基于MMF模型估算植被与降雨变化对水沙的影响——以延河流域为例

为研究近年来植被对黄河各支流来水来沙锐减的贡献,选择植被变化极为显著的延河流域为研究区域,定量化估算植被的减水减沙效益。论文利用Landsat系列遥感影像数据,以及流域的气象水文资料,基于Morgan-Duzant版Morgan-Morgan-Finney(MMF)模型估算流域的径流量与输沙量,分析各植被因子与径流量、输沙量的相关性,并利用相邻时期的植被降雨数据进行情景模拟,以此估算植被与降雨对流域水沙的影响。结果表明:1MMF模型能较好地模拟流域年径流量,输沙量次之;2植被因子与径流量、输沙量空间分布格局上相关性不明显,径流量与间接植被因子(截留率、林下降雨侵蚀力和坡面沉积率)相关性较高,而输沙量与植被覆盖度相关性较高;3植被与降雨的情景模拟表明2000、2006年的植被较前一相邻时期有所改善,使得径流量分别较前期减少45.88%、25.74%,输沙量减少12.10%、27.57%。     

黄土丘陵区小流域土地覆被变化对径流产沙量的影响

为探讨黄土丘陵区小流域土地覆被变化特征及其对流域径流产沙量的影响,以黄土丘陵区吕二沟、罗玉沟及其嵌套流域(桥子沟)等3个小流域为研究对象,运用数理统计学、配对流域等方法定量分析了3个小流域不同研究时段内土地覆被变化对径流产沙量的影响.结果表明,1982~2004年间,林地面积以1.07%/a的速率快速递增是吕二沟流域土地覆被变化的最明显特征,而罗玉沟流域在国家坡改梯工程影响下,坡耕地面积大幅减少,1986~1995年间约73%坡耕地转化为梯田;结合配对流域法可知,土地覆被变化是导致流域径流和产沙减少的主要原因,在相同降雨条件下,径流深、泥沙量分别减少43.76%和35.23%.流域年径流模数与年降水量和流域森林覆被率均呈指数关系,流域森林覆被率增加5%,径流模数可减少18.43%~37.58%.     

Farmer perception of runoff and erosion and extent of flooding in the silt-loam belt of the Belgian Walloon Region

Flooding, and in particular muddy floods resulting from erosion of agricultural land, is of growing concern to decision makers and the public in western Europe and is frequently blamed on agricultural land use. Two surveys were therefore undertaken in the Walloon Region of Belgium, one among all municipalities to assess the extent of flooding, and one among 1500 farmers in the silt-loam and sandy-loam agricultural regions to evaluate the extent of runoff and erosion problems on-farm and what, if any, control measures are currently implemented by farmers. Twenty-seven percent of the municipalities in Wallonia have been confronted with floods at least once every 2 years over the last decade. For the silt-loam and sandy-loam regions specifically, 68% of the municipalities have had to deal with at least one flooding event directly attributed to agricultural runoff during the last 10 years. Runoff or erosion was observed at least once every other year on average by 26% of the farmers during the last decade. The occurrence of erosion was positively correlated to the area of row crops and negatively correlated to winter cereals. On average, 74% of the farmers are taking active measures to control erosion but farmers with erosion problems are more likely to take measures. Farmers with a higher level of education are also more likely to implement erosion control measures (ECMs) than less educated farmers. It appears therefore that greater efforts need to be expended on awareness raising among less educated farmers and towards the development, testing and demonstration of additional ECMs if flooding problems are to be reduced in the future.     

