变化水文效应研究;②分析得出单位面积的农业用地、居民用地和水域影响径流深大小分别为-0.134469、0.074908和-0.0015244,即巢湖流域农业用地对径流影响程度要高于居民用地且为负,农业用地减少将增加径流量,居民用地增长利于径流量增加,水域对径流量影响相对较小。     

基于SWAT-FLUS的采煤沉陷区水文过程情景模拟

采煤区沉陷不仅会影响地表结构,还会显著改变流域水文循环,从而影响区域水资源供给。以淮南西淝河流域为研究对象,利用SWAT-FLUS集成模型模拟流域水文过程及未来情景。结果表明:1)该集成模型能准确模拟由土地利用变化带来的水文情势演变过程,并用于情景预测。2)对未来不同塌陷速率情景模拟结果显示,各情景下流域蒸散发均呈增加趋势,其中无修复模式主要为水面蒸散增加,2种修复模式主要为陆面蒸散增加;无修复模式增加了流域入渗量,2种修复模式则相反。3)从典型水文年内径流分布来看,无修复模式显著影响了地表径流的年内分布规律及径流峰值,普通修复及生态修复模式则无明显影响。4)从年际间水文变化来看,若无修复措施,流域内水文关系将在2020-2022年发生根本性转变;至2030年,地表径流将减少27.1%,普通修复模式下地表径流将减少2.5%,而生态修复可使流域地表径流增加4.4%。     

白洋淀流域径流过程对极端气象干旱的响应分析

以白洋淀流域为研究对象,选取唐河、沙河、白沟引河3条支流上游4个水文站1959—2016年的日径流数据,采用改进退水常数后的数字滤波法中的Chapman-Maxwell法对4个子流域的日径流进行基流分割,利用水文气象要素异常值法划分干旱时期,分析水文干旱（径流干旱与基流干旱）对极端气象干旱过程的响应规律。结果表明:1）白洋淀年降水量呈减少趋势,线性倾向率为1.81 mm/a2。在1979年发生减少突变,突变后降水量减少8%;并检测到白洋淀流域发生极端气象干旱,持续时间从1996年8月至2011年5月;2）4个子流域的水文干旱较气象干旱具有明显的时间滞后,且水文干旱持续时间比气象干旱更长,烈度、强度更大,表明长期干旱期间降雨-径流关系的不稳定性;3）4个子流域水文恢复时间较气象恢复平均滞后55个月,且基流恢复滞后于径流恢复。研究结果可加深径流与基流对气候变化的响应的理解,为核算河道生态需水以及维持河道生态系统健康提供一定理论依据和实践参照。     

天山中部流域尺度森林变化水文响应定量分析——以乌鲁木齐河流域为例

为了对天山中部流域尺度森林变化水文响应进行定量分析,论文以乌鲁木齐河流域为研究区,基于流域1980-2013年水文气象资料,在分析流域径流变化规律的基础上,使用SWAT模型,根据天山云杉分布的生境限制因素,设定了5种不同的云杉分布情景,据此,确定不同丰枯年份云杉林变化对径流的影响。结果表明：1）SWAT模型能较好地模拟乌鲁木齐河流域月径流过程,在林地状况恒定的前提下,影响模型模拟的最敏感的参数为地表径流参数CN2,率定期与验证期R²和Ens均高于0.85,相对误差|Re|均小于5%,模型模拟精度较高;2）在相同气象条件下,丰水年、平水年、枯水年云杉林变化与径流呈线性相关,云杉林面积每增加1%,三种年份径流深分别减少0.06、0.05、0.04 mm,且在丰水年和平水年径流增加更显著;3）随着云杉林面积的减少直至消失（林地覆盖率由17.73%到0%）,情景间径流差异的变异系数、波动范围变化逐渐增大,其波动范围扩大5.1倍。山区云杉林的分布,可有效减少地表径流及其波动范围,这对年内径流分配不均的流域水资源稳定、对森林水源涵养功能的定量研究以及林区水资源科学调控和管理都具有重要意义。     

