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多水源供给模式下灌区旱灾诱发危机诊断与预警

王斌  
【摘要】:干旱灾害作为影响区域水资源安全的主要因素,是全球范围内频繁发生的一种慢性自然灾害,它对社会生活和经济发展的影响之大、范围之广、持续之久、危害之深,超出了其他任何自然灾害,成为了影响世界发展的严重不稳定因素和影响国民经济可持续发展的瓶颈因素。特殊的地理条件和气候特征决定了我国是一个干旱及旱灾频繁发生的国家,干旱问题已成为我国社会经济可持续发展、水资源可持续利用和管理所面临的重大问题和难题。近年来受全球气候变化的影响,我国干旱事件出现的频率呈现增长趋势,且干旱程度日趋加剧,缺水矛盾凸显,严重制约了我国的社会经济和谐发展,并威胁国家安全。可见,当前阶段的干旱问题对国家发展的影响已远高于历史任何时期,其研究也到了刻不容缓的地步。有关干旱的话题,一直是近年来国际学术界研究的热点,其内容主要涉及干旱规律、干旱指标与评估、干旱预警和干旱管理等四个领域,部分成果已被推广于生产一线,对区域抗旱减灾起到了积极的作用。但由于旱灾本身的学科交叉性和复杂性,使得以往的研究成果在应用过程中还有很多有待研究和完善的地方,如干旱指标体系不完善、基础性研究不足、重预警轻应变、重应急轻防御、决策支持系统实用性不强等。鉴于此,针对上述研究在干旱管理领域存在的缺陷及不足,本文拟从区域抗旱实务的角度出发,对旱灾危机评估、预警和应对过程中存在的机制问题和实用性问题进行深入地探讨,并以陕西省泾惠渠灌区为例展开案例研究。具体过程如下:首先结合灌区的多水源供给模式,提出并构建了考虑灌区供需双侧的旱灾危机诊断指标体系;耦合多水源二元水循环模拟模型和滚动修正模式,建立了面向灌区的旱灾危机滚动预警机制,可结合未来降水概率和地面的土壤熵情变化,不间断地发布旱灾危机的警示信息;以此为基础,进一步构建了面向灌区抗旱的诊断-预警-决策框架体系,可结合多水源二元水循环模拟模型实现模拟预警和决策推演,同时基于历史旱情信息,构建了旱灾危机应对方案库,可实现对旱灾从诊断、预警到决策的全过程支持;最后,以泾惠渠灌区为案例区,进行验证计算,分析本研究所建立的多水源供给模式下的灌区旱灾诱发危机诊断与预警体系的合理性与实用性。具体研究内容和所得结论如下:(1)泾惠渠灌区现状及抗旱能力分析通过对泾惠渠灌区的现状调查,发现灌区降水量及径流量年际变化较大,年内分布不均,同时泾河旱涝兼存,灌区蒸发较为强烈;渠首引水量缩减且含沙量大,而灌区需水量却在逐年上升,地下水超采问题日益严重;灌区所在地区旱灾频发,同时面临着水资源严重不足、渠系工程年老失修、节水管理和灌溉技术不成熟、地下水超采及水污染问题并存等问题,抗旱压力大。(2)灌区旱灾危机诊断指标体系提出基于二元水循环理论的灌区旱灾危机诊断指标体系。该指标体系涵盖了灌区干旱状态和灌区抗旱能力(水源情势)的双重表征,可回答干旱过程中实时旱情和水情两个层面的问题。同时,体系将干旱状态指标D及抗旱能力指标S进行综合,构建了旱灾危机诊断指标DAI。透过该体系,决策者可实时掌握灌区的旱情发展、抗灾能力变化以及成灾的危机程度,即在准确反映灌区当前的旱情状态的情况下,进一步结合未来来水和当前决策方案,模拟灌区未来可能遭受的旱灾威胁。(3)多水源二元水循环模拟模型的实现诊断指标体系具有实时获取性,但是其阈值设定和预警机制则要求以二元水循环模型作为支撑。结合灌区的多水源供给模式,构建了泾河流域分布式水文模型和水资源配置模型相耦合的灌区引水模型,并与灌区地表水与地下水联合调配模型、墒情预测模型和灌区地下水均衡模型结合,建立了灌区多水源二元水循环模拟模型,以保证指标获取、预警与决策模拟功能的实现。校验结果表明,该模型可较好地模拟干旱事件演变过程中的灌区二元水循环过程,为合理利用地表水与地下水,发挥最大抗旱潜力,有效降低干旱成灾风险提供支持。(4)灌区滚动式旱灾危机预警机制及决策体系框架以多水源二元水循环模拟模型为基础,将灌区旱灾危机诊断体系与滚动预警机制和决策支持机制相融合,建立了灌区旱灾危机诊断-预警-决策框架体系。在滚动预警机制和决策模拟机制下,可实现对灌区旱灾危机的“预警—预决策—预决策效果分析—预决策修正—决策—预警”的全过程滚动式的旱灾预警及决策支持,弥补干旱演变过程中常规旱情评估体系对干旱应对过程支持的缺位问题。(5)实例验证分析以陕西省泾惠渠灌区2013-2014年的实测资料为基础,进行灌区旱灾危机预警及决策模拟,并以官方监测结果进行对比分析,验证旱灾危机诊断体系与应对机制的合理性。同时,与单因素指标降水量SPI、土壤墒情指标进行同期验证,从侧面印证本研究所建立的旱灾预警体系的科学性与合理性。结果表明,本文建立的诊断与预警体系综合考虑了灌区干旱状态及水源情势等因素,从旱情与水情(即需和供)两个层面表征了干旱事件的发展走势,相对SPI和土壤墒情指标包含了更多有关抗旱能力的信息,故其对抗旱实践过程更具有指导意义。从比对结果看,旱灾危机诊断与预警体系是一个更加科学合理、综合完善的体系,并可通过该系统仿真模拟制定科学合理的抗旱预措施和应急措施,有效缓解灌区未来干旱旱情,具有较强的应用价值。


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