不同降雨条件下植被对绿色屋顶径流调控效益影响

植被是绿色屋顶的重要组成部分,可通过截留雨水和蒸散耗水等过程影响绿色屋顶的径流调控效益.本文基于太阳花(Portulaca grandiflora)、佛甲草(Sedum lineare)、高羊茅(Festuca elata)和无植被等4种植被覆盖类型绿色屋顶2017年雨季26场降雨径流过程的监测数据,从径流和洪峰削减、产流和峰现时间延迟四方面定量分析植被在不同降雨条件下对绿色屋顶径流调控效益的影响.结果表明,绿色屋顶径流削减率与降雨量呈显著负相关(P 0. 01),降雨量10 mm时,绿色屋顶径流削减率等于或接近100%;降雨量超过30 mm,所有绿色屋顶的径流削减率降低到70%以下;当降雨量达到监测期内最大的81. 4 mm时,各绿色屋顶径流削减率都低于55%.植被覆盖类型对绿色屋顶径流调控效益的影响随降雨条件而改变,大雨条件下不同植被覆盖类型绿色屋顶的径流削减率差异最大,中雨和暴雨条件下次之,小雨条件下因各绿色屋顶几乎都不产流而无明显差异.在中雨、大雨和暴雨条件下,有植被覆盖绿色屋顶的径流削减率、洪峰削减率、产流和峰现时间延迟等4个指标都明显优于无植被覆盖的绿色屋顶.株高和单位面积地上生物量最高的太阳花绿色屋顶的径流调控效益优于佛甲草绿色屋顶.     

次降雨过程中不同土地利用配置对径流中氮流失的影响

为了解天然次降雨过程中土地利用配置对径流氮流失的影响,本研究以重庆市忠县石盘丘小流域两个不同土地利用配置的A、B子集水区为研究对象,对集水区出口径流量和氮素进行监测.A集水区为农林水复合配置模式,B集水区为传统农业配置模式,利用EMC评估次降雨过程径流中氮的平均浓度,分析次降雨过程中不同土地利用配置对径流氮素的影响.结果表明,在次降雨径流氮流失过程中,B集水区的TN浓度（1.37~15.17 mg·L^-1）>A集水区（0.84~9.28 mg·L^-1）;A集水区第一次峰值占第二次峰值的比值62%远小于B集水区的97%;A集水区的平均可溶性总氮/总氮（DN/TN）为69%,B集水区的平均可溶性总氮/总氮（DN/TN）为75%,A集水区的平均硝态氮/可溶性总氮（NN/DN）为67%,B集水区的平均硝态氮/可溶性总氮（NN/DN）为80%.不同土地利用配置对氮流失的影响显著,与B集水区相比,A集水区能有效减少氮的流失,明显消减第一次TN峰值,减少DN和NN的养分占比.本研究为三峡库区小流域面源污染防控提供了科学依据.     

广州番禺区不同地类的非点源污染排放特征

在广州番禺区建设代表城市、农田、村镇、园地4类典型集水区的径流试验小区,对每个径流小区采集3场有效降雨径流以研究不同土地利用类型的非点源污染负荷输出特征。结果表明,不同土地利用类型的污染物输出浓度差别较大,TSS和COD输出浓度(EMC值)的大小排列顺序为园地>农田>村镇>城市;NH3--N为农田>城市>园地>村镇;NO3--N为城市>农田>村镇>园地;TN为农田>城市>园地>村镇;TP为农田>园地>城市>村镇。对于农田集水区,TSS和COD的输出明显受降雨的影响,而N、P污染物的输出受施肥的影响更为显著;对于城市集水区,晴天累积污染物的数量和降雨情况是决定初期径流中污染负荷的主要因素。污染负荷与径流量之间相关性显著,且颗粒物是携带污染物的重要载体。各径流小区的初始冲刷效应分析结果显示,不透水地面更易发生降雨初期冲刷;降雨强度是影响降雨径流初始冲刷的关键因素。     

Incorporating the data of different watersheds to estimate the effects of land use change on flood peak and volume using multi-linear regression

