我国东部地区气候变化模拟预测与典型流域水文水质响应研究

发布时间：2017-04-22 22:02

  本文关键词：我国东部地区气候变化模拟预测与典型流域水文水质响应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近百年来,人口数量剧增和温室气体排放量显著增高,导致了全球温度的普遍升高,社会各界已普遍关注气候变化对人类及其环境产生的影响。水循环作为气候系统中的重要部分,也受到气候变化的影响。而我国的水资源面临着洪涝灾害、干旱缺水和水环境恶化三大问题。在全球气候变化影响下,必将引起全球水文循环的变化,并对降水、蒸发、径流、土壤湿度等造成直接影响,将显著改变水文过程和水资源系统的结构,增加洪涝、干旱等极端灾害发生的强度和频率,进而使得区域水资源短缺问题更加突出,并将进一步影响生态环境与社会经济的可持续发展。因此,深入研究区域气候变化对水文水资源的影响,提出应对气候变化的水资源适应性管理策略,不仅在理论上可进一步完善气候变化影响的评价体系和方法,使得研究成果和结论更加确定、科学、可靠；而且对研究区域洪旱灾害及规律、指导防灾减灾、科学编制流域水资源开发利用以及水环境保护与恢复方案等方面具有重要意义,从而最大程度保证流域内社会经济环境可持续发展、维持河流健康生命。目前研究气候变化对水文过程影响的主要工具有全球气候模式(GCM)或者区域气候模式(RCM)、水文模型等。一般的步骤是首先通过GCM预估未来假定气候情景模式下全球气候变量的变化情况,但通常GCM的输出数据精度太低,不能满足流域尺度水文研究中较高分辨率的输入要求,如果直接使用则会产生较大误差。因此,通过降尺度方法包括统计降尺度(SDSM)和动力降尺度(RCM),输出更加精细的气候变化数据。然后将预估的气候变化数据输入到水文模型中如全球范围内应用非常广泛的SWAT模型,从而对研究区域未来水循环及水质水环境做出预估评价。本文通过气候变化对浙江省内水文水资源的影响及适应对策的研究,其主要研究内容及简要结论有以下几方面：(1)首先对过去近60年淅江省气象水文特征进行识别分析(包括趋势变化、突变和周期分析),理解气候变化对水文过程的影响及其导致水文水质变化的原因,从整体上把握研究区域气象水文要素的变化走向,分析总结宏观调整水资源变化规律进行,同时检验模拟识别的合理性。研究结果表明浙江地区近60年来(1954-2013)年均气温呈现出以0.115-0.259℃/10a显著的上升趋势,降水年际波动较大,无明显变化趋势；温度突变点主要发生在1990～2005年之间,降雨未发生明显的突变点。(2)为了考虑不同模式预测的不确定性,本研究采用3种全球气候模式(GCMs (HadCM3,CSIR-Mk2和CGCM2) A2和B2两种温室气体排放情景,通过用统计降尺度模型SDSM模拟预测了浙江省6个典型站点未来时期(2015～2099年)的温度和降水序列值,分析了21世纪中期和末期气温和降水变化规律和时空分布,为基于气候变化的流域水文过程评价提供比较可靠科学的基础数据。温度模拟结果和实测值拟合的相当好,模拟期内站点日平均气温平均确定性系数达到了0.90以上,相对而言,降水的整体模拟效果稍差,其平均确定性系数约为0.76。本世纪中期A2和B2情景下,平均气温将分别升高1.0～1.8℃和0.4～0.9℃,末期分别为3.0～4.2℃和1.4～2.4℃。(3)基于研究区气候变化的模拟结果,采用多时间尺度SPEI干旱指数分析了浙江近60年(1953～2014)干旱和洪涝的变化情况,并预测分析气候变化对未来时期(2015～2099年)旱涝频率发生的影响,研究干旱洪涝变化的年际与年内分布和趋势变化,揭示其发生演变规律,为制定合理的防汛抗旱政策提供科学依据。结果表明未来时期干旱有加重趋势,尤其是特旱；洪涝则稍有缓解趋势。浙江地区未来时期干旱频率由东向西呈升高趋势,而洪涝时空演变特征则与干旱相反。(4)选取浙江长乐江流域作为典型流域,收集和分析该流域的基础资料,包括流域DEM、土地利用、土壤、水文气象等资料,建立了SWAT水文模型数据库,利用流域的温度、降水、径流和水质资料,模拟了流域年、月各水文循环过程及水环境变化情况。结果表明：径流、含沙量和TN及TP模拟的月Ens≥0.5,R2≥0.6,同时,相对误差均在20%以内,结果令人满意,模型的拟合精度较好。说明SWAT模型可用于模拟长乐江流域的年、月各水文循环过程及水质演变情况。(5)最后用上述模拟的未来时期不同情景下的降尺度降水和温度数据驱动已经校验好的SWAT模型数据库,来研究未来时期不同气候变化情景对长乐江流域内水文水循环(地表径流、土壤湿度、地下水补给量、潜在蒸散发和实际蒸散发)过程以及水质水环境(TN和TP浓度及其负荷)的变化情况,为减少未来气候变化对河流水文水环境的不利影响制定出适应性减缓政策提供一定的参考依据。分析结果表明未来时期由于温度的增加引起蒸散发的增加,进而导致径流、地下水补给量出现不同程度的降低；TN浓度都较基准期高,而TP浓度则基本上无明显升高或减少趋势,而TN和TP负荷亦没出现显著的变化趋势。
