气候变化对黄河支流泾河水资源的影响毕业论文.doc

'气候变化对黄河支流泾河水资源的影响毕业论文目录摘要IIIAbstractIV第一章综述11.1选题依据及研究意义11.2气候变化对水资源影响的研究进展21.2.1气候变化的原因21.2.2国内外气候变化对水资源影响的研究成果31.3研究内容、方法和技术路线51.3.1研究内容61.3.2技术路线61.3.3研究方法7第二章泾河流域概况112.1地形地貌112.2气候122.3地质与土壤132.4植被132.5水文与水土流失132.6社会经济142.7泾河流域的主要生态环境问题142.7.1水土流失严重142.7.2植被退化15 2.7.3水资源短缺152.7.4环境污染严重152.7.5耕地面积骤减16第三章泾河流域气候变化特征173.1泾河流域降水量变化的基本特征173.1.1泾河降水量年际变化趋势173.1.2降水量年内变化分析183.1.3泾河流域降水的突变分析21第四章泾河径流量的变化特征234.1泾河径流的年际变化234.1.1泾河的年径流量的年际极值比234.1.2泾河径流量年际变化234.2泾河径流量的年内变化244.2.1径流量的年内变化特征244.2.2径流年内分配不均匀系数254.2.3年径流量的变差系数264.3泾河流域径流量的突变分析264.4降雨径流一致性分析28第五章气候变化对泾河径流量的影响30第六章结论与分析326.1结论326.1.1用线性趋势法分析结果326.1.2用累积距平法（CA）分析结果326.1.3用Mann-Kendall方法分析结果326.1.4建立一元回归方程模型检验降雨量和径流量的关系分析结果336.1.5径流年内分配不均匀系数及年径流变差系数分析336.1.6降雨径流双累积曲线检验降雨径流的一致性分析336.2分析34参考文献35 致谢36附录1翻译1程序界面1第一章 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响第一章综述1.1选题依据及研究意义水资源是国家的重要资源，国计民生谁也离不了它，随着国民经济的发展，对水的需求量迅速增大，各部门之间的用水矛盾可能增加。展望未来，水资源正日益影响全球的环境和发展，甚至可能导致国家之间的冲突。河川径流作为水资源最主要的来源，是支撑社会、经济、生态环境和人类社会可持续发展的基础。自20世纪以来，由于全球气候变化和人类活动，特别是经济发展、认识能力、科技水平等诸多因素的影响，河川径流已经发生了很大的变化，目前包括河川径流在内的水资源安全受到了极大的威胁。我国的水资源问题主要表现在：北方干旱缺水、水资源供需矛盾突出，南方水灾害频发，全国人均水资源占有量偏少，干旱地区尤其显著。近100年来，我国平均气温升高0.6±0.1℃，冬季增温明显。1950～1997年近50年的实测降水资料，20世纪80年代，华北地区持续偏旱，京津地区、海滦河流域、山东半岛每10年平均年降水量偏少10%～15%；90年代，黄河中上游地区、汉江流域、淮河上游、四川盆地平均年降水量偏少5%～10%。未来的气候变化将有可能进一步加剧我国水资源的供需矛盾和洪涝、干旱灾害的发生几率，引起更加严重的环境问题。预测到2020年，我国年平均气温可能增加1.1～2.1℃，年平均降水量可能增加2～3%，降水日数在北方显著增加，降水区域差异更为明显。由于平均气温增加，蒸发增强，总体上北方水资源短缺状况将进一步加剧；未来极端天气气候事件呈增加趋势。随着工农业现代化的飞速发展和环境问题的突出，水资源将成为制约区域21世纪社会经济可持续发展的主要因素，应当引起人们的严重关。黄河流域地理位置特殊，自然条件复杂，治理难度较大。黄河处在大陆性季风气候区，属于中纬度一场气候发生率较高的地区，平均年降雨量为460mm，平均年水面蒸发量为1200mm。受强蒸发的影响，流域水资源紧缺，多年平均天然年径流量为580亿m³16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响，且水资源的失控分布严重不均。进入20世纪80年代以后，社会经济发展对水资源的需求日益增加，气候变化与人类活动的影响导致河川径流量逐年减少，黄河流域水资源供需矛盾愈来愈尖锐，水资源管理成为流域管理的首要问题。因此，气候变化对黄河流域水资源的影响，格外令人关注。泾河是黄河流域渭河最大的一级支流，流经宁夏、甘肃、陕西三省（区），流域面积45421km²，是亚洲夏季风可影响到的内陆地域。流域北部属冷温带半干旱区，而南部为年平均降雨量500m以上、海拔1400m以下的川原区，属冷温带湿润区，宜于农作物生长，素有“陇东粮仓”之称。泾河流域在历时上是一个农业较为发达的地区，但干旱也频发，需要兴修水利来满足农业生产需求，泾河流域的水资源量直接关系到人民的生活水平和社会的经济发展，可见泾河流域的旱涝是一个永恒的课题。本文利用泾河流域三关口站给的降雨径流实测资料，采用线性趋势法、累积距平曲线法、Mann-Kendall法和一元回归方程对泾河流域气候变化、泾河径流量变化以及气候变化对径流量的影响的进行分析；研究了泾河流域的降雨量序列的趋势、突变点，并分析泾河径流量变化过程的特点和规律以及气候变化对径流变化的影响关系，建立水资源与气候变化的相关模式，认识其演化规律和趋势，不仅有助于深入了解本流域水循环与水平衡，以及流域的结构和功能，而且对流域内水资源合理开发与利用都具有重要意义，对保护泾河流域社会经济可持续发展具有重要参考价值。1.2气候变化对水资源影响的研究进展1.2.1气候变化的原因气候变化的原因是一个尚待深入的机制问题。变化的真正原因是非常复杂的，地球外部与地球内部输向地球及地球表层的物质与能量的数量与强度的变化，以及地球运动系统的某些变化，都可能激发开放的地球表层系统中某些因素的自变化以及干涉其他因素也发生相应的变化。分为自然的气候波动和人类活动的影响两大类。自然原因包括：太阳辐射强度的变化；火山活动；地球轨道要素的变化；太阳活动周期变化；地级移动与大陆漂移等。16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响人类活动是气候变化的主要因素。人类活动可通过若干方式影响气候与生态环境，其中最重要的是改变地球大气的组成（比如大气温室气体与气溶胶的增加）扰动地气系统的辐射平衡；改变地表（下垫面）状况，还有可能影响陆—气、海—气之间的能量、动量与物质交换；向大气直接排放废气、废水和废热，造成气候与生态环境的恶化。最近50年气候变暖主要由人类活动造成，但是气候变暖的幅度、原因和区域分布还有不少的不确定性。中国位于亚洲季风区，既受季风活动的影响，同时又受到海洋（尤其是太平洋和印度洋）和复杂的大地形（如青藏高原）与陆面状态（如沙漠区）的影响。另外也受到人类活动因素的影响。1.2.2国内外气候变化对水资源影响的研究成果全球：气候变化影响方面的研究起步于20世纪70年代后期,由世界气象组织(WMO)、联合国科教文组织(UNESCO)、联合国环境署(UN-EP)、联合国发展署(UNDP)和国际水文科学协会(IAHS)等一些国际组织发起,并开展了国际合作研究,制定、实施了一些相应的研究计划,如世界气候计划(WCP)、全球能量水循环试验(GEWEX)、国际地球生物圈计划(IG-BP)、国际水文计划(IHP)等。到20世纪80年代中期，气候变化对水资源的影响的研究才在国际水文界引起高度重视。1985年世界气象组织(WMO)出版了气候变化对水文水资源影响的综述报告，并推荐一些检验和评价方法；随后又给出水文水资源系统对气候变化的敏感分析报告。1987年国际水文科协(IAHS)在第十九届国际IUGG大会中举办了气候变化和气候波动对水文水资源影响的专题学术讨论会。1988年,由联合国环境计划署及世界气象组织共同组建了IPCC(联合国政府间气候变化委员会),专门从事气候变化的科学评估,并定期总结最新的科研成果,提供具有权威性的气候评估报告。IPCC定期开展以下3个方面的工作：①评价已有的气候变化的科学信息；②评价气候变化产生的环境及社会经济影响；③制定对策。到目前为止,IPCC共完成了4次评估报告,并分别于1991、1996、2001年和2007年发布。IPCC评估报告不仅为各国承担温室气体减排义务提供了科学信息,而且也为指导各国采取适应气候变化的对策提出了建议。16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响20世纪90年代以来,气候变化对水文水资源的影响研究工作广泛展开,1990年出版的《气候变化与美国水资源》一书系统地总结了当时气候变化对水文水资源影响研究的方法、内和成果。1991年第二十届IUGG大会水文科学组的主题便是探讨土壤与大气之间相互作用的水文过程。1993年,以气候变化、大气圈和水圈的相互作用和影响、大尺度气候和水文模拟技术为主题,在日本召开了第六届国际气象和大气物理学协会与第四届国际水文科学协会(IAMAP-AHS)联合大会。进入21世纪,气候变化成为各种国际会议的主要议题。例如,2004年在巴西召开的IAHS大会中就包括了气候变化对水文水资源的影响讨论专题。2006年在北京召开了地球系统科学联盟(ESSP)和全球水系统计划(GWSP)联合会议,其中第4主题讨论的就是气候变化对海岸带、陆地河流的影响。在墨西哥举办的第四届世界水论坛和2007年在意大利召开的IUGG国际大会中都讨论了气候变化对水文水资源的影响研究的科学问题。同年8月,世界气候研究计划(WorldClimateResearchProgramme)在西班牙巴塞罗那举行了季节预测研讨会,对季节气候预测方法、精度展开了激烈讨论。国内：我国在气候变化影响方面的研究始于20世纪80年代中后期。1988年在中国科学院及中国自然科学基金支持下，开展了“中国气候与海面变化及其趋势和影响研究”。该项目研究内容：分析我国西北地区的冰川、积雪、径流变化特点，以及径流、水资源的变化，在此基础上研究西北高寒地区对气候变化的响应。同时基于对华北水文循环特征、天气气候特征分析，研究气候变化对华北地区径流、地下水等方面的影响。