“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划进展综述
胡春宏1，郑春苗2，王光谦3，张建云4，王 超5，姚檀栋6，王焰新7，赖明勇8，倪广恒3，王雨春1，张 弛9，田富强3
（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2. 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳 518055；3. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；4. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；5. 河海大学环境学院，江苏 南京 210098；6. 中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京 100101；7. 中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074；8. 长沙理工大学经济与管理学院，湖南 长沙 410114；9. 大连理工大学水利工程学院，辽宁 大连 116023）
摘要：西南河流源区是中国的水资源战略储备区，但其未来水资源演变趋势不明，为厘清气候变化下的径流变化规律以开展适应性利用，国家自然科学基金委于2015 年启动了“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划，本文对重大研究计划的总体情况和主要进展进行综述。重大研究计划实施以来取得了一系列研究成果：构建了西南河流源区天空地一体化监测体系，有效提升了西南河流源区的监测能力；创新了高原寒区径流水源组成的多元综合解析方法，揭示了高原寒区典型径流水源的形成机理及气候驱动下流域下垫面与水文系统的协同变化机理；创建了综合冰雪冻土寒区水文过程和示踪过程的分布式同位素水文模型，揭示了雅鲁藏布江径流变化的历史规律和未来趋势；提出了河流全物质通量概念，开展了大量取样检测，揭示了高原河流生源物质循环及生物响应规律，量化了澜沧江梯级水库运行的环境累积效应；发展了多目标互馈系统理论，从水量、水能、水质3个方面创新了梯级水库适应性利用技术，为西南水电消纳、澜沧江-湄公河水资源合作等国家重大需求提供了支撑。
关键词：径流变化；适应性利用；生源物质循环；西南河流源区
西南河流源区径流量变化规律及其未来演变趋势
徐宗学1，周祖昊2，姜 瑶1,3，桑燕芳4，季 鹏5，侯居峙6，陈 峰7,8
（1. 北京师范大学城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3. 南昌大学工程建设学院，江西 南昌 330031；4. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；5. 南京信息工程大学水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044；6. 中国科学院青藏高原研究所，北京 100101；7. 云南大学国际河流与生态安全研究院国际河流与跨境生态安全重点实验室，云南 昆明 650500；8. 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所树木年轮理化研究重点开放实验室/新疆树木年轮生态实验室，新疆 乌鲁木齐 830002）
摘要：采用统计学方法及集合经验模态分解、小波分析、水文模型等多种方法，在对气象水文、湖泊岩芯、树木年轮、气候模式数据进行深入分析的基础上，研究了西南河流源区径流变化规律与历史丰枯规律及其驱动机制，分析了未来气候变化影响下的径流演变趋势。结果表明：三江源地区的径流近50 a整体表现为上升趋势，雅鲁藏布江流域除尼洋河外的其他区域年径流量整体呈不显著下降趋势，气候变化是导致三江源、雅鲁藏布江和怒江流域径流变化的主要原因，其中降水是引起径流变化最关键的因子；主要河流径流不同时间尺度的丰枯演变规律为，雅鲁藏布江中游全新世洪水事件呈现出早晚全新世频繁、中全新世相对较少的特征，近500 a怒江流域重建径流序列存在10个丰水期和10个枯水期，丰枯序列变化主要受季风环流和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）活动的影响；在未来15 ~60 a，全球持续增温将使西南河流源区平均年径流深相比近30 a增加6% ~ 14%，而极端径流呈现出“干更干、湿更湿”的变化特征，同时生态因子对径流变化的影响不可忽视。
