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《南京大学》 2011年
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气候变化与土地利用变化的岩溶水文水资源响应

蒙海花  
【摘要】:岩溶地区,由于地表崎岖、地下洞隙纵横交错、土层薄、肥力低、植被生长困难、水土流失严重,严重制约了流域持水、保水和供水能力,形成了该地区水文水资源的特殊性和脆弱性,其对变化环境的响应十分显著,成为全球变化研究最为关注的地区之一。近50年来,贵州极端天气现象不断发生,同时我国自“九五”以来就开始了西南岩溶地区的生态环境恢复重建和综合治理的示范研究,部分地区的生态环境已得到一定的恢复和改善,这些地区的气候和下垫面条件相应地发生了改变,其水文过程和水资源量也必然会发生变化。因此,研究西南岩溶地区水资源对土地利用变化和气候变化的响应很有必要,研究成果可对西南岩溶山区生态重建规划提供科学依据,而且对进一步研究岩溶流域洪旱灾害规律、指导防灾减灾、科学研究流域水资源开发利用等方面具有重要意义,对于保障流域社会经济可持续发展有一定的指导作用。 本论文选取贵州省岩溶典型流域后寨河流域作为研究单元,后寨河流域面积80.6km2,为一典型的湿润岩溶流域,是国家“六五”岩溶研究典型区,也是国家“九五”攻关项目“贵州省岩溶流域生态环境综合治理和发展研究”的示范区域。区域人类活动强烈,生态建设效果明显。 论文在分析岩溶地区水文特征和水资源形成过程的基础上建立了基于落水洞的岩溶半分布式水文模型。通过该模型的输入因子降雨和蒸发来考虑气候变化对径流量的影响,进行了气候变化的径流量敏感性分析;在对长序列气候特征分析的基础上提出了2030年气候变化特征,采用本文建立的水文模型分析了未来2030年流域的径流量;分析了气候变化对洪峰和洪水概率的影响。在分析后寨河流域土地利用变化特征的基础上构建了3种土地利变化情景,极端情景假设、优化空间情景假设和2030年情景假设,运用所建立的水文模型定量评估了后寨河流域3种土地利用变化情景下的水文响应。应用本文构建的水文模型模拟变化环境(气候变化、土地利用变化和社会经济发展)情景下后寨河流域2030年的径流量。构建了岩溶流域变化环境下水资源综合评价框架,包括分析2030年后寨河流域的水资源供、需求情景;分别采用三种方法分析了变化环境下水资源系统的脆弱性;然后分析了流域水资源可开发利用潜力;使用模糊综合评价法和支持向量机法分析了后寨河流域变化环境下2030年的水资源可持续利用情况,为该流域的水资源规划和水土保持规划提供科学依据。 通过对普定气象站的气象和水文实测资料进行统计分析得出:70年代以来气温有升高趋势但不显著,其中夏、秋、冬季变暖,春季气温下降;年降雨整体呈下降趋势,但趋势性不显著,春、秋季降雨量减少,夏、冬季降雨量增加。基于TM影像解译土地利用数据结合土地利用变化动态变化模型和ArcGIS软件分析,后寨流域内1993-2005年间土地利用变化的特点是:研究区土地利用类型均以旱作地+裸岩、旱作地和水田为主,两个时期3种土地利用类型的面积之和均占全流域的80%以上,1993-2005年主要土地利用类型转换为旱作地+裸岩转换为旱作地、林地和水田。 根据后寨河流域地质和气候特征,结合流域特殊的水资源形成过程建立了基于落水洞的岩溶半分布式水文模型,从日时间尺度上对模型进行了率定和验证。结果表明模型模拟的后寨河流域降雨—径流过程与实际观测情况基本吻合,率定期的效率系数为0.82,检验期的效率系数为0.75,总流量相对误差分别为-11%和-8%,说明该模型能够有效地模拟及预报流域的降雨径流过程,为进一步分析不同土地利用和气候情景下的水文效应提供了有力的技术支持。 利用本文构建的水文模型计算不同气候情景组合假设下的径流量,分析气候变化的径流量敏感性。