Affected by human activities, land use and land cover has changed in Daqinghe watershed, China, which resulted in varied runoff. In many hydrological stations, there was a decreasing trend of flood volume and flood peak, but no trend of rainfall depth. In order to quantify the effect of land use change on flood peak and volume, we selected 5 sub-watersheds in Daqinghe watershed, and made a multi-linear regression analysis incorporating the main information in the selected sub-watersheds. The dependent variables are changes in flood volume and flood peak, and the independent variables are the control factors including changes in rainfall depth, intensity, land use area, watershed area, and so on. The rainfall and flood data series are from 1956 to 2005. We divided the data into 2 groups according to flood size―greater than and less than 10 year return period. At last, 4 regression equations were obtained. Based on the multi-linear regression equations and land use data of 1970, 1980, 1995 and 2000, the quantified effects of land use change on flood peak and volume were obtained. Compared with 2000 land use condition, flood volume and peak varied larger in 1970 and 1995 land use conditions, but slightly in 1980 land use condition. Take Zijingguan as an example, flood volume greater than 10 year return period increased 4.08 mm in 1970 land use and decreased 4.90 mm in 1995 land use, but just increased 0.12 mm in 1980 land use. Among all the selected sub-watersheds, land use change had a significant effect on both flood volume and peak in Zijingguan and Zhangfang sub-watersheds. And Manshuihe showed a large variation in 1970 land use condition, other sub-watersheds exhibit a moderate variation due to land use change.     

不同土地利用/覆盖情景下东北沟流域植被生态需水量及其对产流影响

针对京津水源区上游生态环境建设需水与向下游多输水的矛盾现实,基于气象、土壤、土地利用/覆盖(1990年和2009年)数据,应用Penman-Monteith公式估算潜在蒸散量,再用土壤和植被信息对其进行修正,计算了水源区东北沟流域1990年、2009年及其他5种不同土地利用/覆盖情景下的最小生态需水量和适宜生态需水量。结果表明:2005-2009年4-10月潜在蒸散量是715.04 mm;2009年流域植被适宜生态需水量是399.42 mm,最小生态需水量是339.68 mm,比1990年的适宜和最小量分别多122.5 mm、144.5 mm;平水年的降雨均可满足各种情景生态需水要求,其中需水量较大的是情景Ⅲ(草地转化为林地),其适宜需水量达784.69×10⁴ m³,情景Ⅱ(林地转化为草地)的需水量最小,适宜需水量是687.27×10⁴ m³,该情景较适合向下游输水为目的的生态建设,但该情景实施的前提是建立下游向上游的生态补偿机制。     

低影响开发建筑小区雨水控制效果监测与评估

以某新建建筑小区为研究对象,通过构建低影响开发雨水排水系统,实现了雨水径流总量减排和峰值削减的多目标控制。采用同场次降雨对比分析的方法,在该小区6个排口（A~F）分别设置监测点,并选择下垫面类型组成相似的传统建筑小区排口（G）作为对比监测点。通过7场典型降雨监测数据的分析表明:与传统建筑小区相比,低影响开发建筑小区场次雨水径流外排总量削减率为12.1%~100%,场次雨水径流污染物（以SS计）总量削减率为69.6%~100%,峰值削减率为12.3%~100%。通过建立数学模型对典型年降雨数据进行了连续模拟,结果表明:低影响开发建筑小区平均径流外排总量削减率为77.3%,污染物总量削减率为66.4%。因此,监测和模拟结果均表明低影响开发雨水系统可有效控制雨水径流的外排总量和污染负荷。研究结果可为我国今后海绵型建筑小区建设提供技术支撑。     

Developing interactive land use scenarios on the Loess Plateau in China,presenting risk analyses and economic impacts