关键词：径流；变化规律；演变趋势；西南河流源区
遥感反演2000—2020 年青藏高原水储量变化及其驱动机制
龙 笛，李雪莹，李兴东，韩鹏飞，赵凡玉，洪仲坤，王一鸣，田富强
（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）
摘要：气候变化对青藏高原的水储量造成显著影响，严重威胁下游地区涉及10亿人口的水资源安全、水灾害防治和水生态保护。本研究集成多源卫星遥感（包括卫星重力、卫星测高、光学影像等）及相关反演融合算法和部分再分析数据，在前期工作基础上延长并生成了2000—2020年青藏高原各类水储量（湖泊、冰川、雪深和雪水当量、总水储量）变化数据，并分析其气候驱动机制。结果表明：① 2002—2020年间青藏高原外流区总水储量呈显著下降趋势（－10. 90 Gt/ a），主要由冰川质量损失主导；内流区总水储量呈显著上升趋势（6. 40 Gt/ a），其中湖泊水量扩张占主导。② 青藏湖泊整体呈扩张趋势，并分为3个阶段：2000—2012年为平稳增长期（6. 35 Gt/ a），2012—2017年为相对稳定期（1. 42 Gt/ a），2017年后进入快速增长期（10. 59 Gt/ a）；湖泊水量变化与降水量变化一致性较高。③ 藏东南地区的冰川呈快速消融趋势（－4. 50 Gt / a），气温升高和降水年际波动是近年来该地区冰川后退的主要原因。④ 2016—2020年平均雪水当量较2001—2015年呈增加趋势，积雪变化主要受累积期平均气温和降水影响。
关键词：总水储量；湖泊水储量；冰川物质平衡；积雪深度；雪水当量；青藏高原
青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响
季 芳1,2，范林峰2，匡星星2，邹一光2，郑春苗2,3
（1. 哈尔滨工业大学环境学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2. 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳 518055；3. 东方理工高等研究院，浙江 宁波 315200）
摘要：青藏高原作为“亚洲水塔”对气候变化极为敏感，研究气候变化下青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响有助于理解多年冻土地区水文过程对气候变化的响应情况。基于Budyko-Fu假设，构建了考虑多年冻土活动层厚度变化的水热耦合模型，建立了符合青藏高原多年冻土区的模型参数化方案，通过设置情景假设探讨了多年冻土退化对蒸散发的影响。模拟结果表明：1982—2018年青藏高原多年冻土区平均年蒸散发为275.6 mm，空间分布由东南向西北递减；研究区年蒸散发整体上以3.57 mm/a的速率上升。多年冻土活动层加深会引起蒸散发的增大，忽略冻土退化因素将导致约2.2%的蒸散发低估。冻土退化对蒸散发的影响呈现显著的空间异质性，土壤有效含水量和植被覆盖度越低的地区，蒸散发对冻土退化的响应越敏感。
关键词：多年冻土退化；活动层；蒸散发；Budyko-Fu假设；气候变化；青藏高原
多年冻土区下垫面条件对坡面关键水循环过程的影响分析
郭林茂1，王根绪2，宋春林2，李 阳1，李金龙1
（1. 四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）
摘要：为从整体上认识多年冻土流域水循环过程基本规律及其对下垫面条件变化响应，以长江源区风火山小流域为例，基于2016—2019年的水文气象要素的野外观测与计算，分析了坡面尺度上水分入渗、蒸散发、活动层内部水热条件以及冻结层上地下水等关键水循环过程的变化特征及其对下垫面条件变化的响应。研究结果表明：① 风火山小流域生长季实际蒸散发的多年平均值为472.1±42.9 mm，实际蒸散发的气象影响因子排序为：净辐射（敏感系数SRn=1.22，相关系数R=0.93）>气温（STa=0.33，R =0.84）>相对湿度（SHR = 0.32，R=0.46）>风速（SU=－0.25，R=－0.27），坡面尺度上实际蒸散发与植被覆盖度以及海拔高度正相关；② 初始和稳定入渗速率均随坡位的升高而增大，对于稳定入渗率，初始融化期、完全融化期和初始冻结期，坡顶（1. 