【摘要】：水資源是重要的生態(tài)與環(huán)境控制性要素,受全球變化影響較大。目前,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水資源的可能影響,是全球變化研究的重要內(nèi)容之一。水循環(huán)系統(tǒng)是氣候系統(tǒng)的重要組成部分,氣候變化必然引起水資源的時(shí)空變化,對(duì)于世界范圍內(nèi)的許多流域而言,尤其是對(duì)干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)的流域,徑流對(duì)氣候的微小變化和波動(dòng)非常敏感。而人類通過改變流域下墊面、工農(nóng)業(yè)取用水等活動(dòng),不僅破壞了流域內(nèi)天然的產(chǎn)匯流機(jī)制,還直接影響到流域水資源的時(shí)空分布。氣候變化和人類活動(dòng)作為水資源演變的兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因子,二者具有相互作用和相互反饋的機(jī)制,使其對(duì)水資源的影響更為復(fù)雜,加劇了全球水資源供需矛盾。中國西北干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,穩(wěn)定性不高,容易受到各種自然因素和人為因素的影響,對(duì)全球變化極為敏感。在區(qū)域氣候暖濕化背景下,西北干旱區(qū)以山區(qū)降水和冰雪融水補(bǔ)給為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)更為脆弱,氣溫升高加速了山區(qū)冰川消融和退縮,改變了水資源的構(gòu)成,加劇了水資源的波動(dòng)性和不確定性；另一方面,由于人工綠洲規(guī)模不斷擴(kuò)大,上游山區(qū)產(chǎn)生的徑流在經(jīng)過山前平原綠洲時(shí),河水被大量利用,人類活動(dòng)擠占了生態(tài)用水權(quán),社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)用水之間的矛盾日益凸顯。在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)作用下,西北干旱區(qū)獨(dú)特的水文過程發(fā)生了明顯變化。鑒于此,本文以中國西北干旱區(qū)為研究靶區(qū),利用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢和突變檢驗(yàn)、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)、相關(guān)分析等多種統(tǒng)計(jì)方法,分析區(qū)域變化環(huán)境下典型流域河川徑流的演變特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理,通過構(gòu)建目標(biāo)模型定量識(shí)別氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響程度,并開展徑流變化歸因研究。期冀研究結(jié)果能為科學(xué)認(rèn)識(shí)西北干旱區(qū)水循環(huán)演變規(guī)律,合理、有效開發(fā)利用水資源以及科學(xué)制定氣候變化下的水資源適應(yīng)性對(duì)策提供技術(shù)支撐和決策參考。主要研究結(jié)論歸納如下：(1)徑流量整體上表現(xiàn)出明顯的變化趨勢和突變特征Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明,在36個(gè)出山口徑流控制站中,有13個(gè)水文站實(shí)測徑流量表現(xiàn)出極為顯著的增加趨勢(P0.01),5個(gè)水文站徑流增加趨勢較為顯著(P0.05),12個(gè)水文站徑流增加不明顯(P0.05),其余6個(gè)水文站徑流量呈現(xiàn)出減少趨勢,但大多不明顯。整體來說,西北干旱區(qū)出山徑流以增多趨勢為主。然而,在4個(gè)非出山口水文站中,僅博斯騰湖流域的寶浪蘇木站實(shí)測徑流量呈增加趨勢,塔河干流阿拉爾控制站、黑河干流正義峽和石羊河干流蔡旗水文站徑流均呈不同程度的減少趨勢,而上述河流源流區(qū)除石羊河外來水量均呈明顯的增加趨勢,這足以說明平原綠洲區(qū)人類活動(dòng)對(duì)徑流過程產(chǎn)生了重要影響。突變分析表明,位于新疆境內(nèi)的河流除個(gè)別水文站外,大多數(shù)水文站實(shí)測徑流在1990s發(fā)生了突變,這與中國西北氣候由“暖干”向“暖濕”轉(zhuǎn)型時(shí)間相應(yīng),但存在明顯的滯后效應(yīng)；河西內(nèi)陸河流域的疏勒河昌馬堡水文站徑流在1998年發(fā)生了突變,這與新疆大多河流徑流發(fā)生突變的時(shí)間具有同步性,而黑河流域較為特殊,徑流量較大的河流一般具有兩個(gè)突變年份,較早的突變一般發(fā)生在1980年左右,較晚的突變發(fā)生在2000s中期,而徑流量較小的洪水河和馬營河突變年份發(fā)生在1970s中后期,這與徑流量較大的河流早期突變發(fā)生的時(shí)間較為一致。