气候变化对黑河流域水资源系统的影响及综合应对

摘要

气候变化深刻影响着水资源系统的供水和需水过程，进一步加剧了水资源的供需矛盾。黑河流域在还未有效解决水资源供需分配不平衡问题，且流域生态环境恶化态势尚未得到有效遏制的同时，又面临着黑河水量调度的要求。在气候变化影响下，黑河流域水资源演变规律发生变化且出现新的水资源问题:流域水资源供需不平衡态势加剧，社会经济用水进一步挤占生态用水，流域社会-经济-生态-环境整体效益有待进一步提高。
　　为维持黑河流域的水资源安全，本文在融合现代水文水资源学研究新进展的同时，结合野外原型观测、地理信息技术与数值模拟技术的优势，从水资源系统学角度，系统辨识了气候变化下水资源系统的相互作用机制，从水资源、可利用水资源、可供水、需水、缺水角度，识别了气候变化对水资源系统的影响过程。
　　本文研究拓展了气候变化对水资源系统的影响评估理论与方法。本文基于水资源系统的角度评价气候变化对水资源系统的影响，以评估供水和需水预测为主线，将水文的常态过程和极值过程纳入到水资源系统的影响评估中，重点关注供水量和需水量在时间节律和空间差异方面的变化，拓展了传统气候变化影响评估模式的研究范畴和方法。
　　与传统气候变化对水资源影响评估不同的是:本文结合SWAT水文模型和现代水资源评价技术，先从水循环的演变规律出发，整体识别气候变化对水资源量、可利用水资源量和可供水量的影响，逐级反映气候变化对供水的影响过程;
　　针对气候变化对需水过程的影响评价，本文基于物候变化规律，采用物候观测资料和积温阈值方法，识别了气候变化对典型作物和天然植被生育期的影响，其技术核心是基于需水机理的物候预测技术和需水评估技术;
　　在分析供需平衡时，不仅考虑了传统评价模式中的缺水量因素，还考虑了缺水时间和缺水区域，为黑河流域调水方案的修正提供技术支撑，克服了以往调水曲线研究对气候变化考虑不足的问题。
　　在以上理论基础及评估结果的支持下，从系统角度，提出基于水资源系统的集合应对框架。在满足自然规律的基础上，通过水利工程群的优化调度，控制水资源在时空尺度上的合理分布;调整社会经济发展格局，使水资源在不同用水户之间合理配置，满足经济社会发展需求。
　　本文研究的主要成果和结论如下:
　　(1)变化环境下水资源演变规律及早涝事件演变规律识别
　　根据太阳黑子与水文气象要素的关系，结合Morlet小波和Mann-Kendall两种分析方法，将研究时段划分为1960～1991年基准期以及1992～2010年对比期。
　　黑河流域降水量和气温均呈增加趋势，且时空分布发生变化。上游丰水区域降水增幅最大、气温增幅较小，下游缺水区域降水减少、气温增幅最大。单场降水强度增大且降水时间推后集中在8、9月份，最高气温推后至7月中下旬发生。
　　河川径流量增加，莺落峡水文站径流量由基准期的15.61亿m3增加为16.80亿m3。对比期相对于基准期，8～11月径流量占全年径流量的比例由43.78％增加为46.96％，径流丰水期逐渐后移。
　　受调水工程影响，黑河中游地下水位下降，而下游地下水位埋深变浅。调水之后，中游地下水位下降幅度为2.96m左右，从上游到下游、距离河道越远，地下水位降幅越大。黑河下游年均地下水埋深降低，降幅为0.20m，从东西两河上游至下游，距离河道越远，地下水位埋深变浅程度逐渐降低，干旱发生次数和覆盖范围增加，干湿交替频次增大，从上游到下游干旱持续时间加大。干旱之后第一场降水强度大于同时期平均降水量，以中游旱后降水强度最高、下游最小，旱后发生洪涝的潜在风险增加。
　　干旱时期气温高于同期非干旱期气温，实际水汽压低于同期值。随着干旱持续日数的延长，气温增加、实际水汽压降低;受干旱程度的影响，气温和实际水汽压以6月份变化最大，其次是7月和8月;6月份气温和水汽压干旱期与多年平均的差值从上游到下游逐渐降低。
　　(2)气候变化对黑河流域水资源系统的影响
　　气候变暖使黑河流域需水量呈增加态势，基准期流域需水量为18.65亿m3，对比期为21.23亿m3，增幅为13.8％。除7月份以外，其他月份需水量均增加，其中需水量最大的月份依次为6月、7月和5月。需水呈现出明显的空间差异:上游需水量5月份增加量最大，中游需水量以5月和8月最大，下游6月份需水比例提高。
　　随着保证率的提高，气候变化影响下黑河流域需水量整体呈增加趋势，以中游需水增加最大，且整体需水时间逐渐前移。对于流域整体的需水变化，在25％频率下，以9月和5月需水量增加最大;50％频率下，以8月和7月需水量增加最大;90％频率下，以6月、5月和7月需水量增加最大。
　　气候变化影响下，丰水年可利用水资源量增多，且汛期可利用水资源量进一步增多;平水年可利用水资源量增加;枯水年可利用水资源量减少，且干旱时期可利用水资源量进一步减少。90％频率下，黑河流域可利用水资源量下降了0.91亿m3，减幅为5.1％，干旱时期可利用的水资源量更小;50％频率下，可利用水资源量增加了1.21亿m3，增幅为5.8％，5～8月可利用水资源量增大;25％频率下，可利用水资源量增幅为15.7％，4～8月汛期可利用水资源量增大。
　　缺水存在明显的时空变化。丰水年缺水时间集中在4～5月，平水年缺水时间也为4～5月但缺水增加明显，枯水年以6月份缺水增幅最大。黑河中游区域缺水率增大，干旱进一步加大，且缺水时间逐渐往前推移;上游目前受气候变化影响不明显，供水基本可满足需水的要求;对于下游，由于受到黑河近年连续丰水年的影响，其缺水率反而由22.0％降到15.9％，丰水年和平水年缺水率下降，枯水年缺水率微弱增加，缺水时间提前到3～4月。
　　(3)气候变化影响下水资源系统的集合应对
　　从水资源系统的角度提出了应对气候变化影响的集合策略。在规划层面，实施面向常态管理与应急管理统一的集合管理方式，进行组合风险分区，制定面向旱涝急转的集合应对预案;在实施层面，实施面向常态与极值过程的合理配置和水利工程群的联合调度，对水库汛限水位进行动态控制，并优化黑河流域分水方案。对于干旱而言，主要表现为水资源短缺问题，应从水循环的自然过程和社会过程两端入手，重点加强水资源在各个环节的优化利用，即通过合理开发、合理优化、合理配置和统一调度，规避干旱风险。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究进展