07 mm/ min、0. 63 mm/ min、0. 88 mm/ min）>坡中（0. 29 mm/ min、0. 45 mm/ min、0. 21 mm/ min）>坡底（0. 11 mm/ min、0. 30 mm/ min、0. 10 mm/ min），而植被覆盖度对入渗速率的影响在不同冻融阶段表现出差异；③ 阴、阳坡面和不同坡位冻融起始时间差异体现在土壤水分、地下水位变化上，解释了多年冻土流域产流区从阳坡发展至阴坡，从低海拔发展至高海拔的时空差异原因；④ 50 cm深度以下的活动层冻融状况显著影响着地下水位动态，地形、植被和土壤质地差异对热量传输的影响共同导致了坡面尺度上冻结层上地下水动态的空间差异性。
关键词：多年冻土；活动层；下垫面；水循环过程；风火山
西南诸河地表水资源演变的基因图谱
谢 平1，吴林倩1，吴子怡2，桑燕芳3,4，霍竞群1，牛静怡1，陈 斐1，袁 苏1
（1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 生态环境部珠江流域南海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，广东 广州 510610；3. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室，北京 100101；4. 复合链生自然灾害动力学应急管理部重点实验室，北京 100085）
摘要：为应对环境变化给水资源演变带来的诸多挑战，以水文基因体系为理论基础，揭示并直观地展示了西南诸河地表水资源序列的遗传和变异规律。水文基因是反映水文序列遗传和变异特性的各阶矩，基于相关系数测度构建了具有识别、检验与分级功能的水文基因检测系统，利用该方法提取了西南诸河6个水资源二级区的地表水资源量各阶矩序列的水文基因成分（包括跳跃、局部趋势与整体趋势、周期、相依和纯随机）；提出了水文基因图谱的概念与绘制方法，并利用其展示了研究区域的水文基因信息。结果表明：西南诸河各二级区地表水资源量的一阶矩序列均存在不同形式的水文基因变异成分，主要表现为跳跃、局部趋势、周期与相依；二阶矩序列中，怒江及伊洛瓦底江二级区的序列只含有水文基因遗传成分，其余二级区序列的水文基因大多只存在周期弱变异成分；与一阶矩和二阶矩序列相比，三阶矩序列的水文基因构成较为简单，且变异成分对序列的影响均相对较弱。归因分析表明，地表水资源量的一阶矩基因变异主要受降水因素影响。
关键词：水文基因图谱；水资源演变；变异检测；西南诸河
山丘区变动产流层分布式水文模型
赵建飞1，梁忠民1，刘金涛1,2，李彬权1，段雅楠1
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098）
摘要：基于山坡水文试验的新认识，提出变动产流层概念，将壤中流的描述从单一的土壤层间拓展到土壤-风化基岩界面，通过对壤中流形成及发展过程的精细刻画，实现了蓄满-超渗产流及其转换机制的统一描述。基于变动产流层概念，根据运动波模型理论，推导了单元网格的超渗/饱和地面径流、壤中流的计算公式，利用非线性水库计算地下径流量，采用二维扩散波进行地表汇流、一维扩散波进行河道汇流，建立了面向山丘区的变动产流层分布式水文模型（VRGL）。对典型湿润山丘区的屯溪流域2010—2019年共24场洪水进行模拟，结果显示：洪峰流量和洪量的相对误差均在±20%内，确定性系数在0.84左右，表明VRGL具有较高的精度，可用于山丘区洪水预报。
关键词：山丘区洪水；土壤-风化基岩界面；变动产流层；运动波模型理论；屯溪流域
基于非线性相关性和复杂网络的径流相似性分区
刘 磊1,2，高 超1,2，王志刚3,4，王晓艳1,2，章四龙1,2，陈 娜5
（1. 北京师范大学珠海校区水安全研究院，广东 珠海 519087；2. 北京师范大学水科学研究院，北京 100875；3. 北京师范大学复杂系统国际科学中心，广东 珠海 519087；4. 北京师范大学系统科学学院，北京 100875；5. 北京师范大学珠海校区政府管理学院，广东 珠海 519087）
