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黑河流域上中游地区典型生态水文要素对气候变化的水利工程响应

时间:2018-08-24 18:57来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程需要修建坝、堤、溢洪道、水闸、进水口、渠道、渡漕、筏道、鱼道等不同类型的水工建筑物,以实现其目标。
本文是一篇水利工程论文,水利工程需要修建坝、堤、溢洪道、水闸、进水口、渠道、渡漕、筏道、鱼道等不同类型的水工建筑物,以实现其目标。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景和意义
1.1.1 全球气候变化
近年来,随着世界工业化进程的推进,全球碳排放量增加,温室效应逐渐增强进而导致的气候变化问题已经引起了社会各界的广泛关注,为此专门成立的政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)已在 2013 年发布了第五次评估报告。报告指出世界各地都在发生气候变化,而气候系统变暖和海平面上升是毋庸置疑的。相比之前的评估报告,这次报告更为肯定地指出,自 20 世纪中期以来导致气候变暖的主要原因是温室气体排放以及其它人为因素。植被作为气候变化和人类活动最重要的影响要素之一,是人类赖以生存的物质和环境主体,是链接水文过程和生态过程的重要载体,因此研究植被如何响应全球气候变化也是全球变化研究的核心问题(Kong et al., 2017; Marquer et al., 2017; Vanneste et al.,2017)。植被的结构、组成、类型和空间分布格局将随着气候的变化而变化进而影响流域的生态过程和水文过程(Qinetal.,2017;何霄嘉,2016)。一方面,植被通过根系吸水、蒸腾、截留等过程参与水循环;另一方面,土壤水、气象要素、二氧化碳浓度等因素对植被生长动态产生影响,而这种影响又通过水分运移过程反馈于流域水循环,进而对流域的水文循环过程和水资源量的时空分布产生影响。因此,评估长时间序列气候变化对流域水资源的影响时,必须考虑植被未来的变化趋势(邓欢欢,2013)。
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1.2 研究进展
 
1.2.1 黑河流域生态水文过程研究进展
生态水文学作为新兴学科在我国起步较晚,由于缺少完整的理论研究框架和可靠公认的方法体系,对黑河流域生态水文过程系统性的研究尚显不足。黑河流域属于典型的寒区旱区流域,生态系统对水资源的时空变化非常敏感,然而前人研究多侧重于对黑河流域的水文或生态单一方面进行研究,仅对典型植被类型区进行观测和研究,如荒漠、绿洲、林地等区域。这些试验研究构成了黑河流域生态水文研究的主要内容。对黑河流域生态需水量的研究是近年来生态水文领域中比较热门的话题。在受水分胁迫的干旱荒漠生态系统中,水分是制约植物生长和繁殖的主要因子,决定着干旱区的生态环境演化过程:水分充足则向绿洲化进程发展,反之则向荒漠化发展。在干旱区内陆河流域,人为改变水资源的时空配置夺取了本属于植被生态和其它生命的水,因此生态需水问题是水资源管理方面的重要议题。通过对生态需水量的研究,能够分析人类活动对生态需水的挤占程度,从而为生态恢复与水资源合理配置提供科学依据。赵文志(2001)等提出了一系列生态需水量的概念,包括临界生态需水量、最适生态需水量和饱和生态需水量,并给出了相应的确定方法。除此之外,相关学者还研究了黑河流域植被在水文过程中的作用。根据何志斌(2005)的研究,黑河上游的山区斑块森林是水分的主要耗散区,斑块面积的增加会导致流域径流量减少。金博文(2003)、张济世(2004)等也进一步探究了黑河流域山区水涵养林在水文过程中的作用。对黑河流域生态系统的动态模拟是研究黑河流域生态水文过程的最佳手段之一,但学者们比较集中于对“过去”时段的研究,通常集中研究生态水文过程变化的驱动因素分析,多采用统计学方法并结合模型设置生态水文过程未受影响的情景与实际情况作对照,分析生态水文要素变化规律,最终确定影响生态水文过程的主要因素。宋鹏飞(2014)将地下水水位与NDVI(归一化植被指数)相结合,构建相关回归方程,定量评价了黑河流域1998-2008年生态环境状况。赵军(2014)根据综合顺序分类法(IOCSG)对黑河流域过去近50年的潜在植被演替及生态环境变化进行了相关研究,分析得出由于黑河上中游气候变暖的速度大于变湿的速度,使得潜在植被向暖湿的植被类型发展,导致流域内植被类型不断退化。程春晓(2016)利用CASA模型探究了黑河在实施调水与生态保护建设后(2002-2007年),人类活动对流域内NPP增长的平均贡献率。但学者们对“未来”时段黑河流域内的生态水文过程研究尚较欠缺,彭红春(2007)根据过去实测站点数据设置了未来三种情景数据,利用TESim模型在黑河流域进行模拟,分析生态要素变化,得出不同植被类型的动态变化情况。综上,黑河流域内的生态水文过程研究较为偏向某一单一过程且集中于过去时段,对未来气候变化的响应研究还较为缺乏。
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2 研究区概况
 
