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气候变化下流域水资源承载力理论与方法研究

姜大川  
【摘要】:在气候变化和人类活动双重影响下,一些流域水资源供需失衡、水环境污染等问题加剧,以传统水资源可利用量为控制的水资源承载力评价已不能很好适应最严格水资源管理制度的要求。当前,水资源承载力研究中很少考虑气候变化对未来水资源需求和水环境质量的影响,对未来情景的分析多是基于不同降水频率,不能真实反映未来水资源承载力的变化情况。此外,基于统计数据的水资源承载力评价方法,不能反映水质变化过程与水资源开发利用之间的互馈关系。因此,亟需从水量水质耦合角度,开展气候变化下流域水资源承载力理论与方法研究,对丰富和发展水资源承载力理论体系具有一定的理论意义,对实现流域可持续发展具有一定的现实价值。系统分析了气候变化对水资源承载主体及承载客体的影响机制,基于此,提出了基于动态试算反馈的水资源承载力计算模型,并以南流江流域为例,结合气候模式历史结果的评价与筛选,对模型进行了实证研究。主要工作及取得的主要成果如下:(1)气候变化对水资源承载力影响的理论框架研究重点从水量层面和水质层面分别对水资源承载力的内涵进行了解析,认为在水量层面:其一,水资源开发利用应不超过水资源的可更新能力;其二,水资源开发利用应以维护生态环境良性发展为条件,最大支撑经济社会发展规模的同时需兼顾生态用水的需求;在水质层面:其一,水环境质量应满足设定的水功能区划水质目标的要求;其二,水质状况应满足水生态系统安全性和生物多样性的需求。然后,在水资源承载力概念图解和总结的基础上,对气候变化下流域水资源承载力进行了定义。最后,论述了气候变化对水资源承载主客体的影响机制,尤其在水质上,重点分析了水温变化和降水变化对水体中污染物稀释降解过程的影响。(2)基于动态试算反馈的水资源承载力计算模型构建在气候变化对水资源承载主客体影响机制分析的基础上,将气候模式输出模块作为陆面系统的输入,搭建了大气系统与水资源系统之间输入-输出关系模型,用于反映气候变化对水量过程的影响。然后,基于不同水功能区建立了单元水量-水质数学模型,用于反映水质变化过程与水资源开发利用之间的互馈关系。再者,以“不同水质类别的可用水资源量最大”为目标函数,以水质方程、生态环境需水方程等为主要控制性约束方程,建立了不同水质类别的可用水资源量最优化模型。最后,建立了水资源承载力动态试算方程,用于实现不同水质类别的可用水资源量与水资源承载力之间的动态试算过程。各子模型和状态方程构成了基于动态试算反馈的水资源承载力计算模型。(3)流域水资源系统对气候变化的响应研究分析了南流江流域水资源系统对气候变化的响应。结果表明:相对于基准期(1963-2000年),未来期(2013-2050年)仅有RCP4.5情景的降水是增加的,在空间上3种情景均呈现由东北向西南递增的趋势;从降水强度来看,小雨所占天数最多,约为年降水天数的2/3,中雨所占降水量比例最大,约为1/2;相对于基准期,未来期RCP4.5情景年均径流量增加,增幅为15.7%,而RCP 2.6和RCP 8.5情景年均径流量减少,降幅分别为-0.6%和-0.5%。空间上,多年平均径流深呈现西高东低的分布特征;在相同排污条件下,2030年RCP 4.5情景各子流域CODcr平均浓度相对较低,可能与降水量较大有关,对污染物的稀释作用较大。而RCP2.6情景平均气温相对较低,且降水量相对较少,使得污染物的稀释作用相对较小,各子流域CODcr平均浓度相对较高;在需水方面,2030年RCP 8.5情景农业需水最大,主要是降水量偏少、气温偏高所致。(4)不同水平年流域水资源承载力评价与动态试算将可用水资源量分质用于水资源承载力计算,并用承载水平下的生活需水量对承载人口进行了动态试算。结果表明:2013年流域可承载GDP 1326.8亿元,需要28.82亿m3水量来支撑此规模,可承载人口 662.1万人,需要3.52亿m3水量来支撑其人口;在2030年,RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5情景下流域可承载GDP分别为3121.3亿元、5144.4亿元和3736.0亿元,支撑这些规模需要的水量分别为30.97亿m3、45.67亿m3和39.42亿m3,可承载人口分别为704.2万人、1167.4万人和842.4万人,支撑这些人口需要的水量分别为4.62亿m3、7.63亿m3和5.52亿m3。RCP 2.6情景博白县、北流市和合浦县承载人口较2013年有所下降,但是可承载GDP却有所提高,主要原因是其人均GDP增长的幅度大于生产用水效率提高的幅度,使其承载人口略有下降。2013年流域内只有玉林市和博白县处于超载状态,超载度分别为1.14和1.08。与2013年相比,2030年RCP 2.6气候情景下博白县各类可用水资源量变化不大,但是超载度有所增加,达到了 1.29;在RCP 4.5气候情景,所有行政单元均未处于超载状态。在RCP 8.5气候情景,超载地区仅有博白县,超载度达到了 1.19。


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