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.     

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.     

黄河源区水循环变化规律及其影响

黄河源区的水文循环规律在20世纪90年代发生了很大的变化.河源地区水循环变化的主要特点是在降水量变化不大而且略有增加的前提下,径流量有比较明显的下降,而且径流也更加集中在汛期.河源地区的水平衡调蓄量一直处于负均衡状态,从而导致了该地区生态环境的恶化.径流减少的主要原因是蒸发量的增加.河源区径流量与上游各水文站的径流量有较好的相关关系,河源区径流减少,整个黄河上游地区的来水量也有下降趋势,影响全流域的水资源供需平衡.径流减少后当地生态环境恶化,河道系统的水文循环发生深刻的变化.今后的演变趋势是由于西北地区温度持续变暖,21世纪的水循环的演变趋势将是蒸发量增加,径流量进一步减少.因为水利工程的修建,局部生态环境恶化态势会有所缓解,但是对于下游的生态环境影响却很复杂.     

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.     

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.     

黄土沟壑区产输沙特征的空间尺度效应研究

以黄土丘陵沟壑区的典型流域岔巴沟为例, 首先通过实测数据分析水沙过程的尺度现象和规律, 明确了流域产输沙的主要子过程及其影响因素和作用机理. 然后采用集成了坡面侵蚀、沟坡区重力侵蚀和沟道不平衡输沙3个子模型的黄河数字流域模型在较高分辨率的单元上模拟研究流域的暴雨—径流—产输沙响应, 结果重现了水沙过程的尺度现象. 在尺度现象是由不同产输沙子过程的空间尺度分布迭加引起的假定下, 对模拟结果进行分析, 发现重力侵蚀和高含沙水流特性是引起黄土沟壑区泥沙过程尺度现象的最主要因素.     

基于遥感数据的小水库塘坝拦洪计算方法研究与应用

本文以美国陆地资源卫星“LandsatTM／ETM＋”数据为基础,以流域地形分类为手段,以降雨蒸发为控制条件,提出了基于遥感数据的小水库塘坝拦洪计算方法．该方法旨在利用遥感技术研究解决小型水利工程影响流域洪水预报精度的问题,主要针对上游有众多小型水利工程的流域,也可用于无径流资料的小型水库径流估算．以20060826洪水为例,对19个有资料小水库进行拦洪模拟发现,拦洪总量绝对误差为-0．2万m^3,相对误差为-0．12％,模拟精度较好．使用此方法对全流域的小水库塘坝进行拦洪计算,并校正原洪水预报方案,校正后的相对误差由校正前的31．8％降低到10．1％,精度明显提高．     

径流时空分布理论及其在无定河流域的应用

在综合国内外相关研究的基础上,提出了径流时空分布理论,该理论基于流域数字高程模型(DEM)获得的数字化流域单元网格,并以线性汇流假定为基础,已成功应用于湿润地区的径流相关性研究中,显示出明显的科学意义和强大的实用功能.为进一步验证该理论在干旱半干旱地区的适用性,还将理论具体应用于黄河流域的无定河流域的径流相关性分析中,并获得了初步有效验证.     

嘉陵江中下游典型流域土壤侵蚀与泥沙输移遥感监测

应用美国陆地卫星TM影像和法国SPOT卫星影像数据, 提取土壤侵蚀相关信息, 采取多因素综合法, 对嘉陵江中下游典型流域李子溪治理前(1986年)和治理后(1999年)土壤侵蚀进行监测.通过监测两个年份土壤侵蚀的强度和面积的变化, 计算流域土壤侵蚀量的变化, 分析河流泥沙的变化. 研究表明, 李子溪流域治理后(1999年)较治理前(1986年)侵蚀面积减少, 特别是中度以上侵蚀面积减少, 侵蚀强度下降, 侵蚀量降低;该流域治理后泥沙输移比显著下降, 由原来的0.27下降到0.11. 该研究可为流域水土保持工作提供科学依据和决策支持, 也可为流域土壤侵蚀监测、评价以及预测提供参考.     

