气候变化对黑河流域水资源系统的影响及综合应对
气候变化深刻影响着水资源系统的供水和需水过程，进一步加剧了水资源的供需矛盾。黑河流域在还未有效解决水资源供需分配不平衡问题，且流域生态环境恶化态势尚未得到有效遏制的同时，又面临着黑河水量调度的要求。在气候变化影响下，黑河流域水资源演变规律发生变化且出现新的水资源问题:流域水资源供需不平衡态势加剧，社会经济用水进一步挤占生态用水，流域社会-经济-生态-环境整体效益有待进一步提高。 为维持黑河流域的水资源安全，本文在融合现代水文水资源学研究新进展的同时，结合野外原型观测、地理信息技术与数值模拟技术的优势，从水资源系统学角度，系统辨识了气候变化下水资源系统的相互作用机制，从水资源、可利用水资源、可供水、需水、缺水角度，识别了气候变化对水资源系统的影响过程。 本文研究拓展了气候变化对水资源系统的影响评估理论与方法。本文基于水资源系统的角度评价气候变化对水资源系统的影响，以评估供水和需水预测为主线，将水文的常态过程和极值过程纳入到水资源系统的影响评估中，重点关注供水量和需水量在时间节律和空间差异方面的变化，拓展了传统气候变化影响评估模式的研究范畴和方法。 与传统气候变化对水资源影响评估不同的是:本文结合SWAT水文模型和现代水资源评价技术，先从水循环的演变规律出发，整体识别气候变化对水资源量、可利用水资源量和可供水量的影响，逐级反映气候变化对供水的影响过程; 针对气候变化对需水过程的影响评价，本文基于物候变化规律，采用物候观测资料和积温阈值方法，识别了气候变化对典型作物和天然植被生育期的影响，其技术核心是基于需水机理的物候预测技术和需水评估技术; 在分析供需平衡时，不仅考虑了传统评价模式中的缺水量因素，还考虑了缺水时间和缺水区域，为黑河流域调水方案的修正提供技术支撑，克服了以往调水曲线研究对气候变化考虑不足的问题。 在以上理论基础及评估结果的支持下，从系统角度，提出基于水资源系统的集合应对框架。在满足自然规律的基础上，通过水利工程群的优化调度，控制水资源在时空尺度上的合理分布;调整社会经济发展格局，使水资源在不同用水户之间合理配置，满足经济社会发展需求。 本文研究的主要成果和结论如下: (1)变化环境下水资源演变规律及早涝事件演变规律识别 根据太阳黑子与水文气象要素的关系，结合Morlet小波和Mann-Kendall两种分析方法，将研究时段划分为1960～1991年基准期以及1992～2010年对比期。 黑河流域降水量和气温均呈增加趋势，且时空分布发生变化。上游丰水区域降水增幅最大、气温增幅较小，下游缺水区域降水减少、气温增幅最大。单场降水强度增大且降水时间推后集中在8、9月份，最高气温推后至7月中下旬发生。 河川径流量增加，莺落峡水文站径流量由基准期的15.61亿m3增加为16.80亿m3。对比期相对于基准期，8～11月径流量占全年径流量的比例由43.78％增加为46.96％，径流丰水期逐渐后移。 受调水工程影响，黑河中游地下水位下降，而下游地下水位埋深变浅。调水之后，中游地下水位下降幅度为2.96m左右，从上游到下游、距离河道越远，地下水位降幅越大。黑河下游年均地下水埋深降低，降幅为0.20m，从东西两河上游至下游，距离河道越远，地下水位埋深变浅程度逐渐降低，干旱发生次数和覆盖范围增加，干湿交替频次增大，从上游到下游干旱持续时间加大。干旱之后第一场降水强度大于同时期平均降水量，以中游旱后降水强度最高、下游最小，旱后发生洪涝的潜在风险增加。 干旱时期气温高于同期非干旱期气温，实际水汽压低于同期值。随着干旱持续日数的延长，气温增加、实际水汽压降低;受干旱程度的影响，气温和实际水汽压以6月份变化最大，其次是7月和8月;6月份气温和水汽压干旱期与多年平均的差值从上游到下游逐渐降低。 (2)气候变化对黑河流域水资源系统的影响 气候变暖使黑河流域需水量呈增加态势，基准期流域需水量为18.65亿m3，对比期为21.23亿m3，增幅为13.8％。除7月份以外，其他月份需水量均增加，其中需水量最大的月份依次为6月、7月和5月。需水呈现出明显的空间差异:上游需水量5月份增加量最大，中游需水量以5月和8月最大，下游6月份需水比例提高。 随着保证率的提高，气候变化影响下黑河流域需水量整体呈增加趋势，以中游需水增加最大，且整体需水时间逐渐前移。对于流域整体的需水变化，在25％频率下，以9月和5月需水量增加最大;50％频率下，以8月和7月需水量增加最大;90％频率下，以6月、5月和7月需水量增加最大。 气候变化影响下，丰水年可利用水资源量增多，且汛期可利用水资源量进一步增多;平水年可利用水资源量增加;枯水年可利用水资源量减少，且干旱时期可利用水资源量进一步减少。90％频率下，黑河流域可利用水资源量下降了0.91亿m3，减幅为5.1％，干旱时期可利用的水资源量更小;50％频率下，可利用水资源量增加了1.21亿m3，增幅为5.8％，5～8月可利用水资源量增大;25％频率下，可利用水资源量增幅为15.7％，4～8月汛期可利用水资源量增大。 缺水存在明显的时空变化。丰水年缺水时间集中在4～5月，平水年缺水时间也为4～5月但缺水增加明显，枯水年以6月份缺水增幅最大。黑河中游区域缺水率增大，干旱进一步加大，且缺水时间逐渐往前推移;上游目前受气候变化影响不明显，供水基本可满足需水的要求;对于下游，由于受到黑河近年连续丰水年的影响，其缺水率反而由22.0％降到15.9％，丰水年和平水年缺水率下降，枯水年缺水率微弱增加，缺水时间提前到3～4月。 (3)气候变化影响下水资源系统的集合应对 从水资源系统的角度提出了应对气候变化影响的集合策略。在规划层面，实施面向常态管理与应急管理统一的集合管理方式，进行组合风险分区，制定面向旱涝急转的集合应对预案;在实施层面，实施面向常态与极值过程的合理配置和水利工程群的联合调度，对水库汛限水位进行动态控制，并优化黑河流域分水方案。对于干旱而言，主要表现为水资源短缺问题，应从水循环的自然过程和社会过程两端入手，重点加强水资源在各个环节的优化利用，即通过合理开发、合理优化、合理配置和统一调度，规避干旱风险。
气候变化;水资源系统;集合应对;黑河流域
东华大学
博士
环境科学与工程
王浩;严登华;宋新山
2014
中文
X143
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2014-10-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）