水资源系统耦合理论及其在泾河水文水资源研究中的应用

摘要

流域水资源系统是天然系统和人工系统的耦合系统。气候变化和人类活动可直接对水资源产生影响。除此之外，人类活动还改变着流域下挚面条件，改变着天然状态下的径流形成机制。因此，研究气候变化和人类活动在水资源系统中的作用和影响、开展流域水资源的评价利用具有重要意义。 本论文分理论与应用研究两大部分。 在理论研究中，论文系统阐述了水资源系统耦合的理论基础，建立了水资源耦合系统模型，提出模型弹性系数的分形计算公式，为开展流域的人类活动影响研究提供简便有效的工具； 引入地统计学方法，研究了流域水文要素的空间自相关性，通过对比选用了克里格空间插值方法； 根据高含沙河流径流和水资源利用特点，提出的汛期弃水系数计算的分级统计法，可以有效便捷地确定不同沙限的河道水资源可利用量，从而为河流水资源的可持续开发利用研究提出了一种新的理论方法。 在应用部分，针对泾河流域的水文要素演变、气候变化的影响、人类活动的影响等特点，用文中提出的理论、模型、方法进行了深入研究，取得一些创新性成果。 论文的主要研究成果如下： (1)泾河流域降水具有强烈的空间自相关性，流域年降水由南向北递减，呈现出较显著的减少趋势；泾河流域年降水量年际变化幅度大，流域年降雨量Cv值由流域的北部、西部向南部、东部递减；泾河流域年蒸发量在空间的分布规律是从北向南依次递减，年际变化较明显，测站年蒸发量的Cv值小于年降水量的Cv值，蒸发量的年际变化小于降水量的年际变化；流域南部年平均气温较高，而流域北部气温较低，泾河流域年均气温从1984年以来有较为明显的增加，流域平均增温0.71℃。 (2)泾河流域张家山站天然年径流量呈现出显著的递减趋势，这与流域年降水呈现出递减趋势有关，流域降水量的减少幅度占到了张家山站天然年径流量减少幅度的一半左右，泾河流域降雨量的变化是天然径流变化的最主要原因。 (3)运用逐步回归法，以1956-2004年的年降水和年天然径流资料为基础研究杨家坪以上流域、雨落坪以上流域和杨家坪-雨落坪-张家山区间年降水量对张家山站年天然径流量的影响，发现杨家坪以上流域年降水量每变化10mm，即532.5mm±lOmm，张家山年天然径流量将变化0.11亿m3，即19.8亿m3±0.11亿m3；雨落坪以上流域年降水量每变化10mm，即513.5mm±10mm，张家山年天然径流量将变化0.24亿m3，即19.8亿m3±0.24亿m3；杨家坪-雨落坪-张家山区间年降水量每变化10mm，即591.8mm±10mm，张家山年天然径流量将变化0.10亿m3，即19.8亿m3±0.101亿m3。 (4)基于系统理论和水资源系统耦合关系，建立了水资源耦合系统模型，实现了天然水文过程和人工系统中的人类活动影响的耦合，提出分形法来计算水资源耦合系统中的输入对输出的弹性系数和系统内部状态对输出的弹性系数，从而方便于对人类活动影响的研究。 (5)基于本研究提出的水资源耦合系统模型研究了人类活动对径流的影响，并与其它研究者使用其它方法的研究成果进行了比较，结果表明，应用本研究提出的水资源耦合模型来研究人类活动对径流的影响时，所需资料较少且更容易获得，计算过程较为简单且计算结果有较好的合理性和可靠性，从而为研究分析人类活动对径流的影响提供一种简便有效的工具。 (6)如果把人类活动对径流的影响量与天然径流量的比值来表征人类活动对径流的影响强度，则人类活动对径流的影响强度在20世纪70年代以前相对较小，其平均影响强度仅为0.071，70年代为0.104，80年代为0.132，90年代为0.168，2000-2003年为0.270，人类活动对径流的影响强度呈现增强的趋势，20世纪70年代以前流域的人类活动对径流的影响强度较小，流域状态可以认为是天然状态，20世纪70年代以后人类活动影响强度逐渐增强。 (7)河道水资源可利用量决定于河道内最小生态需水量和汛期难控制利用的洪水量或汛期弃水量的大小。根据泾河流域径流特点提出分级统计法来确定河道水资源可利用量，并与传统方法进行比较，结果表明分级统计法的计算成果更为合理。基于分级统计法计算成果，当河道水资源利用的沙限为10％时，泾河河道水资源可利用量的多年平均值(1981-2001年)为9.87亿m3，泾惠渠灌区渠首工程可引水量的多平均值为8.66亿m3，泾惠渠灌区渠首工程实际引水量的多年平均值为3.56亿m3，泾惠渠灌区渠首工程可引水量潜力的多年平均值为5.09亿m3，渠首工程可引水量占天然来水量的44.92％，泾惠渠灌区渠首工程可引水量潜力占天然来水量的26.40％，占渠首工程可引水量的58.78％。 (8)随着引水沙限的提高，泾惠渠灌区渠首可引水量和可引水量潜力也随之增加，例如当河道水资源利用沙限为12％、14％、16％、18％、20％时，渠首工程可引水量的多年平均值(1981-2001年)分别为8.78亿m3、8.87亿m3、8.94亿m3、8.99亿m3、9.07亿m3，分别较10％沙限时增多0.12亿m3、0.21亿m3、0.28亿m3、0.33亿m3、0.41亿m3，增加幅度较大；当河道水资源利用沙限为12％、14％、16％、18％、20％时，渠首工程可引水量潜力的多年平均值分别5.21亿m3、5.31亿m3、5.37亿m3、5.43亿m3、5.51亿m3，分别较10％沙限时增多0.12亿m3、0.21亿m3、0.28亿m3、0.33亿m3、0.41亿m3，增加幅度较大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一编 水资源系统耦合理论与水文水资源分析方法研究

第一章综述

1.1研究背景

1.2研究的目的意义

1.3国内外研究进展

1.4研究内容和技术路线

第二章水资源系统耦合建模与求解以及水文要素特征分析方法

2.1系统和水资源耦合系统

2.2水资源系统耦合建模

2.3水资源耦合系统模型的具体形式

2.4弹性系数的分形意义及其求解

2.5水文要素的特征分析方法

第三章水资源可利用量研究方法

3.1水资源可利用量的概念和特征

3.2河道水资源可利用量的计算原则

3.3河道水资源可利用量的计算

第二编水资源系统耦合理论与水文水资源分析方法在泾河的应用研究

第四章泾河流域自然社会概况

4.1地貌

4.2气候与水文特征

4.3泥沙

4.4土地利用类型

4.5社会经济状况

4.6水资源开发利用状况

4.7主要生态环境问题

第五章泾河流域水文要素特征分析研究

5.1降水

5.2蒸发

5.3气温

5.4径流

5.5本章小结

第六章人类活动对泾河径流影响研究

6.1泾河流域农业灌溉、工业和生活耗水分析

6.2人类活动对径流影响的计算过程与结果

6.3人类活动对径流影响的成果比较和分析

6.4人类活动对径流的影响分析

6.5本章小结

第七章泾河河道水资源可利用量研究

7.1非汛期河道最小生态需水量的计算

7.2泾河汛期弃水系数的计算

7.3泾河汛期弃水量的计算

7.4河道水资源可利用量计算结果

7.5水资源可利用量不同方法成果比较

7.6不同频率和沙限下的泾河河道水资源可利用量

7.7泾惠渠灌区渠首工程可引水量分析

7.8本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