【摘要】：全球寒區(qū)約占陸地面積的25%,我國寒區(qū)面積約占全國面積的43.5%,主要分布在中低緯度的青藏高原、西北高山和東北的大小興安嶺以及松花江流域,其中30%存在著永久性凍土,70%存在著季節(jié)性凍土。凍土的生成直接改變了土壤的導水傳熱、儲水、入滲和蒸發(fā)能力,進而影響著陸地水循環(huán)過程。隨著全球氣候變暖,冰川消融、凍土退化等現(xiàn)象的發(fā)生影響著寒區(qū)的產(chǎn)流過程和產(chǎn)流量,這些改變給寒區(qū)水資源管理提出了嚴峻的考驗。隨著計算機技術的發(fā)展,水文模型模擬已成為研究流域水循環(huán)過程的重要手段�，F(xiàn)有的分布式水文模型一般對于土壤層的水熱耦合機制描述較為簡化,在寒區(qū)加以應用時,模擬精度通常難以符合要求,且缺少大尺度的凍土分布變化描述。因此,應對寒區(qū)凍土的水文效應進行深入研究,在此基礎上建立具有寒區(qū)特色的大尺度流域分布式水文模型,以支撐寒區(qū)水資源研究與水資源高效利用。東北地區(qū)是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)和重工業(yè)基地,隨著國家新一輪東北振興規(guī)劃的實施,對區(qū)域水資源的保障提出了更高的要求。本文以東北松花江流域為背景,研究寒區(qū)水循環(huán)模擬技術及其在松花江流域的應用,并用自主構建的寒區(qū)水文模型預測2020~2050年氣候變化條件下流域凍土和水資源演變規(guī)律,對于保障國家糧食安全和供水安全具有重要的實踐意義。本文主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)根據(jù)松花江流域的歷史實測資料,插值分析流域年最大凍土深度、降水、氣溫以及佳木斯站天然徑流量的演變規(guī)律。結果表明:(1)松花江流域年均氣溫由南向北逐漸降低,年均降水自西向東逐漸增加。(2)松花江流域年最大凍土深度總體由南向北逐漸增加。1960~2004年全流域的多年平均最大凍土深度為174cm,年際變化率為-8.25cm/10a,北部區(qū)域比南部區(qū)域對氣候變化的響應滯后;最大凍土深度在1985年發(fā)生突變,突變后的多年平均值減少35cm。流域氣溫每升高1℃,平均最大凍土深度約減小15cm。(3)佳木斯站1956~2000年的多年平均天然徑流量為669.42億m~3,整體上呈不顯著減少趨勢。(2)本文設計了室內(nèi)和室外實驗以觀測不同凍融時長下的土壤水熱遷移變化,構建了具有物理機制的凍土多層水熱耦合模型。研究結果表明:(1)實驗土柱表層土壤的水分先進行蒸發(fā)后發(fā)生相變。在土壤凍結過程中,土壤水分由未凍結土壤向凍結土壤方向遷移,在土壤融化過程中,土壤水分在凍結帶上方發(fā)生水分積聚。(2)示蹤鹽離子隨水分遷移,鹽離子在土壤凍結時出現(xiàn)析出現(xiàn)象。(3)本文構建的凍土多層水熱耦合模型,能較好的模擬土壤凍融過程和不同深度的溫濕度變化。模型模擬的土壤溫度、液態(tài)含水率、總含水率和土壤凍結深度的平均根方差分別為1.21°C、0.035cm~3/cm~3、0.034cm~3/cm~3和17.6cm,土壤溫度模擬的平均Nash Sutcliffe系數(shù)為0.92。(3)本文將多層凍土模塊與分布式水文模型WEP-L緊密耦合,構建了寒區(qū)水文模型WEP-COR,用于模擬寒區(qū)大尺度流域的土壤水熱遷移和水循環(huán)過程。通過與松花江流域站點實測結果對比可知,模型能夠較好的模擬流域土壤日凍融過程,月徑流模擬結果的相對誤差在10%以內(nèi),Nash Sutcliffe系數(shù)在0.75以上,土壤融化期的日徑流模擬結果與改進前相比相對誤差減小了35.04%,凍土模塊的加入提高了模型在寒區(qū)的適用性。WEP-COR模型可用來研究氣候變化條件下土壤凍結深度以及徑流量的變化規(guī)律。(4)應用WEP-COR模型模擬結果定量分析1956~2010年松花江流域凍土分布變化及氣候變化對凍土和徑流的驅動作用。結果表明:(1)松花江流域年最大凍土深度呈減少趨勢。150cm最大凍土深度等值線位置總體往西北擺動,以0.168°/10a的速率向西遷移,以0.156°/10a的速率向北遷移。造成最大凍土深度變化的主要氣溫因子為凍結時段的日氣溫積溫。(2)土壤凍融時長自南向北增加,180天凍融時長等值線同樣整體上向西北擺動,向西遷移速率為0.157°/10a,向北遷移速率為0.236°/10a。造成凍融時長變化的主要氣溫因子為負積溫。(3)松花江流域年均徑流量主要受降水影響有減小趨勢;凍結期徑流主要受氣溫影響有增加趨勢;融化期徑流受凍結期和融化期的降水共同影響有增加趨勢。降水的變化趨勢和徑流量一致。(4)松花江流域的水資源量整體上有減小的趨勢,地下水資源量占總水資源比例呈下降趨勢。(5)根據(jù)區(qū)域氣候模式RegCM3.0預測的2020~2050年的氣溫降水條件,應用WEP-COR模型對松花江流域的凍土徑流進行模擬預測。結果表明:(1)2020~2050年松花江流域的年均氣溫為4.26℃,年均降水為529.79mm,變化率分別為0.45℃/10a和-14.46mm/10a。(2)2020~2050年流域年均最大凍土深度為147cm,變化率為-3.718cm/10a;年凍融時間為163天,變化率為-5.73天/10a。最大凍土深度等值線和年凍融時間等值線整體繼續(xù)向西北遷移。(3)松花江流域徑流量在全年、融化期、非凍融期徑流呈減少趨勢,在凍結期呈增加趨勢。降水和徑流量的變化趨勢在凍融期有所不同。(4)2020~2050年水資源量有所減少,地表、地下和總水資源量的變化率分別為-11.428億m~3/10a、-2.015億m~3/10a和-13.147億m~3/10a。地下水資源量占總水資源比例在凍結期高于其他時期,占比在全年、凍結期和非凍融期呈增加趨勢,而在融化期呈減少趨勢。
【圖文】：