2.1 自然地理概况
黑河流域是我国干旱区流域面积第二大的内陆河流域,流域面积14.29万km2,干流全长821km。它发源于祁连山北麓,流域东与石羊河流域相邻,西与疏勒河流域相接,北至内蒙古自治区额济纳旗境内的居延海,并与蒙古人民共和国接壤。流域范围介于东经98~102°,北纬37.83~42.67°之间,横跨青海、甘肃、内蒙古三省(自治区),本文研究区为黑河上中游流域,位置如图2-1,面积约为6万km2。黑河上游河长303km,集水面积约1万km2,是黑河流域的主要产流区,也是本文的研究区之一。该区域河床陡深,河岸两旁多为高山深谷,海拔大约在1.7~5.6km之间,气候阴寒湿冷,但植被覆盖较好,多年平均气温低于2℃,年降水量达350mm。黑河中游流域为莺落峡至正义峡部分,中游河长185km,流域面积2.56万km2。该区河岸两旁地势平坦,光热资源充足,年日照时数可达3000-4000h,但干旱严重,年降水量仅有140mm,年蒸发能力达1410mm,多年平均气温在6~8℃之间,人工绿洲面积较大,部分地区土地盐碱化严重,是黑河流域水量主要耗散区,也是本文研究区之一。黑河下游是指正义峡以下流域,下游河长333km,面积为8.04万km2,除河流沿岸和居延三角洲外,大部分为沙漠戈壁,是生态环境最脆弱的地区。该区偶有出现极端天气,极端最低气温低于-30℃,极端最高气温超过40℃,多年平均气温介于8~10℃之间,年降水量仅47mm,年日照时数3446小时,年蒸发能力高达2250mm,属极端干旱区,风沙危害十分严重,为我国北方沙尘暴的主要来源区之一(李占玲,2012)。
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2.2 气候气象条件
黑河流域地处西北内陆,属于温带半干旱半湿润气候,多年平均气温约为12℃,多年平均相对湿度61~72%,多年平均蒸发量为1000~1200mm,平均潮湿系数0.6左右,属湿度适中带。流域内以偏东风为主,风力较小,一般为1~2m/s。黑河流域降水量丰沛,但时程分布不均匀,多分布在降雨强度大的夏季,6-10月总降雨量约占全年的70%,其余月份的降雨量很少,基本处于干旱无雨状态。黑河流域受西风带环流和极低冷气团影响,导致流域降水分布不均,日夜温差较大。由于冷空气活动频繁,黑河流域夏季炎热冬季严寒,春季气温升高迅速,同样秋季气温降低也很迅速。其次黑河流域干季湿季差别明显,春季、秋末和冬季降雨少,夏季初秋降雨多。
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3 研究方法..... 10
3.1 LPJ-GUESS 模型 ............ 10
3.2 黑河流域本地化参数设置....... 12
3.2.1 模型模块参数设置......... 12
3.2.2 植被功能型参数设置..... 13
4 LPJ-GUESS 模型对研究区历史时期生态水文要素的模拟 .... 15
4.1 数据来源及预处理......... 15
4.2 模拟结果的检验方法..... 20
4.3 植被分布格局的模拟..... 21
4.4 叶面积指数的模拟......... 23
4.5 净初级生产力的模拟..... 27
4.6 小结............. 31
5 研究区生态水文要素在未来不同气候情景下的响应............. 32
5.1 未来不同气候变化情景........... 32
5.2 研究区未来气候情景数据来源及预处理............. 32
5.3 研究区未来气候变化情景分析......... 36
5.4 植被分布格局的变化..... 39
5.5 叶面积指数的变化......... 41
5.6 净初级生产力的变化..... 41
5.7 小结............. 43
 
5 研究区生态水文要素在未来不同气候情景下的响应
 
气候变化所导致的水热条件与气候因子变化必然会影响自然生态系统,进而影响植被的组成和分布,黑河流域的自然环境和气候条件特殊,气候变化所带来的扰动更易导致生态系统格局发生改变,而植物又是水循环中不可或缺的一部分,因此评估气候变化对其影响,不仅可为黑河流域的生态环境建设和气候变化适应提供依据,还可以为该区域的水资源保护提供依据。本文将研究时段分为五个时期:历史时期(1979~2010 年),2030s(2011~2040 年),2050s(2041~2060 年),2070s(2061~2080 年),2080s(2081~2100 年)。拟通过这五个时期来对比研究黑河上中游流域生态系统对气候变化的响应。
 