1993-1996年的“八五”科技攻关项目:气候变化对水文水资源的影响及适应对策研究，该项目研究的内容为：以我国汉江、东江、黄河、淮河、海河、松辽河的典型支流为研究对象，采用集总式水量平衡模型，分析气候变化对流域径流的影响，井根据7个GDMS的输出结果，对未来流域的水资源情势进行了展望。1996-2000年的“九五”科技攻关项目:气候异常对我国水分循环及水资源影响评估模型研究，研究内容为：以汉水、赣江、黄河中下游、淮河、海河为研究对象，侧重于气候变化影响评估模型的建立探索了分布式流域水文模型的参数网格化技术，初步建立模型参数与GIS的联系，研究提出了考虑地形等影响的拉格朗日空间数据降解方法。2000-2003年的“十五”16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响科技攻关项目：气候变化对我国淡水资源的影响阀值及综合评价，研究内容为：拓展了以往研究内容与技术手段，在对未来需水预测和未来水资源量情势分析的基础上，研究了未来气候变化情境下，我国水资源脆弱性和气候变化对我淡水资源的影响阀值。在我国，此方面的研究也有了开展，施雅风等研究了我国西北地区二氧化碳倍增对西北水资源可能的影响，研究结论为季节性积雪趋于减少，冰川将继续后退萎缩，多年平均径流量相对稳定或少量增加。刘春纂(1992年)研究了气候变化对华北水资源的可能影响。刘昌明等(1993)研究讨论了气候变化对中国水文情势的影响，包括水文情势的区域差异，影响的空间尺度和水文情势的高阶影响等。邓慧平(1994)研究了气候变化对沱江流域水文的影响。水利部水利信息中心(1995)分别研究了气候变化对东江、汉江、松花江、京津唐即黄河部分流域的径流与水沙关系的影响。该中心利用流域水文模型及4组GCMs气候变化情形，研究我国六大流域天然径流量的变化，结果表明：到2030年，气候变化可能导致全国主要江河年径流量减少，造成淮河及其以南流域水多，淮河以北流域水少；年径流量减幅最大的为海滦河流域的京津唐地区(16%)及淮河(15%)，而汉江流域年径流量减幅为80%，东江、松花江径流量稍有上升。沈大军等(1996)利用区域水量平衡模型研究我国南水北调中线工程地区水文水资源系统对气候变暖的响应及气候变化条件下日流量过程的生成方法和气候变暖对洪水频率的影响。进人21世纪后,我国研究者对气候变化对我国水资源分布的影响作了大量的研究,取得了一定的研究成果。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究人员经过对我国385个观测站1951-2000间观测到的月平均温度和降水量资料进行分析,初步得出了我国50年来气温及降水量变化趋势的部分特征。50年来我国平均气温变化趋势同全球平均气温变化趋势一致。特别是从20世纪70年代开始的增温幅度明显高于全球平均水平。西北地区中部、华北及东北的广大地区是增温最快、范围最大的地区。研究还发现,从20世纪70年代开始,全国平均降水量没有明显的变化趋势,但区域平均降水量或增或减变化明显。新疆地区降水量的增加幅度在范围上和强度上都是国内最大的,而华中、华北地区降水量的减少幅度在范围上和强度上都非常明显。近20多年来北方干旱缺水与南方洪涝灾害同时出现,形成了北旱南涝的局面。1.3研究内容、方法和技术路线16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响1.3.1研究内容（1）研究区降雨量的变化特征，对降雨量进行趋势分析、突变分析，并对降雨量年内及年际的变化趋势进行分析。（2）研究区径流量的变化特征，对径流量进行趋势分析、突变分析，并对降雨量年内及年际的变化趋势进行分析。（3）降雨量与径流量的相关性分析。1.3.2技术路线突变分析水文资料收集统计分析数据统计学方法径流量变化特征分析降雨量变化特征分析趋势分析气候变化对径流量的影响图1.1技术流程图16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响1.3.3研究方法（1）线性趋势方法利用气候要素的时间序列，以时间为自变量，要素为因变量，建立一元回归方程。设y为某一气象变量，t为时间（本文为年或月），建立y与t之间的一元线性回归方程，其趋势变化率为：（1.1）是反应上升或下降的变化趋势，大于0表示在计算时段内呈上升趋势，小于0表示在计算时段内呈下降趋势，值绝对值大小可以度量其演变趋势的程度。（2）累积距平法（CA）累积距平曲线的变化可以作为气候趋势分析的又一种方法。对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为：（t=1,2，…，n）（1.2）将n个时刻的差积全部算出来，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析，累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，呈下降趋势表示距平值减少。从曲线明显的上升下降，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间。（3）气候突变分析方法——Mann-Kendall法气候突变是指在较短时期内由一种相对稳定的气候状态，过度到另一种气候状态的变化，它是气候系统非线性性质的一种表现。自20世纪80年代以来，各种尺度的气候突变的事实不断被揭示。目前监测突变的方法有多种，由于在气候序列的突变监测中累积距平法（CA）和Mann-Kendall法（M-K）各有利弊，本文结合2种方法对泾河流域的降雨量、径流量进行突变检验。16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响突变检验的方法概述：对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：（k=2,3，…，n）（1.3）其中（j=1,2，…，i）可见，秩序列是第i时刻数据大雨j时刻数据个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：(K=1,2,…,n)（1.4）式中是累计数的均值和方差，在相互独立，具有相同连续分布时，可由下式算出：（1.5）为标准正态分布，它是按时间序列x顺序计算出的统计量序列，给定显著性水平a，查正态分布表，若，则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x逆序再重复上述过程，同时使。（M-K）突变检验的具体计算步骤如下：（1）计算时间序列的秩序列,并按式计算。（2）计算逆时间序列的秩序列，并按式计算。（3）给定显著性水平，将和两个统计量曲线和显著性水平线绘在一个图上。16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响计算结果的分析：分析绘出的和曲线图。若和的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现图标的时间区域。如果和两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。在Mann-Kendall突变检测图中，如果UF和UB在临界值之间有一个显著的交点，且UF上升超过或下降低于临界值，则可以认为序列产生突变，前者表示从低向高突变，后者从高向低突变，并且这个交点就是突变的开端。反之，则认为没有突变。（4）建立一元回归模型建立一元回归模型的方法为：在研究线性相关条件下，一个自变量对一个因变量的数量变化关系，称为一元线性回归分析，表现这一数量关系的数学公式，称为一元回归模型。设有自变量X的一组观测值，及与之对应的因变量Y的一组观测值这样就得到自变量与因变量的n对观测值的线性回归模型为：（1.6）式中：称为回归常数，称为回归参数；y为因变量，x为自变量。（5）回归方程显著性检验（F检验）对于任何一组观测值，不管x,和y之间是否存在线性相关关系，都可以用最小二乘法求得一元回归线性方程。但是，如果x和y之间根本不错在线性相关关系，则这个方程就不能描述x和y之间的真实关系了。以此需要对变量x和y间是否存在线性相关关系，或者说对所得到的回归方程是否有实际意义进行检验。如果变量x和y之间不符合线性回归的数学模型，那么一次项系数16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响。所以，检验两个变量x和y是否具有线性相关关系，实际上为检验下列假设：可以证明在假设成立时，，，而且与相互独立。根据F分布的定义可知，在成立时（1.7）根据给定的显著性水平α，查表求得满足关系式的临界值，如果由样本求得的F值大于，则否定原假设，即认为x和y之间有线性相关关系，或称回归方程显著，反之不显著，表示该回归方程没有意义。第二章16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响第二章泾河流域概况2.1地形地貌泾河流域位于黄土高原中部，106°14′~108°42′E，34°46′~37°19′N，流域面积45421km²，横跨宁夏、甘肃、陕西三省（区）部分地区，流域绝大部分属于陇东黄土高原。流域边缘北有贺兰山、鄂尔多斯高原，南为秦岭山脉，西依六盘山脉，东抵子午岭山系，周围一圈山脉形成泾河集水区域的天然分水岭。流域内地貌特征可以分为北部黄土丘陵区、中部黄土残塬区、西南部山地林区和东南部山地河川区。流域内地势西北高，东南低，总体地势是东北西三面向东南倾斜。泾河发源于宁夏回族自治区泾源县关山东麓，由西北向东南流经宁夏、甘肃、陕西3省区的固原、平凉、庆阳和咸阳等地市，在陕西省高陵县注入渭河，泾河全长483km，为渭河的一级支流、黄河的二级支流。流域水系情况见图1.1。泾河及各级支流均深切于梁、塬、峁和黄土沟壑镶嵌的黄土地貌景观中，使得流域内地形支离破碎，沟壑纵横，成为黄土高原水土流失最严重的区域之一。