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《南京大学》 2016年
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气候变化和土地利用变化背景下淮河流域中上游径流变化研究

杨满根  
【摘要】:气候变化,尤其是降水变化,直接改变了陆地水循环的强度,造成区域水文情势的改变。持续性暴雨过程是流域主要致洪暴雨过程,持续性过程降水的极值更容易造成流域的特大洪涝。另一方面,人类活动,特别是以城市化和农用地缩减为代表的土地利用/覆被变化,直接影响了流域暴雨产流过程。极端降水事件造成的洪涝及其他次生灾害更直接、更严重地影响自然生态系统和社会经济系统。在全球大多数流域,气候变化和土地利用/覆被变化的趋势将在整个21世纪继续发展。因此,研究极端过程降水对气候变化的响应,以及极端过程降水变化对流域径流和洪水的影响,并进一步研究气候变化和土地利用/覆被变化共同作用下流域径流和洪水的响应,对于深入了解流域洪涝发生机制和变化规律、制定流域气候变化适应对策等有重要意义。淮河流域地处中国东部南北气候过渡带,气候复杂,汛期降雨多以暴雨形式出现。受气候和地理条件的影响,淮河流域暴雨的范围广、强度大,大暴雨与特大暴雨在全流域都可能发生。淮河流域也是我国气候变化导致年径流量变化最大的地区之观测和预估的研究都表明,淮河流域汛期极端降水呈显著增加趋势。淮河流域汛期极端降水的显著增加可能与梅雨导致的持续性过程降水的增加有关。人类活动的影响导致淮河流域行蓄洪区面积减小、斑块破碎,泄洪、蓄洪能力减弱;城市面积的扩张,湿地、水体等面积的减少,对流域地表水文过程,特别是极端径流过程产生了重要影响。总之,不合理的人类活动不仅直接改变了地表水文过程,更降低了淮河防洪减灾工程体系的功效,直接加剧了洪涝灾害。淮河流域日益加剧的人类活动已经深刻地影响了地表水文过程。因此,有必要研究人类活动对淮河流域地表水文过程的影响以及人类活动影响下气候变化对淮河径流和极端径流的影响。本论文以蚌埠水文站以上的淮河流域中上游为研究区,运用统计分析、气候模拟和水文模拟等研究方法,从平均气候变化和极端气候变化的角度研究淮河流域气候变化的主要特征以及气候变化和土地利用/覆被变化对淮河流域径流及洪涝的影响,定量分析土地利用/覆被变化和气候变化共同作用下淮河流域径流和极端径流的响应。(1)基于1958-2009年的历史气候观测资料和Series A2排放情景下RegCM3模拟的未来(2071~2100年)气候变化情景,分析了淮河流域历史和未来气候变化的主要特点。就历史气候变化而言,研究时段内,淮河流域年平均气温显著上升,流域中部,特别是涡河和颖河流域中下游以及流域南部下游等区域,升温趋势更明显;春季和秋季气温升高,夏季气温降低,气温的年较差减小。淮河流域年降水量呈不显著的增加趋势,颖河下游和以蚌埠为中心淮河干流附近区域,年降水量的增加趋势更明显,流域南部的大部分区域年降水量呈下降趋势;夏季降水量增加,秋季降水量减少,降水的季节对比更加突出。最低气温的升高,特别是冬季最低气温的升高,导致了淮河流域平均气温的升高。淮河流域连续干旱日数显著减少,最大日降水量显著上升,干季降水频率增大而雨季降水强度增大;夏季和冬季的降水量呈增加趋势,秋季降水量呈下降趋势。夏季降水量的增加主要由降水强度的增强所致,冬季降水量的增加主要由降水频率的增大造成。就未来气候变化而言,在Series A2排放情景下,淮河流域未来(2071~2100年)年平均气温升高,年降水量增加,夏季升温幅度更大,秋季降水量的增幅更大。淮河流域汛期极端过程降水增加,流域下游南部的极端过程降水及其概率都将明显增大。(2)基于1958-2009年的历史气候和河川流量观测资料,计算了多个降水和流量极值指标,并以汛期最大9天降水量作为汛期极端过程降水的指标,以汛期最大9天流量作为汛期极端径流的指标,从降水极值指标和汛期极端过程降水两个方面研究了降水变化对淮河流域径流和极端径流的影响。研究时段内,淮河流域流量和极端流量都呈不显著的上升趋势,汛期流量和极端流量上升趋势更大,汛期流量的增加与枯水期流量的减小导致河川流量的季节对比加大,洪涝、干旱和早涝急转的风险同时增加。