黄土丘陵区极端径流与淤地坝互馈影响研究

In recent years, due to the increased influence of climate change and human activities (such as construction of check dams), the stationary conditions of extreme runoff in the loess hilly area have been changed. The non-stationarity of extreme runoff could mislead the check dams design and seriously affected region flood control security. However, the interaction between extreme runoff and check dam in this region is still unclear, which needs advanced research on the cause of extreme runoff non-stationarity and the influence on the regional flood risk in a changing environment. In this study, a typical regions in the Loess Hilly Region has been choosed as the research area. The contribution of forcing factors on extreme non-stationarity has been quantified in variable infiltration capacity model by considering the reclining and storage effect of check dam on flood. Then, statistical models based on physical mechanism of hydrological processes are adopted to explore response mechanism of the extreme design value to the environment changes. With the future projection of extreme runoff, multi-scale variation and coupled characteristics of regional extreme runoff design value are analyzed from different spatial and temporal scales, so as to assess the security of flood control facilities. The above study expects to deepen the scientific understanding of extreme runoff non-stationary evolution regime and its influence in a changing environment, which could provide technical method and scientific basis for engineering design and flood damages reduction.

近年来由于气候变化及修建淤地坝水利设施等人类活动影响的加剧，改变了黄土丘陵区极端径流的一致性条件。但目前淤地坝影响下极端径流变异的成因机理和对区域防洪风险影响机制等研究仍较为薄弱，极端径流非一致性与淤地坝之间的互馈影响关系仍不明晰，导致淤地坝等工程设计时容易出现偏差，倘若偏差控制不当，将严重影响区域防洪安全。针对此问题，本研究拟以黄土丘陵区典型区域为研究区域，采用考虑淤地坝拦蓄作用的VIC模型量化各驱动因子对极端径流非一致性的影响，揭示其成因机理；采用基于水文物理机制的统计模型方法，阐明极端径流设计值对不同驱动因子变化的响应机制；结合区域极端径流未来预估状况，从不同空间层次和时间尺度探索黄土丘陵区极端径流设计值的时空变化，预估未来区域防洪设施可能面临的风险。研究成果可为极端径流非一致性演变规律、影响机制等理论研究和黄土丘陵区工程设计、防灾减灾等实践活动提供参考和技术支撑。

气候变化及修建淤地坝水利设施等人类活动影响的加剧，改变了黄土丘陵区极端径流的一致性条件。以无定河流域为研究区域，通过绘制区域内1956年～2017年流量、降水量、温度及湿度的趋势线，分析水文要素趋势变化，并采用突变检验等方法对白家川水文站1956年～2017年径流量序列进行突变分析，量化分析气候变化和人类活动对极端径流的影响。结果显示实测径流、降水量和湿度呈下降趋势，只有温度呈现上升趋势，1971年和1996年为流域径流的显著突变点，这主要是因为70年代实施大规模的以退耕还林、天然林禁伐和修建淤地坝为重点的生态环境建设，这一系列的人类活动直接或间接地影响了流域的水文情势；但通过滑动窗口趋势分析来看无定河流域极端径流没有明显的局部趋势，属于整体趋势变化；对白家川水文站62年洪峰流量进行时变矩计算，采用GEV概率分布函数，对分布中的尺度参数和位置参数设置不同的趋势形式，构造7种模型，得出考虑降水、温度和淤地坝数量作用对参数变参分布的影响情况模型分布结果最优，同时考虑整体趋势后的无定河流域水文序列在同等概率下的设计值出现了明显下降的状态；建立淤地坝对无定河流域径流的调节模块，将该模块引入VIC水文模型中，模拟气候变化、淤地坝修建与径流变化之间的定量关系，发现人类活动是影响极端径流变化的主要因素，结合气候模式中温度和降水量数据对未来无定河流域的径流进行模拟，未来无定河流域的极端径流变化总体呈明显下降趋势。径流的减少将会对河道及流域生态产生一定影响，未来无定河流域径流变化将呈现出更大的不确定性。本项目研究成果有利于深化黄土丘陵区极端径流变化机理等方面的科学认识，可为未来黄土丘陵区淤地坝等水利设施的修建提供科学依据和技术支撑。