16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响图2.1泾河流域水系分布图2.2气候16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响流域深处大陆，为典型的温带大陆性气候，处于温带半湿润向半干旱气候的过度地带，冬季干旱少雨，夏季多暴雨。据流域各气象站点多年观测资料，流域多年平均气温8℃，最冷月平均气温-8~-10℃，最热月平均温度22~24℃，年降水量在350~600mm之间，主要集中于夏、秋汛期季节的5~9月，这段时间内降水量可占年降水总量的72%~86%；冬春季降水稀少。最大月降水量一般出现在7、8月，两月降水量可占年降水量的36%~44%；最小月降水量出现在1、2月，仅占年降水量的0~3%。夏秋季节出现大强度的暴雨频率大，降水量的年际变化比较明显，最小、最大年降水量相差在1.8~3.5倍之间。降水量的地域分布由南向北递减，南部的降水量可达北部的一倍。北部占流域面积1/3的干旱少雨地区，多年平均降水量在400mm以下。2.3地质与土壤流域内黄土分布广泛，除六盘山局部地区以外，其他地区全被黄土覆盖，黄土层深厚，一般在50~80m不等，部分黄土残塬黄土厚达100m以上。黄土的化学成分主要包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Na2o、K2O、FeO等，矿物组成主要为长石、石英、角闪石等。黄土粒度构成基本上集中于细粉砂、粉砂和粘粒粒级，其中以粉砂占优势，含量达50%，大于0.1mm的砂粒含量极少。2.4植被人类活动除了破坏黄土丘陵区的草地、灌丛为主的自然植被外，还破坏了山地乔木为主的森林植被。流域东部的子午岭林区，新中国建立以来因毁林毁草共损失天然林4800km²，现在该林区南北两端都成了光山秃岭。流域西部的六盘山林区，现在林缘线四周已经后退8~20km，森林面积减少了400km²。目前，泾河流域地表植被稀疏，地表覆盖主要以草地、农田为主，而且流域北部80%以上的草地已经处于严重退化状态，林地面积仅占流域面积的6%左右。2.5水文与水土流失泾河流域多年平均降水量539.1mm，径流量18.32亿m3，输沙量2.526亿t，流域径流量的年内分配主要受河川径流补给条件的影响，河川径流主要靠降雨补给，河川径流的丰水期也正是降雨集中时期，河川径流年内分配与降水趋势基本一致，径流的集中程度略缓于降水，并且滞后于降水10~30日。汛期（5~9月）降水量占年降水量的72%~16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响86%；最大1日降水量和最大30日降水量分别占年降雨量的9.2%和30.5%。汛期及7、8月份两月径流量分别占年径流量的55.6%和34.5%，输沙量分别占年输沙量的92.6%和77.4%。2.6社会经济全流域现有人口600多万，平均人口密度150人/km²，人口分布东南密集、西北稀疏，主要分布于流域中下游的黄土残塬和河谷平原地带。农业生产长期处于较低水平。粮食种植中，夏粮的比重达50%以上，远远高于全国平均22.3%的水平。这对充分利用本区的光、热、水资源并不十分理想。林果业自20世纪80年代中期以来有了较快的发展，但在农业总产值中的比例仍然比较低。流域的水资源特征决定农业只能以旱作为主，90%以上的农田缺乏有效的水分保障，只能靠天吃饭。牧业主要集中在流域北部，长期处于粗放经营，在低水平徘徊。由于管理不善，造成草地退化、沙化严重。流域现有工业结构属于重工业范畴的资源导向型结构，能源重化工工业产值占工业总产值的90%以上，比重远高于全国平均水平，主要重工业为流域北部的以长庆油田为依托的长庆石油化工公司和流域西南部的以华亭煤田为依托的华亭煤炭有限责任公司，轻工业和第三产业力量薄弱。2.7泾河流域的主要生态环境问题2.7.1水土流失严重泾河流域是世界上水土流失最严重的地区之一，80%以上的土地面临着水土流失，年平均土壤流失量为5845t/km²，其中洪河流域等一些中北部流域的土壤流失量达到10000t/km².a以上，河流最大含沙量高达1570kg/m³。长期而频繁的水土流失，使土地退化、土壤沙化、生态恶化，阻碍了经济和社会的可持续发展，造成广大农民的极度贫困。水土流失还导致黄河河道淤积,黄河三门峡水文站监测表明黄土高原每年输沙负荷达到1.64×1010t，这是世界上其他大江大河的9~21倍，其中25%的输沙沉积于黄河下游河床，使河床每年增高8~10厘米，“地上”黄河危及下游两岸数十万平方公里范围内的国民经济建设和人民生命财产安全。几十年来的水土保持工作使水土流失得到了一定程度的遏制。但是，资源的高强度开发、大规模基础设施建设和经济的快速增长,造成的“边治理边破坏”16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响的现象愈演愈烈，人为水土流失已成为泾河流域水土资源可持续利用中又一突出的问题。水土流失在特定地理区域内是侵蚀与反侵蚀两种力相互作用的结果。侵蚀力主要是降水，影响降水侵蚀的因子主要有降水强度、降水变率、降水历时。反侵蚀力主要是植被和地表覆盖。植被是影响水土流失的重要因子之一，水土流失严重的地区往往是自然植被严重破坏生态环境退化的地方，自然植被完好的地方即使地形是沟壑陡坡也很少发生水土流失。2.7.2植被退化几十年来，泾河流域自然植被已经遭到严重的破坏，当前森林覆盖率仅为6.5%，有些地区仅为3%，草地覆盖率为25%~65%。据文献记载，历史上泾河流域到处是森林、草原。森林植被破坏基本开始于秦汉时期。秦汉到南北朝，本区森林不少于2.5万km²,覆盖度大于40%，到1949年全区有森林仅0.27万km²，盖度只有6.1%，且主要分布在六盘山和子午岭山区，20世纪90年代流域森林覆盖率平均为9.5%左右。毁林毁草、开荒、陡坡耕种、超载放牧、修路、开矿、建厂等各种人类活动直接侵毁着林、灌、草植被。如位于黄土高原中部的子午岭林区，新中国建立以来毁林造成天然林损失4800km²。六盘山林区，现在林缘线已经后退8~10km,森林面积减少400km²。2.7.3水资源短缺不合理的水资源利用导致地表水浪费、水资源破坏及土地干旱。泾河流域年平均降水量250~650毫米之间，由于7、8、9三个月是热带海洋气团深入本地区活动时期，因而全年降水总量的50%~70%集中在汛期，但因本区多为山丘区，坡地多年径流模数一般在5~8万立方米/平方公里。另外，工程建设和生产活动中不合理用水，破坏了地下储水结构及地表环境，破坏了区域水文平衡和水文循环，造成区域水量损失及水质污染，导致地下水位下降，井枯河干，严重影响了农业灌溉和防旱抗旱。加之，不合理的土地利用方式以及黄土本身的深层入渗能力强等原因导致耕地水资源缺乏，干旱面积扩大，旱灾频繁，土地生产力降低。2.7.4环境污染严重16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响泾河流域处于古陕甘宁盆地的边缘地带，石油、煤炭等矿产资源丰富。作为西北地区的重要能源工业基地之一，在开发中加重了自然资源的破坏和环境污染。华亭煤矿在开采过程中破坏了大面积的地表原有植被，使矿区很多地方地表裸露，加剧了水土流失、滑坡等自然灾害的发生。长庆油田原油开采过程中的大量残油、废渣的排放污染了大片土地，泾河最大支流马莲河因石油污染而失去了其具有饮用和工、农业用水的功能。流域多数地区有炼焦、发电、锅炉燃煤等产业，每燃烧1吨煤要排放二氧化硫10~80公斤，粉尘约11公斤，二氧化氮约9公斤，一氧化碳约20公斤，再加上钢铁、化肥和冶金等工业生产的排污。2.7.5耕地面积骤减泾河流域的主要耕地集中在流域内大小不一的黄土残塬上和流域各条河流的河谷平原地带，在黄土残塬边缘和黄土丘陵山坡也存在大面积的低产坡地农田和梯田。20世纪80年代以来，平坦良田面积急剧缩减，土地占用和破坏及耕地减少的态势有增无减。近年来的退耕还林使大面积的山坡农田退回为林草地，据庆阳市土地管理局调查，1954~2000年共减少耕地9.68万公顷，年均减少0.29万公顷，相当于一个县的耕地面积；工业生产和建设过程中累计破坏土地2万公顷，土地恢复和整治的任务十分艰巨。严酷的资源和环境现实决定了大力开展生态环境建设是泾河流域实现经济和社会可持续发展的唯一选择。第二章16 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响第二章泾河流域气候变化特征3.1泾河流域降水量变化的基本特征3.1.1泾河降水量年际变化趋势下表（3.1）为泾河流域三关口1970~2007年降水量资料，图（3.1）为泾河流域三关口站1970-2007年年均降雨变化曲线图。由图（3.1）分析可以看出，泾河流域三关口站年降雨量曲线的线性趋势线的斜率为-0.1272小于0，说明1970-2007年38年间三关口站的年降雨量总体趋势是减少的，多年平均降雨为540.0mm，70s的降雨量均值为536.38mm；80s的平均降雨量为542.20mm；90s的平均降雨量为549.03mm；2000年后的平均降雨量为530.69mm。1990降雨量最高，达到754.8mm比最小值344.1（1991）增多了410.7mm。丰水年是指年降雨量超过25%频率下对应的降雨量；枯水年是指年降雨量低于75%频率下对应的降雨量。从图（3.1）可以看出1972-1992年21年间的丰水年比枯水年要多，19920-2007年的枯水年比丰水年要多。表3.1泾河流域三关口年均降雨量表（mm）年份降雨量年份降雨量年份降雨量1970534.41983604.41996637.81971353.319846951997363.21972440.21985529.61998622.41973691.71986409.91999545.31974541.41987483.62000444.11975573.51988584.22001551.21976556.11989567.72002619.51977584.81990754.82003685.61978583.21991344.12004498.71979505.21992699.32005572.222 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响续表3.1年份降雨量年份降雨量年份降雨量1980534.51993477.32006473.51981628.81994583.32007400.71982384.31995462.8图3.1泾河流域三关口站年均降雨量图3.1.2降水量年内变化分析图（3.2）为泾河流域三关口站多年平均月降雨量变化柱状图，由图可以看出一年内最大降水量出现在6、7、8和9月，占全年总降雨量的71.55%；而11、12、1、2月降水量最小，仅占全年总降雨量的4.11%。