東華大學博士學位論文 1 緒論表 1-1 寒區(qū)劃分氣候因子[22]Table 1-1 The climatic index of cold regions氣候指標1 月Tmon/℃Tmon>10℃的月數(shù)10 月Tmon/℃4 月Tmon/℃Tyea/℃Tday>10℃的積溫/℃Tday>10℃的日數(shù)/d固態(tài)降水量百分比/%年平均積雪日數(shù)/d寒區(qū)-10~-30≤5 ≤0 ≤0 ≤5 500~1500 <150 ≥30 ≥30（注：Tyea代表月均氣溫，Tmon代表月均氣溫，Tday代表日均氣溫）

東北地區(qū)是我國主要的三大寒區(qū)之一，該區(qū)域廣泛分布著季節(jié)性凍土和部的部分區(qū)域還存在永久性凍土。隨著冬季氣溫的降低，東北地區(qū)會出結和積雪現(xiàn)象，改變區(qū)域產(chǎn)流過程。當春季溫度升高時，又伴隨著凍土化，形成融雪徑流和壤中流，補給河川徑流量，所以東北地區(qū)流域的產(chǎn)具有寒區(qū)的產(chǎn)匯流特征。松花江是我國七大河流之一，是東北地區(qū)主要考慮到研究區(qū)的代表性，本文選取松花江流域為研究區(qū)。 自然地理特征1）地理位置圖 2-1 為松花江流域的地理位置示意圖。松花江位于中國的東北部，流 55.7 萬 km2（119°52′~132°31′E，41°42′~51°38′N）。松花江有南北兩個為嫩江，是松花江最大的支流，發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山中段為第二松花江，發(fā)源于長白山天池。松花江流域分為三個水資源二級區(qū)由北向南流的嫩江（嫩江區(qū)），由南向北流的第二松花江（二松區(qū)），這支流在三岔河匯流后稱為松花江干流（松干區(qū)）。按照行政區(qū)劃劃分標江流域涵蓋黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古四個省區(qū)的不同大小區(qū)域[101
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P339

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本文編號：2630863