基于遥感叶面积指数的水文模型定量评价植被和气候变化对径流的影响

摘要针对经典概念性降雨径流模型较少考虑植被信息的问题,本文以澳大利亚南部典型中尺度Crawford River试验流域为研究基础,采用基于NOAA/AVHRR 遥感叶面积指数的Penman-Monteith蒸散发模型对原新安江模型和SIMHYD模型进行改进,借助改进的水文模型模拟植被变化后的径流过程,并尝试定量划分植被变化和气候变化的径流响应.结果表明：新安江-ET 模型和 SIMHYD-ET 模型与原模型相比,模拟精度有一定提高.另外,在 Crawford River 流域有 25%的面积植树造林情况下,流域年径流总变化量为 32.4 mm,为造林前多年平均径流量的 47.6%. 其中,由植被变化引起的径流变化量为 20.5 mm,为造林前多年平均径流量的 30.1%;由气候变化引起的径流变化量为 11.9 mm,为造林前多年平均径流量的 17.5%.说明造林使该流域径流量明显减少,而且相对于气候变化而言,植被变化对径流量的影响更为显著.     

用混合回归模型预测黄河三门峡站年径流变化的初步研究

年径流形成过程受到很多因素的影响,对其未来的精确描述十分困难,常用的成因预测法和统计预测法都有其一定局限性.以年径流作为自回归因子,降水、气温和用水做为回归因子,建立了年径流预测的混合回归模型,并以黄河三门峡站为例,对黄河三门峡站天然年径流未来变化进行了6种方案下的预测.研究表明,混合回归模型既能较好地模拟气温、降水及耗水变化对年径流量的影响,也能体现年径流自身的演变规律.     

二元年径流演化模式及其在无定河流域的应用

由于受人类社会活动影响的不断加强,流域水循环过程变得越来越复杂.探索流域年径流量的演变规律对定量分析变化环境中的水资源状况和预测流域未来水资源的演变规律具有特别重要的意义,因为以年为时间尺度能最好地反映天然和人类活动驱动下的流域水资源变化规律.在水资源的二元演化模式下提出了年径流的天然-人工二元演化理论,并在黄河中游的无定河流域进行了应用.应用实例中着重对无定河流域下垫面动态变化情况下的降水径流关系进行了深入的对比分析,并提出了代表流域水保措施的水保指标面积的概念,利用水保指标面积来反映流域下垫面条件,并建立了反映流域下垫面动态变化的降水径流经验模型.     

黄河下游水资源转化结构及其变化规律

在黄河下游河流生态环境需水量和河流系统功能研究的基础上,结合研究区域的实际情况,针对水资源在河流系统中的不同服务目标,将通过黄河下游各主要水文断面的水资源划分为生态环境水、资源水和灾害水3个组成部分(简称“三水”),并分别对“三水”的概念及其在实践中的意义进行了阐述.通过对1950～2001年逐日水文数据的整理分析,计算了每年的“三水”数量,探讨了50多年来“三水”的相互转化情况及其变化规律.结果表明,自20世纪50年代以来,尽管水资源优先用于满足河流系统功能最基本的需要,但可用生态环境水在比例增加的同时水量却不断减少,与黄河下游河道最小生态环境需水量的差值不断增大;而潜在可利用的资源水无论是数量还是比例均呈明显减少趋势.20世纪90年代以来,沿岸实际需水量已经超过潜在可利用的资源水量而需动用早已不足的生态环境水,使河流系统正常功能进一步受损、河道日益萎缩,进而导致灾害水在总水量大幅减少的情况下其比例及潜在危害仍无明显减小.     

塔里木河干流水资源的形成及其利用问题

新疆塔里木河干流是典型的干旱区内陆河, 自身不产流, 水资源全部依靠其源流补给, 为纯耗散性河道. 采用时间序列分析方法对塔里木河干流上游三源流(阿克苏河、叶尔羌河、和田河)的年径流量动态变化进行了分析, 建立了源流区的耗水模型, 对源流区来水及耗水的增加趋势给出了定量结果. 分析了干流各测站年径流量的变化趋势, 从而粗略推算了现状条件下各站发生间歇性断流的时段. 建立了干流区耗水模型, 分析了干流上、中游各段耗水特点, 得出了各段耗水随干流来水减少而减少、因人类活动而增加的定量关系.     

