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气候变化和人类活动对淠河上游流域水文过程的影响识别

沈振乾  
【摘要】:水分是地球表层系统中最为活跃的因子,受自然和人类活动双重驱动。在全球气候变化与人类活动剧增大背景下,“水”问题对人类的挑战更是严峻,一方面,气候变化导致的极端降水事件频度、强度、发生范围日益增强;另一方面,高强度人类活动下的流域洪涝成灾风险更加严峻,给社会经济健康发展与生态文明建设带来了极大的潜在危害。为进一步明确“气候变化与人类活动对流域水文过程的贡献情况”以及“如何对未来气候变化下的水文过程作出分析预估”这两大核心问题,本研究以“自然-社会”二元水循环理论为基础,以“机理识别-情景模拟-量化分离-未来预估”为主线,构建适用于研究区的分布式水文模型,通过对历史过程进行模拟,定量化识别气候变化和人类活动对水文过程的影响;并通过设置不同气候情景模式,对区域未来的径流变化进行预估,以期为未来区域水资源的可持续发展和防洪减灾工作提供科学支撑。首先,本文选定了植被覆盖率高且洪涝灾害频发的淠河上游流域为研究区,利用Mann-Kendall检验法、滑动t-检验、Sen斜率估计法和小波分析等方法对研究区56年(1960~2015年)降水和径流序列数据进行了突变性、趋势性、显著性、周期性分析,并利用Spearman秩相关检验法分析了降水和径流的相关性,同时利用ArcGIS对汛期和年降水量进行了空间分布特征分析;对气温序列数据进行了突变性和趋势显著性分析。其次,利用ArcGIS对1985年、2014年土地利用变化特征进行了识别,对2000~2014年NDVI变化趋势进行了分析,从而明晰了研究区的土地利用和植被覆盖演变特征。最后,构建了适宜于研究区的分布式水文模型(WEP模型),通过改变模型中的气象数据和土地利用数据,定量识别了历史的气候变化和人类活动对该流域径流变化特征的贡献情况;并通过设置不同RCP情景,对未来的气温、降水和径流的演变特征进行了预估与分析。所得主要结论如下:(1)水文气象因子时空演变特征:流域主要水文气象(降水、径流、温度)因子突变发生于20世纪90年代初期(达0.05显著性水平),且突变前后均值差异显著;汛期降水量占年降水量之比在整个研究期内(1960年-2015年)不具有突变性,整体呈现出显著增加趋势(达0.05显著性水平),表明流域年内降水在汛期更加集中,极端降水事件发生的可能性增大;(2)下垫面条件演变特征:研究区综合土地利用变化动态不明显,其中天然植被稍有减少,居民及城乡建设用地总体面积虽少,但其土地利用变化动态度达77.46%;流域内绝大部分区域植被发展呈现增加趋势,植被覆盖演变整体处于较好状态;(3)分布式水文模型(WEP模型)构建:基于分布式WEP水文模型,按输入格式统一整合研究区现有数据,得到适用于研究区的分布式流域水文模型,其中佛子岭站率定期年均径流量相对误差为-9.44%,纳什效率系数以及相关系数分别为0.71、0.87,验证期年均径流量误差为-7.15%,纳什效率系数与相关系数分别达到0.70、0.85;黄尾河站率定期年均径流量相对误差为2.65%,纳什效率系数以及相关系数分别为0.92、0.97,验证期年均径流量误差为9.68%,纳什效率系数与相关系数分别达到0.86、0.94。表明所构建的分布式水文模型适合于淠河上游流域,能够较为准确的对淠河上游流域水文过程进行模拟。(4)气候变化和人类活动的影响识别:气候变化与人类活动在流域产汇流过程中作用相反,气候变化主要通过影响降水量减少流域出口流量,人类活动则有助于增加流域出水口流量,但气候变化对径流过程的影响要远大于人类活动的影响;气候变化和人类活动对径流过程的影响主要体现在夏秋两季;流域径流量锐减由气候变化引起,人类活动使流域径流量稍有增加,增加量占气候变化所引起年际减少量的2%-3%,而年内的相对贡献则差异较大,尤其是在冬季。(5)气象水文要素的未来预估:径流对气候变化的响应是一个综合复杂的过程,其中气温-降水、气温-径流之间呈负相关,降水-径流相关性呈正相关,气温升高,在一定程度上致使降水量、径流量减少;流域未来有整体变暖趋势,其中流域面均温、极温均呈现增加趋势,极端高温情况更为严峻;在不同气候情景模式下,流域年降水量减少主要体现在夏季降水量减少(7月最为显著),而春、秋两季降水量稍有增加,其中,春季降水量增加约占夏季降水减少量的2/3,秋季降水增加量约为夏季减少量的1/3;在各种RCPs情景模式下,春季径流量有所增加,秋季径流量有所减少,7月份径流量较基准期锐减,且径流峰值月也有7月提前到6月份。


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