近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关.但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰.因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用 9 种数值模拟法对 1962-2018 年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响.结果表明:(1)在 9 种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为 181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和 0.68,基流是径流的主要组成部分.流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994 年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为 78.1%—79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量.研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据.

流域径流过程及其组分来源识别是水资源合理利用的前提.为明确植被类型对流域径流组分的影响与定量贡献,本研究以山西吉县蔡家川主沟流域及5个不同植被类型小流域为研究对象,监测2场典型降雨产流过程及其氢氧同位素时空变化特征,探讨小流域径流过程差异及其组分来源.结果表明:在中雨条件下,事件水对各个流域河道流量的贡献率为封禁森林(94.3％)＞蔡家川主沟(83.1％)＞农牧复合(64.3％)＞人工-次生林(52.4％)＞农地(0.3％)＞次生林(0.0％);而在小雨条件下,人工-次生林(52.4％)＞封禁森林(58.5％)＞农地(40.6％)＞次生林(15.8％)＞农牧复合(12.5％)＞蔡家川主沟(9.3％),次生林、封禁森林小流域事件水对径流贡献率大于人工林,次生林具有更强的径流调蓄能力.封禁森林、农牧复合流域在中雨强度条件下事件水的贡献率大于小雨强度条件,而农地、人工-次生林、次生林流域则相反.事件水对林地小流域径流贡献率大于农地小流域,可能与农地小流域沟口建有淤地坝有关.本研究结果可为晋西黄土区水源涵养和径流变化归因分析提供科学依据.

喀斯特区域水循环过程与其他地区存在显著区别,其水供给服务也具有独特的空间分布特征.然而,目前针对喀斯特地区产水量的时空变化研究较少考虑喀斯特生态系统的特殊性,导致产水量的空间模拟结果存在一定偏差.根据喀斯特地貌形态和地下水补径排泄特征提出了一种产水量分割方法,并基于水量平衡原理建立了地表水与地下水分割校正概念模型.选取喀斯特山区典型区域漓江流域为研究区,通过上述方法校正了 InVEST模型产水量模拟结果,从栅格、地貌分区和子流域3个尺度分析了漓江流域2000-2020年产水量校正前与校正后时空分布格局.研究结果表明:(1)漓江流域2000-2020年InVEST模型产水量呈现先减后增再减的趋势,水供给服务空间分布格局为北高南低.产水深度在岩溶区和非岩溶区几乎没有差异,但在岩溶区内部差异明显:裸露型岩溶区产水深度高于覆盖型和埋藏型,峰林平原产水深度高于峰丛洼地.子流域分区平均产水深度排序为漓江上游区＞漓江中游区＞恭城河区＞荔浦河区＞漓江下游区.(2)利用地表与地下水分割校正后,水供给服务空间分布格局为四周高于中部,西北部高于东南部.非岩溶区产水深度明显高于岩溶区,埋藏型岩溶区产水深度高于覆盖型和裸露型,峰林平原产水深度高于峰丛洼地.子流域分区平均产水深度排序为漓江中游区＞漓江上游区＞恭城河区＞荔浦河区＞漓江下游区.(3)相比InVEST模型,考虑地表水与地下水分割校正的漓江流域产水量与实测径流量之间的偏差更小,其时空分布模拟结果更为准确地评估了喀斯特地区可利用水资源量.本研究可为水资源保护政策制订与生态补偿机制建立提供更合理的科学依据和数据基础.

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题.黄土高原是我国水土流失最严重的地区.20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖.下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变.围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制.未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议.

