气候和土地利用变化下流域干旱评估--传播--驱动--预测研究
干旱是世界上分布最广且造成经济损失最严重的自然灾害之一，即使在科技快速发展的今天，因旱致灾的后果仍无法避免；而中国又是一个水资源短缺的国家，旱害己成为了制约中国经济社会发展和农业生产的主要障碍。尤其近年来，受气候变暖和高强度人类活动（下垫面/土地利用变化）的双重影响，中国旱情愈演愈烈，旱灾愈加频发、深发和广发，己严重威胁着中国生态、粮食甚至人类的生命财产安全，急需从系统的角度深入开展流域干旱体系研究。因此，本文以中国的“母亲河”、历史上数有“十年九旱”之称的黄河流域为研究对象，从流域水循环的角度出发，以地理学、气候学、水文学等理论为指导，借助流域分布式水文模型及全球气候模式等，系统地提出一套集“评估-传播-驱动-预测”于一体的干旱理论体系；针对流域不同分区气候和人类活动（下垫面/土地利用）特征，建立干旱评估及计算干旱概率评估数学模型，识别气象、农业、水文干旱演变规律及驱动因素，剖析干旱驱动机制，揭示不同干旱类型之间内在关联及传播机理，厘定气象、农业、水文干旱归因作用大小及方向，预估未来气候和土地利用变化情景下的气象、农业和水文干旱发展态势及概率，并提出相应的综合应对措施和建议，以期为流域科学防旱有效抗旱及保障国家水资源安全提供一套完整的理论体系和技术指导。主要研究内容和成果如下： (1)基于黄河流域1966～N2010年降雨和气温观测资料及NEX-GDDP降尺度数据，统计分析了各气候要素在过去和未来的变化趋势。结果表明，黄河流域过去45年，降雨除A区（高寒带半干旱干湿润区）和F区（暖温带湿润区）呈微弱增加趋势外，其余四个区域呈减少趋势；而气温从上游到下游均呈上升趋势。与前40年（1971-2010年）相比，黄河流域2011-2050年40年间，降雨除C区（中温带干旱半干旱区）和F区（暖温带湿润区）增加外，其他区域将明显减少；气温除B区（寒温带半干旱半湿润区）和C区（中温带干旱半干旱区）变化不明显外，其余四个区域气温将大幅度上升。 (2)基于CA-Markov模型以及黄河流域1980、1990、2000及2010年四期土地利用遥感影像数据，预测了黄河流域未来土地利用变化趋势，采用GIS技术和土地利用转移矩阵等方法，分析了黄河流域各分区1980-2050年的土地利用变化特征。结果表明，黄河流域主要土地利用类型分别为耕地、林地和草地，且相互之间的转换频率较高；黄河流域未来主要土地利用类型将保持不变，与2010相比，黄河流域2050年耕地和草地面积将减少，林地和城镇面积将增加。 (3)提出了基于“时变参数”的SWAT分布式水文模型动态调参方法，并对比分析了传统“静态参数”在水文模型中的模拟效果。结果表明，基于“时变参数”的SWAT模型可以很好地模拟不同时段内黄河流域气候和土地利用变化下的水循环过程，而基于“静态参数”下的Ens和|Re|均达不到模型适用性最低要求，证实了本文所提出的基于―时变参数‖的分布式水文模型在高强度人类活动区的合理性和必要性。 （4）基于SWAT分布式水文模型和干旱评估方法，分析和揭示了黄河流域各分区气象、农业和水文干旱情势时空演变特征及传播机理。结果表明，气象干旱和农业干旱在1990s较严重，而到了2000s流域大部分区域农业干旱和秋冬气象干旱得到了显著缓解，但春夏气象干旱加剧。水文干旱在1990s易发生秋旱，而在2000s易发生春旱，且中下游易发生水文重旱和特旱。气象干旱到农业干旱的传播时间呈现出明显的季节性，夏季传播时间最短，约为1-2个月，冬季最长，约为5-13个月；与农业干旱相比，气象干旱传播到水文干旱的时间增加，2000年前，传播时间上游大于中下游，但2000年后，C、D区域传播时间小于其他四个区域。水资源开发利用致使黄河流域水文过程变得更加复杂，但总体上延长了气象干旱传播至水文干旱的时间。 （5）在识别不同干旱类型主要驱动因素的基础上，通过设置干旱驱动模拟方案集，量化了气象、农业和水文干旱相对驱动归因贡献率。结果表明，大气环流异常和土地利用变化对气象干旱的相对影响贡献率约为95%和5%；气候和土地利用变化对农业干旱的相对影响贡献率约为75%和25%；水资源开发利用、气候变化和土地利用变化对水文干旱的相对影响贡献率约为50%、30%和20%。 （6）基于未来气候情景数据（NEX-GDDP）和土地利用预测模式，建立了干旱概率评估数学模型，预估了黄河流域各分区未来30年（2021-2050年）发生气象、农业和水文干旱概率。结果表明，黄河流域在未来30年易发生短历时（1-3个月）气象干旱，且上游概率略大于中下游；未来农业干旱高发生区主要分布在A区（高寒带半干旱半湿润区）和F区（暖温带湿润区），未来水文干旱高发生区主要分布在C区（中温带干旱半干旱区）和E区（暖温带半干旱半湿润区）。并针对农业和水文干旱高发生区的地形条件和来水用水特点，给出了针对性的农业和水文抗旱措施和建议。
流域干旱;评估体系;传播机理;驱动机制;预测模型
西安理工大学
博士
水利工程;水文学及水资源
畅建霞
2018
中文
P426.616
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）