寒区水循环模拟研究及其在松花江流域的应用

摘要

全球寒区约占陆地面积的25%，我国寒区面积约占全国面积的43.5%，主要分布在中低纬度的青藏高原、西北高山和东北的大小兴安岭以及松花江流域，其中30%存在着永久性冻土，70%存在着季节性冻土。冻土的生成直接改变了土壤的导水传热、储水、入渗和蒸发能力，进而影响着陆地水循环过程。随着全球气候变暖，冰川消融、冻土退化等现象的发生影响着寒区的产流过程和产流量，这些改变给寒区水资源管理提出了严峻的考验。随着计算机技术的发展，水文模型模拟已成为研究流域水循环过程的重要手段。现有的分布式水文模型一般对于土壤层的水热耦合机制描述较为简化，在寒区加以应用时，模拟精度通常难以符合要求，且缺少大尺度的冻土分布变化描述。因此，应对寒区冻土的水文效应进行深入研究，在此基础上建立具有寒区特色的大尺度流域分布式水文模型，以支撑寒区水资源研究与水资源高效利用。 东北地区是我国的粮食主产区和重工业基地，随着国家新一轮东北振兴规划的实施，对区域水资源的保障提出了更高的要求。本文以东北松花江流域为背景，研究寒区水循环模拟技术及其在松花江流域的应用，并用自主构建的寒区水文模型预测2020~2050年气候变化条件下流域冻土和水资源演变规律，对于保障国家粮食安全和供水安全具有重要的实践意义。本文主要研究内容和成果如下： （1）根据松花江流域的历史实测资料，插值分析流域年最大冻土深度、降水、气温以及佳木斯站天然径流量的演变规律。结果表明：①松花江流域年均气温由南向北逐渐降低，年均降水自西向东逐渐增加。②松花江流域年最大冻土深度总体由南向北逐渐增加。1960~2004 年全流域的多年平均最大冻土深度为174cm，年际变化率为-8.25cm/10a，北部区域比南部区域对气候变化的响应滞后；最大冻土深度在1985年发生突变，突变后的多年平均值减少35cm。流域气温每升高1℃，平均最大冻土深度约减小15cm。③佳木斯站1956~2000年的多年平均天然径流量为669.42亿m3，整体上呈不显著减少趋势。 （2）本文设计了室内和室外实验以观测不同冻融时长下的土壤水热迁移变化，构建了具有物理机制的冻土多层水热耦合模型。研究结果表明：①实验土柱表层土壤的水分先进行蒸发后发生相变。在土壤冻结过程中，土壤水分由未冻结土壤向冻结土壤方向迁移，在土壤融化过程中，土壤水分在冻结带上方发生水分积聚。②示踪盐离子随水分迁移，盐离子在土壤冻结时出现析出现象。③本文构建的冻土多层水热耦合模型，能较好的模拟土壤冻融过程和不同深度的温湿度变化。模型模拟的土壤温度、液态含水率、总含水率和土壤冻结深度的平均根方差分别为 1.21℃、0.035cm3/cm3、0.034cm3/cm3和 17.6cm，土壤温度模拟的平均Nash–Sutcliffe系数为0.92。 （3）本文将多层冻土模块与分布式水文模型WEP-L紧密耦合，构建了寒区水文模型 WEP-COR，用于模拟寒区大尺度流域的土壤水热迁移和水循环过程。通过与松花江流域站点实测结果对比可知，模型能够较好的模拟流域土壤日冻融过程，月径流模拟结果的相对误差在10%以内，Nash–Sutcliffe系数在0.75以上，土壤融化期的日径流模拟结果与改进前相比相对误差减小了 35.04%，冻土模块的加入提高了模型在寒区的适用性。WEP-COR模型可用来研究气候变化条件下土壤冻结深度以及径流量的变化规律。 （4）应用WEP-COR模型模拟结果定量分析1956~2010年松花江流域冻土分布变化及气候变化对冻土和径流的驱动作用。结果表明：①松花江流域年最大冻土深度呈减少趋势。150cm 最大冻土深度等值线位置总体往西北摆动，以0.168°/10a的速率向西迁移，以0.156°/10a的速率向北迁移。造成最大冻土深度变化的主要气温因子为冻结时段的日气温积温。②土壤冻融时长自南向北增加，180 天冻融时长等值线同样整体上向西北摆动，向西迁移速率为 0.157°/10a，向北迁移速率为0.236°/10a。造成冻融时长变化的主要气温因子为负积温。③松花江流域年均径流量主要受降水影响有减小趋势；冻结期径流主要受气温影响有增加趋势；融化期径流受冻结期和融化期的降水共同影响有增加趋势。降水的变化趋势和径流量一致。④松花江流域的水资源量整体上有减小的趋势，地下水资源量占总水资源比例呈下降趋势。 （5）根据区域气候模式RegCM3.0预测的2020~2050年的气温降水条件，应用 WEP-COR 模型对松花江流域的冻土径流进行模拟预测。结果表明：①2020~2050年松花江流域的年均气温为4.26℃，年均降水为529.79mm，变化率分别为 0.45℃/10a 和-14.46mm/10a。②2020~2050 年流域年均最大冻土深度为147cm，变化率为-3.718cm/10a；年冻融时间为163 天，变化率为-5.73天/10a。最大冻土深度等值线和年冻融时间等值线整体继续向西北迁移。③松花江流域径流量在全年、融化期、非冻融期径流呈减少趋势，在冻结期呈增加趋势。降水和径流量的变化趋势在冻融期有所不同。④2020~2050年水资源量有所减少，地表、地下和总水资源量的变化率分别为-11.428亿m3/10a、-2.015亿m3/10a 和-13.147亿m3/10a。地下水资源量占总水资源比例在冻结期高于其他时期，占比在全年、冻结期和非冻融期呈增加趋势，而在融化期呈减少趋势。

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