This study aimed to present a risk analysis of the effects of different land use scenarios on reducing soil and water losses, using a physically based hydrological and soil erosion model. We quantified the effect of various land use scenarios on the expected rate of discharge and sediment loss during a single rain event in a small agricultural watershed on the Loess Plateau in China, using the geometric mean and stochastic distributions of measured field saturated conductivity (K_s) values. Land use scenarios were based upon physical, economic and agricultural interests, and effects on farmers’ incomes were evaluated using empirically derived equations. A physically based hydrological and soil erosion model was used to quantify the effects of land use on discharge and soil loss. Using geometric mean values of K_s as the model input resulted in higher values for runoff coefficients and total soil loss compared with the use of stochastic K_s values. The use of stochastic K_s-distributions resulted in a range of model outcomes reflecting the effect of spatial heterogeneity on simulated discharge and soil loss. The conservation-driven scenario was most effective in reducing water and sediment losses by runoff and erosion, followed by the soil-driven scenario and the agriculture-driven land use scenario. Only the agriculture-driven scenario resulted in a small increase in household income, while a serious loss of income is predicted for the other scenarios. The use of variability of parameters and a Monte Carlo analyses allows statistical analyses and comparison of computed results for alternative land use scenarios, and leads to a more balanced judgement.     

雨水管道沉积物对径流初期冲刷的影响

为了避免汇水面源头以及分流制雨水管道系统中沉积的大量污染物在降雨时随雨水径流被冲刷进入水体,从而控制径流对水环境构成的冲击性污染,从理论和试验2方面分析了管道径流污染物(汇水面和管道沉积物2个来源)的流失规律.结果表明,汇水面源头污染物流失较符合源头冲刷的指数衰减模型,管道内沉积物流失可用流量曲线模型计算;管道内沉积物占管道径流污染物的比例越大,管道径流的初期冲刷现象越不明显.为了提高径流污染控制设施的效率,宜在源头进行分散控制,并加强雨水管网系统清洁维护,避免污染物的积累.     

自然经济限制性下天津市农村居民点整理潜力估算

农村居民点整理增加耕地潜力的测算既要考虑其自然适宜性,也要考虑其经济可行性。论文探讨了天津市农村居民点整理在自然、经济条件限制性下增加耕地的潜力。首先,选取了7个自然指标建立了农村居民点整理的自然适宜性评价指标体系,利用评价后的宜耕地比例作为自然限制性修正系数,将自然限制性修正系数与农村居民点整理理论潜力的乘积,作为自然限制性下农村居民点整理增加耕地的潜力。然后,选取了9个经济指标建立了农村居民点整理的经济可行性评价指标体系,利用其评价结果作为经济限制性修正系数,将经济限制性修正系数与自然限制性下增加耕地潜力的乘积作为自然、经济限制性下农村居民点整理增加耕地的潜力。测算结果表明,天津市各区县的自然限制性修正系数为0.393～0.954,经济限制性修正系数为0.242～0.813;在自然、经济限制性下,天津市各区县农村居民点整理增加耕地系数2010年为3.597%～14.812%,2020年为6.158%～15.902%;分别可净增加耕地面积64.893～2206.523hm₂、68.289～2274.096hm₂。     

城市绿地降雨径流污染特征对比研究：以澳门与厦门为例

在澳门与厦门分别选一分流制管道类型的绿地小流域开展降雨径流监测,以研究城市绿地降雨径流污染特征.结果表明,两城市绿地小流域降雨径流的主要污染物为COD、TP、NO_3~--N,其EMC平均值分别为165.77～60.48 mg/L、 0.96～0.44 mg/L和7.16～1.18 mg/L;两城市绿地的COD、TP、NO_3~--N污染负荷平均值分别为6.53～0.63 kg/hm~2、 0.037 5～0.0047 kg/hm~2 和0.012 2～0.012 8 kg/hm~2;绿地降雨径流污染物浓度峰值出现时间早于径流量峰值;城市绿地降雨径流初始冲刷效应不明显,厦门绿地小流域降雨径流COD、TSS、TP及NO_3~--N的FF_(30)分别为36.26%、 26.13%、 28.13% 和39.03%.基于多元回归分析结果表明,总降雨量和总径流量是影响绿地降雨径流污染初始冲刷效应的主要因素.     

