变化环境下长江上游水文循环多维响应及预估研究

摘要

气候变化和人类活动影响着流域水文循环过程和水资源演变，其水文效应已成为全球变化研究领域的焦点问题。水循环系统是气候系统的重要组成部分，气候变化对水循环要素的影响必然引起流域水资源的时空变化。同时，人类活动对流域水循环的影响也日益显著，主要表现为土地利用/覆被变化、修建大型水利工程等引起的流域下垫面条件改变，进而影响流域内的产汇流机制。我国长江流域地形复杂，季风气候典型，年降水量和暴雨的时空分布极不均匀，导致旱涝灾害频发，给水资源有效利用带来新的问题。长江起源于青藏高原，贯穿中国大陆汇入东海，全长6300余公里，是欧亚大陆上最长的河流。长江是我国经济发展的重要区域，而长江上游又是水资源重点开发利用的河段。科学评估变化环境下长江上游流域水循环多维响应并进行未来趋势预测对我国防涝减旱、实现水资源的合理配置和可持续利用具有重要的指导意义。
　　本文围绕变化环境下流域水资源演变及高效利用中面临的关键科学问题，以长江上游为研究对象，以水文学、气象学、水资源学等理论为基础，采用流域水文分析、水文预报和全球气候预估模式等先进的理论方法与技术手段，科学评估环境变化对流域水循环影响并对其未来趋势进行预测。研究工作对我国防灾减灾、生态文明建设以及经济社会可持续发展具有重要的理论意义和工程应用价值。本文的主要研究内容和创新性成果包括：
　　（1）为克服单一水文趋势分析方法的计算结果随着统计检验方法与置信水平不同而存在差异的缺点。利用多种水文分析方法，基于长期水文气象观测资料，研究长江上游嘉陵江流域水循环要素时空演变规律。采用Mann-Kendall趋势分析法、Mann-Kendall突变点检测法、累积双曲线法和小波多时间尺度分析方法分析了嘉陵江流域近几十年来水文气象要素的演化趋势、突变点及周期变化规律，利用R/S分析方法对未来气候变化进行预测。研究工作分析了水循环要素的阶段性和趋势性特征，揭示了变化环境下嘉陵江流域水循环多维要素变化规律和变化趋势。
　　（2）全面分析了长江上游嘉陵江流域气候干旱与水文干旱多时间尺度的时空变化规律与相互关系。选取标准降雨蒸发指数（SPEI）和径流干旱指数（SDI）结合Mann-Kendall趋势分析法评估了3，6，9和12个月的多时间尺度下的嘉陵江子流域及全流域1961-2010年气候干旱与水文干旱的时空演变规律。综合多时间尺度的SPEI和SDI干旱指数结果利用Pearson相关系数法分析了流域气候干旱与水文干旱的相互关系。研究工作探明了嘉陵江流域气候干旱与水文干旱的时空变化规律和相互关系，研究成果可用于针对水文干旱事件的早期预警。
　　（3）提出一种考虑气候变化及人类活动影响的VIC-BGSA-WNN产汇流耦合模型，该模型利用分布式可变下渗容量（VIC）模型模拟气候变化环境下流域内子流域径流过程，采用小波神经网络模型（WNN）模拟受人类活动影响的子流域出流到流域总出口的汇流过程，引入二进制引力搜索算法（BGSA）搜索获得WNN汇流模型最优隐含层节点数及最优小波输入序列。基于该模型模拟了金沙江流域子流域及全流域径流过程并与传统的VIC模型、VIC&ANN模型、VIC&WNN模型进行比较，结果表明，提出的耦合模型模拟性能更优，能更好的模拟变化环境下的流域产汇流过程。
　　（4）提出了一种改进的分布式新安江模型，基于模拟结果分析了流域降雨、气温、蒸发、土壤含水及植被覆盖等水循环多维要素时空分布规律和相互作用。该模型以具有物理机制的双源蒸散发模型模拟流域不同空间特性下的截留、蒸腾与土壤蒸发过程，采用SCS-CN模型计算不同土地利用、土壤类型下的土壤自由水容量与张力水容量值，进一步利用先验参数与智能优化算法共同确定模型参数最优值，减少了模型的同参异构问题且明确了参数的物理意义，同时，在产流计算中考虑蓄满-超渗两种产流机制，提高了洪峰模拟能力并扩大了模型区域适用性，在汇流阶段采用具有物理机制的非线性马斯京根汇流模型可更好的反映网格物理特性。该模型应用于长江上游金沙江流域，并同传统的分布式新安江模型进行对比，结果显示，该模型在半干旱半湿润地区模拟结果较好，湿润地区峰值模拟能力也有所提高。
　　（5）搭建了嘉陵江流域分布式VIC模型，基于该模型评估了21世纪三种全球气候模型（GCM）不同排放情景下的水循环多维响应。通过流域气象、数字高程模型（DEM）、土壤、覆被等数据，实现了模型参数率定和模型验证。模拟结果表明，分布式VIC模型在嘉陵江流域具有较好的适应性。选取三个GCM模型，利用统计降尺度模型（SDSM）获取流域RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种情景下2010-2099年的气象序列。将降尺度后的未来各情景气象序列输入建立的分布式VIC模型，模拟分析变化环境下嘉陵江流域水循环要素多维响应。分析结果指出，气温变化（最高气温和最低气温）未来将持续增加尤其以夏季和冬季增加显著，RCP8.5情景下气温增速最快。未来径流量与降雨量改变较为一致，相对更为复杂，总体出现先减少后增加的趋势。未来气候模式下每年4月的径流将较为稳定，而1-2月和7-8月径流可能存在较大的波动，水文灾害现象（干旱或洪涝）有增加趋势。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 选题背景与研究目标

1.3 变化环境对流域水文水资源影响研究现状

1.4 论文主要内容与章节安排

2 嘉陵江流域水文气象时空演变特性分析

2.1 引言

2.2 数据与研究方法

2.3 实例研究

2.4 本章小结

3 变化环境下嘉陵江流域干旱演变SPEI和SDI评估

3.1 引言

3.2 干旱指数

3.3 研究区域与数据处理

3.4 SPEI与SDI评估及结果分析

3.5 本章小结

4 考虑气候变化及人类活动影响的VIC-BGSA-WNN模型及应用

4.1 引言

4.1 VIC模型原理

4.2 人工神经网络模型

4.3 小波分解

4.4 二进制引力搜索算法

4.5 基于BGSA的WNN与VIC的耦合模型

4.6 研究区域与模型数据准备

4.7 模拟结果

4.8 本章小结

5 基于改进的分布式新安江模型的水循环要素多维响应研究

5.1 引言

5.2 双源蒸散发模型

5.3 SCS-CN模型计算蓄水容量

5.4 超渗蓄满产流模型

5.5 先验参数取值方法

5.6 非线性马斯京根汇流方法

5.7 改进的分布式新安江模型

5.8 应用研究

5.9 本章小结

6 基于VIC模型的嘉陵江流域气候改变对水文循环的影响分析

6.1 引言

6.2 气候变化情景及模式选择

6.3 SDSM降尺度方法

6.4 基于VIC模型的未来情景预测

6.4 研究区域与模型数据准备

6.5 VIC模拟

6.6 SDSM产生的RCP情景

6.7 RCPs情景下的出流分析

6.8 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1: 攻读博士期间发表的论文

附录2: 攻读博士期间奖励与授权研究成果