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未来气候变化下黄河流域径流变化及旱涝灾害动态的地理计算

姬广兴  
【摘要】:2019年,习近平主席将黄河流域生态保护和高质量发展提升成为了中国政府的一个重大国家发展战略,与此同时也明确的提出了黄河流域依然有一些亟待完善和解决的难题。气候变化加剧了黄河流域水资源时空分布不均的状况,导致黄河流域旱涝灾害的发生概率增加,给人类社会的生产生活带来了严重影响,制约了该区域经济的高质量发展。因此,亟待在全球环境变化这一大背景下分析黄河流域的径流变化的影响因素,评估黄河流域未来时期平均径流、洪涝灾害(Q95极端径流)以及气象干旱的变化趋势,可以为制定改善该区域环境条件的政策和保证该区域高质量快速健康发展提供一定的科学依据。本文的研究内容主要可以分为4个部分:(1)基于黄河流域的气象观测和径流观测数据,采用Budyko假设定量分析了气候因素(降水、蒸发)以及人类活动对黄河头道拐、花园口和利津站径流发生变化的贡献比例;(2)建立了适用于黄河流域的土壤和水分评估工具(Soil and Water Assessment Tool,SWAT)模型,分析土地利用和气候因素对黄河流域径流变化的敏感性,得到了降水、日最高温度和日最低温度变化与黄河流域径流变化的定量关系,清晰的展示出气候因素(降水、日最高温度和日最低温度)对黄河流域径流变化的影响机制;(3)首先利用CA-Markov模型模拟得到现状延续(LUC1)和生态保护(LUC2)情景下黄河流域2050年的土地利用数据,然后分别模拟得到了RCP-LUC1(现状延续)和RCP-LUC2(生态保护)情景下21世纪中期(2040-2060年)黄河流域的径流量,并从平均径流量、季节径流量占比、月径流量占比和洪涝灾害(Q95极端径流量)4个方面分析了与基准期(1970-1990年)径流的差异情况;(4)利用全球气候模式数据同时计算得到了黄河流域未来时段(2021-2099年)的干燥指数(Aridity index,IA)和标准化降水蒸发指数(Standardized precipitation evaporation index,SPEI),利用两种干旱指数协同评估了黄河流域未来时段的气象干旱情况及趋势。得到了以下结论:(1)人类活动是导致黄河流域径流减少最主要的影响因素,人类活动对头道拐、花园口和利津水文站径流变化的贡献率都在70%以上,分别为84.07%、73.27%和83.27%;在气候因素方面,降水对黄河流域径流减少的影响比参考蒸发量对黄河流域径流减少的影响更为显著,降水和蒸发对头道拐、花园口和利津水文站径流变化的贡献率分别为14.90%和1.02%,26.69%和0.04%,17.18%和-0.45%。(2)耕地、林地、草地对黄河流域径流增加的影响排序为耕地草地林地。(3)降水变化比例与四个水文站21年来平均径流和Q95极端径流量的变化率成开口向上的抛物线函数关系。此外,还可以发现降水变化比例对年平均径流量变化率的影响程度大于对Q95极端径流量变化率的影响程度。降水变化比例与四个水文站春季和冬季径流占比成向下的抛物线响应函数关系,与四个水文站夏季和秋季径流占比成向上的抛物线响应函数关系。(4)日最高气温和日最低气温增长值与利津和三门峡水文站平均径流和Q95极端径流量的变化率成向上的抛物线响应函数关系,与头道拐和唐乃亥水文站平均径流和Q95极端径流量的变化率成向下的抛物线响应函数关系。日最高气温和日最低气温上升都会导致夏季和秋季的径流量占比增长,而都会导致春季和冬季的径流量占比显现为明显减少的趋势,这表明气温升高会加剧径流量年内分布的集中程度,致使水资源分配更加的不均衡,会增加春季和冬季干旱的风险。(5)相较于基准期(1970-1990年),RCP-LUC1(现状延续)和RCP-LUC2(生态保护)两种情景下,21世纪中期(2040-2060年)黄河流域水文站点的平均径流量都呈现增长趋势,洪涝灾害的发生概率也趋于增大。(6)RCP-LUC1(现状延续)和RCP-LUC2(生态保护)两种情景下,黄河流域21世纪中期(2040-2060年)四个水文站春季径流量占比都显示为减小的趋势,冬季径流量占比都趋于增长,而夏季和秋季径流量占比增减不一。(7)RCP-LUC1(现状延续)和RCP-LUC2(生态保护)两种情景下,黄河流域21世纪中期(2040-2060年)四个水文站月径流量占比趋于减小的月份发生在4月、5月、6月、7月和10月,月径流量占比趋于增长的月份发生在1月、2月、8月、9月和12月。(8)相较于RCP-LUC1(现状延续)情景,RCP-LUC2(生态保护)情景下平均径流量增幅更大,但是发生洪涝灾害的概率却有所降低。(9)黄河流域未来时期的气象干旱呈加剧趋势,随着辐射强迫水平的升高,黄河流域表现为干旱加剧的区域范围日益增长,干旱加剧速度也日益增大。兰州~头道拐区域和黄河中游区域是未来时期干旱发生频率较高的区域,夏季是黄河流域气象干旱发生频率最高的季节。


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