水資源系統(tǒng)耦合理論及其在涇河水文水資源研究中的應(yīng)用.pdf

1、流域水資源系統(tǒng)是天然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)。氣候變化和人類活動可直接對水資源產(chǎn)生影響。除此之外，人類活動還改變著流域下?lián)疵鏃l件，改變著天然狀態(tài)下的徑流形成機(jī)制。因此，研究氣候變化和人類活動在水資源系統(tǒng)中的作用和影響、開展流域水資源的評價利用具有重要意義。 本論文分理論與應(yīng)用研究兩大部分。 在理論研究中，論文系統(tǒng)闡述了水資源系統(tǒng)耦合的理論基礎(chǔ)，建立了水資源耦合系統(tǒng)模型，提出模型彈性系數(shù)的分形計(jì)算公式，為開展流域的人類活動

2、影響研究提供簡便有效的工具； 引入地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究了流域水文要素的空間自相關(guān)性，通過對比選用了克里格空間插值方法； 根據(jù)高含沙河流徑流和水資源利用特點(diǎn)，提出的汛期棄水系數(shù)計(jì)算的分級統(tǒng)計(jì)法，可以有效便捷地確定不同沙限的河道水資源可利用量，從而為河流水資源的可持續(xù)開發(fā)利用研究提出了一種新的理論方法。 在應(yīng)用部分，針對涇河流域的水文要素演變、氣候變化的影響、人類活動的影響等特點(diǎn)，用文中提出的理論、模型、方法進(jìn)行了深入

3、研究，取得一些創(chuàng)新性成果。 論文的主要研究成果如下： (1)涇河流域降水具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，流域年降水由南向北遞減，呈現(xiàn)出較顯著的減少趨勢；涇河流域年降水量年際變化幅度大，流域年降雨量Cv值由流域的北部、西部向南部、東部遞減；涇河流域年蒸發(fā)量在空間的分布規(guī)律是從北向南依次遞減，年際變化較明顯，測站年蒸發(fā)量的Cv值小于年降水量的Cv值，蒸發(fā)量的年際變化小于降水量的年際變化；流域南部年平均氣溫較高，而流域北部氣溫較低，涇

4、河流域年均氣溫從1984年以來有較為明顯的增加，流域平均增溫0.71℃。 (2)涇河流域張家山站天然年徑流量呈現(xiàn)出顯著的遞減趨勢，這與流域年降水呈現(xiàn)出遞減趨勢有關(guān)，流域降水量的減少幅度占到了張家山站天然年徑流量減少幅度的一半左右，涇河流域降雨量的變化是天然徑流變化的最主要原因。 (3)運(yùn)用逐步回歸法，以1956-2004年的年降水和年天然徑流資料為基礎(chǔ)研究楊家坪以上流域、雨落坪以上流域和楊家坪-雨落坪-張家山區(qū)間年降水量

5、對張家山站年天然徑流量的影響，發(fā)現(xiàn)楊家坪以上流域年降水量每變化10mm，即532.5mm±lOmm，張家山年天然徑流量將變化0.11億m3，即19.8億m3±0.11億m3；雨落坪以上流域年降水量每變化10mm，即513.5mm±10mm，張家山年天然徑流量將變化0.24億m3，即19.8億m3±0.24億m3；楊家坪-雨落坪-張家山區(qū)間年降水量每變化10mm，即591.8mm±10mm，張家山年天然徑流量將變化0.10億m3，即19.

6、8億m3±0.101億m3。 (4)基于系統(tǒng)理論和水資源系統(tǒng)耦合關(guān)系，建立了水資源耦合系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了天然水文過程和人工系統(tǒng)中的人類活動影響的耦合，提出分形法來計(jì)算水資源耦合系統(tǒng)中的輸入對輸出的彈性系數(shù)和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)對輸出的彈性系數(shù)，從而方便于對人類活動影響的研究。 (5)基于本研究提出的水資源耦合系統(tǒng)模型研究了人類活動對徑流的影響，并與其它研究者使用其它方法的研究成果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，應(yīng)用本研究提出的水資源耦合模型

7、來研究人類活動對徑流的影響時，所需資料較少且更容易獲得，計(jì)算過程較為簡單且計(jì)算結(jié)果有較好的合理性和可靠性，從而為研究分析人類活動對徑流的影響提供一種簡便有效的工具。 (6)如果把人類活動對徑流的影響量與天然徑流量的比值來表征人類活動對徑流的影響強(qiáng)度，則人類活動對徑流的影響強(qiáng)度在20世紀(jì)70年代以前相對較小，其平均影響強(qiáng)度僅為0.071，70年代為0.104，80年代為0.132，90年代為0.168，2000-2003年為0.2

8、70，人類活動對徑流的影響強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，20世紀(jì)70年代以前流域的人類活動對徑流的影響強(qiáng)度較小，流域狀態(tài)可以認(rèn)為是天然狀態(tài)，20世紀(jì)70年代以后人類活動影響強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。 (7)河道水資源可利用量決定于河道內(nèi)最小生態(tài)需水量和汛期難控制利用的洪水量或汛期棄水量的大小。根據(jù)涇河流域徑流特點(diǎn)提出分級統(tǒng)計(jì)法來確定河道水資源可利用量，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明分級統(tǒng)計(jì)法的計(jì)算成果更為合理?；诜旨壗y(tǒng)計(jì)法計(jì)算成果，當(dāng)河道水資源利用

9、的沙限為10％時，涇河河道水資源可利用量的多年平均值(1981-2001年)為9.87億m3，涇惠渠灌區(qū)渠首工程可引水量的多平均值為8.66億m3，涇惠渠灌區(qū)渠首工程實(shí)際引水量的多年平均值為3.56億m3，涇惠渠灌區(qū)渠首工程可引水量潛力的多年平均值為5.09億m3，渠首工程可引水量占天然來水量的44.92％，涇惠渠灌區(qū)渠首工程可引水量潛力占天然來水量的26.40％，占渠首工程可引水量的58.78％。 (8)隨著引水沙限的提高，涇

10、惠渠灌區(qū)渠首可引水量和可引水量潛力也隨之增加，例如當(dāng)河道水資源利用沙限為12％、14％、16％、18％、20％時，渠首工程可引水量的多年平均值(1981-2001年)分別為8.78億m3、8.87億m3、8.94億m3、8.99億m3、9.07億m3，分別較10％沙限時增多0.12億m3、0.21億m3、0.28億m3、0.33億m3、0.41億m3，增加幅度較大；當(dāng)河道水資源利用沙限為12％、14％、16％、18％、20％時，渠首工程