1．3 主要研究内容

1．4 研究思路与按术路线

1．5 关键科学问题与创新点

第二章 研究区域概况

2．1 自然地理条件

2．2 社会经济概况

2．3 水资源开发利用概况

2．4 调水情况

2．5 主要水资源问题及衍生的生态环境问题剖析

本章小结

第三章 气候变化对水资源系统影响的理论框架

3．1 气候变化对水资源系统影响的内涵

3．2 气候变化对供水的影响机制

3．3 气候变化对需水的影响机制

3．4 气候变化对水资源系统的整体影响机制

本章小结

第四章 变化环境下黑河流域水资源要素的演变规律

4．1 气候变化的检测

4．2 降水时空演变规律

4．3 气温时空演变规律

4．4 径流时空演变规律

4．5 地下水位时空演变规律

4．6 蒸散发时空演变规律

4．7 水资源演变规律

本章小结

第五章 气候变化下黑河流域旱涝事件演变规律

5．1 数据分析与研究方法

5．2 旱涝演变规律识别

5．3 干旱之后降水强度的变化

5．4 干旱期气温和水汽压的变化

本章小结

第六章 气候变化对需水过程的影响评价

6．1 评价方法

6．2 气候变化对作物需水过程的影响

6．3 气候变化对天然植被需水过程的影响

6．4 气候变化对工业需水过程的影响

6．5 气候变化对生活需水过程的影响

6．6 气候变化对黑河流域需水过程的整体影响

本草小结

第七章 气候变化对供水过程的影响评价

7．1 SWAT水文模型模拟过程及效果分析

7．2 气候变化对供水过程的影响评价

7．3 气候变化对黑河流域供需过程的整体影响

本章小结

第八章 气候变化背景下水资源系统的集合应对

8．1 总体思路

8．2 调控机理

8．3 应对策略

本章小结

第九章 结论与展望

9．1 主要结论

9．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果

致谢