【关键词】：气候变化 大气环流模式(GCMs) 统计降尺度模型(SDSM) 标准化降水蒸散指数(SPEI) 干旱洪涝 SWAT模型 水文循环 河流水环境
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P467;P333
【目录】：

• 致谢7-8
• 中文摘要8-11
• Abstract11-21
• 第一章 绪论21-45
• 1.1 选题背景和研究意义21-24
• 1.1.1 选题背景21-22
• 1.1.2 研究意义22-24
• 1.2 气候变化及其对水文循环的影响24-26
• 1.3 国内外研究进展26-39
• 1.3.1 气候变化对水文水资源影响评价模型研究进展27-34
• 1.3.2 气候变化对水循环影响的研究进展34-37
• 1.3.3 气候变化对水环境影响的研究进展37-38
• 1.3.4 气候变化对流域极端水文事件的研究进展38-39
• 1.4 研究存在问题及发展趋势39-40
• 1.5 研究内容和技术路线40-45
• 1.5.1 研究内容40-42
• 1.5.2 技术路线42-45
• 第二章 研究区域及典型流域概况45-56
• 2.1 浙江自然与经济概况45-51
• 2.1.1 自然地理概况45-46
• 2.1.2 地质地貌46-47
• 2.1.3 气象气候47-48
• 2.1.4 土壤和土地利用48
• 2.1.5 水文水系48-49
• 2.1.6 植被覆盖49-50
• 2.1.7 社会经济状况50
• 2.1.8 浙江自然灾害概况50-51
• 2.2 长乐江流域自然与经济概况51-56
• 2.2.1 自然地理状况52
• 2.2.2 地质地貌52
• 2.2.3 气象气候52-53
• 2.2.4 土壤和土地利用类型53-54
• 2.2.5 水文水系54
• 2.2.6 植被覆盖54-55
• 2.2.7 社会经济状况55-56
• 第三章 浙江省水文气象要素变化特征的识别56-101
• 3.1 气象水文要素变化特征识别方法56-64
• 3.1.1 序列趋势识别方法56-59
• 3.1.2 序列突变点识别方法59-61
• 3.1.3 序列周期性识别方法61-64
• 3.2 数据资料的收集64-65
• 3.2.1 站点的选取64
• 3.2.2 数据资料的获取64-65
• 3.3 水文气象要素变化特征分析结果65-99
• 3.3.1 气温序列趋势及突变识别结果65-82
• 3.3.1.1 气温变化趋势分析65-75
• 3.3.1.2 气温序列突变点检验75-82
• 3.3.2 降水序列趋势及突变识别结果82-90
• 3.3.2.1 降水变化趋势分析82-88
• 3.3.2.2 降水序列突变点检验88-90
• 3.3.3 水文气象要素周期性识别结果90-99
• 3.3.3.1 气温序列周期性分析90-97
• 3.3.3.2 降水序列周期性分析97-99
• 3.4 本章小结99-101
• 第四章 基于GCMs未来气候变化情景的生成101-123
• 4.1 未来气候变化预测方法101-106
• 4.1.1 未来温室气体排放情景102-103
• 4.1.2 大气环流模式的选择及其降尺度方法103-106
• 4.2 基于SDSM的降尺度研究106-108
• 4.2.1 统计降尺度模型原理106
• 4.2.2 数据处理方法106-107
• 4.2.3 SDSM预报因子的选择107-108
• 4.3 模型的验证与率定108-111
• 4.3.1 SDSM模型的检验108-110
• 4.3.2 SDSM模型的验证110-111
• 4.4 未来气候情境下温度和降水的变化111-114
• 4.4.1 气温变化趋势分析111-113
• 4.4.2 降雨变化趋势分析113-114
• 4.5 未来气候情境下温度和降水空间分布变化分析114-121
• 4.5.1 未来气候情境下温度空间分布变化分析115-118
• 4.5.2 未来气候情境下降水空间分布变化分析118-121
• 4.6 本章小结121-123
• 第五章 气候变化对流域旱涝的影响分析123-167
• 5.1 干旱和洪涝的定义123-131
