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气候变化及人类活动对流域水资源的影响及实例研究

仕玉治  
【摘要】:气候变化和人类活动影响是当前流域水文水资源演变规律研究的两大科学课题。水循环系统是气候系统的重要组成部分,而气候变化必然引起流域水资源的时空变化。人类活动对流域的水循环影响,一方面通过改变土地利用、以及修建大型水利工程等改变流域下垫面,破坏了流域内天然的产汇流机制;另一方面通过工农业取用水以及跨流域调水等活动直接影响流域水资源的时空分布。 当前流域水资源俨然已经发生巨大变化,气候变化和人类活动是两个主要的驱动因子,量化分析气候变化和人类活动对流域水文水资源的影响,对认知水资源演变规律和实现水资源可持续利用发展具有重要的实践意义。鉴于此,本文以东北地区两个流域为研究实例,以大尺度流域水文模型SWAT为基础,开展气候变化及人类活动对流域水资源的影响研究。本论文的研究内容和成果如下: (1)流域水文气象要素变化特征分析。基于多种趋势检验方法和变点分析方法,分析了东北两个实例流域水文气象要素的变化趋势和变点,通过水文气象要素的特征识别,可以初步判断流域气候变化和人类活动影响的大小及变化特征。研究结果表明多种方法可以定性识别流域的降雨、温度等要素的变化特征。 (2)大尺度流域水循环模型SWAT构建。本文阐述了模型结构及其原理方法,并详细说明模型相应气象、土壤、土地利用、土壤等资料数据库构建,为下一步进行流域水循环模拟以及量化分析气候变化和人类活动影响研究提供有力支撑。 (3)针对历史气候变化和人类活动影响的贡献量化问题,提出一种基于SWAT的新的分项量化方法。该方法为削弱人类活动时期内降雨丰枯变化对分离气候变化和人类活动影响量的干扰,对长序列降雨、温度进行还原计算,利用长序列降雨、温度数据资料分析气候线性变幅,然后将年降雨的线性变化量根据年内月分配比例对实际降雨量序列逐年进行还原,依据各月份温度线性变化量对实际温度序列逐年逐月进行还原;构建有、无降雨和温度还原计算的SWAT模型,利用基准期数据资料进行模型参数率定,并分别模拟人类活动时期有、无降雨和温度还原计算的径流量,通过对比分析人类活动时期相对于基准期的还原和实际径流的相对变化量,分离出降雨丰枯变化量、气候变化量以及人类活动影响量,即可实现历史气候变化及人类活动对河川径流影响量化分析。本文以辉发河流域为研究对象,对模型方法进行了验证说明,结果显示本文提出的方法能够合理地评估气候变化和人类活动影响的贡献量。 (4)针对灌区农业灌溉用水人类活动影响量化问题,建立基于改进的SWAT灌区水循环模型。该模型在原模型基础上,修改了灌区水源灌溉模式、灌区田间水量平衡方程计算项、渠道渗漏计算以及水田灌溉制度,分别为泡田期和水稻生育期定义灌溉判断准则,在两个时期均可实现多水源灌溉模式;以浑太河流域灌区为研究对象,对改进后的灌区模型进行验证,通过重构有、无灌溉条件下的还原模拟,量化分析浑太河流域灌溉回归水量和灌溉影响比率,以及农业灌溉对灌区水循环要素的影响。 (5)为减弱单一气候模型预测的不确定性,本文提出基于贝叶斯加权平均(REV-BMA)的GCM多模式气候变化预测方法,并耦合SWAT大尺度流域分布式水文模型研究未来气候变化对流域水资源的影响。首先,利用自动降尺度方法(ASD)和距离倒数权重插值降尺度方法(IDW)分别对GCM模型(HadCM3、CGCM3、BCCR、CSIRO)进行降尺度,采用提出的REA-BMA方法计算多模型的可靠性因子,获得未来时期(2011~2040年)降雨、温度要素的加权变化量;然后,依据降雨、温度未来变化量对基准期(1961~2000年)实际降雨、温度数据进行比例缩放后作为SWAT模型输入,并构建未来气候变化对流域水资源影响的评估模型(REV-BMA-SWAT);最后,选取浑太河流域为研究对象,分析未来时期(2011~2040年)浑河干流上大伙房水库入库径流变化,以及浑太河流域水循环要素的相对变化状况,并与单一GCM模型、RVM模型以及基于历史趋势变化的模拟结果进行了比较分析。


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