考虑冻土退化的黄河源区径流变化机理研究

论文摘要

黄河源区位于青藏高原东部,横跨半湿润与半干旱气候区,海拔高,气温低,发育多年冻土和季节性冻土。受全球气候变化的影响,近60年来源区黄河径流量发生了较大幅度的变化。在以往研究中,黄河源区径流变化的主要成因是什么,冻土退化起什么作用,仍然属于一个不明确,有争议的问题。本论文对此问题开展研究。首先基于Budyko模式对黄河源区径流的年际变化成因进行了分析。流域蒸散量与降水量的比值用包含一个参数的Budyko公式描述,该流域特征参数的变化代表了流域水均衡状态的变化。本论文改进了解释Budyko参数变化的传统分解法,采用11年滑动平均法确定了黄河源区流域参数50多年的变化特征。在此基础上,采用多元线性相关分析识别了流域参数变化与多种因素的相关性,得到的结果表明:黄河源区径流的变化主要受气候变化的控制,而当地人类活动的影响几乎可以忽略。在吉迈和唐乃亥子流域,多年冻土覆盖面积较广,流域参数变化与最大冻结深度存在较强的相关性。相关分析的结果表明,多年冻土的退化在一定程度上增加了流域的径流量,而不像某些研究认为冻土退化导致了径流衰减。对于季节性径流的变化特征,以吉迈子流域为典型区,研究了雨季径流,融雪径流和冬季基流对气候变化的响应。采用滑动T检验识别时间序列的突变点,结果发现90年代末融雪径流以及冬季基流的突变点与温度突变点接近,而雨季径流的突变点与降水强度以及降水量的突变点接近。冬季基流主要受到雨季径流的控制,但是冻土的退化改变了雨季径流与冬季基流的关系。冻土的退化使得冬季地下水的排泄量增加而直接融雪径流减少。直接融雪径流在1961-1997年处于同一个水平,但是在1997-2013年下降34.75%。自1980年以来,直接融雪径流系数随着冻融指数的下降而减小。按照这样的趋势,随着气候持续变暖,冬季积雪的减少和冻土的退化将导致春汛在未来消失。以Sutra Ice为建模工具,建立饱和-非饱和带地下水渗流二维剖面模型,模型考虑了冻融过程中的热传导与弥散,模拟分析了长期冻土退化对地下径流过程的影响。百年尺度变化历程的模拟结果表明,随着气温的逐年增加,多年冻土持续退化,多年冻土的隔水层效应逐渐减弱,地下水从坡面上的排泄量减少而在河谷中的排泄量增加。坡面排泄量与实际蒸散量具有正的相关性,多年冻土退化减少地下水的坡面排泄,意味着能够减少总径流的损失,增加河谷地下水排泄量。当增温率不变时,模拟的地下水河床排泄量占地下水总排泄量的比例随时间呈指数增长,表明冻土退化将导致浅表径流对河川径流的贡献迅速下降。将Sutra Ice模型得到的指数方程,嵌入到改进的ABCD模型中得到一个考虑冻退化水文效应的A*BC*D*。A*BC*D*模型成功模拟了冻土退化过程中,入渗量在土壤水与地下水之间分配关系的变化,适用于寒区水文过程。本论文的研究成果为科学解释黄河源区径流变化成因及冻土退化的水文效应提供了新的认识。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冻土退化及其物理性质

1.2.2 冻土退化水文效应

1.3 研究内容,技术路线及创新点

1.3.1 研究内容及技术路线

1.3.2 创新点

第2章研究区概况

2.1 自然地理与气候特征

2.2 水系特征与流域划分

2.3 水文地质条件与冻土

2.3.1 基本水文地质条件

2.3.2 冻土基本分布情况

2.3.3 冻土野外观察现象

2.4 植被特征与土地利用

2.4.1 植被类型及其分布

2.4.2 土地利用类型及其变化

2.5 研究数据来源及特点

2.5.1 气象站及数据

2.5.2 水文数据

2.5.3 冻土监测数据

第3章径流年际变化的Budyko模式分析

3.1 年际变化数据的处理

3.1.1 最大冻结深度的年际变化

3.1.2 径流深的年际变化

3.1.3 流域气候要素的年际变化

3.2 研究方法

3.2.1 Budyko模式原理

3.2.2 因素识别的传统定量方法

3.2.3 分解法的改进

3.2.4 Budyko公式的选择

3.3 流域参数变化的相关分析

3.3.1 传统分段法的结果

3.3.2 多年滑动平均结果

3.3.3 基于改进分解法的相关分析

3.4 关于控制因素的讨论

3.4.1 气温

3.4.2 最大冻结深度

3.5 小结

第4章冻土退化下径流季节性特征的变化

4.1 吉迈流域特征

4.2 数据处理

4.2.1 水文气象数据

4.2.2 积雪与冻土

4.3 时间序列研究方法

4.3.1 突变点的滑动T检验

4.3.2 流量历时曲线（FDC）

4.4 结果分析

4.4.1 流量过程线以及日径流的季节性

4.4.2 季节性径流的年际变化

4.4.3 冻土退化的影响

4.4.4 不确定性

4.5 小结

第5冻土退化影响地下径流的数值模拟

5.1 基于Sutra Ice的模型设计

5.1.1 概念模型

5.1.2 Sutra Ice及其控制方程

5.1.3 边界通量的设置

5.1.4 情景设计

5.2 百年尺度的模拟结果

5.2.1 温度变化

5.2.2 饱和度变化

5.2.3 流量变化

5.3 分析讨论

5.3.1 冻土退化对产流过程的影响

5.3.2 排泄量对增温率的敏感性

5.3.3 模型的局限性

5.4 小结

第6章考虑冻土水文效应的气候水文模型

6.1 流域水文过程与ABCD模型

6.2 模型的改进

6.2.1 AB’C’D模型

*BC^*D^*模型'> 6.2.2 A^*BC^*D^*模型

6.3 模型模拟效果评价

6.3.1 参数敏感性分析

6.3.2 调参方法

6.3.3 模拟效果的评价

6.4 结果分析

6.4.1 ABCD模型与AB’C’D模型参数敏感性分析

6.4.2 模型在寒区模拟效果对比

6.5 小结

第7章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴盼

导师: 王旭升,梁四海

关键词: 黄河源,多年冻土退化,水文变化,气候变化

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国地质大学(北京)

基金: 中国地质调查局专题研究项目,国家自然基金委重点项目(项目编号:41330634),中国科学院的A类先导项目(课题编号:XDA20100103),中国地质大学(北京)研究生院国际学术交流与科研合作项目

分类号: P333.1

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000024

总页数: 122

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