摘要：径流相似性分区对径流资料插补移用和区域洪水频率分析具有重要意义。为准确识别水文站网中各站径流特征的相似性和差异性，提高径流相似性分区结果的准确性，引入Copula熵方法估算基于互信息的R统计量，以度量各径流序列间的非线性相关性。在此基础上，应用复杂网络理论构建以水文站为节点、以对应径流序列间R统计量是否大于给定阈值为节点间连边存在判别依据的径流相似性分区模型，采用基于边介数的社团检测算法（GN算法）进行径流相似性分区。以鄱阳湖水系的水文站网为实例，研究结果表明：径流相似性分区模型具有较高的稳定性和效率；R统计量阈值为0.80时，径流相似性分区结果最优，此时水文站网划分为南北两部分共12类分区，其中北部仅含1类分区；相比于K均值聚类方法，复杂网络方法表现更优，其最优分区结果更为合理。
关键词：径流相似性分区；Copula熵；非线性相关性；复杂网络
城市洪涝模拟应用场景及相应技术策略
张红萍1，李 敏1，贺瑞敏2，臧文斌1，刘 舒1，胡春宏3
（1. 中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究中心，北京 100038；2. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；3. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）
摘要：城市洪涝模拟是当前国内外城市防洪减灾领域研究的热点。现有城市洪涝模拟方面的评述，主要依据城市洪涝过程或模拟计算方法进行分类讨论，缺乏基于应用需求的视角。随着应用需求日益深入，城市洪涝模拟应用场景日趋多样化和复杂化，不同模拟应用场景下，所关注的洪涝过程不同，采用的技术策略及其重点和难点也不同，脱离模拟应用场景很难辨析这些不同。依据模拟对象和关注变量，归纳总结出城市洪涝模拟的3种典型应用场景，即城市外洪模拟、城市雨洪模拟、城市内涝模拟；针对这3种典型模拟应用场景，分析相应的城市洪水演进模型、城市雨洪模型、半分布式暴雨内涝模型、全分布式暴雨内涝模型等4类模拟技术策略；辨析在不同模拟应用场景和技术策略下，不同模拟技术的组合方式及其特点与难点，以期从应用需求的角度对城市洪涝模拟技术进行全面的梳理，为城市洪涝模拟应用和研究提供一个新的视角。
关键词：城市洪涝；应用场景；技术策略；雨洪模拟；暴雨内涝模拟；半分布式模型；全分布式模型
基于太湖流域模型的城市内涝过程高效模拟
王船海1,2，郑世威1,2，李小宁1,2，陈 凯3，翟 月3，华 晨4，汪 姗4，陈 钢1,2
（1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；3. 南京慧水软件科技有限公司，江苏 南京 210036；4. 江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022）
摘要：城市内涝的高效模拟对于降低内涝灾害影响、制定防灾减灾措施具有极其重要的意义。本文提出了基于雨篦子耦合地表与管网的城市降雨-产汇流-内涝全过程高效模拟方法，结合常州市双桥浜城市产汇流与内涝试验基地监测数据，分别构建了基于高效模拟算法和二维水动力算法的城市内涝模型。根据监测数据对所构建的模型进行了率定与验证，并分析对比了2种算法在不同降雨事件中的精度与可靠性。结果表明：太湖流域模型中基于雨篦子的城市水文特征单元高效模拟方法能够较为真实地反映城市内涝的具体特征，且在模型参数一致的前提下，其计算效率约为二维水动力算法的780 ~1 275倍，能够对城市内涝情况进行快速模拟。
关键词：城市内涝；太湖流域模型；汇水单元；高效模拟；试验监测
考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型
——Ⅰ. 模型原理与模型构建
周 宏1,2，刘 俊1,2，高 成1,2，周 毅3，胡尊乐4，徐向阳1，樊金璐1
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学水科学研究院，江苏 南京 211106；3. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；4. 江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022）
摘要：为满足新形势下雨洪管理实践的需求，揭示有效不透水下垫面对城市水文过程的影响，需研发考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型。将不透水下垫面分为道路和屋顶，综合运用地理信息系统、城市雨洪模型等技术手段，基于不同分类属性分步确定有效不透水面积；考虑模型复杂性、建模数据可用性和模型预测能力，确定模型结构。区分有效不透水下垫面和非有效不透水下垫面产汇流过程，将具有高度异质性的城市下垫面离散成具有均匀或准均匀特性的子汇水区，考虑不同下垫面各子汇水区内部及子汇水区之间汇流路径，采用不同的产汇流计算方法，构建了精细模拟模型，可为城市洪涝防治及海绵城市建设提供技术支撑。
