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本文所研究的黄河源区是指唐乃亥以上的流域,黄河源区是黄河的主要水源地,水量丰富,其径流量占全流域的35%以上,有黄河“水塔”之称,唐乃亥以上的黄河源区。同时黄河源区也是“三江源”的重要组成部分,在国内是国家的重点保护区,在国际上更是全球变化关注的焦点地区,20世纪90年代黄河断流,黄河径流量显著减少,水资源可持续性发展的课题摆在了我们的面前。
本文的主要目的是研究径流变化的成因,为维系健康的河流提供理论依据。为了能够达到这一研究目的,我们收集和处理了1956-2000年相关的气象数据、水文数据以及其它土壤、植被等多源数据,在对水量平衡方法改进的基础上,应用这一方法分割了黄河源区的径流成分,并在此基础上统计分析了气候变化对径流成分影响。在对大尺度水文模拟影响因子分析的基础上,以气象、大气模式(GCM)输出为输入模拟并预测了黄河源区的径流变化。本文主要在以下几个方面的研究取得了进展:
1)改进了基流分割方法
根据黄河源区地表水和地下水的转换关系以及黄河源区气候特征,对基于水量平衡的加里宁基流分割方法进行改进,首次将最小二乘法应用于基流分割中。对于改进后的方法,分析了其参数B的物理意义、B与基流指数(年基流量与径流量的比值)之间的关系。
2)探索了黄河源区基流变化成因
黄河源区多年平均径流量为203.8亿m3,基流所占的比例较大,多年平均基流指数为0.65。90年代降水的减少导致了基流的减少。10年时间尺度上降水的减少导致了基流指数的增加。年平均气温的升高是吉迈-玛曲区间基流下降的原因。在吉迈-玛曲区间,90年代基流减少的速度大于直接径流减少的速度,温度在10年时间尺度对于基流的影响要大于对于直接径流的影响,这可能与气温上升,导致冻土上限下降,补给基流的土壤水、地下水减少有关。玛曲-唐乃亥区间基流指数从60年代至90年代,基流指数不断增大。
3)揭示了黄河源区径流系数的变化
90年代径流径流系数降低了。黄河源区的径流系数和降水量成正比,和气温成反比。90年代降水减少和气温的大幅度升高使得黄河源区的径流系数降低。区间分析表明,不同的子流域气温和降水对径流系数的影响不同,在吉迈以上区间,年气温比较低,气温是影响径流系数的主要因子;在吉迈-玛曲区间,直接径流/降水主要受降水的影响,总径流/降水、基流/降水随着到降水增加而升高,随着气温升高而降低;在玛曲-唐乃亥区间,径流系数随着降水量的增加而增加,直接径流/降水随着气温主要的升高而降低。
4)提出了径流成分变化的新数据
90年代黄河源区径流显著减少。和80年代相比,90年代玛多以上流域年径流深减少了22.7mm,玛多-吉迈区间减少了26.8mm,吉迈-玛曲区间减少83.1mm,玛曲-唐乃亥区间减少了69.1mm。整个研究区,年平均气温显著增加。玛曲以上区间和整个研究区面平均气温暖季变化较小,然而冷季气温显著升高。在90年代,冷季和暖季气温均显著上升,玛曲-唐乃亥区间为增幅最大的区间。玛多以上流域,气温是径流和基流变化的主要影响因素。降水的空间格局变化,即90年代玛多以上区间降雨增加,吉迈-唐乃亥区间降水显著减少,是径流减少的重要原因。
5)分析了大尺度水文模拟影响因子
选取卢氏流域,分析战网密度对模拟径流量的影响,模拟的产流量和产沙量相对误差并非均匀增加,测站设置数有一个饱和的上限,同样测站的数目也有一个下限。
基于VIC-3L模型以日的强迫资料为输入,分析了VIC-3L在黄河源区的适用性,结果表明,VIC-3L模型能够在月、年尺度上能很好的模拟本区域的径流过程,但是在日尺度上,虽然能够较好的模拟径流过程的趋势变化,但是不能准确模拟的模拟逐日过程。
6)定量计算了气候变化和土地覆被变化对径流的影响分析
土地利用数据表明,黄河源区生态退化严重。SWAT模型模拟表明,60年代变化到80年代,气候变化对径流变化的影响为128.06%,土地利用变化对径流变化的影响为-5.56%;70年代到90年代气候变化对径流变化的影响为-65.15%;土地覆被变化对径流变化的影响为15.45%。黄河源区70年代和90年代降水分别为516.7mm,518.8mm,90年代降水的时空分布发生了变化,是径流减少的主要原因。70年代到90年代,气候变化的水文效应大约为65%~80%,土地利用变化的影响大致为6%~16%,由于生态退化,冻土融化等的水文效应大约为14%~20%。
7)作出了气候变化对径流影响的预测
2020年以前径流量基本上是小幅振荡;未来50 a内径流量的衰减幅度一般在-10%以内;2050年后,随着气温的快速攀升,径流量平均每10 a减少3%以上;2060年以后,B2情景的径流量基本稳定,A2情景的径流量则加速下降。