基于土地利用/覆被情景分析的长期水文效应研究——以西苕溪流域为例

论文以太湖上游的西苕溪流域为研究区,通过土地利用变化模型CLUE-S对未来15年土地利用/覆被变化的空间格局进行模拟,并在此基础上,应用长期水文影响模型L-THIA模拟分析1985年、2002年以及未来15年后3种土地利用情景对地表径流的长期影响,并识别不同土地利用方式转换水文效应的敏感性。结果表明：①在相同的降雨条件下,2017年土地利用情景下年均径流深度较1985年增加61.6mm,且土地利用变化对月径流的影响在春季尤为显著,同时,土地利用变化的水文响应程度,以枯水年响应最强,丰水年响应最弱;②不同土地利用方式转换产生的水文效应存在较大差别,以林地向建设用地转换的水文效应最为敏感,其次是耕地向建设用地、林地向耕地的转换,最后为耕地向林地的转换。文中采用水文模型与土地利用变化模型相耦合的方法,可为土地利用变化水文效应的分析提供新的思路和参考。     

土地利用变化及流域尺度大小对水文类型分区的影响

以海河流域为研究对象,根据1956-2005 年的年降雨量和水面蒸发资料以及DEM、土地利用和土壤的遥感资料,采用地理信息系统和多元统计分析的方法,划分一定单元流域,对海河流域进行水文类型分区划分,并讨论了土地利用转移变化及单元流域尺度大小对水文类型分区的影响。结果表明,不同土地利用情况下水文类型分区的结果是不同的,土地利用的变化会直接或间接影响流域水文类型分区的空间分布,土地利用变化越大,水文类型分区的转移变化也越大。单元流域尺度较小时,水文类型分区分布较为离散,反之,单元流域尺度较大时,水文类型分区的分布则较为连续。当单元流域平均面积变化小于150 km²时,分区分布虽然有一定的变化,但总体来看分区结果相对比较稳定,当单元流域平均面积变化较大,并达到250km²以上时,分区结果会发生较大变化。     

水文变异条件下潦河生态流量计算研究

气候变化和高强度人类活动改变了流域的自然水文循环过程,导致水文序列出现变异,严重影响了流域水文生态系统的稳定性.目前,基于水文变异条件下的河道内生态流量计算已成为当前变化环境下生态水文学研究的热点问题之一.以江西鄱阳湖西北部的潦河为例,采用水文时间序列变异检验方法分析径流变异性及成因,应用水文模型对水文变异后的径流进行还原,以Kolmogorov-Smirnov（K-S）、Anderson Darling（A-D）和概率点据相关系数（PPCC）3种检验法确定月径流的最优概率分布函数,进而提出水文变异条件下最适宜的潦河生态流量计算方法.结果表明:①潦河万家埠站径流在1972年发生水文变异,突变点后流域年径流增加了12%,降水量的增加和蒸发量的减少是其主要驱动要素.②采用分布式时变增益模型（DTVGM）对径流进行还原,率定期和验证期的相关系数和Nash-Sutchliffe效率系数均大于0.78,径流模拟值和实测值拟合程度较高,表明基于DTVGM进行径流还原是可行的.③基于还原后的径流,对5种概率分布函数进行拟合优度综合检验,确定逐月最优分布函数,并估算月河道生态流量.与Tennant法、最枯月平均流量法、7Q10法等方法比较,基于最优分布函数的生态流量结果更具确定性与合理性.在气候变化和人类活动引起径流变异的背景下,考虑水文变异的河道内生态需水计算方法能够更科学地体现水文变异对生态需水过程的影响,研究结果可为潦河流域水生态保护和水资源管理提供数据支撑,也可为变化环境下水资源规划和配置提供科学依据.      

环境变化对滦河流域径流影响的定量研究

为了研究气候变化和人类活动(环境变化)对地表径流的定量影响程度,应用有序聚类分析法等确定了滦河流域径流变化的基准期和人类活动影响期,采用HBV模型还原了人类活动影响期间滦河流域天然径流量,识别了气候变化、人类活动对滦河流域人类活动影响期间径流的定量影响程度.研究结果表明:1979年之前是滦河流域径流序列的基准期,基准期内HBV水文模型对滦河流域天然径流过程具有良好的模拟效果.1980年以后人类活动对滦河流域地表径流影响加剧,天然径流与实测径流产生分离,人类活动影响期(1980-2007年)相对于基准期(1960-1979年)的变化而言,气候变化、人类活动影响因素对地表径流的影响分别占径流减少总量的55%和45%,人类活动在不同水平年对地表径流量的影响不同.随着人类活动影响的加剧,气候变化对滦河流域径流的影响在逐渐减弱,人类活动对该流域的影响在增强.     

