考虑垂直地带性的山区分布式水文模拟与应用

论文摘要

山地集水源涵养、气候调节、生物多样性维持等多种功能于一体。山地水循环过程演变不但直接决定了自身生态系统的质量与稳定性,同时也会将这种影响传递到下游平原区和城市群。由于山地具有空间异质性和垂直地带性特征,且以垂直地带性占主导,如何量化因此而伴生的水文水资源效应并对水资源时空格局作出科学评估与预测,对区域经济社会可持续发展具有重要意义。论文针对气候、地形、土壤和植被等要素的空间异质性与垂直地带性对山区水循环过程的影响机理问题,重点将分布式水文模型与遥感技术、气候模式相结合,以太行山区为例开展研究,系统解析了太行山区地形、气候、土壤和植被的垂直地带性特征,构建了考虑垂直地带性的分布式水循环模型WEP-L,定量评估了山区水资源时空格局和演变规律。取得的主要结论如下:（1）总结了太行山区地形、气候、土壤和植被的垂直地带性特征。太行山区月降水量沿高程变化梯度介于-5.20～6.72mm/hm;月平均气温沿高程变化梯度介于-0.66～-0.48℃/hm,各坡向不一。山区5～9月植被覆盖度明显高于其他月份,8月份最高,在空间上的变化范围为14%～100%,2月份最低,变化范围为0.8%～97.8%。各月叶面积指数呈东南高、西北低的分布规律,变化范围为0.1～7.0。土壤饱和含水率介于40%～46%,田间持水率介于17.4%～29.3%,凋萎含水率介于7.7%～15.5%,单分子含水率介于3.5%～6.6%,饱和水力传导系数介于0.0007～0.0025cm/s,湿润锋吸力介于6.1～11.24cm。（2）提出了考虑垂直地带性的山区分布式水循环模拟方案。以月降水沿高程的变化梯度反映山地降水的垂直地带性;以分月、分坡向气温沿高程直减率以反映山地气温的垂直地带性;以子流域套等高带对500m分辨率的逐月植被盖度和叶面积指数的空间统计结果反映山地植被分布的垂直地带性;根据土壤质地百分比含量,采用线性加权法生成饱和含水率、田间持水率、残留含水率、饱和导水系数、单分子土壤含水率和湿润锋土壤吸力值栅格,以子流域套等高带对栅格的空间统计结果反映土壤水文参数的垂直地带性。根据崇陵小流域实验所得的土壤厚度与坡度的关系,结合山区地形坡度空间分布将土壤厚度概化为30～80cm。对改进的WEP-L模型进行了率定与验证,控制站河川径流量的验证结果表明改进模型对山区宏观水循环过程的刻画能力较好;改进模型对沁河干流上、下游的站点径流过程模拟效果的同步性得到了提升,且输出蒸散发量与遥感反演蒸散发产品在垂直带上的相关性更好,表明改进模型对山区垂向水循环过程的模拟效率得到了提升。（3）基于改进WEP-L模型的山区历史系列蓝水和绿水评价和时空格局分析。太行山区1956～2015年平均降水量702.2亿m3,蓝水118.2亿m3,绿水流578.1亿m3,高效绿水374.9亿m3。降水、蓝水与绿水流的季节排序为夏季>秋季>春季>冬季,高效绿水的季节排序为夏季>春季>秋季>冬季。山区蓝水和绿水的年际变化与降水具有同步效应,蓝水在年际间的波动性最强,绿水流最弱,降水系列的波动性略强于高效绿水。山区年降水量的变化速率为-1.78亿m3/年,蓝水变化速率为-0.92亿m3/年,高效绿水变化速率为1.90亿m3/年。蓝水系列的突变点发生在1979～1985年,高效绿水系列的突变点发生在2000年前后。山区降水、蓝水和高效绿水的Hurst指数分别为0.61、0.73和0.82,降水随机性最高,高效绿水随机性最弱。蓝水和高效绿水的Hurst指数均大于0.5,说明蓝水衰减、高效绿水增加的历史态势在未来延续的概率较大。山区蓝水比高效绿水更活跃,且海河片区蓝水对气象因子的敏感性高于黄河片区。（4）定量预估了气候变化对太行山区水资源时空格局的影响。RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5气候情景对太行山区2016～2050年多年平均降水量的预估值相比历史（1956～2015年）均值的增幅分别为-1%、3%和11%,预估年降水量年际梯度值在空间上的变化范围分别为0.21～0.38mm/年、0.21～0.40mm/年和0.23～0.42mm/年,高海拔地区年降水增加速率较高。预估的年平均气温比历史均值分别高出0.78、0.51和0.79℃;梯度值在空间上的变化范围分别为0.0028～0.0075℃/年、0.0027～0.0074℃/年和0.0028～0.0076℃/年,低海拔地区升温速率较高。三种情景下,预估蓝水均呈衰减趋势,较历史均值的相对变幅分别为-27.4%、-17.1%和-2.6%;高效绿水呈增长趋势,较历史均值的相对增幅分别为3 6.6%、40.7%和48.8%。垂直带的分析结果表明低海拔区域蓝水衰减现象更加突出,高海拔区域高效绿水的增长效应愈加明显。RCP8.5气候情景的分析结果表明,未来当预估降水比历史均值高出11%时,山区蓝水接近历史平均水平。本文的主要创新点如下:（1）提出了一种基于“天-地”融合数据的卫星降水降尺度校正方法,丰富了面向山区分布式模拟的降水数据展布技术;（2）提出了考虑垂直地带性的山区分布式水循环模拟方案,有针对性地改进了模型原有相关模块和参数化方案,提升了对山区垂向水循环过程的模拟能力;（3）基于分布式水循环模型解析了太行山区绿水和蓝水时空分布格局及演变规律,并定量预估了气候变化背景下山区未来水资源情势。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 杜军凯

导师: 贾仰文,仇亚琴

关键词: 山地,垂直地带性,数据融合,气候变化,绿水,蓝水,分布式水循环模型

来源: 中国水利水电科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国水利水电科学研究院

分类号: P333

总页数: 179

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