鄱阳湖与长江干流水量交换效应及驱动因素分析

针对长江与鄱阳湖复杂的江湖关系,立足于"湖补江"、"湖分洪"等水量交换过程,基于概念解析、方法定义等手段,提出了顶托强度指数、倒灌强度指数及水量交换系数的概念和计算方法,定量表征了长江与鄱阳湖间顶托、倒灌、"湖补江"、"湖分洪"等水量交换相互作用及年内变化过程,并利用了TFPW-MK和MK趋势分析法研究了水量交换年际变化趋势,从流域来水差异、三峡水库调度及湖区水位容积变化角度,探讨了驱动江湖水量交换效应变化的机制及量化影响.研究成果表明:综合影响下鄱阳湖汛期7~9月多年平均顶托强度27.5%,时常发生倒灌现象,平均倒灌强度8.3%,水量交换以"湖分洪"状态为主;枯水期12~4月多年平均顶托强度8.8%,水量交换以"湖补江"状态为主.2003年三峡水库运行调度以来,增加了长江中下游干流12~3月流量,湖口顶托强度增加6.0%;汛期削峰作用降低湖口顶托强度4.8%,倒灌强度减弱2.3%.近20年来鄱阳湖湖区容积变化导致多年平均顶托强度降低0.14%.长江与鄱阳湖流域来水差异是直接驱动江湖关系变化的主因.本文加深了对通江湖泊水量交换机理的认识,研究成果可为鄱阳湖湖泊综合治理提供借鉴.     

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.     

基于云理论的径流不确定性推理模型研究

针对中长期径流预报中存在许多不确定性因素,本文引入云理论构建径流预报的不确定性推理模型（UR）.首先,该模型应用最大方差方法（MaxVar）对径流序列进行硬性分级,用级别概念表示径流分级区间,以期望（Ex）、熵（En）以及超熵（He）构成的云隶属函数描述径流级别概念的模糊性和随机性,实现分级区间软化,然后将径流量值进行属性转化,以此建立定性推理规则集,运用云算法进行径流不确定推理预报,成功实现径流序列不确定性传递;其次,对径流分级过程中超熵（He）参数确定进行了初探,对推理随机性输出结果进行统计分析,给出相应显著水平下的预报区间;最后,将该模型应用于南方某水库入库月径流预报中,并与广泛应用的最小二乘支持向量机（LSSVM）和ARMA模型进行比较分析,本文模型不仅具有较高的预报精度,而且能够进行区间预报,实例验证说明了模型的有效性和实用性.     

蒸发互补关系在不同时间尺度上的变化规律及其机理

蒸发互补关系中的湿润环境蒸散发量一般采用Priestley-Taylor（P-T）公式进行计算.基于海河流域38个子流域的水文气象观测数据及山东位山通量实验站的观测数据,发现P-T公式中参数α值的年际变化规律是随降水量的增加而增大;季节变化规律是冬季大夏季小;日内变化则从清晨到正午逐渐减小,从正午到傍晚逐渐增大.上述变化的机理可以解释为：年际变化是因为大气系统对陆面蒸散发变化的负反馈作用,同时大气系统本身的开放性削弱了这种反馈作用;季节变化是由海陆间平流输送的季节性变化引起;日内变化是因为大气系统对地表能量变化的响应具有一定的滞后性.     

三峡水库二期蓄水初期螺山站水位流量变化响应

三峡工程二期蓄水对坝下游江段水情的变化产生了一定的影响.在水库蓄水的初期阶段,分析螺山江段水位流量的变化响应,采用综合落差指数法描述了该河段水位流量关系的变化,并通过同流量水位法初步撂悉了访河段近几年河床冲淤变化情况.结果表明,水库蓄水后.枯水期该站月径流量占径流量的百分比上升了0.43%,丰水期和平水期分别下降了0.2%和0.23%;从该站水位距平值来看,枯水期有所上升,丰水期和平水期均有所下降.时该站水位流量关系进行单值化处理后,发现蓄水后水位流量关系曲线较蓄水前偏左.同时,同流量下水位的变化也反映了该河段泥沙冲淤情况,对此本文作了初步探悉,发琨在同一江段的不同时段都有冲淤的变化.     

干热河谷不同岩土组成坡地的降水入渗与林木生长

坡地对降水的入渗能力是决定干热河谷坡地土壤水分条件和林木生长的重要因素, 坡地入渗能力低是造成干热河谷土壤干旱的主要原因之一. 由于岩土孔隙状况的差异, 不同岩土组成坡地的入渗能力差异较大. 片岩坡地入渗速率为1.40～8.67 mm/min, 砂砾层坡地为6.33 mm/min, 砾石层坡地为0.69～2.20 mm/min, 轻度侵蚀泥岩坡地为0.6～1.3 mm/min, 强度侵蚀泥岩坡地为0.03～0.63 mm/min. 泥岩坡地土体黏重板结, 入渗能力弱, 天然降水入渗少, 对土壤水分的有效补充较少. 在干旱季节土体极其干旱, 林木生长停止, 甚至受到干旱的生理伤害枯死, 林分生产力低, 极难恢复森林植被. 片岩坡地、砾石层坡地、砂砾层坡地等石质山地土体裂隙发育, 入渗能力强, 天然降水入渗多, 对土体水分的有效补充较多, 在干旱季节岩土深层有少量有效储水供林木吸收利用, 维持其正常生理活动的水分需要, 林木生长较泥岩坡地上的林木生长快, 林分生产力高. 干热河谷的植被恢复应针对不同坡地类型生境的土壤水分条件, 主要依靠优势生活型植物种类, 进行乔-灌-草不同生活型植物类型的合理配置, 建立起植被与生境土壤水分条件的群落生态关系, 方能达到成功的目的. 另一方面, 增加降水入渗的造林整地措施和集流入渗的工程措施是干热河谷植被恢复的主要技术关键之一.     

