中国西北干旱区河川径流变化及归因定量辨识

发布时间：2018-12-16 05:44

【摘要】：水资源是重要的生态与环境控制性要素,受全球变化影响较大。目前,气候变化和人类活动对水资源的可能影响,是全球变化研究的重要内容之一。水循环系统是气候系统的重要组成部分,气候变化必然引起水资源的时空变化,对于世界范围内的许多流域而言,尤其是对干旱地区和半干旱地区的流域,径流对气候的微小变化和波动非常敏感。而人类通过改变流域下垫面、工农业取用水等活动,不仅破坏了流域内天然的产汇流机制,还直接影响到流域水资源的时空分布。气候变化和人类活动作为水资源演变的两个主要驱动因子,二者具有相互作用和相互反馈的机制,使其对水资源的影响更为复杂,加剧了全球水资源供需矛盾。中国西北干旱区生态系统十分脆弱,稳定性不高,容易受到各种自然因素和人为因素的影响,对全球变化极为敏感。在区域气候暖湿化背景下,西北干旱区以山区降水和冰雪融水补给为基础的水资源系统更为脆弱,气温升高加速了山区冰川消融和退缩,改变了水资源的构成,加剧了水资源的波动性和不确定性；另一方面,由于人工绿洲规模不断扩大,上游山区产生的径流在经过山前平原绿洲时,河水被大量利用,人类活动挤占了生态用水权,社会经济与生态用水之间的矛盾日益凸显。在气候变化和人类活动的双重驱动作用下,西北干旱区独特的水文过程发生了明显变化。鉴于此,本文以中国西北干旱区为研究靶区,利用Mann-Kendall非参数趋势和突变检验、集合经验模态分解(EEMD)、相关分析等多种统计方法,分析区域变化环境下典型流域河川径流的演变特征及其对气候变化的响应机理,通过构建目标模型定量识别气候变化和人类活动对径流变化的影响程度,并开展径流变化归因研究。期冀研究结果能为科学认识西北干旱区水循环演变规律,合理、有效开发利用水资源以及科学制定气候变化下的水资源适应性对策提供技术支撑和决策参考。主要研究结论归纳如下：(1)径流量整体上表现出明显的变化趋势和突变特征Mann-Kendall非参数趋势检验结果表明,在36个出山口径流控制站中,有13个水文站实测径流量表现出极为显著的增加趋势(P0.01),5个水文站径流增加趋势较为显著(P0.05),12个水文站径流增加不明显(P0.05),其余6个水文站径流量呈现出减少趋势,但大多不明显。整体来说,西北干旱区出山径流以增多趋势为主。然而,在4个非出山口水文站中,仅博斯腾湖流域的宝浪苏木站实测径流量呈增加趋势,塔河干流阿拉尔控制站、黑河干流正义峡和石羊河干流蔡旗水文站径流均呈不同程度的减少趋势,而上述河流源流区除石羊河外来水量均呈明显的增加趋势,这足以说明平原绿洲区人类活动对径流过程产生了重要影响。突变分析表明,位于新疆境内的河流除个别水文站外,大多数水文站实测径流在1990s发生了突变,这与中国西北气候由“暖干”向“暖湿”转型时间相应,但存在明显的滞后效应；河西内陆河流域的疏勒河昌马堡水文站径流在1998年发生了突变,这与新疆大多河流径流发生突变的时间具有同步性,而黑河流域较为特殊,径流量较大的河流一般具有两个突变年份,较早的突变一般发生在1980年左右,较晚的突变发生在2000s中期,而径流量较小的洪水河和马营河突变年份发生在1970s中后期,这与径流量较大的河流早期突变发生的时间较为一致。(2)区域气候背景发生了明显变化1960～2012年期间,地面平均气温和降水量均表现出增加趋势,其中年均气温变化Mann-Kendall趋势检验Z统计值为5.38,升温趋势极为显著,速率约为0.330C/1Oa,明显高于全国和全球水平；全年降水量变化趋势检验Z统计值为3.90,降水增加趋势极为显著,速率约为6.66mm/10a。突变分析表明,年均气温发生了两次突变,分别为1988年和1997年,其中1988年与西北气候转型时间是一致的,1997年则是对全球升温减缓的响应；而年降水量在1986年发生了突变。此外,地面气温和降水量变化均具有明显的周期性波动特征,气温主要受年代际波动主导,而降水变化则受年际波动影响较大。同期,高空大气温度也发生了明显变化,其中对流层中下层升温与对流层上层、平流层中下层降温是高空大气环境变化的重要特征。与高空气温变化相应,夏季0℃层高度也出现了明显波动。(3)气候变化对出山径流影响显著西北干旱区出山径流对地面气温和降水量的响应主要表现为：在周期上,径流变化与同期气温和降水在年际自然变异上具有相似周期(2～3a和5～8a),而在年代际自然变异上周期性存在一定的差异；从相关统计量来看,在年际尺度上,降水对径流的影响明显大于气温,而在年代际尺度上,发生逆转,气温对径流的影响明显大于降水；若从径流组分来看,冰川融水径流补给比重较小的河流,其径流量对降水的响应较为强烈,冰川融水径流补给比重大的河流,其径流对气温的响应就会更为强烈,冰川融水径流和降水径流补给比重相当的河流,其径流对降水和气温的响应均强烈。夏季0℃层高度变化对出山径流影响显著。1960～2009年,西北干旱区四个典型区域,即昆仑山北坡、天山南坡、天山北坡和祁连山北坡夏季出山径流量与0℃层高度之间均表现出良好的正相关关系(P0.05)；上述四个典型区夏季出山径流量对0℃层高度的弹性系数分别为7.19、6.63、3.80和2.79,说明夏季径流量对0℃层高度变化极具敏感性。夏季0℃层高度对出山径流的影响是通过其升降改变冰川所处环境温度,进而影响冰川融水径流而实现的。研究表明,夏季0℃层高度变化已成为影响西北高山区主要河流径流变化的一个至关重要的因素。(4)气候变化和人类活动对径流影响的贡献程度本文基于Budyko水热平衡耦合框架,建立了气候变化和人类活动(山区主要为下垫面影响)对径流影响的估算模型,并借助此模型定量分离了气候变化和人类活动对径流影响的贡献程度。对于39条典型河流的源流区而言,有21条河流气候变化对径流影响的相对贡献超过了60%,且均具正作用,这21条河流的共同点是出山径流呈增加趋势；有9条河流下垫面变化对径流影响的相对贡献超过了60%,且均具负作用,这9条河流的共同点是出山径流呈减少趋势。若以相对贡献率50%计,共有26条河流气候变化对径流影响的相对贡献超过了50%,约占河流总量的66.7%。受气候变化影响较大的河流,一般发源于中高山区,且以大、中型河流为主；而受下垫面变化影响较大的河流,主要是源于中低山区的中、小型河流。1970-2009年,人类活动对塔里木河干流来水量流减少的相对影响程度一直保持在60%以上,人类活动耗水抵消了部分因气候暖湿化带来的径流增加量,是入干径流减少的主导因素；位于石羊河干流上的红崖山水库,自1980s开始,其入流量几乎完全受人类活动控制；对于博斯腾湖来说,1970～1989年时段人类活动对入湖径流减少的相对影响程度一直保持在96%以上,是入湖径流减少的主要因素,而1990～2009年时段气候暖湿化是入湖径流增加的主要因素,人类活动对入湖径流的相对影响程度在1970～2009年期间整体上呈显出减弱趋势,这与焉耆盆地绿洲区农业灌溉水利用效率逐步得到提高有关。
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【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P333.1
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本文编号：2381899