• 5.1.1 干旱的定义123-127
• 5.1.2 洪涝的定义127-128
• 5.1.3 干旱和洪涝指标的定义128-131
• 5.2 常用的旱涝指标原理及等级划分131-142
• 5.2.1 Z指数132-133
• 5.2.2 Palmer干旱指数133-137
• 5.2.3 SPI干旱指数137-139
• 5.2.4 SPEI干旱指数139-142
• 5.3 历史时期(1953～2013)旱涝特征分析142-152
• 5.3.1 两种干旱指数比较分析142-147
• 5.3.2 SPEI多时间尺度应用特性147-152
• 5.4 未来气候变化旱涝预测结果分析152-166
• 5.4.1 旱涝频率比较分析152-162
• 5.4.1.1 月季旱涝变化次数及频率分析152-157
• 5.4.1.2 各季节干旱预测157-160
• 5.4.1.3 年尺度干旱变化预测分析160-162
• 5.4.2 干旱和洪涝空间趋势分析162-166
• 5.4.2.1 干旱频率空间分布图162-164
• 5.4.2.2 洪涝频率空间分布图164-166
• 5.5 本章小结166-167
• 第六章 典型流域SWAT模型数据库构建、参数率定和模型验证167-191
• 6.1 SWAT模型原理简介167-173
• 6.1.1 SWAT模型的水文循环原理168-173
• 6.1.1.1 地表径流168-170
• 6.1.1.2 地下径流170-172
• 6.1.1.3 蒸散发量172
• 6.1.1.4 壤中流172
• 6.1.1.5 水面汇流模拟172-173
• 6.1.2 SWAT气象模拟原理173
• 6.2 SWAT模型的运行结构173-174
• 6.3 SWAT数据库的构建174-180
• 6.3.1 图形数据资料收集与处理174-176
• 6.3.2 数据资料的建立176-177
• 6.3.3 非点源污染源数据库建立177-180
• 6.4 研究区域子流域和HRU的划分180-181
• 6.5 SWAT模型参数敏感性分析181-184
• 6.5.1 参数敏感性分析方法181-182
• 6.5.2 参数敏感性分析结果182-184
• 6.6 SWAT模型的率定与验证184-190
• 6.6.1 适用性评价方法184-185
• 6.6.2 径流的率定与验证185-186
• 6.6.3 泥沙的率定与验证186-187
• 6.6.4 养分的率定与验证187-190
• 6.7 本章小结190-191
• 第七章 气候变化对长乐江流域水文循环过程的影响191-212
• 7.1 材料与方法191
• 7.2 气候变化对降雨量的影响191-195
• 7.2.1 降雨年际分布趋势192-193
• 7.2.2 降雨年内分布趋势193-195
• 7.3 气候变化对蒸腾蒸发的影响195-200
• 7.3.1 蒸腾蒸发年际分布趋势196-198
• 7.3.2 蒸腾蒸发年内分布趋势198-200
• 7.4 气候变化对地表径流的影响分析200-203
• 7.4.1 地表径流年际分布趋势200-202
• 7.4.2 地表径流年内分布趋势202-203
• 7.5 气候变化对地下水的影响分析203-207
• 7.5.1 地下水年际分布趋势204-205
• 7.5.2 地下水年内分布趋势205-207
• 7.6 气候变化对土壤水分的影响分析207-210
• 7.6.1 土壤湿度年际分布趋势207-209
• 7.6.2 土壤湿度年内分布趋势209-210
• 7.7 本章小结210-212
• 第八章 气候变化对长乐江流域水质的影响212-224
• 8.1 长乐江水质现状与评价212-220
• 8.1.1 水质监测与分析212-213
• 8.1.2 水质评价方法213-214
• 8.1.3 贝叶斯水质评价原理214-216
• 8.1.6 长乐江水质评价结果分析216-220
• 8.2 未来气候情景下河流水质变化分析220-222
• 8.2.1 未来气候变化对河流氮磷浓度的影响220-221
• 8.2.2 未来气候变化对河流氮磷负荷的影响221-222
• 8.3 本章小结222-224
• 第九章 结语224-230
• 9.1 主要结果与结论224-228
• 9.2 主要创新点和特色228
• 9.3 不足与展望228-230
• 参考文献230-246
• 攻读博士学位期间的主要成果246-247
• 研究生期间获奖情况

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