本文關(guān)鍵詞：氣候變化和土地利用變化背景下淮河流域中上游徑流變化研究

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【摘要】：氣候變化,尤其是降水變化,直接改變了陸地水循環(huán)的強(qiáng)度,造成區(qū)域水文情勢的改變。持續(xù)性暴雨過程是流域主要致洪暴雨過程,持續(xù)性過程降水的極值更容易造成流域的特大洪澇。另一方面,人類活動,特別是以城市化和農(nóng)用地縮減為代表的土地利用/覆被變化,直接影響了流域暴雨產(chǎn)流過程。極端降水事件造成的洪澇及其他次生災(zāi)害更直接、更嚴(yán)重地影響自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。在全球大多數(shù)流域,氣候變化和土地利用/覆被變化的趨勢將在整個21世紀(jì)繼續(xù)發(fā)展。因此,研究極端過程降水對氣候變化的響應(yīng),以及極端過程降水變化對流域徑流和洪水的影響,并進(jìn)一步研究氣候變化和土地利用/覆被變化共同作用下流域徑流和洪水的響應(yīng),對于深入了解流域洪澇發(fā)生機(jī)制和變化規(guī)律、制定流域氣候變化適應(yīng)對策等有重要意義。淮河流域地處中國東部南北氣候過渡帶,氣候復(fù)雜,汛期降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。受氣候和地理條件的影響,淮河流域暴雨的范圍廣、強(qiáng)度大,大暴雨與特大暴雨在全流域都可能發(fā)生�；春恿饔蛞彩俏覈鴼夂蜃兓瘜�(dǎo)致年徑流量變化最大的地區(qū)之觀測和預(yù)估的研究都表明,淮河流域汛期極端降水呈顯著增加趨勢。淮河流域汛期極端降水的顯著增加可能與梅雨導(dǎo)致的持續(xù)性過程降水的增加有關(guān)。人類活動的影響導(dǎo)致淮河流域行蓄洪區(qū)面積減小、斑塊破碎,泄洪、蓄洪能力減弱；城市面積的擴(kuò)張,濕地、水體等面積的減少,對流域地表水文過程,特別是極端徑流過程產(chǎn)生了重要影響。總之,不合理的人類活動不僅直接改變了地表水文過程,更降低了淮河防洪減災(zāi)工程體系的功效,直接加劇了洪澇災(zāi)害�；春恿饔蛉找婕觿〉娜祟惢顒右呀�(jīng)深刻地影響了地表水文過程。因此,有必要研究人類活動對淮河流域地表水文過程的影響以及人類活動影響下氣候變化對淮河徑流和極端徑流的影響。本論文以蚌埠水文站以上的淮河流域中上游為研究區(qū),運(yùn)用統(tǒng)計分析、氣候模擬和水文模擬等研究方法,從平均氣候變化和極端氣候變化的角度研究淮河流域氣候變化的主要特征以及氣候變化和土地利用／覆被變化對淮河流域徑流及洪澇的影響,定量分析土地利用／覆被變化和氣候變化共同作用下淮河流域徑流和極端徑流的響應(yīng)。(1)基于1958-2009年的歷史氣候觀測資料和Series A2排放情景下RegCM3模擬的未來(2071～2100年)氣候變化情景,分析了淮河流域歷史和未來氣候變化的主要特點(diǎn)。就歷史氣候變化而言,研究時段內(nèi),淮河流域年平均氣溫顯著上升,流域中部,特別是渦河和穎河流域中下游以及流域南部下游等區(qū)域,升溫趨勢更明顯；春季和秋季氣溫升高,夏季氣溫降低,氣溫的年較差減小�；春恿饔蚰杲邓砍什伙@著的增加趨勢,穎河下游和以蚌埠為中心淮河干流附近區(qū)域,年降水量的增加趨勢更明顯,流域南部的大部分區(qū)域年降水量呈下降趨勢；夏季降水量增加,秋季降水量減少,降水的季節(jié)對比更加突出。最低氣溫的升高,特別是冬季最低氣溫的升高,導(dǎo)致了淮河流域平均氣溫的升高�；春恿饔蜻B續(xù)干旱日數(shù)顯著減少,最大日降水量顯著上升,干季降水頻率增大而雨季降水強(qiáng)度增大；夏季和冬季的降水量呈增加趨勢,秋季降水量呈下降趨勢。夏季降水量的增加主要由降水強(qiáng)度的增強(qiáng)所致,冬季降水量的增加主要由降水頻率的增大造成。就未來氣候變化而言,在Series A2排放情景下,淮河流域未來(2071～2100年)年平均氣溫升高,年降水量增加,夏季升溫幅度更大,秋季降水量的增幅更大。淮河流域汛期極端過程降水增加,流域下游南部的極端過程降水及其概率都將明顯增大。(2)基于1958-2009年的歷史氣候和河川流量觀測資料,計算了多個降水和流量極值指標(biāo),并以汛期最大9天降水量作為汛期極端過程降水的指標(biāo),以汛期最大9天流量作為汛期極端徑流的指標(biāo),從降水極值指標(biāo)和汛期極端過程降水兩個方面研究了降水變化對淮河流域徑流和極端徑流的影響。研究時段內(nèi),淮河流域流量和極端流量都呈不顯著的上升趨勢,汛期流量和極端流量上升趨勢更大,汛期流量的增加與枯水期流量的減小導(dǎo)致河川流量的季節(jié)對比加大,洪澇、干旱和早澇急轉(zhuǎn)的風(fēng)險同時增加。來自高百分位的降水或連續(xù)過程降水的極值對流量和極端流量的影響較大,流域上游和靠近淮河干流的流域中部的降水異常增大是整個淮河流域旱澇頻發(fā)的重要原因。