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我国东部地区气候变化模拟预测与典型流域水文水质响应研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 研究意义

1.2 气候变化及其对水文循环的影响

1.3 国内外研究进展

1.3.1 气候变化对水文水资源影响评价模型研究进展

1.3.2 气候变化对水循环影响的研究进展

1.3.3 气候变化对水环境影响的研究进展

1.3.4 气候变化对流域极端水文事件的研究进展

1.4 研究存在问题及发展趋势

1.5 研究内容和技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

第二章 研究区域及典型流域概况

2.1 浙江自然与经济概况

2.1.1 自然地理概况

2.1.2 地质地貌

2.1.3 气象气候

2.1.4 土壤和土地利用

2.1.5 水文水系

2.1.6 植被覆盖

2.1.7 社会经济状况

2.1.8 浙江自然灾害概况

2.2 长乐江流域自然与经济概况

2.2.1 自然地理状况

2.2.2 地质地貌

2.2.3 气象气候

2.2.4 土壤和土地利用类型

2.2.5 水文水系

2.2.6 植被覆盖

2.2.7 社会经济状况

第三章 浙江省水文气象要素变化特征的识别

3.1 气象水文要素变化特征识别方法

3.1.1 序列趋势识别方法

3.1.2 序列突变点识别方法

3.1.3 序列周期性识别方法

3.2 数据资料的收集

3.2.1 站点的选取

3.2.2 数据资料的获取

3.3 水文气象要素变化特征分析结果

3.3.1 气温序列趋势及突变识别结果

3.2.2 降水序列趋势及突变识别结果

3.3.3 水文气象要素周期性识别结果

3.4 本章小结

第四章 基于GCMs未来气候变化情秉的生成

4.1 未来气候变化预测方法

4.1.1 未来温室气体排放情景

4.1.2 大气环流模式的选择及其降尺度方法

4.2 基于SDSM的降尺度研究

4.2.1 统计降尺度模型原理

4.2.2 数据处理方法

4.2.3 SDSM预报因子的选择

4.3 模型的验证与率定

4.3.1 SDSM模型的检验

4.3.2 SDSM模型的验证

4.4 未来气候情境下温度和降水的变化

4.4.1 气温变化趋势分析

4.4.2 降雨变化趋势分析

4.5 未来气候情境下温度和降水空间分布变化分析

4.5.1 未来气候情境下温度空间分布变化分析

4.5.2 未来气候情境下降水空间分布变化分析

4.6 本章小结

第五章 气候变化对流域旱涝的影响分析

5.1 干旱和洪涝的定义

5.1.1 干旱的定义

5.1.2 洪涝的定义

5.1.3 干旱和洪涝指标的定义

5.2 常用的旱涝指标原理及等级划分

5.2.1 Z指数

5.2.2 Palmer干旱指数

5.2.3 SPI干旱指数

5.2.4 SPEI干旱指数

5.3 历史时期(1953~2013)旱涝特征分析

5.3.1 两种干旱指数比较分析

5.3.2 SPEI多时间尺度应用特性

5.4 未来气候变化旱涝预测结果分析

5.4.1 旱涝频率比较分析

5.4.2 干旱和洪涝空间趋势分析

5.5 本章小结

第六章 典型流域SWAT模型数据库构建、参数率定和模型验证

6.1 SWAT模型原理简介

6.1.1 SWAT模型的水文循环原理

6.1.2 SWAT气象模拟原理

6.2 SWAT模型的运行结构

6.3 SWAT数据库的构建

6.3.1 图形数据资料收集与处理

6.3.2 数据资料的建立

6.3.3 非点源污染源数据库建立

6.4 研究区域子流域和HRU的划分

6.5 SWAT模型参数敏感性分析

6.5.1 参数敏感性分析方法

6.5.2 参数敏感性分析结果

6.6 SWAT模型的率定与验证

6.6.1 适用性评价方法

6.6.2 径流的率定与验证

6.6.3 泥沙的率定与验证

6.6.4 养分的率定与验证

6.7 本章小结

第七章 气候变化对长乐江流域水文循环过程的影响

7.1 材料与方法

7.2 气候交化对降雨量的影响

7.2.1 降雨年际分布趋势

7.2.2 降雨年内分布趋势

7.3 气候变化对蒸腾蒸发的影响

7.3.1 蒸腾蒸发年际分布趋势

7.3.2 蒸腾蒸发年内分布趋势

7.4 气候变化对地表径流的影响分析

7.4.1 地表径流年际分布趋势

7.4.2 地表径流年内分布趋势

7.5 气候变化对地下水的影响分析

7.5.1 地下水年际分布趋势

7.5.2 地下水年内分布趋势

7.6 气候变化对土壤水分的影响分析

7.6.1 土壤湿度年际分布趋势

7.6.2 土壤湿度年内分布趋势

7.7 本章小结

第八章 气候变化对长乐江流域水质的影响

8.1 长乐江水质现状与评价

8.1.1 水质监测与分析

8.1.2 水质评价方法

8.1.3 贝叶斯水质评价原理

8.1.6 长乐江水质评价结果分析

8.2 未来气候情景下河流水质变化分析

8.2.1 未来气候变化对河流氮磷浓度的影响

8.2.2 未来气候变化对河流氮磷负荷的影响