结果表明岩溶地区径流量对气候变化的敏感性低于我国已研究的其他地区,温度不变,径流量随降雨增加而增加,随降雨减小而减小;降雨不变,径流量随温度升高而减少;径流量对降雨变化比较敏感,对气温变化的敏感度则很小;在同样的情景假设下年总径流量响应程度表现为母猪洞子流域老黑潭子流域全流域,因此岩溶发育程度越高其对气候变化响应程度越大;变化相同的幅度,径流量变化率对降雨减少比对其增加敏感。根据对研究区气温和降雨的分析特征,运用典型缩放法预测得到2030年的气温和降雨值,利用所建立的水文模型计算表明2030年总径流量在不同降雨条件下都将减少,径流年内分配受气候变化影响较大,其中春、秋季的径流量减少;而夏、冬季的径流量增加,这与贵州近年来常出现的春旱夏涝一致。对于相同的洪水流量降雨增加20%时的洪水概率远大于降雨减少20%时的洪水概率,而且对于相同的洪水流量降雨增加20%的洪水概率与降雨减少20%时的洪水概率之差在20年一遇的干旱情景大于20年一遇的洪涝情景。 利用GIS空间分析功能,设定出不同的土地利用/覆被情景假设,并利用本文构建的水文模型,定量分析不同下垫面状况对径流量的影响。结果表明:极端土地利用变化情景下,径流量的高低次序依次为极端裸岩极端林地极端水田,其中极端林地和极端水田均使径流减少,而极端裸岩的情景使径流增加,并且径流量的增加和减少主要集中在丰水期,这说明植被变化主要影响洪水期径流;在优化空间配置情景下各子流域和全流域径流量都减少,主要是林地面积增加;基于研究区1993-2005年的土地利用发展趋势,采用土地利用变化模型CLUE-S建立了2030年的土地利用情景,采用本文构建的水文模型进行流量模拟。结果表明:在未来土地利用情景下子流域和全流域径流量都减少,并且径流量的减少主要集中在洪峰阶段。在不同的土地利用情景假设下子流域或全流域径流量变化率与各流域土地利用面积变化比例呈正相关。 应用本文构建的水文模型,计算得出在气候变化和土地利用变化共同作用下流域2030年总径流量减少,春、秋季减少,夏、冬季增加,全流域径流量在变化环境下比1994年(基准年)在高水位时变化比较明显,对枯水季的影响较少,相对不明显。 供需初步分析反映出后寨流域2030年水资源供需矛盾很突出,而且缺水量比现状条件下多。通过三种方法分析变化环境下岩溶地区水资源脆弱性,“两指标法”表明后寨河流域水资源脆弱性较大;“水资源敏感性和适应能力评价法”表明变化环境下后寨河流域由于水资源敏感性较高、适应能力较低,使得水资源系统较脆弱;“警示灯法”表明后寨流域水库蓄水量小于年径流量,需水量低于天然径流量,水资源系统为中脆弱度中利用度。综上所述,后寨河流域水资源开发利用程度低,实际天然水资源量大于总需水量,属于工程型缺水地区,变化环境下其水资源系统基本为中脆弱性至较脆弱。 对比分析了变化环境和现状条件下天然径流量、水资源可利用量和水资源可开发利用潜力。采用分项还原法还原地表水天然径流量,采用径流模数法计算地下水天然径流量,结果表明地表水、地下水天然径流量在变化环境下小于现状条件。采用扣损法和枯水径流模数法分别计算地表水和地下水资源总可利用量,结果表明:现状条件和变化环境下地表水资源可利用量基本一样;地下水资源可开采量在现状条件和变化环境下相差较多。以上说明变化环境对水资源可利用有负面影响,会促使水资源呈现更加紧张的状态。 根据水资源可持续利用的量度需求,和前人对岩溶地区水资源可持续利用的研究,将水资源可持续利用指标体系分成3个层次,分别为目标层、准则层和指标层;综合分析了指标体系、指标权重的确定和指标等级分类,采用模糊综合评价法和支持向量机法评价了研究区变化环境下水资源可持续利用,都表明后寨河流域变化环境下水资源可持续利用状况为“一般”,这是由该研究区自身的水资源条件所决定的。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P641.134

【引证文献】
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