變化環(huán)境下長江上游水文循環(huán)多維響應(yīng)及預(yù)估研究.pdf

1、氣候變化和人類活動影響著流域水文循環(huán)過程和水資源演變，其水文效應(yīng)已成為全球變化研究領(lǐng)域的焦點問題。水循環(huán)系統(tǒng)是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，氣候變化對水循環(huán)要素的影響必然引起流域水資源的時空變化。同時，人類活動對流域水循環(huán)的影響也日益顯著，主要表現(xiàn)為土地利用/覆被變化、修建大型水利工程等引起的流域下墊面條件改變，進而影響流域內(nèi)的產(chǎn)匯流機制。我國長江流域地形復(fù)雜，季風(fēng)氣候典型，年降水量和暴雨的時空分布極不均勻，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害頻發(fā)，給水資源有效利用

2、帶來新的問題。長江起源于青藏高原，貫穿中國大陸匯入東海，全長6300余公里，是歐亞大陸上最長的河流。長江是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要區(qū)域，而長江上游又是水資源重點開發(fā)利用的河段。科學(xué)評估變化環(huán)境下長江上游流域水循環(huán)多維響應(yīng)并進行未來趨勢預(yù)測對我國防澇減旱、實現(xiàn)水資源的合理配置和可持續(xù)利用具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文圍繞變化環(huán)境下流域水資源演變及高效利用中面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，以長江上游為研究對象，以水文學(xué)、氣象學(xué)、水資源學(xué)等理論為基礎(chǔ)，采

3、用流域水文分析、水文預(yù)報和全球氣候預(yù)估模式等先進的理論方法與技術(shù)手段，科學(xué)評估環(huán)境變化對流域水循環(huán)影響并對其未來趨勢進行預(yù)測。研究工作對我國防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果包括：
　?。?）為克服單一水文趨勢分析方法的計算結(jié)果隨著統(tǒng)計檢驗方法與置信水平不同而存在差異的缺點。利用多種水文分析方法，基于長期水文氣象觀測資料，研究長江上游嘉陵江流域水循環(huán)要素時空

4、演變規(guī)律。采用Mann-Kendall趨勢分析法、Mann-Kendall突變點檢測法、累積雙曲線法和小波多時間尺度分析方法分析了嘉陵江流域近幾十年來水文氣象要素的演化趨勢、突變點及周期變化規(guī)律，利用R/S分析方法對未來氣候變化進行預(yù)測。研究工作分析了水循環(huán)要素的階段性和趨勢性特征，揭示了變化環(huán)境下嘉陵江流域水循環(huán)多維要素變化規(guī)律和變化趨勢。
　?。?）全面分析了長江上游嘉陵江流域氣候干旱與水文干旱多時間尺度的時空變化規(guī)律與相互關(guān)

5、系。選取標(biāo)準(zhǔn)降雨蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）和徑流干旱指數(shù)（SDI）結(jié)合Mann-Kendall趨勢分析法評估了3，6，9和12個月的多時間尺度下的嘉陵江子流域及全流域1961-2010年氣候干旱與水文干旱的時空演變規(guī)律。綜合多時間尺度的SPEI和SDI干旱指數(shù)結(jié)果利用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析了流域氣候干旱與水文干旱的相互關(guān)系。研究工作探明了嘉陵江流域氣候干旱與水文干旱的時空變化規(guī)律和相互關(guān)系，研究成果可用于針對水文干旱事件的早期預(yù)警。

6、r>　?。?）提出一種考慮氣候變化及人類活動影響的VIC-BGSA-WNN產(chǎn)匯流耦合模型，該模型利用分布式可變下滲容量（VIC）模型模擬氣候變化環(huán)境下流域內(nèi)子流域徑流過程，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（WNN）模擬受人類活動影響的子流域出流到流域總出口的匯流過程，引入二進制引力搜索算法（BGSA）搜索獲得WNN匯流模型最優(yōu)隱含層節(jié)點數(shù)及最優(yōu)小波輸入序列?；谠撃Ｐ湍M了金沙江流域子流域及全流域徑流過程并與傳統(tǒng)的VIC模型、VIC&ANN模型、V

7、IC&WNN模型進行比較，結(jié)果表明，提出的耦合模型模擬性能更優(yōu)，能更好的模擬變化環(huán)境下的流域產(chǎn)匯流過程。
　?。?）提出了一種改進的分布式新安江模型，基于模擬結(jié)果分析了流域降雨、氣溫、蒸發(fā)、土壤含水及植被覆蓋等水循環(huán)多維要素時空分布規(guī)律和相互作用。該模型以具有物理機制的雙源蒸散發(fā)模型模擬流域不同空間特性下的截留、蒸騰與土壤蒸發(fā)過程，采用SCS-CN模型計算不同土地利用、土壤類型下的土壤自由水容量與張力水容量值，進一步利用先驗參數(shù)與

8、智能優(yōu)化算法共同確定模型參數(shù)最優(yōu)值，減少了模型的同參異構(gòu)問題且明確了參數(shù)的物理意義，同時，在產(chǎn)流計算中考慮蓄滿-超滲兩種產(chǎn)流機制，提高了洪峰模擬能力并擴大了模型區(qū)域適用性，在匯流階段采用具有物理機制的非線性馬斯京根匯流模型可更好的反映網(wǎng)格物理特性。該模型應(yīng)用于長江上游金沙江流域，并同傳統(tǒng)的分布式新安江模型進行對比，結(jié)果顯示，該模型在半干旱半濕潤地區(qū)模擬結(jié)果較好，濕潤地區(qū)峰值模擬能力也有所提高。
　?。?）搭建了嘉陵江流域分布式VI

9、C模型，基于該模型評估了21世紀(jì)三種全球氣候模型（GCM）不同排放情景下的水循環(huán)多維響應(yīng)。通過流域氣象、數(shù)字高程模型（DEM）、土壤、覆被等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模型參數(shù)率定和模型驗證。模擬結(jié)果表明，分布式VIC模型在嘉陵江流域具有較好的適應(yīng)性。選取三個GCM模型，利用統(tǒng)計降尺度模型（SDSM）獲取流域RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下2010-2099年的氣象序列。將降尺度后的未來各情景氣象序列輸入建立的分布式VIC模型，模擬分