“两个水世界”的假设(two water worlds hypothesis,TWW)认为,土壤中存在两个相互独立且功能不同的水库,束缚水库用于植物生存生长,移动水库补给河川径流及地下水.该假设区别于传统水文模型中一个土壤水库的理论,对构建新的水文模型意义重大.目前,TWW假设的理论基础及形成条件仍不明确,尤其国内研究尚不多见.因此,本文总结了TWW假设的研究现状、判别方法、争议点以及未来的研究方向.目前,关于TWW假设的研究结果分为3种:支持、部分支持以及拒绝该假说,所有的评估方法都是基于氢、氧同位素(2H,18O)方法实现的,如直接比较法、降水交结点法、降水残差法和降水偏移法等.束缚水与移动水同位素样品的代表性以及同位素技术的局限性可能是产生不同结果的重要原因,发展不同于稳定同位素手段的方法是未来研究的一个重要方向.另外,该假设的理论基础尚不清楚是当前面临的最关键的科学问题.TWW假设涉及到降水、土壤和植被三者耦合所形成的连续的生态水文过程,多学科融合、多尺度评估、多因素分析是深入研究该假设的有效途径,也将是水文学与生态学领域的重要研究方向.

基流是黄河径流的重要补给来源,目前大部分研究都集中在黄河流域径流变化规律上,而对维持河道基本流量和生态环境安全方面发挥着重要作用的基流却研究较少.因此,基于黄河中游砚瓦川流域1981-2016年的水文、气象及植被资料,选用9种数值模拟法对基流进行分割并分析其适用性,利用Mann-Kendall法和滑动t检验法对基流进行了趋势分析和突变点检验,并定性和定量的探讨了气候变化和植被变化对流域河川基流变化的影响.结果 表明:(1)在各种基流分割方法中,Lyne-Hollick滤波法的计算结果精度较高,且分割结果比较符合实际日基流变化规律,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均河川基流量和基流指数BFI(基流量与河川流量的比值)分别为0.152 m3/s和0.58,两者在年际上均呈现极显著的减少趋势(P＜0.01),且分别于1993年和2006年附近发生了突变;(3)基流量与潜在蒸散发量相关性最强,流域降水量、潜在蒸散发量及NDVI的变化对基流量变化的贡献率分别为-99.1％、113.3％和85.8％,可见潜在蒸散发量和NDVI的增加是引起基流量减少的主要原因,而基流指数与NDVI相关性最强,且呈负相关关系,流域降水量、潜在蒸散发量及NDVI的变化对基流指数变化的贡献率分别为41.3％、-27.7％和86.5％,这说明流域NDVI的增加对流域基流指数的降低起到了主导作用.

基流是水文过程的一个重要组成部分,选择科学合理的基流分割方法,研究明确影响基流变化的驱动因素,对于保证河湖的生态水量至关重要.以北京密云水库的白河流域为例,根据白河流域张家坟水文站1967-2012年的实测径流数据和相关气象数据,对比分析了局部最小值法、单参数数字滤波法和递归数字滤波法三种方法的基流分割结果,并从气候变化和人类活动两方面分析影响基流变化的驱动因素.结果表明,相比局部最小值法和单参数数字滤波法,递归数字滤波法在白河流域有着更好的应用稳定性;在密云水库白河流域,基流对河川径流有着相当高的贡献比例(BFI＞0.65);1967-2012年白河流域年基流量存在极显著的减少趋势(P＜0.01),而年基流指数值基本保持不变.白河流域基流序列分别在1980年和1999年发生了突变,其中1999年的突变主要受到降雨过程(气候变化)的影响,而1980年的突变点主要受到其他因素(如人类活动)的影响.

黄土高原大规模人类活动造成下垫面剧烈变化,流域景观格局改变,影响产汇流过程.学科融合视角下,基于Budyko水热耦合方程、景观指数计算以及回归分析等多学科方法,以晋西黄土丘陵沟壑区三川河流域为例,分析不同尺度景观格局变化造成流域径流量变化的原因,判别地理景观空间对产汇流过程的影响.结果表明:(1)1980年至今是研究区径流锐减阶段,其中下垫面变化对径流贡献率为60.81％;(2)1980年至今的下垫面变化造成流域景观斑块破碎、形状趋于规整,景观格局分割度、蔓延度提高;(3)利用逐步线性回归模型可将径流减少的景观格局变化定位到具体地理空间,流域东部、北部主要支流上游与两条支流汇流处的林地核心斑块面积减少以及城市建设区域对于水体连通性的破坏.通过跨学科方法探究景观格局与径流变化之间的潜在空间关联,揭示径流对景观格局变化的响应,可为黄土高原水资源管理与生态规划提供决策依据.