基于水热耦合平衡方程的黄河流域径流变化归因分析

选择黄河流域38个典型子流域为研究对象,基于流域水热耦合平衡模型,计算了各流域径流对气候和下垫面变化的弹性系数;进一步针对各流域在1961~2010年间的径流变化,定量区分了气候变化和下垫面变化对各典型子流域天然径流减少的影响程度.结果表明:径流的气候弹性和下垫面弹性具有一致性,黄土高原地区的水文过程对气候和下垫面变化更加敏感.下垫面变化对绝大多数子流域的径流量减少起主导作用,特别是黄土高原地区水土保持对径流的影响不可忽视.本研究表明,基于流域水分-能量耦合平衡方程的径流弹性分析方法,对定量区分气候和下垫面变化对流域径流的影响具有广阔的应用前景.     

珠江入海水沙通量变化特征

入海水沙通量的近期变化是流域与海岸相互作用研究的焦点和核心内客.本文利用滑动平均法、秩次相关检验和线性回归检验等方法,对控制珠江入海水沙通量的博罗、马口和三水三个水文站1956～2000年的水文资料进行分析.结果表明:珠江入海水沙通量在年内呈季节性变化,4～9月份八海流量分配占全年的74.3～88.8%,含沙量占91.7～96%;三站含沙量在20世纪90年代之后均呈下降趋势,与同期流量比较,博罗、马口舍沙量产生突变并呈减少趋势,三水站流量相对同期舍沙量则产生突变并呈增加趋势.     

森林水文生态效应及在川西亚高山针叶林群落中的研究

水资源亏缺是世界各国政府和科学家们普遍关注的热点问题，而森林在涵养水源、调节水量、减少径流泥沙、降低洪峰、改善水质等方面具有重要的功能，因此森林水文生态效应研究成为生态学家和水文学家们共同关注的焦点。迄今为止，有关森林水文生态效应的研究主要包括集水区森林水文生态效应、水土保持林水文生态效应和森林水文生态效益研究。川西亚高山针叶林位于长江上游青藏高原东缘，在水土保持和调节流域水量平衡等方面具有重要的生态功能。但迄今为止，有关川西亚高山针叶林水文生态效应的研究较少，主要为短期的、定性的、简单观测，这与其在长江流域水量平衡调节中的作用和地位极不相称。因此，建议在未来的研究中，从生态系统过程的角度加强以下研究：森林流域对径流影响的内在机理、不同树种水文生态效应及对比研究和养分循环及水质方面的研究，另外，因为气候、植被和水文密切相关，而且川西亚高山森林是对全球气候变化最敏感的地区之一，所以有必要探讨大气中CO2浓度升高等对森林水文生态效应的影响。     

黄河典型流域分布式水文模型及应用研究

面向黄河中等流域水资源管理,提出一个日过程的分布式水文模型.模型利用GIS/RS技术实现空间分布参数的确定和模型输入信息的处理.在产流计算上采用基于“地形指数”的方法,在汇流演算上采用分段马斯京根方法.模型的运行控制采用基于河网拓扑关系的“空间循环控制代码”的方法.在实例研究中将模型应用于黄河中游泾河流域.根据1996年径流模拟结果表明,模型具有一定的精度,在结构上是合理的,其中水量平衡误差小于5％,模型效率系数达到0.7,能够满足流域水资源管理之需.     

长江中下游三大湖群近半个世纪演化对比分析

湖泊萎缩是湖泊四大环境问题之一。本文针对长江中下游平原区，在收集大量调查数据和研究成果的基础上，对该区三大湖泊群近半个世纪以来的面积变化及其阶段性特征进行了对比分析。结果表明，长江中下游地区三大湖群的湖泊面积自20世纪70年代以来有增有减，江汉湖群的面积经历了增加和减少的交替，到21世纪初共增加了259．9km^2；太湖流域湖泊群面积一直呈下降趋势，但减幅不大，40年间约减少面积188．9km^2；安庆沿江湖泊群面积在研究期间持续减少且减幅最大，减少面积高迭932．4km^2。江汉湖群面积减少主要在20世纪70年代到80年代和20世纪90年代到2l世纪初两个时期；太湖流域湖泊群面积减少的主要时期是20世纪70年代到80年代；安庆沿江湖泊群面积剧减的时期则主要是20世纪70年代到90年代。各湖群湖泊面积变化趋势和速率与人类活动方向和强度及各湖群湖泊所处的经济社会发展阶段有关，人类活动在现代湖泊演变中起了决定性的作用。     