系列图（3.3）为泾河流域三关口站多年各季节降雨变化曲线图，由系列图（3.3）可以看出夏季节降水量最大，秋季和春季次之，冬季最少。本地区降雨量主要受季节变化影响，其中冬季的降水量占全年的2.6%；春季的降水量占全年的17..4%；秋季的降水量占全年的22.8%；夏季占降水量全年的57.2%。由此可见，泾河流域的年降雨量在时间上分布不合理，往往会出现旱涝，我们要采取相关的措施防止出现旱，我们应该建设相应的水利工程，尽量把汛期多余的降雨储备下来，以备11-2月的农业非汛期用水。22 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响3.2泾河流域三关口站多年平均月降雨量变化柱状图3.3.1泾河流域三关口站冬季降雨量变化曲线图3.3.2泾河流域三关口站春季降雨量变化曲线图22 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响3.3.3泾河流域三关口站夏季降雨量变化曲线图3.3.4泾河流域三关口站秋季降雨量变化曲线图由图（3.3.1）分析可以看出，冬季降雨量变化曲线的线性趋势线的斜率为0.0428大于0，说明1970-2007年38年间三关口站的冬季降雨量呈增加的趋势，但增加的不是很显著。1989年三关口站冬季降雨量达到最大值，为43.2mm，于1999年达到最小值为1.4mm。春季降雨量变化曲线的线性趋势线的斜率为-0.6287小于0，说明1970-2007年38年间三关口站的春季降雨量呈减少的趋势，且减少的趋势很显著。1998年三关口站冬季降雨量达到最大值，为197.1mm，于2000年达到最小值为31.8mm。夏季降雨量变化曲线的线性趋势线的斜率为0.2958大于0，说明1970-2007年38年间三关口站的夏季降雨量呈增加的趋势，增加趋势显著。1992年三关口站夏季降雨量达到最大值，为538.2mm，于1991年达到最小值为165.2mm。秋季降雨量变化曲线的线性趋势线的斜率为0.1642大于0，说明1970-2007年38年间三关口站的秋季降雨量呈增加的趋势。1974年三关口站冬季降雨量达到最大值，为218mm，于1972年达到最小值为32.9mm。22 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响3.1.3泾河流域降水的突变分析由于在气候序列的突变检测中累积距平法（CA）和Mann-Kendall法（M-K）各有利弊。累积距平法（CA）是从曲线明显的上升下降，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间。但如果演变趋势不显著，或持续性变化的时间段相对较短曲线没有显著突变，则无法诊断发生突变的大致时间。Mann-Kendall法（M-K）的优点是不需要样本遵从一定的分布规律，也不受少数异常值的干扰，适用于类型变量和顺序变量。本文结合2种方法对泾河流域三关口降雨量38年的平均序列可能的突变点进行综合检验。3.4图泾河流域三关口Mann-Kendall降雨量突变检验图由图3.4可以看出泾河流域1970-2007年38年间年平均降雨量的Mann-Kendall法检验突变图。在0.05的显著性水平下，UF和UB曲线基本上都没有超过临界直线，说明1970-2007年38年间泾河流域三关口站年降雨量的变化趋势不显著，根据UF和UB曲线交于1972年，说明1972年为突变年份。但UF曲线上升超过或下降低于临界值的情况都没有，则可以认为此降雨量序列没有产生突变。22 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响图3.5年均降雨量累积距平曲线图根据表（3.1）的数据处理后得到泾河流域年均降雨量累积距平图（3.5）。从图上可以看出1970-1972年，降雨量偏少，累积距平曲线呈下降趋势；1972-1984年，降雨量偏多，累积距平曲线呈上升趋势；1984-1987年，降雨量偏少，累积距平曲线呈下降趋势；1987-1992年，降雨量偏多，累积距平曲线呈上升趋势；1992-1997，降雨量偏少，累积距平曲线呈下降趋势；1997-2003年，降雨量偏多，累积距平曲线呈上升趋势；2003-2007年，降雨量偏少，累积距平曲线呈下降趋势。用Mann-Kendall法对降雨量序列进行突变检验的结果为：1972年为突变的年份，但整个降雨量序列没有产生突变。通过累积距平曲线的分析，该降雨序列没有发生突变，因为该降雨序列的演变趋势持续性变化时间不够长，不足以看出突变的大致时间。从两种分析结果表示，降雨量序列在1970-2007年间是没有产生突变的。第二章22 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响第二章泾河径流量的变化特征4.1泾河径流的年际变化4.1.1泾河的年径流量的年际极值比年径流量的年际极值比是指多年最大年径流量与多年最小年径流量的比值。年际极值比可反映年际变化幅度。我国各河流年径流量的年极值比差异很大，一般来说长江以南小于3.5倍，长江以北都在5倍以上，其中比值最小的是怒江，仅1.4倍，最大的是淮河，其比值高达23.7倍。年径流量变差系数Cv值大的河流，年径流量的年际极值比也较大，反之亦小。经过计算得出泾河的年径流量的年际极值比为4.80（测站：三关口1970-2007），说明泾河径流量年际（1970-2007）变化幅度相对长江以北的河流来说是较小的。4.1.2泾河径流量年际变化本文主要选取了泾河流域的三关口站1970-2007年的径流量资料进行分析。通过统计分析得出泾河径流量多年平均为24.10亿m³，70年代年均为27.91亿m³，80年代年均为26.62亿m³，90年代年均为23.31亿m³，2000年以后年均为19.20亿m³。三关口站的流域总面积为218km²，经计算得到表（4.1）为三关口站多年年径流深。表4.1泾河流域三关口多年年径流深年份径流深年份径流深年份径流深1970113.24198387.30199698.79197157.211984207.30199758.25197249.061985161.48199862.291973142.701986113.24199974.67197493.73198762.10200069.911975119.641988113.64200166.3129 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响续表4.1年份径流深年份径流深年份径流深1976235.441989109.23200270.271977166.941990175.462003117.501978167.66199191.75200495.821979134.671992229.06200586.911980102.421993106.60200669.811981171.98199495.23200754.63198292.19199577.19图4.1泾河流域三关口站年径流量变化图由上图4.1可以看出，泾河流域三关口年径流量曲线的线性趋势线的斜率为-34.647，远小于0，说明其年径流量的总体变化趋势减少的很显著。其中径流量最大值为1976年的51.33亿m³；径流量最小值为1972年的10.70亿m³，相差有40.63亿m³，足足有4.80倍。4.2泾河径流量的年内变化4.2.1径流量的年内变化特征29 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响用给的泾河流域三关口站1970-2007年多年径流量，做出表（4.1）多年平均月径流深的表格。由表格可作出图（4.2）泾河三关口站1970-2007年径流深年内变化图，可以看出泾河径流深的年内分布很不均匀。其径流深变化趋势为一升一降一升再一降；2月份的径流深最小，其径流深为122.7mm，3-5月份减少，从6月份开始剧增，8、9月达到最大，径流深达到361mm，然后从十月份起缓慢的减少，从4.2图上可以看出泾河流域的汛期为6-10月。表4.1泾河多年平均月径流深（mm）月份123456789101112径流深126122147136134157242361359275193152图4.2泾河径流深年内变化曲线4.2.2径流年内分配不均匀系数径流年内分配不均匀系数水文统计中的一个重要参数，是反映河川径流年内分配不均匀的一个重要指标，值大说明变量变化剧烈,否则平缓稳定。其计算公式为：（4-1）式中，为各月径流量占年径流的百分比；为各月平均占全年百分比。是反映径流分配不均匀性的一个指标。越大，说明各月径流量相差越悬殊，即年内分配越不均匀，小则相反。经过计算，得到各月的K值如下表所示：29 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响表4.2各月径流量占年径流的百分比月份123456789101112K值（%）5566671015151186=0.083，将K、代入公式（4.1）中，得到泾河径流年内分配不均匀系数=0.417（测站：三关口），泾河流域年内分配较不均匀。4.2.3年径流量的变差系数变差系数Cv是水文统计中的一个重要参数,用来说明水文变量长期变化的稳定程度。Cv值大说明变量变化剧烈,否则平缓稳定。公式如：（4-2）式中：为年径流量；为多年平均年径流量；n为年数。