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全球变化对西藏高原河川径流的影响及其模拟研究
Alternative TitleStudy on the Globle Change Impacts to the River Runoff of Tibet Plateau and Their Simulation
Language中文
沙玉坤
Thesis Advisor程根伟
2015
Degree Grantor中国科学院研究大学
Place of Conferral北京
Degree Name博士
Degree Discipline自然地理学
Abstract青藏高原号称地球第三极, 西藏是它的主体部分,区域地势高亢,平均海拔4000m以上。高原气候高寒干旱,主要植被是草甸草原或稀疏植被,冰川积雪分布广泛。西藏高原还是中国和亚洲大江河的发源地, 亚洲著名的长江、湄公河、萨尔温江、伊洛瓦底江、布拉普特拉河、恒河、印度河等均源于或流经西藏。在高寒干旱的环境下,本区河流具有高原特殊的水沙特性,水文过程变化平缓,河流泥沙含量较低,冰雪冻融对径流的影响大。最近二十年来当地经济发展迅速,同时也带来土地利用方式的转变,生态环境的变化显著,流域径流形成条件发生明显的变化。随着全球气候变暖、城镇化进程加速、防沙林、防护林建设,以及退牧还草政策的实施,高原土地利用方式将会发生更大的改变,原来的草原可能转变为裸地、林地或城镇、交通用地,土地利用变化和气候变化也将影响西藏各主要河流的产流特性。 本论文依托国家自然科学基金(No. 31070405)和中科院知识创新项目(KZCX2-XB3-08)支持,研究了西藏高原典型河流的径流特征,探讨了高原土地利用变化和气候变化的可能情景。针对高原河流的水文特点,利用地理信息系统技术,建立了反映高原流域特点的分布式生态水文模型。本文对西藏主要河流的水文特性进行了研究,分析了影响径流的主要因素,并将拉萨河流域作为研究区,通过对拉萨河流域的模拟和检验,验证了模型的适用性。研究中还利用该模型分析了气候变化及退牧还草、草原退化等土地利用变化对研究区水文过程的影响,为西藏高原的环境保护和生态工程建设提供了科学依据。概括起来,本论文的研究主要取得了以下成果: (1)构建了大尺度流域分布式生态水文模型。 大尺度分布式生态水文模型包括数字流域生成模块、降水径流计算模块和侵蚀产沙计算模块。数字流域采用基于DEM的自动河网生成技术,结合土地利用的遥感数据,构建了基于网格的流域和河流管理体系,为分布式水文模型的空间数据输入提供了自动化的手段。流域水文模型基于蓄满产流理论,结合了地表植被类型的生态水文机制,考虑了网格单元的植被类型(林、草、农、城、裸地)对降水截留和蒸散发的影响,降水径流计算模块具有较强物理机制,实现了对高寒地区大尺度流域主要水文过程的动态模拟。 (2)模型中融合了适应西藏高寒地区的积雪冻融模块 根据高寒地区活动层冻融过程特点,完善了地面积雪和冻土的冻融模型,分别以降水积雪气温和土壤水冻结气温为判定积雪融化形成和冻土融化形成的标准,将解冻期包气带分为解冻层(上层)和冻结层(下层),解冻层的土壤水容量为开始时的0到解冻完后的Wm之间是一个动态的变化过程,而冻结层则由Wm变化到0。在产流量计算中,以解冻锋面为界,上下层蓄水容量取变动值,以不同的方法扣损:上层按蒸发能力扣损,下层按消退函数扣损,分层计算起始蓄水量后,就得到与无冻期产流计算相一致的模式。 (3)水文模型中解决了数字流域的构建,提出了河网阈值确定方法 在数字流域构建中研发了基于DEM的自动化解析模型,将研究流域按自然子流域的形状进行了离散化处理, 利用DEM自动、快速地提取河网和划分子流域。其中基于形成河流的最小流量原理提出一种临界集水区阈值确定方法,较好地解决了阈值确定的唯一性与自动化难题,并在分布式生态水文模型中作为空间数据输入模块应用。 (4)通过情景模拟探讨了气候变化对拉萨河流域的水文效应。 根据IPCC的研究,模型中建立了3种气候变化情景来代表未来气候变化,利用模型模拟并探讨各气候变化情景下的流域水文效应。结果表明,气温上升及降雨增加的情况可明显增加研究区径流量,受降水增加的影响,总径流和壤中流均显著增加,而地下径流成分则无明显变化,设定的气候变化情景中,研究区洪水径流量均明显增加,而且温度和降水越高增加越明显。 ( 5)通过情景模拟探讨了土地利用变化对拉萨河流域的水文效应。 研究中通过设定不同的草地变化情景利用模型模拟了不同情景下研究区水文过程,结果表明,退牧还草可减少流域年总径流量,而草地退化使径流量和壤中流明显增加,从年内过程来看,退牧还草可降低湿季经流量,增加旱季径流,退牧还草和防护林建设可减少径流量和降低洪峰。草原退化明显减少研究区蒸散发量,径流量增加显著,对次洪有明显洪水放大作用。 (6)通过情景模拟探讨了气候变化和人类活动综合影响下的水文响应 本文设定未来情景模式分别为未来最可能、未来最理想、未来最不利三种未来情景,利用模型分别计算出这三种情景下水文效应,再与历史和当前的模拟结果相比较。未来三种情景下的月径流量随季节的变化十分显著,年径流量均大于历史情境和当前情景,而枯水期变化不大,丰水期变化明显,这与冻融过程以及影响冻融的未来气候变化(气温升高,降雨增大)和草地增加有关;当前情景的年径流量要小于未来不利情景下的径流量,说明在未来草地退化情形下,净雨(降雨扣除植被截留和蒸散发之后的量)形成的自由水增加,年径流量增加;从增幅效果上看,丰水期降雨量与径流量的增幅较为明显,说明径流量与降雨量具有较强的相关性。在未来气候变化方面, 降水变化对流域径流量的影响较大。 青藏高原号称地球第三极, 西藏是它的主体部分,区域地势高亢,平均海拔4000m以上。高原气候高寒干旱,主要植被是草甸草原或稀疏植被,冰川积雪分布广泛。西藏高原还是中国和亚洲大江河的发源地, 亚洲著名的长江、湄公河、萨尔温江、伊洛瓦底江、布拉普特拉河、恒河、印度河等均源于或流经西藏。在高寒干旱的环境下,本区河流具有高原特殊的水沙特性,水文过程变化平缓,河流泥沙含量较低,冰雪冻融对径流的影响大。最近二十年来当地经济发展迅速,同时也带来土地利用方式的转变,生态环境的变化显著,流域径流形成条件发生明显的变化。随着全球气候变暖、城镇化进程加速、防沙林、防护林建设,以及退牧还草政策的实施,高原土地利用方式将会发生更大的改变,原来的草原可能转变为裸地、林地或城镇、交通用地,土地利用变化和气候变化也将影响西藏各主要河流的产流特性。 本论文依托国家自然科学基金(No. 31070405)和中科院知识创新项目(KZCX2-XB3-08)支持,研究了西藏高原典型河流的径流特征,探讨了高原土地利用变化和气候变化的可能情景。