8.3 本章小结

第九章 结语

9.1 主要结果与结论

9.2 主要创新点和特色

9.3 不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要成果

研究生期间获奖情况

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摘要

近百年来,人口数量剧增和温室气体排放量显著增高,导致了全球温度的普遍升高,社会各界已普遍关注气候变化对人类及其环境产生的影响。水循环作为气候系统中的重要部分,也受到气候变化的影响。而我国的水资源面临着洪涝灾害、干旱缺水和水环境恶化三大问题。在全球气候变化影响下,必将引起全球水文循环的变化,并对降水、蒸发、径流、土壤湿度等造成直接影响,将显著改变水文过程和水资源系统的结构,增加洪涝、干旱等极端灾害发生的强度和频率,进而使得区域水资源短缺问题更加突出,并将进一步影响生态环境与社会经济的可持续发展。因此,深入研究区域气候变化对水文水资源的影响,提出应对气候变化的水资源适应性管理策略,不仅在理论上可进一步完善气候变化影响的评价体系和方法,使得研究成果和结论更加确定、科学、可靠;而且对研究区域洪旱灾害及规律、指导防灾减灾、科学编制流域水资源开发利用以及水环境保护与恢复方案等方面具有重要意义,从而最大程度保证流域内社会经济环境可持续发展、维持河流健康生命。
  目前研究气候变化对水文过程影响的主要工具有全球气候模式(GCM)或者区域气候模式(RCM)、水文模型等。一般的步骤是首先通过GCM预估未来假定气候情景模式下全球气候变量的变化情况,但通常GCM的输出数据精度太低,不能满足流域尺度水文研究中较高分辨率的输入要求,如果直接使用则会产生较大误差。因此,通过降尺度方法包括统计降尺度(SDSM)和动力降尺度(RCM),输出更加精细的气候变化数据。然后将预估的气候变化数据输入到水文模型中如全球范围内应用非常广泛的SWAT模型,从而对研究区域未来水循环及水质水环境做出预估评价。
  本文通过气候变化对浙江省内水文水资源的影响及适应对策的研究,其主要研究内容及简要结论有以下几方面:
  (1)首先对过去近60年浙江省气象水文特征进行识别分析(包括趋势变化、突变和周期分析),理解气候变化对水文过程的影响及其导致水文水质变化的原因,从整体上把握研究区域气象水文要素的变化走向,分析总结宏观调整水资源变化规律进行,同时检验模拟识别的合理性。研究结果表明浙江地区近60年来(1954~2013)年均气温呈现出以0.115~0.259℃/10a显著的上升趋势,降水年际波动较大,无明显变化趋势;温度突变点主要发生在1990~2005年之间,降雨未发生明显的突变点。
  (2)为了考虑不同模式预测的不确定性,本研究采用3种全球气候模式(GCMs(HadCM3,CSIR-Mk2和CGCM2)A2和B2两种温室气体排放情景,通过用统计降尺度模型SDSM模拟预测了浙江省6个典型站点未来时期(2015~2099年)的温度和降水序列值,分析了21世纪中期和末期气温和降水变化规律和时空分布,为基于气候变化的流域水文过程评价提供比较可靠科学的基础数据。温度模拟结果和实测值拟合的相当好,模拟期内站点日平均气温平均确定性系数达到了0.90以上,相对而言,降水的整体模拟效果稍差,其平均确定性系数约为0.76。本世纪中期A2和B2情景下,平均气温将分别升高1.0~1.8℃和0.4~0.9℃,末期分别为3.0~4.2℃和1.4~2.4℃。
  (3)基于研究区气候变化的模拟结果,采用多时间尺度SPEI干旱指数分析了浙江近60年(1953~2014)干旱和洪涝的变化情况,并预测分析气候变化对未来时期(2015~2099年)旱涝频率发生的影响,研究干旱洪涝变化的年际与年内分布和趋势变化,揭示其发生演变规律,为制定合理的防汛抗旱政策提供科学依据。结果表明未来时期干旱有加重趋势,尤其是特旱;洪涝则稍有缓解趋势。浙江地区未来时期干旱频率由东向西呈升高趋势,而洪涝时空演变特征则与干旱相反。
  (4)选取浙江长乐江流域作为典型流域,收集和分析该流域的基础资料,包括流域DEM、土地利用、土壤、水文气象等资料,建立了SWAT水文模型数据库,利用流域的温度、降水、径流和水质资料,模拟了流域年、月各水文循环过程及水环境变化情况。结果表明:径流、含沙量和TN及TP模拟的月Ens≥0.5,R2≥0.6,同时,相对误差均在20%以内,结果令人满意,模型的拟合精度较好。说明SWAT模型可用于模拟长乐江流域的年、月各水文循环过程及水质演变情况。
  (5)最后用上述模拟的未来时期不同情景下的降尺度降水和温度数据驱动已经校验好的SWAT模型数据库,来研究未来时期不同气候变化情景对长乐江流域内水文水循环(地表径流、土壤湿度、地下水补给量、潜在蒸散发和实际蒸散发)过程以及水质水环境(TN和TP浓度及其负荷)的变化情况,为减少未来气候变化对河流水文水环境的不利影响制定出适应性减缓政策提供一定的参考依据。分析结果表明未来时期由于温度的增加引起蒸散发的增加,进而导致径流、地下水补给量出现不同程度的降低;TN浓度都较基准期高,而TP浓度则基本上无明显升高或减少趋势,而TN和TP负荷亦没出现显著的变化趋势。

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