黄河下游河道主河槽萎缩特征及其判别参数研究

采用时间序列分析方法对黄河下游河道断面形态参数变化趋势及其变异点进行了系统分析,结果表明:从20世纪50年代以来,断面形态参数发生了趋势性变化,表现为主河槽呈逐年萎缩的态势,且这种趋势在未来仍将延续;黄河下游主河槽萎缩的主要特征是平滩流量和平滩面积的显著下降,相应的平滩河宽、平均水深、最大水深等出现不同程度的下降,同时还伴随着平滩水位和宽深比的上升.提出了黄河下游河道主河槽萎缩的判别参数与判别标准,分析认为下游河道主河槽在70年代开始初步萎缩,90年代以后进入严重萎缩期;提出了三门峡出库水沙过程不协调指数,表明三门峡水库修建后水沙过程不协调性呈增加的趋势;建立了下游河道主河槽萎缩参数与三门峡水库出库水沙过程的响应关系,指出通过水库调控进入下游的水沙过程,特别是调控出库水沙不协调指数,可以缓解和改善下游河道主河槽的萎缩状况,恢复与维持下游基本的输水输沙通道.     

西藏昌都地区耕地资源研究

通过资料收集、野外考察和数据统计,对藏东南昌都地区的耕地资源数量、分布特征、影响因素及未来变化趋势进行了研究,研究结果表明昌都地区1995～2004年期间:(1)宜耕土地资源数量小,宜耕后备少,开发难度大;现有耕地以坡耕旱地为主,耕地质量差,生态环境恶化;(2)耕地总量变化分为上升、保持平衡、下降三个阶段,期间耕地总量减少0.496%;影响耕地总量变化的因素按重要性依次为政策因素、经济因素和自然因素;人口持续增长也是导致人均耕地持续下降的主要因素之一;(3)耕地未来变化趋势主要取决于人口增长、区域经济发展状况以及地方政府政策;耕地总量将趋于平衡;人均耕地下降势头逐渐趋缓.本研究为昌都地区耕地资源可持续利用提供了理论依据.     

黄河主要来沙区林草植被变化及对产流产沙的影响机制

2000年以来,黄土高原林草植被状况明显改善,同期黄河水沙也明显减少.本文基于20世纪70年代末、90年代末、2010年和2013年卫星遥感影像,引入易侵蚀面积、林草地比例、林草地植被盖度和林草植被覆盖率等概念,并结合实地调查,分析了20世纪70年代以来黄河中游多沙区林草植被的规模、盖度和结构变化;引入产沙系数、径流系数和产洪系数等概念,在流域层面上剖析了黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖状况与产沙、产洪和产水的响应关系,揭示了研究区近年水沙大幅减少的原因.研究认为,与20世纪70年代末相比,1998年以前林草植被变化不大,但1998~2013年林草植被覆盖率却由11%~25%增加到35%~55%,该改善过程恰是植被变化影响产沙的敏感阶段;高含沙洪水仍然是未来黄土高原支流的常遇洪水,但含沙量会降低.     

以黄河流域土壤水资源为例说明以“ET管理”为核心的现代水资源管理的必要性和可行性

针对流域/区域水资源匮乏程度日益严重的情势,本文立足于水循环全过程,以水资源在其动态转化过程的主要消耗——蒸发蒸腾(ET)为出发点,全面论述了在现代水资源管理中开展以"ET管理"为核心的水资源管理的必要性和可行性.并以黄河流域土壤水资源为研究实例,在采用WEP-L分布式物理水文模型对全流域水循环要素系统模拟的基础上,开展了黄河流域土壤水资源数量和消耗效用分析.结果表明,立足于区域/流域水循环过程,开展以"ET管理"为核心的水资源管理,不仅可以避免水资源的闲置而且也有利于从"真实"节水的角度提高水资源的利用效益,缓解区域/流域水资源的匮乏程度,是对传统水资源需求管理有益的补充.     

鄱阳湖及五河尾闾演变特征

自然、气候变化和人类活动引起的江-湖-河关系的变化导致了鄱阳湖湖区及五河尾闾的演变加剧,给鄱阳湖湖区及五河尾闾地区的水文、环境、生态以及社会经济发展等造成了极大的响应性影响.本文对近年来鄱阳湖湖区和五河尾闾演变,鄱阳湖、长江和"五河"的江-湖-河关系尤其是水沙关系的变化及其驱动机制,以及相应的调控对策进行了综述.对江-湖-河关系及调控研究的研究方向提出了展望.     