来自高百分位的降水或连续过程降水的极值对流量和极端流量的影响较大,流域上游和靠近淮河干流的流域中部的降水异常增大是整个淮河流域旱涝频发的重要原因。周-旬时间尺度的强降水过程是造成淮河流域严重洪涝的直接原因;淮河流域汛期极端过程降水呈不显著的增加趋势,淮河干流上游、涡河上游和流域下游南部边缘,汛期极端过程降水的上升趋势较大;流域南部和流域西部(上游)是汛期极端过程降水的高值区,区域内多山地和丘陵的地形有利于暴雨径流的快速下泄,而流域中下游地形平坦,洪水排泄缓慢,因此汛期极端过程降水的空间特征,极易导致淮河流域中游的“关门淹”。淮河流域汛期极端过程降水的微小增加将导致其概率的大幅度响应,相同的极端过程降水变化,流域北部和流域下游极端过程降水概率的响应更敏感,洪涝风险也更大;流域下游更大的极端过程降水出现的频率更高,也更集中;下游河段的极端流量对极端过程降水变化的响应更敏感,因而淮河中下游流域洪涝风险比上游更大(3)构建了淮河流域SWAT模型,分别以参考期(1961-1990年)和情景期(2071~2100年)的RegCM3气候模拟结果驱动淮河流域SWAT模型,研究了以变暖为主要特征的气候变化对径流和极端径流的影响。构建的SWAT模型比较真实地模拟了淮河流域中上游逐月流量过程,也合理地重现了淮河流域汛期最大9天流量的特征。研究结果表明,极端排放情景下的气候变暖将导致淮河流域年平均流量增加,平均增幅在10%以上,8月和9月流量的增幅更大,河川流量的季节对比增大,汛期洪涝风险增加,旱涝急转的可能性增大。汛期极端流量对气候变化响应的幅度更大,在极端排放情景导致的气候变暖背景下,淮河流域汛期极端流量大幅度增加,干流5个水文站汛期最大9天流量的增幅都在20%以上。极端排放情景导致的气候变暖改变淮河流域汛期极端流量的概率分布,导致汛期极端流量的概率分布更加集中,更大的极端流量出现的频率更高。在极端排放情景导致的气候变暖背景下,淮河流域降水径流之间的关系更加紧密,降水对径流的影响更大,汛期极端过程降水对极端流量的影响也更大,暴雨径流是淮河流域洪涝的直接原因。(4)解译了淮河流域2000年的MrSID遥感影像,获得了2000年淮河流域土地利用/覆被现状图;基于2000年淮河流域土地利用/覆被现状,根据淮河流域土地利用/覆被变化的主要驱动因子:城市扩张、生态退耕和农业结构调整等,构建了以城市用地扩张和农业用地缩减为主要特征的淮河流域中上游土地利用/覆被变化情景;以1958~2009年的历史气候观测资料驱动SWAT模型,研究了淮河流域中上游土地利用/覆被变化对径流和极端径流的影响。结果发现,土地利用/覆被变化导致淮河流域年平均流量小幅度增加,增幅约为2.76‰,城市扩张导致了流量更大幅度的增加;土地利用/覆被变化加剧了河川流量的季节差异,城市扩张更容易导致汛期流量的大幅度增加。土地利用/覆被变化对汛期极端流量的影响更大,土地利用/覆被变化背景下,淮河流域汛期最大9天流量的增幅约为41.22‰;土地利用/覆被变化也导致了汛期极端流量的概率分布特征发生改变,更大的极端流量出现的频率更高,以城市扩张为主的土地利用/覆被变化更可能导致流域特大洪涝,淮河流域中下游特大洪涝风险增大。(5)分析了不同气候情景下土地利用/覆被变化径流响应的差异和不同土地利用/覆被背景下气候变化径流响应的差异,定量研究了气候变化和土地利用/覆被变化共同作用下淮河流域径流的响应。结果表明,气候变化减缓了土地利用/覆被变化对年平均流量增加的影响,但放大了土地利用/覆被变化对极端流量增加的影响;气候变化也放大了土地利用/覆被变化对极端流量概率分布的影响,导致了给定重现期时极端流量重现水平的增大,而且更长重现期的极端流量增幅更大。土地利用/覆被变化减缓了气候变化对年平均流量增加的影响,但放大了气候变化对极端流量增加的影响。气候变化和土地利用/覆被变化的共同作用,导致淮河流域年平均流量和极端流量的增幅进一步加大,淮河流域极端流量概率分布参数发生较大的改变,极端流量更加极端,更大的极端流量出现的频率更高。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P333

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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