多變量視角下渭河流淢水文對變化環(huán)境的響應(yīng)研究.pdf

1、在氣候變化和人類活動的雙重影響下，渭河徑流量顯著減少，進(jìn)一步加劇了渭河流域的水資源供需矛盾。本文開展多變量視角下渭河流域水文響應(yīng)研究，以期更為合理、系統(tǒng)、全面地揭示變化環(huán)境下渭河流域的水文響應(yīng)特征。進(jìn)一步了解變化環(huán)境下渭河流域的水文水資源的演變規(guī)律，可為該區(qū)域的水資源管理、防汛抗旱和流域規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文從多變量的視角出發(fā)，研究降雨集中度與降雨結(jié)構(gòu)的時空變化特征，潛在蒸發(fā)量的時空變化特征，降

2、雨徑流關(guān)系與降雨氣溫關(guān)系的變異診斷，兩變量的干旱頻率及風(fēng)險(xiǎn)評估，以及旱澇互轉(zhuǎn)組合事件的概率特征，系統(tǒng)且全面地研究了變化環(huán)境下的渭河流域水文響應(yīng)特征。本文取得主要研究成果如下：
　　(1)采用基于日、月降雨數(shù)據(jù)的降雨集中度指標(biāo)(CID與CIM)，揭示了渭河流域的降雨結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明：1～3天降雨事件因其具有最大的降雨貢獻(xiàn)率，大概占總降雨量的60．7％，成為渭河流域的主導(dǎo)降雨事件。短歷時的降雨場次及雨量貢獻(xiàn)率均有上升的趨勢，而長歷時

3、的降雨場次及雨量貢獻(xiàn)率均有下降的趨勢，表明渭河流域的降雨有更加集中的趨勢。
　　(2)引入了一種計(jì)算單變量和兩變量的非參數(shù)的Kernel核函數(shù)頻率計(jì)算方法，有效替代了經(jīng)驗(yàn)方法和參數(shù)方法?；谟邢蛐畔鬏斨笖?shù)(DITI)計(jì)算站點(diǎn)之間的相似度，將熵理論和K聚類分析方法有機(jī)結(jié)合，用于渭河流域基于潛在蒸發(fā)量的分區(qū)研究。結(jié)果表明：渭河流域的年潛在蒸發(fā)量有上升的趨勢，主要是不斷上升的氣溫和不斷下降的相對濕度共同作用的結(jié)果。整個流域被分為8個潛

4、在蒸發(fā)量的時空分布特征差異比較明顯的分區(qū)。
　　(3)采用改進(jìn)的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法，研究了渭河流域的氣象水文要素的變化趨勢。結(jié)果表明：渭河流域的年降雨量有不顯著的下降趨勢，而年實(shí)測徑流量有顯著的下降趨勢，并通過了99％的置信度檢驗(yàn)。年潛在蒸發(fā)量有不顯著的上升趨勢，而年氣溫有顯著的上升趨勢，且通過了99％的置信度檢驗(yàn)。
　　(4)提出了一種基于Copulas的兩變量水文要素關(guān)系的變異診斷方法，診斷了降雨與徑流關(guān)

5、系的可能變異點(diǎn)。結(jié)果表明：渭河流域的降雨徑流關(guān)系變異點(diǎn)歸納起來可分為三類：二十世紀(jì)七十年代早期、八十年代晚期和九十年代中期。從氣候變化的角度來說，不斷升高的氣溫和先減小后增加的潛在蒸發(fā)量的共同作用對渭河流域降雨徑流關(guān)系的變異點(diǎn)的產(chǎn)生有重要的影響；從人類活動的角度而言，降雨徑流關(guān)系的變異點(diǎn)出現(xiàn)在二十世紀(jì)七十年代早期，八十年代晚期以及九十年代中期的主要原因分別是水利工程的建設(shè)和水土保持措施的實(shí)施，有效耕地面積的不斷增加以及水資源消耗量的不斷

6、增加。渭河流域的降雨徑流關(guān)系有弱化的趨勢，其中不斷增強(qiáng)的人類活動是渭河流域降雨徑流關(guān)系變化的主導(dǎo)因素。
　?。?）采用改進(jìn)的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法與K聚類分析法，揭示了基于降雨與氣溫關(guān)系的渭河流域?qū)ψ兓h(huán)境的水文響應(yīng)特征；提出了基于Copulas的兩變量水文要素關(guān)系的變異診斷方法，診斷了降雨與氣溫關(guān)系的可能變異點(diǎn)。結(jié)果表明：渭河流域有暖干化的趨勢。整個渭河流域被劃分為3個均質(zhì)的子區(qū)域，各個分區(qū)內(nèi)降雨分布的集中度無明顯變

7、化趨勢，表明渭河流域不斷升高的氣溫對降雨結(jié)構(gòu)的影響要小于其對降雨量的影響。渭河流域中部和東部的降雨氣溫關(guān)系在1966-2001年間沒有什么變化，而流域西部的降雨氣溫關(guān)系有輕微的變化?？傮w上，渭河流域的降雨氣溫關(guān)系沒有明顯的變異點(diǎn)。
　?。?）采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)標(biāo)準(zhǔn)，揭示了渭河流域的干旱特征；建立干旱歷時和干旱嚴(yán)重程度的聯(lián)合累積概率分布函數(shù)，計(jì)算了渭河流域兩種干旱情景下的兩變量聯(lián)合重現(xiàn)期，包括“或”和“且”聯(lián)合重現(xiàn)期。結(jié)果

8、表明：流域西部和北部除環(huán)縣周邊地區(qū)以外的干旱風(fēng)險(xiǎn)較低，而流域東部和南部以及環(huán)縣周邊地區(qū)的干旱風(fēng)險(xiǎn)較高。
　?。?）采用改進(jìn)的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法和小波分析，分別計(jì)算關(guān)中平原SPI序列的變化趨勢與周期；同時，采用交叉小波分析，揭示了關(guān)中平原旱澇狀況和太陽黑子活動之間的聯(lián)系。結(jié)果表明：渭河流域關(guān)中平原在非汛期有干旱化的趨勢，而在汛期有濕潤化的趨勢，這將進(jìn)一步增加當(dāng)?shù)厮Y源管理的難度。關(guān)中平原的旱澇狀況有20年左右的主周期

9、和7年左右的次周期。關(guān)中平原的旱澇狀況與太陽黑子活動在1983-1997年間有8-12年周期的顯著的正相關(guān)關(guān)系，在1965-1973年間有9-12年周期的顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，太陽黑子活動對關(guān)中平原的旱澇周期有較強(qiáng)的影響。
　?。?）采用貝葉斯Copulas選擇法，從Clayton、 Frank以及 Gumbel Copulas函數(shù)中選取最合適的Copulas函數(shù)，擬合了鄰近季節(jié)間的旱澇組合事件的聯(lián)合重現(xiàn)期。最后，采用最適合的G