岷江源头区水土流失模拟计算与动态分析

通过对卫星遥感图片的解译以及ArcGIS软件的应用,借助已有水文数据和通用水土流失方程(USLE)模拟计算了岷江源头区1974年、1994年以及2002年的年水土流失总量。同时,按照国家水利部公布的水土流失强度标准,将该区域分为无流失区、轻度流失区、中度流失区和强度流失区四个水土流失等级。结果表明:(1)该区域年水土流失总量从1974年到2002年呈下降趋势,1994年~2002年减少的速度远远大于前20年。(2)研究区域的水土流失强度有从流失严重的等级向流失轻微的等级转化的趋势,从转化面积来看,主要是由轻度流失区向无流失区转化以及中度流失区向轻度流失区转化。从转化比例来看,强度流失区减少得最多,大多转化为中度流失区。     

松嫩平原洪水资源利用引蓄水方式研究

以松嫩平原为背景，在河流水资源结构分析的基础上，提出了平原地区洪水资源利用蓄水模型。综合考虑需求、可蓄水量以及蓄水时可承受的风险等因素，将洪水利用状况划分为全蓄型和分蓄型。根据蓄水区蓄水前后防洪能力的变化，提出模型应用风险分析标准及其评估方法。并以嫩江下游大赉河段为例，选择代表性水文年进行分析，结果表明：从利用角度，按照生态、农业需水状况引蓄洪水，不仅能够缓解春旱，而且所产生的蓄水风险也可以承受；从防洪角度，能够大幅度削减洪峰流量，所蓄水量能够提高枯水期河道径流量，改善河流水资源结构。     

淮河流域近50年来气候变化及突变分析

基于淮河流域1961~2015年的主要气象数据,采用趋势分析、M-K检验和R/S方法,对淮河流域的气温、降水和日照时数3个要素的时间序列进行趋势分析和突变点检验,结果显示:1淮河流域多年平均气温在时间上呈现明显突变上升趋势,其中大部分站点气温突变出现在20世纪90年代;流域南部的气温上升程度高于北部地区;从整个流域的Hurst指数分析来看,未来淮河流域的年平均气温仍将持续升高,但上升程度不显著。2淮河流域的年降水量在时间上呈现一定的减少趋势,并且发生多次降水突变现象;各站点的降水量变化不大,但均出现多次突变情况;从Hurst指数来看,流域未来的年平均降水量有上升趋势。3流域的年平均日照时数呈现下降趋势,但变化并不显著;各站点均出现明显的日照时数下降现象;从Hurst指数来看,流域未来的日照时数将继续下降。     

黄河流域土壤水分遥感计算及水循环过程分析

在1982～1998年AVHRR pathfinder遥感数据和黄河流域土壤水分、降水与蒸发观测资料基础上,应用土壤水分遥感估算方法,计算出17年来黄河流域1 m土体各层土壤水分;在获得土壤水分数据基础上,以黄河流域中兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口和利津水文站为控制断面,将黄河流域划分为7个子流域,结合1982～1998年的径流资料和气象观测资料,利用水量平衡方法分析了17年来黄河流域水循环动态特征.通过研究表明建立的大区域、连续时间段、厚层土体土壤水分遥感估算方法及其框架是可行的;黄河流域多年平均降水量一般在4000 × 108 m3,蒸散量一般在3000 × 108～3500×108m3,土壤水年变化量在正负500×108m3之间;兰州以上河段是黄河流域中比较湿润的地区,多年平均蒸散发占降水量的比率为57％左右;黄河流域中最干旱的地区是内流区和山陕河段,多年平均蒸散比占降水的比率为78%左右.     

多沙河流的生态环境需水特点研究

输沙功能是多沙河流要求满足的一项重要系统功能,研究多沙河流的生态环境需水必须考虑河流的输沙用水.一般确定河流生态环境需水量的计算方法因其很少考虑多沙河流的生态环境需水特点而往往只适用于少沙河流.以多沙河流黄河的下游河段为例,分河段、分时段系统地分析了黄河下游不同水沙状态下的生态环境需水状况,通过对汛期、非汛期和全年不同情况的考虑,指出了黄河生态环境需水的特点(1)输沙用水需求远高于其他功能用水需求,输沙需水占生态环境需水的绝大部分;(2)当汛期输沙需水得到满足时,不仅可以输送全年的大部分泥沙,而且河流其他功能用水需求可以自动得到满足,此时的生态环境需水量与输沙需水量相当;(3)非汛期输沙需水得到满足时,同样可以满足河流其他功能的用水需求,但因输沙效率较低而导致相应的水资源浪费.根据多沙河流生态环境需水的特点,可利用水利枢纽进行适当的水沙组合调控,将非汛期来沙集中在汛期输送,从而达到减轻河道淤积,降低生态环境需水量,提高水资源利用效率的目的.