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《南京大学》 2011年
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长江三角洲地区小流域环境变化对水文过程影响研究

徐金涛  
【摘要】:近年来,全球正经历气温升高、极端天气事件频发等气候变化,自然生态系统和社会经济发展受到了并将持续遭受重大的影响;同时工业化使城镇化进程不断加快,不透水面积大量增加,加上人类对森林农田等地表土地利用方式的改造,水利工程的修建等,也对自然和社会产生了深远的影响。“变化环境下的水循环研究”是全球水系统计划(GWSP)的核心科学问题。近几十年,在环境变化的大背景下,气温显著增加,蒸发皿蒸发量明显减少,旱涝灾害频发,地表径流发生变化,水质恶化等,使得水循环发生变化,水资源供需矛盾激化。 长江三角洲地区是我国经济最发达的地区之一,随着地区城镇规模的不断扩张,地表的土地利用状况发生了很大的改变,同时由于气候变化的影响,该区域洪涝干旱灾害、水资源与水环境等问题不断加剧,已经严重影响了人们的生命财产安全,因此迫切需要对该地区环境变化对水文过程的影响进行研究。本文选择太湖流域水文气象资料较丰富的西苕溪上游(横塘村水文站以上)小流域,开展小流域环境变化对水文过程的影响研究。 本文在相关国家自然科学基金重点项目和水利部公益性行业科研专项经费项目的支持下,在研究区内,进行变化环境下水文过程的观测、模拟与分析研究。并以“驱动-过程-影响”为主线贯穿全文,应用数理统计方法、地理信息系统、流域水文模型,利用历史资料与实验数据,采用不同时空尺度,定性定量探求自然变化和人类活动对流域水文的影响。研究成果对于长三角地区小流域的降雨径流规律研究、防洪抗旱减灾、环境变化影响对策、水土资源管理及区域可持续发展具有重要的意义。 本文在分析研究区环境要素变化规律的基础上,采用小流域水文综合实验方法和水文模型探讨了小流域环境变化对水文过程的影响。论文分析影响水文过程的流域环境要素变化;通过城镇化小流域和不同下垫面小流域的水量水质实验研究,模拟分析土地利用变化等人类活动对小流域暴雨洪水过程的影响;构建环境变化对研究区的长期水文影响评价模型,以此模拟不同环境要素组合情景下的径流量,并利用本文提出的分离变量定量分析法分析研究区各主要环境要素变化对水文过程的影响,以及研究区环境变化对水质的影响。研究得到的主要成果如下: (1)1965-2007年研究区年平均气温呈现升高趋势,增温幅度和速率远远高于世界平均水平。1975以来年平均气温呈持续上升趋势,且趋势逐渐明显,从1996年开始上升趋势达到显著水平。1967-2007年年降水量虽然整体没有显著的变化趋势,但分前后两段来看,前半段基本为上升趋势,后半段为下降趋势,2002年以后降水明显开始减少。1969-2007年年水面蒸发量呈现减少趋势,从1984年开始明显减少,1988年开始年蒸发量开始显著减少。1985-1996年和1996-2002年两次土地利用转移均以耕地向林地、林地向耕地两种转化面积为主,不过由于在两次转化中,耕地向林地和林地向耕地的转化面积都大体相当,因此林地和耕地这两种最主要类型的土地利用面积总量变化较小。总体来说,研究区流域水文的环境发生了较大的变化。 (2)开展了研究区城镇化小流域和不同下垫面小流域的水量水质实验研究。选用SWMM这一暴雨洪水管理模型对城镇化小流域的暴雨洪水过程进行模拟和分析。结果表明:城镇化使该地区洪峰流量增大,滞时缩短,该地区的防洪压力较大。对不同下垫面小流域洪水特征值进行了计算分析,实验区暴雨洪水过程的分析结果已初步验证了城镇化造成洪峰流量加大、径流深度增加以及洪水过程历时缩短等城镇化小区的水文规律。通过对水质取样结果的分析,对该地区的氨氮、总氮、硝酸盐、高锰酸钾指数、总磷等水质指标在不同土地利用方式及降雨条件下的时空分布规律有了基本的认识,随着实验的继续开展,更多数据的收集与分析将深入揭示其中的规律。 (3)选用SWAT2009模型,以20个河流水质监测断面为子流域出口,将研究区划分为20个子流域,并把每一个子流域内进一步划分为若干水文响应单元。建立了研究区的气象数据库和土壤数据库,根据1985、1996和2002年三期土地利用把研究时期分为1978-1987、1988-1997和1998-2007三段,利用历史数据、实验数据和CUP程序对模型的参数进行了计算或率定,对径流进行了模拟,对模型进行了适用性评价,分别确定了三段研究时期的下垫面敏感参数值。由确定性系数和Nash-Suttcliffe系数的计算结果可知,评价模型在研究区的适用性较好,能够用于环境变化对研究区长期水文过程的影响研究。 (4)通过对水质检测指标的统计分析表明,研究区水质状况总体良好,处在人口密集地区的几个断面的水质相对较差。农田区附近的几个断面,由于含氮化肥的使用,硝酸盐指标值较高。高锰酸钾指数2002年前波动较大,2002年以后稳定下降;溶解氧从2002年开始也有明显的上升趋势;氨氮从1998年开始由上升转为微弱的下降,反映水质有一定的变好的趋势;2002年前硝酸盐指标值不断上升,可能是氮肥的逐年过量使用导致。年内分配方面,总氮年内递减,高锰酸钾指数、五日生化需氧量、氨氮和总磷以5月最高,可能跟施肥较多有关。溶解氧在7、9月汛期较低可能是持续高温天气、台风原因或者暴雨冲刷地表的面源耗氧物质进入水体造成的。 (5)分析1972-2009年研究区年径流量表明,自1994年开始呈减少的趋势,并且从1997开始趋势比较明显,2006年开始显著减少。径流量年际变化较大,年径流量有较强的变异性。利用构建的影响评价模型模拟的组合情景下的径流量和本文新提出的分离变量定量分析法计算得知,从情景组合COM03到OBS02,气候变化对径流量的影响为-1.45%~-1.46%;水库对径流量的影响为-0.61%--0.66%;土地利用变化对径流量的影响为-0.02%--0.07%。三者对第一期到第二期径流量的总影响是-2.13%,对径流量减少的贡献率分别为68.08%~68.54%,28.64%~30.99%,0.94%-3.29%。从情景组合COM06到OBS03,气候变化对径流量的影响为-10.94%~-11.14%;水库对径流量的影响为-7.70~-7.76%;土地利用变化对径流量的影响为-0.18%~-0.37%。三者对第二期到第三期径流量的总影响是-19.07%,对径流量减少的贡献率分别为57.37%~58.42%,40.38%~40.69%,0.94%~1.94%。此外,水库对径流量年内分配起到了明显的调节作用。
【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】:P333

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