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。     

Seasonal exports of phosphorus from intensively fertilised nested grassland catchments

We carried out a one year (2002) study of phosphorus (P) loss from soil to water in three nested grassland catchments with known P input in chemical fertilizer and animal liquid slurry applications. Chemical fertilizer was applied to the grasslands between March and September and animal slurry was applied over the twelve months. The annual chemical P fertilizer applications for the 17 and 211 ha catchments were 16.4 and 23.7 kg P/ha respectively and the annual slurry applications were 10.7 and 14.0 kg P/ha, respectively. The annual total phosphorus (TP) export in stream-flow was 2.61, 2.48 and 1.61 kg P/ha for the 17, 211 and 1524 ha catchments, respectively, compared with a maximum permissible (by regulation) annual export of ca. 0.35 kg P/ha. The export rate (ratio of P export to P in land applications) was 9.6% and 6.6% from the 17 and 211 ha catchments, respectively. On average, 70% of stream flow and 85% of the P export occurred during the five wet months (October to February) indicating that when precipitation is much greater than evaporation, the hydrological conditions are most favourable for P export. However the soil quality and land use history may vary the results. Particulate P made up 22%, 43% and 37% of the TP export at the 17, 211 and 1524 ha catchment areas, respectively. As the chemical fertilizer was spread during the grass growth months (March to September), it has less immediate impact on stream water quality than the slurry applications. We also show that as the catchment scale increases, the P concentrations and P export decrease, confirming dilution due to increasing rural catchment size. In the longer term, the excess P from fertilizer maintains high soil P levels, an antecedent condition favourable to P loss from soil to water. This study confirms the significant negative water quality impact of excess P applications, particularly liquid animal slurry applications in wet winter months. The findings suggest that restricted P application in wet months can largely reduce the P losses from soil to water.     

土地利用/覆被变化的水文效应研究进展

随着社会的不断进步和人口的迅速膨胀,土地利用/覆被变化对水文过程产生了重大影响,其研究已经成为国际热点问题和前沿领域。论文首先分析了LUCC水文效应的研究方法,然后从土地利用/覆被变化的驱动力方面:造林与毁林、城市化过程与农业开发活动以及水土保持等,概述了LUCC水文效应的研究进展。综合分析表明:关于城市化过程的水文影响研究,一般认为,在城市化快速发展的驱动下,不透水面积大量增加,改变了水量平衡状况,造成入渗减少,洪峰流量增大,但不同地区城市化发展程度的不同使得水文效应的表现也不相同;水土保持水文效应的研究一般认为,水土保持通过植树造林、种草、修建梯田、淤地坝等措施,使得区域/流域下垫面覆盖状况发生了很大的改变,造成年径流和洪峰流量减少,而使入渗和枯季径流增加,但因地理位置和气象条件等方面的差异,不同地区水土保持产生的水文影响也有所差别;造林与毁林、农业开发活动对水文过程的影响则因研究尺度、区域位置、气象条件、研究对象等因素的影响出现了较大的差异。因此,需考虑多方面因素的影响,正确评价土地利用/覆被变化的水文效应,为水土资源的合理配置和可持续利用提供科学依据。     

川中丘陵区不同下垫面集水区氮磷流失特征

通过对2019~2020年不同下垫面集水区(农田集水区与复合集水区)径流及氮磷浓度的连续逐日定位监测,研究川中丘陵区不同下垫面集水区氮磷径流流失过程与强度,探讨下垫面对集水区氮磷径流流失特征的影响.结果表明:不同集水区的径流过程因下垫面不同而存在明显差异,农田集水区内的水田和坑塘的拦蓄作用滞缓了汇流过程,而复合集水区中居民点、公路等不透水下垫面缩短了汇流时间,使得复合集水区的降雨径流量峰值更高,响应速度较农田集水区快12~25min,年径流深较农田集水区多28.1%;次降雨径流过程中磷浓度变化较氮更剧烈,浓度峰值出现时间较氮早约1.2h,在降雨后期磷浓度下降速度更快,降幅更大;复合集水区的氮磷平均事件浓度(EMC)、峰值浓度均高于农田集水区,且两集水区氮流失形态均以硝酸盐氮为主,占总氮的65.9%;磷流失以颗粒态为主,占总磷的67.5%;复合集水区的氮磷流失负荷分别是农田集水区的3.01和4.03倍,氮磷流失强度分别是农田集水区的1.88和2.51倍.因此,复合集水区内氮磷随径流流失的防控可能是未来川中丘陵区面源污染治理的重点.     