年径流量的值反映年径流量总体系列的离散程度,值大,年径流的年际变化剧烈,对于水资源的利用不利,并且易发生洪涝灾害;值小,年径流量的年际变化小,有利于径流资源的利用。将表（4.1）的各年径流量代入公式（4-2）得出1970-2007年的年径流变差系数为=0.467。4.3泾河流域径流量的突变分析与降雨量一样，径流量的突变分析也采用累积距平法（CA）和Mann-Kendall法（M-K）对泾河流域三关口径流量38年的平均序列可能的突变点进行综合检验。29 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响图4.2泾河流域三关口Mann-Kendall降雨量突变检验图由上图可知，在显著性水平α=0.5的检验下，在Mann-Kendall突变检测图中，UF和UB在临界值之间有一个显著的交点，UF和UB曲线交于1995年，说明1995年为突变年份。且UF上升超过或下降低于临界值，UF统计值在1978年上升超过临界值，在2002年下降低于临界值。在1972-1995年34年间，UF的统计值都在0值线上，说明三关口站的年径流量在这34年间是呈增加的趋势；在1995年之后，UF的统计值都位于0值一下，说明1995-2007年间，三关口站的径流量呈减少趋势，特别是在2001年以后，UF曲线超过了临界直线，说明2001年后的径流量减少的很显著。图4.3年均径流深累积距平曲线图29 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响由表4.1泾河流域三关口多年径流深处理后得到上图4.3年均径流深累积距平曲线，由上图可以看出1970-1972年间的径流量是偏少的，累积距平曲线有下降的趋势；1972-1992年31年间的径流量是偏多的，累积距平曲线有上升趋势，上升的明显，说明在此年间的径流量是增加的，在1972年可能会发生突变；1992-2007年间的径流量是明显减少了，累积距平曲线下降的趋势很显著，说明在1992年可能会发生突变。用Mann-Kendall法对径流量序列进行突变检验的结果为：1995年为突变的开端，在1995年后的UF值是下降低于临界值的，表示径流量是从高向低突变的。通过累积距平曲线的分析，可以划分变化的阶段性，从变化阶段的程度可以大致的判断突变时间，从分析结果表示，该径流序列有两段明显的趋势，1972、1992为两个转折点，可以大致判断突变的大致时间为1972和1992。但是由于1972年前的资料有限，所以没法更系统的说明该年份的突变，在此只能证明突变的大致时间为1992年。根据两个方法的综合判断，该径流序列的突变时间大致为1992-1995年间。4.4降雨径流一致性分析为了分析某一流域的产流特征是否发生系统性变化，可应用降雨径流双累积曲线方法。降雨径流双累积曲线是把降雨系列和径流系列分别按时间顺序进行逐个累加，分别得到降雨累积系列和径流累积系列，点绘两系列，得到两者的相关关系图。与普通的降雨径流相关曲线所不同的是，双累积曲线是随着时间单调增加的。如果点据的趋势线是连续的，说明产流特性是一致的，如果某段点据趋势线的坡度变化显著或者下垫面条件变化很明显，并且持续时间较长，坡度的变化结果才能予以采用，即说明产流特性有所改变。对于某个特定流域来说，如果一定时期内影响产流特征的下垫面因素未发生突变，那么该流域的降雨径流双累积曲线不可能突然改变其走向，反之则会发生明显的偏离，同时认为发生比较明显偏离的时间点就是流域产流特征发生明显改变的时间点。将三关口流域1970-2007年的面平均雨量系列和天然径流深系列分别进行逐年累加，并点绘累积年面雨量与累积年径流深关系图，得到三关口流域的降雨径流双累积曲线。29 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响图3.6降雨径流双累积曲线图从双累积关系图可看出三关口流域的年降雨径流关系存在比较明显的转折点。年降雨径流系列大致分为三段，年份分别为：1970~1991，1992~2001，2002~2007。三段趋势线的斜率有大小变化，先增后减再减（后两段减小程度不同）。曲线的倾斜程度代表降雨径流之间数量的变化：斜率越小，说明在相同年降雨量的情况下，年径流越少。1970~1991年降雨径流关系比较稳定；1991~2001年间的降雨径流双累积趋势线斜率最小，产流系数最小，说明1991年以后，产流系数较往年有所减少，这一现象可能是下垫面变化引起的；2002-2007年段趋势线斜率有所上升，径流系数增加。第二章29 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响第二章气候变化对泾河径流量的影响以降雨量来表示气候因子来研究气候变化对径流的影响。要对降雨量和径流量两种不同的数据进行相关性分析，需要对数据做标准化处理。为了使单位不一样，平均值及标准差也不同的各个要素能够在同一水平上进行比较，通常使用标准化的方法，使它们变成同一水平的无单位的变量，这种变量称为标准化变量。常用的数据标准化方法有最大值法、最小值法、标准差法等。本文采用的标准化公式为（5-1）式中表示标准化后的要素值的时间序列，是未经标准化的时间序列，是要素序列的均值，S为标准差。将泾河流域三关口站的降雨径流资料进行标准化变换，绘出流域降雨与径流标准化数据序列变化趋势图，如图5.1所示。图5.1降雨量与径流量标准化数据序列变化趋势从上图可以看出，流域降雨量和径流量在1970-1993年间趋势基本上一致。降雨量多的年份，径流量也呈增加趋势。降雨量少的年份，径流量也相应地减少。1993年以后的降雨径流趋势相对来说比较差。相关系数r的计算公式为：（5-2）上式中r为相关系数，为两个数组，31 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响分别为它们的平均值。计算得出降雨量同径流量的相关系数为0.572，根据相关系数显著性检验（F检验），降雨量与径流量的相关系数通过了α=0.05置信检验，两者呈正相关关系。运用一元回归方程来量化的检验降雨量对径流量的影响，所得的回归方程为：运用回归方程来进行降雨量对径流量的影响的量化研究，分析如表：表5.1泾河流域三关口不同降雨变率对径流量的影响P(mm)378.0432.0486.0540.0594.0648.0702.0ΔP（%）-30-20-100102030W（亿m³)14.617.720.924.127.330.533.6ΔW(%)-40-26-130132640注：P为年降雨量；ΔP代表泾河降雨量距多年平均值增加或减少的百分比；W表示由回归方程算出的对应降雨量的泾河年径流量；ΔW表示泾河年径流量距多年均值增加或减少的百分比。从表（5.1）可以看出，当泾河流域水文年降雨量偏多或偏少10%时，泾河年径流量会偏多或偏少13%；当泾河流域水文年降雨量偏多或偏少20%，年径流量会偏多或偏少26%；流域水文年降雨量偏多或偏少30%时，泾河年径流量会偏多或偏少40%的影响。由此看出降雨量与径流量的关系程度较为密切，说明降雨是影响径流量非常关键的因素。31 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响第六章结论与分析6.1结论本论文通过对泾河流域三关口站1970-2007年38年的气象资料（降雨量），以及泾河三关口站1970-2007年38年的径流量资料的分析研究，得出以下结论：6.1.1用线性趋势法分析结果年径流量的年际变化非常显著，年降雨量的年际变化不显著。70年代年均为27.91亿m³，80年代比70年代的径流量减少了4.6%；90年代比80年代的径流量减少了12.43%；2000后比90年代减少了17.63%；可见年径流量总体趋势减少的很显著。年降雨量的年际变化不是很显著，70年代年均降雨量为536.38mm，80年代比70年代的降雨量增加了0.11%，90年代比80年代的降雨量增加了1.26%,2000年后比90年代则减少了3.34%。6.1.2用累积距平法（CA）分析结果径流量可能发生了突变、降雨量序列没有发生突变。1972-1992年31年间的径流量是偏多的，累积距平曲线有上升趋势，上升较明显，说明在此年间的径流量是增加的，在1972年可能会发生突变；1992-2007年间的径流量明显减少，累积距平曲线下降的趋势很显著，说明在1992年可能发生了突变。1972-1990年29年间的降雨量总体上是偏多的，累积距平曲线有上升趋势，上升的不是很明显有升有降，1990-2001年的降雨量总体上是偏少的，曲线有下降的趋势，2003-2007年的降雨量有明显的减少趋势，曲线有明显的下降趋势，综合来看降雨量序列没有产生突变。6.1.3用Mann-Kendall方法分析结果34 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响对给定的降雨径流资料进行检验，在0.05的显著性水平下，降雨量的检验中1970-2007年38年间泾河流域三关口站年降雨量的变化趋势不显著，整个降雨量序列没有发生突变。径流量突变于1995年。径流量的检验中UF和UB曲线交于1995年，在1972-1995年34年间，UF的统计值都在0值线上，说明三关口站的年径流量在这34年间是呈增加的趋势；在1995年之后，UF的统计值都位于0值一下，说明1995-2007年间，三关口站的径流量呈减少趋势，特别是在2001年以后，UF曲线超过了临界直线，说明2001年后的径流量减少的趋势很显著。6.1.4建立一元回归方程模型检验降雨量和径流量的关系分析结果当泾河流域水文年降雨量偏多或偏少10%时，泾河年径流量会偏多或偏少13%；当泾河流域水文年降雨量偏多或偏少20%，年径流量会偏多或偏少26%；流域水文年降雨量偏多或偏少30%时，泾河年径流量会偏多或偏少40%的影响。由此看出降雨量与径流量的关系程度较为密切，说明降雨是影响径流量非常关键的因素。6.1.5径流年内分配不均匀系数及年径流变差系数分析年径流变差系数值为0.467，反映出泾河流域的多年变化的年变差系数较大，泾河年际变化不稳定。泾河的年径流量的年际值比为4.80倍（1970-2007三关口站），说明泾河径流量年际变化幅度较大。