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张家口市永定河流域气候变化及其对水文水资源系统的影响

刘宏权  
【摘要】:区域气候变化及其对水文水资源系统的影响是当前国内外学界研究的热点问题,以气候变暖为主要特征的气候变化会对水文水资源系统产生影响已经是不争事实,区域尺度气候变化的差异性及量化气候变化对水文水资源系统的影响等研究有重要现实意义。 本论文以张家口市永定河流域为研究区域,以研究区内典型水文站点和气象站点的水文气象资料为基础,综合利用滑动平均、五点三次平滑、线性趋势法、模比系数差积曲线、累积滤波器、MK突变检验和小波分析等方法对研究区水文气象要素的变化趋势、突变年份和变化周期进行了研究。通过对区域气候模型STAR的参数率定,确定了张家口市永定河流域气候模拟中STAR气候模型的参数方案。结合气候变化趋势分析,采用不同升温幅度,对区域未来气候进行了低中高升温情景的仿真模拟。通过模拟递推法、回归分析法和模糊优选神经网络模型等方法研究了气候变化对径流和水资源量的影响以及气候变化对社会经济用水量的影响。构建了区域水资源承载力量化模型,并分析了气候变化对区域水资源承载力的影响。本论文研究内容和成果如下: (1)针对张家口市永定河流域典型水文站点(响水堡站、柴沟堡东站、石匣里站和钱家沙洼站)天然年径流量系列进行了变化趋势、突变年份和变化周期的分析。研究表明典型站点的天然年径流量系列均呈减少趋势,响水堡、柴沟堡东站、石匣里站和钱家沙洼站径流量减少速率分别为:0.89亿m3/10a、0.17亿m3/10a、1.2亿m3/10a和0.37亿m3/10a;天然年径流量发生突变年份分别为:1986年、1998年、1990年,钱家沙洼没有明显突变年;天然年径流量变化周期分别为:21a、28a、21a和21a。 (2)近50年来,张家口市永定河流域年气温呈明显上升趋势,增温率为0.44℃/10a,升温幅度高于全球气温升温速率(0.13℃/10a)和我国平均升温速率(0.22℃/10a);与此同时,年降水量减少率为38.4mm/10a,其中夏季降水减少率为31.8mm/10a。应用MK法突变检验表明:张家口站、怀来站、蔚县站和综合站年气温突变年分别为1982年、1990年、1994年和1990年;年降水突变年分别为2001年、1997年、2001年和2001年。应用小波分析表明,流域气候变化第一主周期为27a。 (3)在对STAR区域气候模型简要介绍的基础上,以2000年-2008年为率定期,对STAR模型的主要参数进行参数率定。确定参数方案:blocklength=9,tol_jd=20,tolerance=0.2,no_sim=1000。特别是经率定发现:适合张家口市永定河流域气候模拟的STAR模式中参数blocklength取值为9,而不是STAR模型构建单位波茨坦气象研究所推荐取值12。 (4)未来气候情景以不同升温趋势分为三种,即:高升温情景,气温上升趋势是0.7℃/10a;中升温情景,气温上升趋势是0.5℃/10a;低升温情景,气温上升趋势0.3℃/10a。运用STAR模型,对张家口市永定河流域在高中低三种升温情景下的2009年-2035年的气候变化情景进行了仿真模拟。未来流域气候变化以气温升高为主要特征:对于季节升温幅度,冬季升温幅度最大,其次是春季,而夏季升温幅度最小;升温最明显的是日最低气温,升温最不明显的是日最高气温。张家口市永定河流域未来气候情景的降水以没有明显趋势变化为主要特征:各升温情景下,年降水量呈微弱减少趋势;各升温情景下,除了夏季降水有减少趋势外,其他季节降水没有趋势变化。 (5)以张家口市永定河流域社会经济用水数据和相应的气象数据为研究资料,运用模拟递推法就气候变化对社会经济生活用水影响进行了研究,分析了影响农业供用水量和生活用水量的敏感性气象因子,并量化分析了气候变化对农业供用水量和生活用水量的影响。 (6)就气候变化对流域水资源量的影响进行了研究,研究结果表明:随着气候变暖,流域水资源量呈现波浪式减小趋势,且升温幅度越大,区域水资源量减少的幅度也越大。未来气候低中高三种升温情景下,流域水资源量减少速率分别是112万m3/a、161万m3/a和230万m3/a。 (7)就气候变化对地表径流量影响进行了研究,结果表明:模糊优选神经网络模型的对于径流量模拟效果最好,限于训练数据相当于中等升温情景下的径流量系列,模糊优选神经网络模型只能预测中等升温情景下未来年份的径流量变化情况。根据模糊优选神经网络模型和回归分析对中等升温情景下径流量模拟情况,对低、高升温情景下回归分析方法模拟的径流量进行了修正,得到了不同升温情景下的未来径流量变化情况。 (8)构建了水资源承载力量化模型,就气候变化对流域水资源承载力影响进行了量化分析,结果表明:以流域水资源可利用量为水资源条件,未来气候情景下从低升温情景到高升温情景,流域水资源承载力呈下降态势,流域水资源可利用量不能支撑流域规划中相应的社会发展规模,各目标年水资源承载力均处于严重超载状态,超载率均超过50%。


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