5.1 未来不同气候变化情景
气候情景是以一系列科学假设为前提,对未来气候状态时空分布的合理描述。IPCC从1990年至今,每间5年会发布一次对未来气候变化的评估报告。2013年,IPCC发布了第五次报告,其改变了之前的评估场景,对于碳排放预算提出了一种新的场景假设,其中有四个新的场景即RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5。RCP(代表浓度路径)是综合考虑经济、技术、人口及政策制度变化等影响下的结果。RCP2.6表示大气辐射强迫将在2100年之前达到峰值3W·m-2,并在其达到峰值后不断减小;RCP4.5表示辐射强迫将在二十一世纪中叶达到4.5W·m-2,并在2100年之后保持稳定;RCP6.0表示辐射强迫会持续增加至6W·m-2,并在2100年之后保持稳定;RCP8.5表示辐射强迫将持续不断的增大,在2100年达到8.5W·m-2,并在其后继续增大(Van Vuuren,2011)。本文所使用的是RCP4.5和RCP8.5,是学者们研究未来变化环境最常使用的两个情景(郭亚奇,2013;左其亭,2015;黄金龙,2016;Suietal.,2014;FixMirandaetal.,2018),并且RCP4.5情景相比较RCP8.5情景是一个更稳定的发展情景(Van Vuuren,2011)。
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结论
 
通过本文的研究工作,可以得到以下几点主要结论:
(1)将参数本地化的 LPJ-GUESS 模型模拟结果与实测数据、遥感数据和前人研究成果对比,模拟效果较好。从植被模拟来看,模型能够准确模拟出研究区的植被类型,包括:温带落叶阔叶林(TeBS),寒带落叶阔叶林(BNS),寒带常绿针叶林(BNE),温带草本(TeH)和寒性草本(CoH)。由于黑河上游流域受人类活动影响较小,上游植被分布格局模拟效果明显优于中游地区。从 LAI 模拟结果来看,模拟得到研究区 LAI与遥感实际反演 LAI 确定性系数(R2)为 0.78(p<0.01),MAE 为 0.43,MRE 为 36%,主要误差出现在植被覆盖度低的冬季。从 NPP 模拟结果来看,上游地区模拟效果优于中游地区,总体模拟结果略大于前人研究成果,模拟效果较好。因此,经参数本地化的LPJ-GUESS 模型在黑河上中游流域有较好的适用性,本文对模型模块参数和 PFTs 生理限制参数的设置可为模型用于其他寒旱区流域研究提供参考。
(2)历史时期(1979-2010)气候变化下的黑河上中游流域,模拟得到多年平均 LAI为 8.39,年际变化总体呈递增趋势。年内 LAI 变化显著,峰值出现在 8 月,研究区平均 LAI 为 1.15,变化趋势与年内气温和降水变化趋势保持一致。无论是年际尺度还是年内尺度,LAI 对两者变化的响应均有滞后。模拟得到黑河上中游流域多年 NPP 总量为 10.47Tg·a-1,年平均 NPP 为 135.6g·m-2·a-1,属于极低生产力地区,年际变化总体呈上升趋势。年内 NPP 变化与降水和气温变化趋势保持一致,未出现迟滞,峰值出现在 7 月,研究区平均 NPP 为 27.2g·m-2。模拟得到各植被功能型的 NPP 除了两种草类在同一值附近震荡,没有明显趋势外,其它树木类植被功能型均表现为较为明显的上升趋势,其中 TeBS(温带落叶阔叶林)的多年平均 NPP 最高,为 47.7 g·m-2·a-1,BBS(寒带落叶阔叶林)的多年平均 NPP 最低,为 7.8 g·m-2·a-1。
(3)未来时期(2011-2100)气候变化使黑河上中游流域的水热条件发生改变,RCP4.5 情景和 RCP8.5 情景下的研究区年平均气温和年平均降水量都明显增加,且RCP8.5 情景的增量均大于 RCP4.5 情景。与历史时期相比,2080s 时期 RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下研究区的年平均气温分别增加 353%、218%,年平均降水量分别增加 16%、23%。从植被来看,两种气候变化情景下的研究区植被分布格局和构成改变明显,但植被类型变化不大。从 LAI 来看,黑河上中游流域未来的 LAI 总体变化呈上升趋势。在RCP4.5 情景下,至 2070s 时期黑河上中游流域的生态系统趋于稳定;而在 RCP8.5 情景下,黑河上中游流域的植被一直在不断生长扩张。从 NPP 来看,两种气候变化情景下所有植被类型的 NPP 较历史时期均有所增加,但不同情景同时期较上一时期的变化趋势和变化幅度有不同,而且除了对环境适应能力较强的 BNE 的 NPP 持续增加外,所有寒带植被类型包括 BBS 和 CoH 的 NPP 在 21 世纪后半叶都有不同程度的减少。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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