敦煌莫高窟蒸散量的估算与非线性分析

通过应用野外称重法测定的折算系数对莫高窟林地的蒸散量进行估算与分析。结果表明,莫高窟林地的年蒸散量为6091mm,符合耗散结构的非线性原理,是较高水平蒸散耗散结构存在的表现。莫高窟林地75%的水分是通过植物根系将深层土壤水分转运出地面后以蒸腾的形式耗散掉的。蒸散量作为各参与因子时空异质性的综合反映,随着土壤水分状况、气候环境、植被种类和植物体量的变化呈现广泛非线性表现。而非线性系统不满足线性叠加原理。因此,本文通过使用折算系数,避免了用蒸发量和蒸腾量的简单的相互叠加,充分考虑了土壤蒸发、植被蒸腾和气候环境之间的相互影响。研究发现,莫高窟林地蒸散量是极干旱气候条件下高水分耗散结构的典型代表。     

多场耦合下基于传递熵的电路板级焊点疲劳寿命模型

针对实际服役条件下电路板级焊点失效引起的电子设备故障问题,基于单一时间因子传递熵方法,建立了振动与温度耦合条件下的焊点非经验疲劳寿命模型.首先,通过分析焊点裂纹萌生前后的能量变化,构建了能够表征焊点结构损伤的平均能量测度指标.其次,根据该指标在焊点微裂纹出现前呈现出的单调性特点,建立了用以评估焊点疲劳寿命的公式.最后,设计振动与温度耦合条件下的焊点加速寿命试验,基于实时获取的焊点结构动态响应信号,验证该模型的准确性与适用性.试验结果显示,该模型能够有效识别焊点的损伤状态,疲劳寿命预测结果误差在1 5%以内.     

基于数字流域模型的多沙粗沙区产沙计算

黄河难以治理的症结是水少沙多，水沙不平衡。根据多年治黄实践，黄河中游多沙粗沙区的治理是黄土高原水土流失治理的重点，模拟计算多沙粗沙区的侵蚀产沙量意义重大。本文利用数字流域模型框架建立了黄土高原多沙粗沙区产流产沙数学模型，模型在岔巴沟小流域进行参数率定。应用率定后的模型计算了黄土高原多沙粗沙区1967、1978、1983、1994、1997五个典型年份汛期的产流产沙量，得到了多沙粗沙区的汛期径流深分布图和产沙模数分布图。计算结果能够较好地解释黄河流域的“少水多沙”现象，为多沙粗沙区的水土保持工作提供了科学依据。     

基于数字流域模型的多沙粗沙区侵蚀产沙计算

黄河难以治理的症结是水少沙多，水沙不平衡．根据多年治黄实践，黄河中游多沙粗沙区的治理是黄土高原水土流失治理的重点，模拟计算多沙粗沙区的侵蚀产沙量意义重大．利用数字流域模型框架建立了黄土高原多沙粗沙区产流产沙数学模型，模型在岔巴沟小流域进行参数率定．应用率定后的模型计算了黄土高原多沙粗沙区1967，1978，1983，1994和1997年这5个典型年份汛期的产流产沙量，得到了多沙粗沙区的汛期径流深分布图和产沙模数分布图．计算结果能够较好地解释黄河流域的“少水多沙”现象，为多沙粗沙区的水土保持工作提供了科学依据．     

基于ARMA-GARCH模型的水文过程不确定性分析

不确定性分析和风险分析是现代水资源管理研究的一个重要领域,即需要对预测方差做精确估计.然而传统的径流模型是在方差恒定或者方差随季节变化的假设下进行建模的.但实际情况中,水文过程往往存在异方差性,通过McLeod-Li检验和Engle拉格朗日乘数检验证明了这一点.针对此种情况,本文建立了水文过程的GARCH模型.首先,对序列进行了剔除季节因素的处理;其次,对处理后的序列建立了传统的ARMA模型;再次,在ARMA模型的基础上,建立了GARCH模型对残差的方差进行了修正.最后,以宜昌水文站1949年～2001年日径流数据为例进行了应用验证.研究结果表明,与传统ARMA模型相比,在不影响信度的情况下,GARCH模型能够更加精确的预测置信区间,从而为不确定性分析和风险分析提供更加可靠的基础.