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高寒地区水土资源相互作用机制与联合调控

卢亚静  
【摘要】:青藏高原位于印度洋和中国南海的水汽结合部,特殊的地理位置和气候条件,使该区域成为全球气候变化的"放大器"。近几十年,温度升高导致的冰川消融、湖泊扩张、山洪频发,以及不合理人类活动所引发的生态退化、环境污染等水问题和生态问题日益凸显,严重影响着该地区的水安全和生态稳定,同时也成为制约当地社会经济发展的桎梏。变化环境下青藏高原高寒地区水土资源"如何演变?如何相互作用?如何调控?"是目前亟待解决的问题。本文以"自然-社会"二元水循环理论为指导,提出了高寒地区水土资源联合调控的理论框架与关键技术;选取藏东生态屏障建设的核心区域—那曲流域为靶区,通过数理统计分析结合室内控制实验,识别了那曲流域的水土资源相互作用机制;综合原型观测、数值模拟、遥感解译、地理信息系统等方法,揭示了那曲流域的水土资源演变规律;在此基础上,构建了基于系统动力学方法的水土资源联合调控模型和模糊综合评价模型,根据评价结果遴选出那曲流域水土资源联合调控的最优方案,并提出相应的保障措施。本文主要结论如下:(1)通过对那曲流域水资源演变规律多过程分析可知,那曲流域内1955~2013年年平均气温、年降水量,WEP模拟的年径流量(1980~2013年)均呈上升趋势,GFDL-ESM2M,HadGEM2-ES,IPSL-CM5A-LR,MIROC-ESM-CHEM,NorESM1-M五种气候模式的集合平均结果显示,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种排放情景下,预估时段2020~2050年气温、降水继续上升。通过分析流域内土地资源演变规律可知,流域内植被覆盖度在2000~2015年期间波动变化,但在时段后期持续下降。Fragstats4.2软件对流域景观格局分析得出,1980~2014年期间,流域内的景观类型的丰富度减小,破碎度减小,高、中覆盖度草地景观向低覆盖度草地景观类型转变。(2)采用数理统计、遥感解译、和室内控制实验等多手段对那曲流域水土资源的相互作用进行机制,分析发现,植被具有明显的减水削峰作用,随着植被覆盖度增加,地表糙率增加;相似降水过程分析和室内控制性实验结果均表明,随着植被覆盖度增加,产流开始时间、产流量、径流系数、产流速率均减小。室内实验结果还表明,土壤水对降雨的响应时间及入渗开始时间也随着植被覆盖度的增加呈增加趋势。(3)针对那曲流域生态、环境、资源特点,构建包含社会经济子系统、资源子系统、环境子系统的高寒地区水土资源联合调控模型。该模型以不同的土地利用类型和用水户为调控单元,增加了生态用水和生态用地模块,采用马尔科夫链模型对流域的土地利用进行预测,依此计算不同水平年各类生态用地的生态需水量。选取SCS模型中的CN值计算各类生态用地的潜在调蓄量。将水资源供需比设为土地利用规模、社会经济发展的约束条件。实现了水土资源的动态联合调控。2000~2014年历史仿真各项变量的模拟误差基本在±10%以内,模型中敏感性参数主要包括生态用地面积、水资源开发利用率、生态需水量、灌溉水利用系数、中水回用率等。(4)采用那曲流域模糊综合评价模型对水资源分配合理性、土地资源分配合理性、社会经济发展速率、生态环境等效益进行评价,结果显示,所设计的现状延续型、增源型、产业结构调整型、综合型、联合型5种调控方案中,最优方案为联合型调控方案。该方案下,流域内2030年地区生产总值为2015年的4.35倍,水资源供需矛盾、超载问题得到缓解,污染物排放量在合理阈值内。论文的研究成果,将进一步完善高寒地区"自然-社会"二元水循环理论和水土资源相互作用识别与水土资源联合调控的理论与技术,并为那曲流域的水土资源开发利用提供科学依据。


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