城市降雨径流水文模拟的参数局部灵敏度及其稳定性分析

基于Morris筛选法,在厦门城市小流域采用8场实测降雨数据对城市降雨径流模型SWMM的水文水力模块进行局部灵敏度及其稳定性分析.结果表明,Area、%Imperv和Dstore-Imperv是影响降雨总径流量和流量峰值最灵敏的参数.对于总径流量,Area、%Imperv和Dstore-Imperv的灵敏度分别为0.46～1.0、0.61～1.0和-0.050～-5.9;而对于流量峰值,它们的灵敏度分别为0.48～0.89、0.59～0.83和0～-9.6.其中降雨强度最小的场次降雨的各个参数降雨总径流量和流量峰值的灵敏度都最大,而降雨强度较大的场次降雨的总径流量和流量峰值的灵敏度都较小.不同场次降雨模型参数的灵敏度分析具有很大的差异性,但%Zero-Imperv对总径流量和流量峰值模拟输出影响的稳定性最小,表现在变异度最大,高达221.24%和228.10%,而Conductivity参数稳定性最大,变异系数都为0.     

全球增温1.5℃和2.0℃对淮河中上游径流影响预估

论文应用第5次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)中5个全球气候模式(Global Climate Models,GCMs)和3种典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCPs)在全球增温1.5℃和2.0℃下的预估结果,分析了淮河中上游地区未来的气候变化特征。进一步基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水文模型定量预估了气候变化对该区域径流量的影响,并量化了预估结果的不确定性。结果表明:SWAT模型在淮河中上游对月径流量具有较好的模拟能力。在全球增温1.5℃和2.0℃下,淮河中上游年平均气温分别较基准期(1986—2005年)增加1.1℃和1.7℃;年降水量较基准期分别相应增加4%和7%;基于SWAT模型预估的年径流量较基准期分别增加5%和8%。未来气候变化不会改变月径流分布特征,年内径流仍集中在盛夏和初秋(6—9月)。预估的月丰水流量明显增加,尤其当全球增温达到2.0℃后,出现洪涝的风险明显增大。未来降水量和径流量预估都存在较大的不确定性,不确定性主要来源于GCMs,在全球增温2.0℃下预估的不确定性更大。     

土地利用类型及其社会经济特征对河流水质的影响

流域尺度上土地利用类型与水体水质之间存在相关关系,这种相关关系同时会受到各种社会经济活动的影响.在自然或半自然区域内,土地利用类型与水质的相关关系比较显著.然而,在城市区域内社会经济活动将会影响土地利用类型与水质的相关关系.为证实这一现象的存在,选取京津地区11个小流域为研究对象,分别从小流域综合分析和小流域聚类分析2个角度,分析土地利用类型及其社会经济特征与河流水质的关系,并以温榆河小流域情景分析进一步探讨社会经济因素对土地利用类型与河流水质关系的影响,结果显示,聚类分析中,半自然区域中小流域的TN、TP、NH4+-N均与土地利用类型相关,而城市区域中小流域的TN、TP、NH4+-N均与社会经济因素相关,社会经济因素的差异改变甚至削弱了土地利用类型与河流水质的相关性,验证了假设现象的存在.因此,在跨域城乡梯度的区域尺度研究水体水质及其影响因素的相关性时,需要综合考虑土地利用类型及其社会经济特征.