(2)區(qū)域氣候背景發(fā)生了明顯變化1960～2012年期間,地面平均氣溫和降水量均表現(xiàn)出增加趨勢,其中年均氣溫變化Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)Z統(tǒng)計(jì)值為5.38,升溫趨勢極為顯著,速率約為0.330C/1Oa,明顯高于全國和全球水平；全年降水量變化趨勢檢驗(yàn)Z統(tǒng)計(jì)值為3.90,降水增加趨勢極為顯著,速率約為6.66mm/10a。突變分析表明,年均氣溫發(fā)生了兩次突變,分別為1988年和1997年,其中1988年與西北氣候轉(zhuǎn)型時(shí)間是一致的,1997年則是對(duì)全球升溫減緩的響應(yīng)；而年降水量在1986年發(fā)生了突變。此外,地面氣溫和降水量變化均具有明顯的周期性波動(dòng)特征,氣溫主要受年代際波動(dòng)主導(dǎo),而降水變化則受年際波動(dòng)影響較大。同期,高空大氣溫度也發(fā)生了明顯變化,其中對(duì)流層中下層升溫與對(duì)流層上層、平流層中下層降溫是高空大氣環(huán)境變化的重要特征。與高空氣溫變化相應(yīng),夏季0℃層高度也出現(xiàn)了明顯波動(dòng)。(3)氣候變化對(duì)出山徑流影響顯著西北干旱區(qū)出山徑流對(duì)地面氣溫和降水量的響應(yīng)主要表現(xiàn)為：在周期上,徑流變化與同期氣溫和降水在年際自然變異上具有相似周期(2～3a和5～8a),而在年代際自然變異上周期性存在一定的差異；從相關(guān)統(tǒng)計(jì)量來看,在年際尺度上,降水對(duì)徑流的影響明顯大于氣溫,而在年代際尺度上,發(fā)生逆轉(zhuǎn),氣溫對(duì)徑流的影響明顯大于降水；若從徑流組分來看,冰川融水徑流補(bǔ)給比重較小的河流,其徑流量對(duì)降水的響應(yīng)較為強(qiáng)烈,冰川融水徑流補(bǔ)給比重大的河流,其徑流對(duì)氣溫的響應(yīng)就會(huì)更為強(qiáng)烈,冰川融水徑流和降水徑流補(bǔ)給比重相當(dāng)?shù)暮恿?其徑流對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)均強(qiáng)烈。夏季0℃層高度變化對(duì)出山徑流影響顯著。1960～2009年,西北干旱區(qū)四個(gè)典型區(qū)域,即昆侖山北坡、天山南坡、天山北坡和祁連山北坡夏季出山徑流量與0℃層高度之間均表現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系(P0.05)；上述四個(gè)典型區(qū)夏季出山徑流量對(duì)0℃層高度的彈性系數(shù)分別為7.19、6.63、3.80和2.79,說明夏季徑流量對(duì)0℃層高度變化極具敏感性。夏季0℃層高度對(duì)出山徑流的影響是通過其升降改變冰川所處環(huán)境溫度,進(jìn)而影響冰川融水徑流而實(shí)現(xiàn)的。研究表明,夏季0℃層高度變化已成為影響西北高山區(qū)主要河流徑流變化的一個(gè)至關(guān)重要的因素。(4)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)程度本文基于Budyko水熱平衡耦合框架,建立了氣候變化和人類活動(dòng)(山區(qū)主要為下墊面影響)對(duì)徑流影響的估算模型,并借助此模型定量分離了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)程度。對(duì)于39條典型河流的源流區(qū)而言,有21條河流氣候變化對(duì)徑流影響的相對(duì)貢獻(xiàn)超過了60%,且均具正作用,這21條河流的共同點(diǎn)是出山徑流呈增加趨勢；有9條河流下墊面變化對(duì)徑流影響的相對(duì)貢獻(xiàn)超過了60%,且均具負(fù)作用,這9條河流的共同點(diǎn)是出山徑流呈減少趨勢。若以相對(duì)貢獻(xiàn)率50%計(jì),共有26條河流氣候變化對(duì)徑流影響的相對(duì)貢獻(xiàn)超過了50%,約占河流總量的66.7%。受氣候變化影響較大的河流,一般發(fā)源于中高山區(qū),且以大、中型河流為主；而受下墊面變化影響較大的河流,主要是源于中低山區(qū)的中、小型河流。1970-2009年,人類活動(dòng)對(duì)塔里木河干流來水量流減少的相對(duì)影響程度一直保持在60%以上,人類活動(dòng)耗水抵消了部分因氣候暖濕化帶來的徑流增加量,是入干徑流減少的主導(dǎo)因素；位于石羊河干流上的紅崖山水庫,自1980s開始,其入流量幾乎完全受人類活動(dòng)控制；對(duì)于博斯騰湖來說,1970～1989年時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)入湖徑流減少的相對(duì)影響程度一直保持在96%以上,是入湖徑流減少的主要因素,而1990～2009年時(shí)段氣候暖濕化是入湖徑流增加的主要因素,人類活動(dòng)對(duì)入湖徑流的相對(duì)影響程度在1970～2009年期間整體上呈顯出減弱趨勢,這與焉耆盆地綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率逐步得到提高有關(guān)。
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【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P333.1
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本文編號(hào)：2381899