针对高原河流的水文特点,利用地理信息系统技术,建立了反映高原流域特点的分布式生态水文模型。本文对西藏主要河流的水文特性进行了研究,分析了影响径流的主要因素,并将拉萨河流域作为研究区,通过对拉萨河流域的模拟和检验,验证了模型的适用性。研究中还利用该模型分析了气候变化及退牧还草、草原退化等土地利用变化对研究区水文过程的影响,为西藏高原的环境保护和生态工程建设提供了科学依据。概括起来,本论文的研究主要取得了以下成果: (1)构建了大尺度流域分布式生态水文模型。 大尺度分布式生态水文模型包括数字流域生成模块、降水径流计算模块和侵蚀产沙计算模块。数字流域采用基于DEM的自动河网生成技术,结合土地利用的遥感数据,构建了基于网格的流域和河流管理体系,为分布式水文模型的空间数据输入提供了自动化的手段。流域水文模型基于蓄满产流理论,结合了地表植被类型的生态水文机制,考虑了网格单元的植被类型(林、草、农、城、裸地)对降水截留和蒸散发的影响,降水径流计算模块具有较强物理机制,实现了对高寒地区大尺度流域主要水文过程的动态模拟。 (2)模型中融合了适应西藏高寒地区的积雪冻融模块 根据高寒地区活动层冻融过程特点,完善了地面积雪和冻土的冻融模型,分别以降水积雪气温和土壤水冻结气温为判定积雪融化形成和冻土融化形成的标准,将解冻期包气带分为解冻层(上层)和冻结层(下层),解冻层的土壤水容量为开始时的0到解冻完后的Wm之间是一个动态的变化过程,而冻结层则由Wm变化到0。在产流量计算中,以解冻锋面为界,上下层蓄水容量取变动值,以不同的方法扣损:上层按蒸发能力扣损,下层按消退函数扣损,分层计算起始蓄水量后,就得到与无冻期产流计算相一致的模式。 (3)水文模型中解决了数字流域的构建,提出了河网阈值确定方法 在数字流域构建中研发了基于DEM的自动化解析模型,将研究流域按自然子流域的形状进行了离散化处理, 利用DEM自动、快速地提取河网和划分子流域。其中基于形成河流的最小流量原理提出一种临界集水区阈值确定方法,较好地解决了阈值确定的唯一性与自动化难题,并在分布式生态水文模型中作为空间数据输入模块应用。 (4)通过情景模拟探讨了气候变化对拉萨河流域的水文效应。 根据IPCC的研究,模型中建立了3种气候变化情景来代表未来气候变化,利用模型模拟并探讨各气候变化情景下的流域水文效应。结果表明,气温上升及降雨增加的情况可明显增加研究区径流量,受降水增加的影响,总径流和壤中流均显著增加,而地下径流成分则无明显变化,设定的气候变化情景中,研究区洪水径流量均明显增加,而且温度和降水越高增加越明显。 ( 5)通过情景模拟探讨了土地利用变化对拉萨河流域的水文效应。 研究中通过设定不同的草地变化情景利用模型模拟了不同情景下研究区水文过程,结果表明,退牧还草可减少流域年总径流量,而草地退化使径流量和壤中流明显增加,从年内过程来看,退牧还草可降低湿季经流量,增加旱季径流,退牧还草和防护林建设可减少径流量和降低洪峰。草原退化明显减少研究区蒸散发量,径流量增加显著,对次洪有明显洪水放大作用。 (6)通过情景模拟探讨了气候变化和人类活动综合影响下的水文响应 本文设定未来情景模式分别为未来最可能、未来最理想、未来最不利三种未来情景,利用模型分别计算出这三种情景下水文效应,再与历史和当前的模拟结果相比较。未来三种情景下的月径流量随季节的变化十分显著,年径流量均大于历史情境和当前情景,而枯水期变化不
Other AbstractTibet is the main part of Tibetan Plateau that is known as the third pole of the earth. It has the high terrain, with an average altitude of more than 4000m. Its climate is cold and arid. It is an area, such as a prairie or meadow, of grass or grasslike vegetation. Ice and snow are widely distributed in Tibet. Asia's famous Yangtze River, Mekong River, Wenjiang River, Irrawaddy, Ganges River, India River were derived from or through Tibet. In the cold and arid environment, the rivers of Tibet have the characteristics of water and sediment of the plateau, including the hydrological process changing smoothly, low silt content of river, freezing and thawing effect on the flow. In the last twenty years the local economy has not only rapid development, but also great change in land use , ecological environment and the runoff. With the global climate warming, the accelerated process of urbanization, construction of protection forest, and the implementation of grassland restoration policy, great change happen to the land use. The original grassland may be transformed into bare land, woodland and urban, land use. Land use change and climate change will also affect the Tibet’s River runoff characteristics. This doctoral dissertation relies on the National Natural Science Foundation of China (No. 31070405) and the knowledge innovation project of the Chinese Academy of Sciences (KZCX2-XB3-08). This research on the