泾河年径流变化过程可分为几个阶段：1970-1975年为平水年段，1976-1992年为丰水年段，1992-2007为枯水年段。泾河径流年内分配不均匀系数=0.417，其径流量年内分配较不均匀。6.1.6降雨径流双累积曲线检验降雨径流的一致性分析从图上可以看出降雨径流关系存在明显的转折点，分别为1992年和2002年，说明在这两个年份他们的产流机制在发生改变，可能由气候变化引起的，也就是说可能在两个年份发生突变。34 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响6.2分析（1）在研究气候变化对流域水资源的影响的时，我们要考虑很多气候因子，气候变化是个复杂的系统，涉及要素多，关系复杂。径流量的影响因素众多，除了主要受气候变化的影响，另外流域下垫面条件对径流量也有影响，尤其是人类活动对气候变化和径流量的变化也起着越来越重要的作用。而径流量对气候变化的响应也是很复杂的。（2）由于资料数据有限，本文只考虑了气候因子降雨对径流的影响，只依靠降雨来说明气候变化对水资源（径流）的影响是不全面的，希望在以后的研究中有更多的气候因子资料来进行评价。（3）在进行突变检验时，时间序列只有38年。由于时间序列较短，趋势分析存在一定的误差，在以后的研究中要尽量拉长趋势分析数据时间序列的长度，趋势分析才具有代表性。34 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响参考文献[1]刘永懋，宿华，刘巍.中国水资源的现状与未来——21世纪水资源管理战略[J].水资源保护，2001，(4)：13-15[2]钱正英.中国水资源战略研究中几个问题的认识[J].河海大学学报，2001，29(3)：1-7[3]水利电力部水文局.中国水资源评价[M].北京，水利电力出版社，1987[4]张光斗，陈志恺.中国水资源问题及其解决途径[J].水利学报，1991，(4)[5]李栋梁．甘肃气候CM3．北京,气象出版社，2000，288[6]Mimikou，M.impactofclimatechangeonhydrologicalregimesandEuropeancommunity，EV5V-CT93-0293Report[R].UK，universityofSouthampton，1996，l-19.[7]王国庆，张建云，刘春蓁，等有关气候变化及其影响的国际项目于计划[J].中国水利，2008，（2）：69~71.[8]Grabs.W，ImpactofclimatechangeonhydrologicalregimesandwaterresourcesmanagementintheRhinebasin.CHRreportno.I-16[R].CHR，Lelystab，theNetherlands，1997.[9]陶涛，信昆仑，刘遂庆，等.全球气候变化对水资源管理影响的研究综述[J].水资源与水工程学报，2007,18（6）：7~12.[10]魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].北京，气象出版社，1999（9）[11]周芬.Kendall检验在水文序列趋势分析中的比较研究[J].人民珠江,2005,(增2):35-37.[12]黄振平《水文统计学》河海大学出版社，2010，3（3）.35 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响致谢本论文是在李致家教授精心指导和耐心帮助下完成的。导师渊博深厚的学术造诣、严谨求实的治学态度、勇攀高峰的科学精神、一丝不苟的工作精神、宽己待人的处世态度，让我终身受益。在此，向李老师致以衷心的感谢！李巧玲老师在这次论文中帮助了我很多，给我提供了相关的文献资料，并在我写作的过程中耐心的指导了我，在此表示衷心的感谢！感谢河海大学对我的培养，感谢水文水资源学院的各位领导、老师对我的关怀和照顾！感谢在河海解释的各位好友，是你们让我四年的大学生活丰富多彩，在我困难的时候有你们的帮助，特别感谢我的好朋友谢相坤、廖敏杰、徐琨、王超等，感谢你们给我这份真挚的友谊。感谢我的父母，大学这四年让你们担心了，你的孩子在这里学会了很多，也长大了，可以为你们分担家庭的重任了！最后，我还要特别感谢参与评阅和答辩会的各位专家，感谢你们在百忙之中抽出时间指导、评审我的毕业设计。名字：冯祥进学号：080101012136 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响附录翻译Chapter3TheXinanjiangModel3.1IntroductionTheXinanjiangmodelwasdevelopedin1973andpublishedin1980(Zbaoetal.,1980).Itsmainfeatureistheconceptofrunoffformationonrepletionofstorage,whichmeansthatrunoffisnotproduceduntilthesoilmoisturecontentoftheaerationzonereachesfieldcapacity,andthereafterrunoffequalstherainfallexcesswithoutfurtherloss.ThishypothesiswasfirstproposedinChinainthe1960s,andmuchsubsequentexperiencesupportsitsvalidityforhumidandsemi-humidregions.Accordingtotheoriginalformulation,runoffsogeneratedwasseparatedintotwocomponentsusingHorton"sconceptofafinal,constant,infiltrationrate.Infiltratedwaterwasassumedtogotothegroundwaterstorageandtheremaindertosurface,orstormrunoff.However,evidenceofvariabilityinthefinalinfiltrationrate,andintheunithydrographassumedtoconnectthestormrunofftothedischargefromeachsub-basin,suggestedthenecessityofathirdcomponent.GuidedbytheworkofKirkby(1978)anadditionalcomponent,interflow,wasprovidedinthemodelin1980.ThemodifiedmodelisflowsuccessfullyandwidelyusedinChina.3.2TheStructuraloftheXinanjiangModel3.2.1TheConceptofRunoffFormationonRepletionofStorageSoil,orindeedanyporousmedium,possessestheabilityofholdingindefinitelyagainstgravityacertainamountofwaterconstitutingastorage.Thisissometimescalled²fieldmoisturecapacity².Bydefinition,waterheldinthisstoragecannotbecomerunoffandthestoragecanbedepletedonlybyevaporationorthetranspirationofthevegetation.Henceevaporationbecomesthecontrollingfactorproducingsoilmoisturedeficiency.Inhumidregions,soilmoisturemeasurementsshowthatthesoilmoisturecanoftenreachfieldcapacity（田间持水量）withintheentiresoilcover.Thisimpliesthatthereplenishmentinthenextperiodofrainfallwillbeequaltotheevaporationintheinterveningperiod.Thissuggestsaverysimplerelationshipbetweenrainfallandrunoffviz.thatbeforeproducingrunofftherainfallmustsatisfythedeficiencybelowfieldcapacitywhichinturniscausedbytheevaporationsincefieldcapacitylastoccurredandafterthatsubsequentrainfallwillallrunoffsincesoilhasnomore2 