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黄河上游区人类活动和气候变化对水沙过程的影响研究

吕振豫  
【摘要】:全球性气候变化结合人类活动的影响使得流域水循环特征产生空前的转变,径流、泥沙量及其时空分布发生剧烈波动。黄河作为我国的母亲河,近几十年来,流域径流、泥沙量表现出显著减少趋势,如何科学评估气候变化和人类活动对流域径流、泥沙变化的作用和贡献,定量化区分其影响大小,成为当前研究的热点和难题。基于此,本文以靖远县以上黄河上游为研究区域,以研究区34个气象站点和兰州水文站1957~2010年实测气象-水文要素数据为支撑,结合研究区土壤类型及4期土地利用数据,通过深入调研,系统分析了过去50年中研究区土地利用和气候变化的发展演变情况,并对其未来变化特征进行预测。在此基础上,文章进一步构建了研究区特有SWAT模型,以此为支撑,对研究区土地利用和气候变化对水沙过程的影响展开系统讨论和研究,旨在量化土地利用和气候变化对水沙过程的影响大小;同时,预测研究区未来不同土地利用和气候变化设计情境下,水沙过程的发展演变情况。主要结论如下:1、实测期内研究区年均降水量呈不显著增加趋势;年内变化,1~6月(4月除外)呈增加趋势,7~11月(10月除外)呈减少趋势,12月无明显变化。降水变化空间分布,实测期研究区降水量自西北向东南呈递增态势,年降水量变化趋势则由西北向东南逐步递减,由正转负。突变检验,研究区降水变化在1992年发生突变,突变点前后降水量多年均值不显著减小。周期性检验,降水变化存在4~7a和30a以上两个时间尺度周期震荡。最高、最低气温变化,实测期呈阶梯式上升趋势,显著性水平超过99%。其中,最高气温变化于1997年发生突变,突变点前后多年均值显著增加;最低气温变化突变点同样发生在1997年。周期性检验,实测期研究区最高气温存在4~7a、10~20a和30a以上3个尺度的周期变化规律;最低气温存在8~15a和23~30a两个时间尺度。2、研究区土地利用以草地、林地、耕地和裸地为主。1990~2000年,湿地面积增幅最大,草地大面积减少;2000~2005年,研究区土地利用变幅最为剧烈,转入转出量达31817.9km2。城镇等居民用地大幅增加,草地大量转出;2005~2014年,裸地面积大幅减少,主要转化为草地;整个统计期(1990~2014年),裸地面积大量减少,转化为草地,耕地减少转化为林地。空间变化,整个统计期研究区除西南部存在裸地向草地转化的集中区,中上部及南部部分子流域有少许草地向裸地的转化,其余区域无明显土地转移转化。土地利用年变化率2000~2005年期间达最大值,约为1.26%。3、实测期研究区天然径流多年均值为307.18×108m3,主要集中在5~10月份;输沙量多年均值达0.61×108t,基本集中在7、8月份。整个实测期,径流和输沙量均呈显著减少趋势。M-K检验结果,径流变化分别在1982和1997年发生突变,输沙量变化突变点则位于1968年。通过划分基准期,量化识别气候变化和人类活动对研究区径流和输沙量变化的影响大小,结果显示:气象因素对径流变化的贡献率为48.61%,人类活动贡献值为51.39%;降水变化对输沙量变化的贡献率约为16.84%,人类活动影响占83.16%。4、研究区气候变化的未来预测,三种排放情景各预测期降水量多年均值除A1B情境2025s较实测期偏少外,其余均高于实测期。其中,A2情境增幅最大,截止到2085s,降水量多年均值较实测期增加约19.4%。降水变化量空间分布,A1B情境自研究区西南向东北呈先增加后减少趋势;A2情境自西北向东南先增加后减少;B1情境则基本自研究区西南向东北方向逐渐增加。最高、最低气温预估结果,相对于实测期,三种排放情景各预测期基本呈上升趋势,变化幅度A2A1BB1。变化趋势空间分布,因排放情景的不同而有所差异,同时存在较大的季节性特征。5、SWAT模拟结果显示,模拟径流、输沙量过程相对于实测值,R2均在0.7以上,NSE除验证期年尺度较小外,其余均在0.5以上,达到满意效果。未来气候变化条件下,A1B排放情境径流量多年均值相对于基准期减小6.67%,输沙量减小约18.75%;A2排放情境,截止到2090s,径流量多年均值增加约7.54%,输沙量增加13.56%;B1排放情境,径流和输沙量各时段模拟值相对于实测期呈减小趋势。未来土地利用变化条件下,各设计情境模拟径流和输沙量多年均值均小于基准期。土地利用与气候变化各组合情境下,研究区径流和输沙量多年均值相对于基准期整体减小。其中L2-B1减幅最大。


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