runoff characteristics of Tibet River on the plateau, land use change and climate change scenarios was done. According to the hydrologic characteristics of the plateau river, using GIS technology, a distributed eco-hydrological model to reflect the characteristics of the plateau basin has been established. In this dissertation, the Lhasa River Basin, as the study area, through the simulation and test of the Lhasa River Basin, verified the applicability of the model. The study also uses the model to analyze effects of the climate change and land use change on hydrological processes, and provide a scientific basis for the environmental protection and ecological construction in Tibet. To sum up, this dissertation has made the following main results: (1) The distributed hydrological model in large-scale basin is built in the thesis. The large scale’s distributed eco-hydrological model consists of digital watershed generation module, rainfall runoff calculation module and soil erosion and sediment yield module. Digital watershed module includes automatically generating river network technology based on DEM, using the remote sensing data of land use, construction of the grid basin and river management system based on distributed hydrological model, the input are provided automatically. Hydrological runoff model based on the theory of runoff yield under saturated storage, considering the vegetation types of grid cell (forest, grass, agriculture, city, bare land) and the effect on rainfall interception and evapotranspiration.Rainfall runoff calculation module has a strong physical mechanism, realized the dynamic simulation of the main hydrological process in large scale watershed in alpine region. (2) Snow freeze-thaw module in alpine region is established in model According to characteristics of alpine region and thawing process, respectively in the model the snow and soil freezing temperatures to determine formation and melting form the standard. In thawing period vadose zone can be divided into thawed layer (upper) and freeze layer (lower), at the beginning, soil water capacity on the thaw layer to thaw between 0 and Wm is a dynamic process of change, while frozen layer from Wm to zero.In flow-production calculation, unfreezing frontal surface is bounded, the loss of the upper and lower water storage capacity is in a different way: evaporation capacity loss on the upper, regression function loss on the lower, after initial storage capacity, runoff calculation model get consistent with no frozen period’s. (3) The threshold
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.imde.ac.cn/handle/131551/15057
Collection山地表生过程与生态调控重点实验室
Affiliation成都山地灾害与环境研究所
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GB/T 7714
沙玉坤. 全球变化对西藏高原河川径流的影响及其模拟研究[D]. 北京. 中国科学院研究大学,2015.
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