變化環(huán)境下長(zhǎng)江上游水文循環(huán)多維響應(yīng)及預(yù)估研究.pdf

1、氣候變化和人類活動(dòng)影響著流域水文循環(huán)過程和水資源演變，其水文效應(yīng)已成為全球變化研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題。水循環(huán)系統(tǒng)是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，氣候變化對(duì)水循環(huán)要素的影響必然引起流域水資源的時(shí)空變化。同時(shí)，人類活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)的影響也日益顯著，主要表現(xiàn)為土地利用/覆被變化、修建大型水利工程等引起的流域下墊面條件改變，進(jìn)而影響流域內(nèi)的產(chǎn)匯流機(jī)制。我國(guó)長(zhǎng)江流域地形復(fù)雜，季風(fēng)氣候典型，年降水量和暴雨的時(shí)空分布極不均勻，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害頻發(fā)，給水資源有效利用

2、帶來新的問題。長(zhǎng)江起源于青藏高原，貫穿中國(guó)大陸匯入東海，全長(zhǎng)6300余公里，是歐亞大陸上最長(zhǎng)的河流。長(zhǎng)江是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域，而長(zhǎng)江上游又是水資源重點(diǎn)開發(fā)利用的河段?？茖W(xué)評(píng)估變化環(huán)境下長(zhǎng)江上游流域水循環(huán)多維響應(yīng)并進(jìn)行未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)對(duì)我國(guó)防澇減旱、實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和可持續(xù)利用具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文圍繞變化環(huán)境下流域水資源演變及高效利用中面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，以長(zhǎng)江上游為研究對(duì)象，以水文學(xué)、氣象學(xué)、水資源學(xué)等理論為基礎(chǔ)，采

3、用流域水文分析、水文預(yù)報(bào)和全球氣候預(yù)估模式等先進(jìn)的理論方法與技術(shù)手段，科學(xué)評(píng)估環(huán)境變化對(duì)流域水循環(huán)影響并對(duì)其未來趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究工作對(duì)我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果包括：
　　（1）為克服單一水文趨勢(shì)分析方法的計(jì)算結(jié)果隨著統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法與置信水平不同而存在差異的缺點(diǎn)。利用多種水文分析方法，基于長(zhǎng)期水文氣象觀測(cè)資料，研究長(zhǎng)江上游嘉陵江流域水循環(huán)要素時(shí)空

4、演變規(guī)律。采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、Mann-Kendall突變點(diǎn)檢測(cè)法、累積雙曲線法和小波多時(shí)間尺度分析方法分析了嘉陵江流域近幾十年來水文氣象要素的演化趨勢(shì)、突變點(diǎn)及周期變化規(guī)律，利用R/S分析方法對(duì)未來氣候變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究工作分析了水循環(huán)要素的階段性和趨勢(shì)性特征，揭示了變化環(huán)境下嘉陵江流域水循環(huán)多維要素變化規(guī)律和變化趨勢(shì)。
　?。?）全面分析了長(zhǎng)江上游嘉陵江流域氣候干旱與水文干旱多時(shí)間尺度的時(shí)空變化規(guī)律與相互關(guān)

5、系。選取標(biāo)準(zhǔn)降雨蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）和徑流干旱指數(shù)（SDI）結(jié)合Mann-Kendall趨勢(shì)分析法評(píng)估了3，6，9和12個(gè)月的多時(shí)間尺度下的嘉陵江子流域及全流域1961-2010年氣候干旱與水文干旱的時(shí)空演變規(guī)律。綜合多時(shí)間尺度的SPEI和SDI干旱指數(shù)結(jié)果利用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析了流域氣候干旱與水文干旱的相互關(guān)系。研究工作探明了嘉陵江流域氣候干旱與水文干旱的時(shí)空變化規(guī)律和相互關(guān)系，研究成果可用于針對(duì)水文干旱事件的早期預(yù)警。

6、r>　　（3）提出一種考慮氣候變化及人類活動(dòng)影響的VIC-BGSA-WNN產(chǎn)匯流耦合模型，該模型利用分布式可變下滲容量（VIC）模型模擬氣候變化環(huán)境下流域內(nèi)子流域徑流過程，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（WNN）模擬受人類活動(dòng)影響的子流域出流到流域總出口的匯流過程，引入二進(jìn)制引力搜索算法（BGSA）搜索獲得WNN匯流模型最優(yōu)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)及最優(yōu)小波輸入序列?；谠撃Ｐ湍M了金沙江流域子流域及全流域徑流過程并與傳統(tǒng)的VIC模型、VIC&ANN模型、V

7、IC&WNN模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明，提出的耦合模型模擬性能更優(yōu)，能更好的模擬變化環(huán)境下的流域產(chǎn)匯流過程。
　　（4）提出了一種改進(jìn)的分布式新安江模型，基于模擬結(jié)果分析了流域降雨、氣溫、蒸發(fā)、土壤含水及植被覆蓋等水循環(huán)多維要素時(shí)空分布規(guī)律和相互作用。該模型以具有物理機(jī)制的雙源蒸散發(fā)模型模擬流域不同空間特性下的截留、蒸騰與土壤蒸發(fā)過程，采用SCS-CN模型計(jì)算不同土地利用、土壤類型下的土壤自由水容量與張力水容量值，進(jìn)一步利用先驗(yàn)參數(shù)與

8、智能優(yōu)化算法共同確定模型參數(shù)最優(yōu)值，減少了模型的同參異構(gòu)問題且明確了參數(shù)的物理意義，同時(shí)，在產(chǎn)流計(jì)算中考慮蓄滿-超滲兩種產(chǎn)流機(jī)制，提高了洪峰模擬能力并擴(kuò)大了模型區(qū)域適用性，在匯流階段采用具有物理機(jī)制的非線性馬斯京根匯流模型可更好的反映網(wǎng)格物理特性。該模型應(yīng)用于長(zhǎng)江上游金沙江流域，并同傳統(tǒng)的分布式新安江模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，該模型在半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)模擬結(jié)果較好，濕潤(rùn)地區(qū)峰值模擬能力也有所提高。
　　（5）搭建了嘉陵江流域分布式VI

9、C模型，基于該模型評(píng)估了21世紀(jì)三種全球氣候模型（GCM）不同排放情景下的水循環(huán)多維響應(yīng)。通過流域氣象、數(shù)字高程模型（DEM）、土壤、覆被等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模型參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明，分布式VIC模型在嘉陵江流域具有較好的適應(yīng)性。選取三個(gè)GCM模型，利用統(tǒng)計(jì)降尺度模型（SDSM）獲取流域RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下2010-2099年的氣象序列。將降尺度后的未來各情景氣象序列輸入建立的分布式VIC模型，模擬分