关键词：城市雨洪模型；有效不透水面积；总不透水面积；城市产汇流；城市水文学
考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型
——Ⅱ. 雨洪模拟及水文响应分析
周 宏1,2，刘 俊1,2，高 成1,2，周 毅3，胡尊乐4，徐向阳1，宋凯璇1
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学水科学研究院，江苏 南京 211106；3. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；4. 江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022）
摘要：为了分析有效不透水下垫面在城市雨洪模拟中的水文响应机理，以常州市双桥浜径流小区为研究区域，构建考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模型。利用实测资料先确定屋顶中有效不透水面积的比例，再率定模型其余参数。采用不同的方法表征不透水性，设置不同的模拟方案，分析有效不透水面积及总不透水面积的水文响应。结果表明：与正确使用有效不透水面积的模拟结果相比，用总不透水面积表征模型不透水性且直接移用有效不透水面积模型参数，会高估洪峰流量及洪量；使用总不透水面积表征不透水性，进而率定模型，低重现期时洪峰流量偏大，高重现期时洪峰流量偏低，并且会低估洪量。
关键词：有效不透水面积；城市雨洪模拟；总不透水面积；水文响应；不透水性
三峡建库后沙市—汉口河段悬移质分组冲淤变化规律
陈 栋，朱勇辉，李凌云
（长江科学院水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，湖北 武汉 430010）
摘要：水库下游河道冲淤调整是一个长期复杂的过程，对防洪、航运、生态等均会产生一定影响。为探究长江中游沙市—汉口河段演变趋势并为不利变化的防控提供参考，分析了三峡建库后悬移质分组冲淤时空变化规律：建库后，沙市—监利河段各粒径组泥沙均发生冲刷，沙市流量为10 000 ~25 000m3/s时，0.125 ~0.250mm粒径组泥沙冲刷量最大；以0.125mm为粗细颗粒分界粒径，监利—螺山段呈现汛期、蓄水期“粗淤”而枯水期、消落期“冲细”现象；螺山—汉口段各粒径组泥沙均发生冲刷，且流量越大冲刷量越大。在此基础上，通过建立流量—分组输沙量关系并根据水流挟沙力公式，发现建库后沙市—监利、螺山—汉口河段冲淤受泥沙、水力因素共同作用，其中泥沙因素对沙市—监利河段影响大于螺山—汉口河段；监利—螺山河段“淤粗冲细”主要受含沙量恢复程度的影响，与上游河床冲刷补给及本河段粗、细颗粒泥沙交换有关，反映了冲刷条件下河道通过水流挟沙能力级配调整加大输沙能力。
关键词：悬移质；流量—分组输沙量关系；淤粗冲细；挟沙能力级配；长江中游
黄河下游不同河段分组悬沙输移对河床冲淤的影响
程亦菲，夏军强，周美蓉，邓珊珊
（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）
摘要：小浪底水库运行后，坝下游分组悬沙输移特点发生改变，不同河段冲淤过程有所差别。基于1999—2018年坝下游实测水沙资料及固定淤积断面地形数据，分析汛期分组悬沙输移的沿程调整特点，建立分组悬沙输移及河床边界条件双重影响下不同河段河床累计冲淤量的计算关系。分析结果表明：①汛期各组沙输沙率远小于蓄水前，且中沙输沙率降幅最大，在各水文断面平均降幅为85%；沿程上细沙输沙率基本不恢复，而中沙和粗沙恢复距离分别到利津及艾山。②坝下游河床持续冲刷，各河段河床组成均发生不同程度的粗化；在拦沙后期（2007—2018年），游荡段和过渡段床沙中细沙和中沙占比不足5%，对悬沙几乎无补给作用，而弯曲段床沙对中沙仍有一定的补给能力。③下游各河段以冲刷下切为主，但调整幅度不同，故对水流的约束能力有所差异。建立了各河段累计冲淤量与前期河相系数及进口断面分组来沙系数的经验关系，并采用2019年下游水沙数据对公式进行了初步验证，公式能合理反映断面形态与分组悬沙输移对河床累计冲淤过程的影响。
关键词：分组悬沙；不平衡输移；床沙补给；河床冲淤；黄河下游