北京山区植被恢复建设对流域径流量影响研究

植被恢复是山区保持水土资源、恢复生态环境的关键措施.为探究植被恢复对流域产水量的影响,以密云水库集水区红门川森林流域为研究对象,采用Mann-Kendall非参数趋势检验、基于分离评判原理的水文分析法、Zhang(2001)模型等方法,定量分析了1989－2009年间北京山区气候及森林变化对流域径流量的影响.研究结果表明:红门川流域年降水及产流性降水量在研究时段内均呈波动下降趋势(P>0.05);流域年径流呈显著性减少趋势,且年径流量在1998 年前后发生减少突变(P<0.01);气候变化对红门川流域径流减少贡献率为43%,植被恢复建设导致的森林数量及质量变化对流域径流减少贡献率为18.6%,其他人类活动影响贡献率为38.4%.综合比较得知,与植被恢复建设相比,降水减少对山区产水量减少影响更大.研究结果可为北京山区森林流域水土资源规划及管理提供参考.     

东江流域水利工程对流域地表水文过程影响模拟研究

东江流域为香港及广州等特大城市的重要水源地,新丰江、枫树坝与白盆珠三大水库对东江全流域水资源有控制性调蓄作用,加上人类活动影响,导致东江流域地表径流发生显著变异.研究分析东江流域上中下游水利工程建成前、后径流在时间与空间的变异特征,对水利工程与人类活动影响的东江流域水资源管理提供重要依据.基于此,选取多元线性回归、神经网络与支持向量机等模型模拟水利工程建成前的径流变化,研究认为:①神经网络为水利工程建成后径流变化模拟的最优模型;②水利工程建成后,流域径流变异特征分两阶段:1974-1982年流域水文变异不显著,水利工程影响不大;1983-2000 年径流变异显著,水利工程削峰填谷作用明显;③东江流域龙川、岭下、博罗站水文变化均受水利工程调蓄影响,但影响程度各异:博罗站水文变化受水利工程影响最大,岭下站次之,龙川站受影响最小.另外,在水利工程调蓄作用影响下,东江流域月径流变化幅度趋于平坦,在一定程度上降低了洪水风险及减少了极端气候条件对东江流域水资源供给造成的负面影响.     

潮白河流域1980—2013年平均水平衡特征研究

论文采用潮河、白河流域1980—2013年间气象、水文资料,基于水热耦合模型方法,分析了潮河、白河流域水循环要素相应于不同土地覆被类型结构变化和水平衡的特征。通过对未来10 a流域下垫面状况的预估,预测了未来变化环境条件下流域径流量的变化情况。研究对预测潮白河流域水资源变化特征、确保密云水库水资源安全具有重要意义。研究结果显示:该模型在潮、白河流域适用;在现有下垫面资料的基础上,利用林地面积和草地流域下垫面参数相结合的方法,对潮河流域和白河流域未来下垫面的变化分别做出了11种预测情景,并在11种情景的基础上预测两流域的未来10 a径流变化,结果显示潮河流域的径流深在26.47~53.55mm范围内波动,而白河流域的径流深在17.57~41.53 mm范围内变动。研究的创新点为,在对未来下垫面状况预测的基础上,利用水热耦合模型预测流域未来的可能径流状况。     

淮河流域及东南诸河流域土地利用和蒸散发量的多年时序变化

<正>近几十年的土地利用变化,使水系格局发生了重大变化,对流域内水文过程也产生了明显的影响。作为水平衡研究的重要均衡项之一,地表蒸散发量的遥感反演也成为流域尺度水循环研究的热点。"沙颍河涡河流域水文地质调查"项目组结合几十年的成果积累,采用不同空间分辨率的卫星遥感影像,融合多时相观测信息,开展淮河流域及东南诸河流域土地利用和蒸散发量的遥感反演工作,获得了以下新认识。     

黄土高原清水河流域土地利用/覆盖和降雨变化对侵蚀产沙的影响

近50 a来,在气候变化和生态恢复与治理工程实施的背景下,黄土高原的侵蚀产沙特征发生了明显的变化。以黄土高原典型中尺度流域清水河流域(面积436 km2)为研究对象,利用1959、1986、2007年的土地利用解译结果和1960—2005年该流域实测输沙和降水资料,采用非参数Mann-Kendall趋势分析法和滑动t检验法研究了该流域年输沙量、降雨量的变化趋势和突变点,并与通用土壤流失方程相结合分析了该流域土地利用和降雨变化对输沙量变化的贡献率。结果表明:该流域年输沙量47 a间有显著的下降趋势,突变点位于1980年;降雨量没有明显的趋势性变化,极端降雨指数下降。降雨因素对输沙量减少的贡献率为9.89%,土地利用的贡献率为90.11%,土地利用变化中工程措施淤地坝的贡献率为5.56%,植被变化的贡献率为84.55%。该流域47 a间乔木林地面积增加了944.27%,灌木林地增加了19.33%,表明清水河流域林地面积增加是导致输沙量减少的主要原因。     