周-旬時間尺度的強(qiáng)降水過程是造成淮河流域嚴(yán)重洪澇的直接原因；淮河流域汛期極端過程降水呈不顯著的增加趨勢,淮河干流上游、渦河上游和流域下游南部邊緣,汛期極端過程降水的上升趨勢較大；流域南部和流域西部(上游)是汛期極端過程降水的高值區(qū),區(qū)域內(nèi)多山地和丘陵的地形有利于暴雨徑流的快速下泄,而流域中下游地形平坦,洪水排泄緩慢,因此汛期極端過程降水的空間特征,極易導(dǎo)致淮河流域中游的“關(guān)門淹”。淮河流域汛期極端過程降水的微小增加將導(dǎo)致其概率的大幅度響應(yīng),相同的極端過程降水變化,流域北部和流域下游極端過程降水概率的響應(yīng)更敏感,洪澇風(fēng)險也更大；流域下游更大的極端過程降水出現(xiàn)的頻率更高,也更集中；下游河段的極端流量對極端過程降水變化的響應(yīng)更敏感,因而淮河中下游流域洪澇風(fēng)險比上游更大(3)構(gòu)建了淮河流域SWAT模型,分別以參考期(1961-1990年)和情景期(2071～2100年)的RegCM3氣候模擬結(jié)果驅(qū)動淮河流域SWAT模型,研究了以變暖為主要特征的氣候變化對徑流和極端徑流的影響。構(gòu)建的SWAT模型比較真實地模擬了淮河流域中上游逐月流量過程,也合理地重現(xiàn)了淮河流域汛期最大9天流量的特征。研究結(jié)果表明,極端排放情景下的氣候變暖將導(dǎo)致淮河流域年平均流量增加,平均增幅在10%以上,8月和9月流量的增幅更大,河川流量的季節(jié)對比增大,汛期洪澇風(fēng)險增加,旱澇急轉(zhuǎn)的可能性增大。汛期極端流量對氣候變化響應(yīng)的幅度更大,在極端排放情景導(dǎo)致的氣候變暖背景下,淮河流域汛期極端流量大幅度增加,干流5個水文站汛期最大9天流量的增幅都在20%以上。極端排放情景導(dǎo)致的氣候變暖改變淮河流域汛期極端流量的概率分布,導(dǎo)致汛期極端流量的概率分布更加集中,更大的極端流量出現(xiàn)的頻率更高。在極端排放情景導(dǎo)致的氣候變暖背景下,淮河流域降水徑流之間的關(guān)系更加緊密,降水對徑流的影響更大,汛期極端過程降水對極端流量的影響也更大,暴雨徑流是淮河流域洪澇的直接原因。(4)解譯了淮河流域2000年的MrSID遙感影像,獲得了2000年淮河流域土地利用/覆被現(xiàn)狀圖；基于2000年淮河流域土地利用/覆被現(xiàn)狀,根據(jù)淮河流域土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動因子：城市擴(kuò)張、生態(tài)退耕和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等,構(gòu)建了以城市用地擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)用地縮減為主要特征的淮河流域中上游土地利用/覆被變化情景；以1958～2009年的歷史氣候觀測資料驅(qū)動SWAT模型,研究了淮河流域中上游土地利用/覆被變化對徑流和極端徑流的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),土地利用/覆被變化導(dǎo)致淮河流域年平均流量小幅度增加,增幅約為2.76‰,城市擴(kuò)張導(dǎo)致了流量更大幅度的增加；土地利用/覆被變化加劇了河川流量的季節(jié)差異,城市擴(kuò)張更容易導(dǎo)致汛期流量的大幅度增加。土地利用/覆被變化對汛期極端流量的影響更大,土地利用/覆被變化背景下,淮河流域汛期最大9天流量的增幅約為41.22‰；土地利用/覆被變化也導(dǎo)致了汛期極端流量的概率分布特征發(fā)生改變,更大的極端流量出現(xiàn)的頻率更高,以城市擴(kuò)張為主的土地利用/覆被變化更可能導(dǎo)致流域特大洪澇,淮河流域中下游特大洪澇風(fēng)險增大。(5)分析了不同氣候情景下土地利用/覆被變化徑流響應(yīng)的差異和不同土地利用/覆被背景下氣候變化徑流響應(yīng)的差異,定量研究了氣候變化和土地利用/覆被變化共同作用下淮河流域徑流的響應(yīng)。結(jié)果表明,氣候變化減緩了土地利用/覆被變化對年平均流量增加的影響,但放大了土地利用/覆被變化對極端流量增加的影響；氣候變化也放大了土地利用/覆被變化對極端流量概率分布的影響,導(dǎo)致了給定重現(xiàn)期時極端流量重現(xiàn)水平的增大,而且更長重現(xiàn)期的極端流量增幅更大。土地利用/覆被變化減緩了氣候變化對年平均流量增加的影響,但放大了氣候變化對極端流量增加的影響。氣候變化和土地利用/覆被變化的共同作用,導(dǎo)致淮河流域年平均流量和極端流量的增幅進(jìn)一步加大,淮河流域極端流量概率分布參數(shù)發(fā)生較大的改變,極端流量更加極端,更大的極端流量出現(xiàn)的頻率更高。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P333
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本文編號：1303987