新安江上游流域径流变化特征与归因分析

开展变化环境下新安江上游流域径流变化及其归因的研究,有助于理解湿润区水循环过程对气候变化和人类活动的响应机制。利用实测径流、气象资料和遥感植被指数（NDVI）数据,基于布迪克假设框架的弹性系数法,分析了新安江上游降水、潜在蒸散发（ET₀）和植被变化对径流的影响。结果表明：（1）实测径流序列转折点发生在1999年左右。2000-2015年径流深较1983-1999年下降了281 mm,相对变化率为20.8%,且21世纪初期径流下降尤为显著。（2）2000-2015年下垫面参数n较1983-1999年增加了52.5%,植被变化对径流影响显著增强。径流对气候变化更加敏感,且对降水敏感性超过潜在蒸散发。（3）气候变化是径流变化的主导因素,其次为植被变化。气候变化和植被变化分别导致径流深下降了145.37 mm和140.96 mm,贡献率分别为50.77%和49.23%。NDVI在2000年后增加显著（P<0.001）,植被变化的水文效应超过了降水和潜在蒸散发,未来长期的植被生态水文效应研究仍需进一步加强。     

用SWAT模拟土地利用对绿水蓝水的影响:以晋江西溪流域为例

应用SWAT模型,研究了晋江西溪流域土地利用/覆被变化(LUCC)对绿水与蓝水资源时空分布的影响。结果表明,土地利用变化导致的西溪流域绿水资源从1970年代的年均625.34 mm减少到2001年的618.5 mm,年绿水总量平均减少了6.48 mm;蓝水资源从1970年代的年均1 019.44 mm增加到2001年的1 026.49 mm,年蓝水总量平均增加了7.05 mm。土地利用变化造成年内12个月份的绿水都有所减少,蓝水都有所增加,其中处于汛期的6-9月蓝水增加量较大。由于流域上游几个亚流域的林地耕地面积之和大幅减少等原因,绿水的减少与蓝水的增加主要集中于流域上中游的几个亚流域。     

流域氮素主要输出途径及变化特征

流域农业面源输出氮素是湖泊流域水体中氮的主要来源之一,对水环境安全造成了极大威胁.不同流域间地形、水文、植被覆盖等因子的差异及气象条件的变化,造成氮的输出途径具有流域异质性及时间变化特征.本研究以高原湖泊典型流域——凤羽河流域为例,基于2011-06~2013-05期间径流水量、水质高频监测数据,应用基流分割的方法,通过分析流域产流与氮素输出途径的季节性变化,探讨了流域氮素输出的主要途径及变化特征.结果表明,基流是高原湖泊流域水量输出的主要形式和总氮输出的主要途径;基流输出水量及总氮负荷分别占流域总输出水量的80. 0%和流域总氮输负荷的71. 1%;降雨显著增加了流域水量和总氮负荷的输出量,同时改变了总氮的输出途径;降雨导致地表径流量增加,进而使流域输出水量和总氮输出负荷中地表径流途径的比重升高;当地表径流占流域输出水量的比重约达40%以上时,流域总氮输出的主要途径由基流转变为地表径流;监测周期内,地表径流输出的总氮负荷占流域总输出负荷的比重最高达65. 6%.     

黄河中游河龙区间径流量变化趋势及其归因

黄河水沙变化关乎黄河流域生态安全和全流域的高质量发展。近年来黄河水量出现大幅锐减,制约了当地社会经济和下游可持续发展。量化气候变化和人类活动对径流量减少的贡献对于解析黄河水沙变化动因具有重要意义。由于研究尺度和研究方法的不同,径流量变化的因素和影响程度存在较大差异。本文采用MK趋势检验和双累积曲线法系统分析黄河中游河龙区间四个典型流域（皇甫川、窟野河、无定河、延河）1960—2015年间水文要素的变化趋势,利用Budyko水热平衡方程阐明气候变化和人类活动对流域径流变化的作用。结果表明：1960—2015年皇甫川、窟野河、无定河、延河流域径流量均显著下降（P<0.01）,且径流量均在1979年和1999年前后发生突变,而降水量变化不显著。同基准期（1960—1979年）相比,P2时期（1980—1999年）气候变化对径流减少的贡献率达64%~76%;随着退耕还林还草工程的大规模实施,P3时期（2000—2015年）人类活动成为径流减少的主要影响因素,其贡献率达71%~88%。