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响capabilitytoholdthem.ThisistheconceptofrunoffformationonrepletionofstoragewhichisthebasicconceptofXinanjiangmodel.3.2.2OutlineoftheXinanjiangModelStructureThebasinisdividedintoasetofsub-basins.Theoutflowfromeachsub-basinisfirstsimulatedandthenrouteddownthechannelstothemainbasinoutlet.Basedontheconceptofrunoffformationontherepletionofstorage,thesimulationofoutflowfromeachsub-basinisconsistedoffourmajorparts:1)theevapotranspirationwhichgeneratesthedeficitofthesoilstoragewhichisdividedintothreelayers:upper,loweranddeep;2)therunoffproductionwhichproducestherunoffaccordingtotherainfallandsoilstoragedeficit;3)therunoffseparationwhichdividestheabovesodeterminedrunoffintothreecomponents:surface,subsurfaceandgroundwater;4)theflowroutingwhichtransfersthelocalrunofftotheoutletofeachsub-basinformingtheoutflowofthesub-basin.TheflowchartofXinanjiangmodelisshowninFig.3.1.Allsymbolsinsidetheblocksarevariablesincludinginputs,outputs,statevariablesandinternalvariableswhilethoseoutsidetheblocksareparameters.3.2.3TheVariablesTheinputstothemodelarearealmeanrainfall,P,andmeasuredpanevaporation,EM.Theoutputsarethedischarge,TQ,fromthewholebasinandtheactualevapotranspiration,E,whichincludesthreecomponentsEU,ELandED.Thestatevariablesarethearealmeantensionwaterstorage,W,andthearealmeanfreewaterstorage,S.ThearealmeantensionwaterWhasthreecomponentsWU,WL,andWDintheupper,loweranddeeplayer,respectively.TheFRisrunoffcontributingareafactorwhichisrelatedtoW.Therestofthesymbolsinsidetheblocksareallinternalvariables.RBistherunoffdirectlyfromthesmallportionofimperviousarea.RistherunoffproducedfromtheperviousareaanddividedintothreecomponentsRS,RI,andRGreferredtoassurfacerunoff,interflowandgroundwaterrunoff,respectively.ThethreecomponentsarefurthertransferredintoQS.QI,andQGandtogetherformthetotalinflowtothechannelnetworkofthesub-basin.Theoutflowofthesub-basinisQ.2 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响SMKIKGKEXELCSUMLMCCIKGEP,EMEDELEUTQQTQGQIQSRIRSRBR1-FR-IMFRWWUWLWDSRGFig.3.1FlowchartforheXinanjiangmodel2.2.4.ParametersThecharactersoutsidetheblocksareallparameters.Kistheratioofpotentialevapotranspirationtopanevaporationifpanevaporationmeasurementsareusedasreferences.WMandBaretwoparametersdescribingthetensionwaterdistribution.WMisthearealmeantensionwatercapacityhavingcomponentsUM,LMandDM.Bistheexponentofthetensionwatercapacitydistributioncurve.IMisthefactorofimperviousarea.SMandEXaresimilartoWMandBwhiletheydescribethefreewatercapacitydistribution.KIandKGarecoefficientsrelatingtoRIandRG.CI,CG,L,CS,KEandXEareparametersforflowrouting.Themeaningofalltheparameterswillbefurtherdiscussedinlaterparagraphs.3.3Evapotranspiration3.3.1ThePotentialEvapotranspirationInXinanjiangmodel,theactualevapotranspirationofthebasinisrelatedbothtopotentialevapotranspirationandsoilmoisturecondition.Twoproblemsarethenraised,ofwhichoneisthedeterminationofthepotentialevapotranspirationandthe1 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响otheristherulesbywhichthesoilmoisturegovernstheactualevaporation.Directdeterminationofthepotentialevapotranspirationwillencounterdifficulties.Forpracticalpurposes,itisdeterminedwiththeaidoftheobservedvaluesfromevaporationpanduetothefactthatthedataofpanevaporationareoftenreadilyavailable.AnempiricalcoefficientKtransferringthepanevaporationtopotentialevapotranspirationisthusintroducedintothemodelandcalibratedmainlybythetrial-and-errormethod.3.3.2Three-LayerSoilMoistureModelTraditionally,theactualevapotranspirationistreatedtobeproportionaltothesoilmoisture.Thisisconsideredtobeonelayersoilmodel.Themaindrawbackoftheone-layercomputationliesinthefactthatthedistributionofmoistureintheverticalprofilecannotbetakenintoaccount,whichresultsinconsiderableerrorintheactualevaporationcalculation,particularlywhenlightrainfallsinalongperiodofdrought.Thisisbecausethattheantecedentsoilmoisturecontentisalreadyverylow,thusthecalculatedvalueofevaporationbyone-layermodelwillbeverysmall.Butinreality,thepartofsoilmoisturereplenishedbynewrainfallwillbemainlydistributedinthetopsoiland,inaddition,ifthereisagoodvegetativecover,acertainportionoftherainwillbeinterceptedbyvegetation.Themoisturewhichremainsinthetopsoilaswellasonthebranchesandleavesofplantswillevaporateataratecomparablewiththepotentialevapotranspiration,and,therefore,cannolongerbetakenthesamethingastheantecedentsoilmoisturecontent.Sothatatop-layerisnecessarytobeintroducedintothesoilmodelfortreadingthenewraindifferentfromtheoldsoilmoisture.Meanwhile,duringdryseason,stillanothererrorinthecalculationofactualevaporationmayoccurespeciallyinhumidandwellcoveredarea.Inthiscase,thoughthetopsoilisdriedout,thedeeperlayermaybestillmoist.Therootsystemofvegetationwillgrowdeepertoabsorbthemoisturethereforitstranspiration.Hencetheruleofdirectproportionnolongerholdsatthismoment.Itisnecessarytofurtherimprovethecalculationbyputtingforwardadeeperlayertothemodel.Thusathreelayersoilmoisturemodelwassograduallydeveloped.Therulesofcalculatingtheactualevapotranspirationaredescribedbelow.3.3.3CalculationRulesofEvapotranspirationThetotalarealmeansoilmoisturecapacityofabasin,WM,isdividedintothreeportions:UMtheupperpart,LMthelowerpartandDMthedeeperpart,WU,WLandWDarestorageatanymomentcorrespondingtothe1ayers.Evaporationoccursatthepotentialrate,equaltoKtimesthepanevaporationrateinthecaseofusingpanevaporationmeasurements.(3.1)untilthestorageWUoftheuppermostlayerisexhausted.Onexhaustionoftheupperlayer,anyremainingpotentialevapotranspirationisappliedtothelowerlayer,buttheefficiencyismodifiedbymultiplicationbytheratioofactualstorageWLtothecapacitystorageLMofthatlayer.1 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响(3.2)whenthelowerlayerstorageWLisreducedtoaspecifiedproportion,C,ofLM,evapotranspirationisassumedtocontinue,butatarateEDgivenby(3.3)3.4RunoffProductionTheconceptofrunoffformationonrepletionofstorageholdstruesofarasonesinglepoint,inthesenseofaverysmallarea,ofabasinisconcerned.Foranentirewatershed,thingsaremorecomplicated.Themoisturedeficitoftenvariesfromplacetoplace.Thisnon-uniformdistributioneffectstherunoffproductionofawholebasinsignificantly.Tosolvetheproblem,inXinanjiangmodel,adistributionoftensionwatercapacityissuggestedinstatisticalmanner.3.4.1DistributionofTensionwaterCapacityToprovideforanon-uniformdistributionoftensionwatercapacitythroughoutthebasinorsub-basinwhateverisconcerned,atensionwatercapacitycurveisintroduced,seeFig.3.2.InFig.3.2,f/FrepresentstheproportionoftheperviousareaofthebasinwhosetensionwatercapacityislessthanorequaltothevalueoftheordinateW"M.Thetensionwatercapacityatapoint,W"M,variesfromzerotoamaximumMMaccordingtotherelationship(3.4)whereMMandBareparameters.Thearealmeantensionwatercapacity,WM,constitutesanalternativeparametertothemaximumvalueMM.ThesearerelatedthroughtheparameterB.Fromeq.(3.4),byintegration,itiseasytoshowthat(3.5)1 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响Thestateofthebasin,atanytime,isassumedtoberepresentedbyapointxonthecurvedlineofFig.3.2.TheareatotherightandbelowthepointxisproportionaltothearealmeantensionwaterstorageW(notcapacity).Thisassumptionimpliesthateachpointinthebasiniseitheratcapacitytension(pointstotheleftofx)orataconstanttension(pointstotherightofx).MMxW′MP-K*EMAUFR0IMf/F1.0RWFig.3.2Thedistributionoftensionwatercapacityinthebasin3.4.2.RunoffProductioninaBasinWhenrainfallexceedsevaporation,theordinateofFig.3.2isincreasedbytheexcess,xmovesupwardsalongthecurveandrunoffisgeneratedproportionaltotheareashownshadedtotheleftandabovethepointxinFig.3.2.If,islessthanMM,then1 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响(3.6)otherwise(3.7)3.4.3StateofaBasinWhenevaporationexceedsrainfall,thetensionmoisturestorageisreducedandthepointxmovesdownwardsalongthecurveofFig.3.2toalevelatwhichthearealmeantensionwaterstorageW(theareatotherightandbelowthepointx)assumesitsappropriatevalue.Itisperhapsworthnotingthatthisimpliesaredistributionofwaterwithinthebasin.If,initially,thetensionwaterstateofthecatchmentisrepresentedbythecurvedlinetotheleftandthehorizontallinetotherightofxinFig.3.2,areductionintensionwaterstorageatallpointsinthebasinwouldberepresentedbyaconstantdownwardshiftofthecurvedandhorizontallines.Instead,however,noreductionisimposedonpointstotheleftandbelowx--thesepointsremainatcapacitylevel--andacorrespondinglygreaterreductionisimposedovertheremainderofthebasin,implyingagreaterreductioninthepositionofthehorizontalline.Thisimpliesaredistributionofsoilmoistureduringthedryingperiod,withwaterflowingfromthemoreelevatedpartsofthebasintothelowerparts.3.5SeparationofRunoffComponentsTherunoffR,generatedinawetperiodinaccordancewithFig.3.2,shouldbefurtherseparatedintoitsthreecomponents.RSsurfacerunoff,RGgroundwaterrunoffandRIinterflow.Toeffectthis,theconceptsoffreewaterstorageanditsdistributionaredeveloped.3.5.1DistributionofFreeWaterCapacityItisassumedinXinanjiangmodelthatthefreewaterstorageanditscapacityarenon-uniformlydistributedoverthearea,FR,onwhichtherunoffiscurrentlyproduced.ThedistributioncurveisillustratedinFig.3.3.ThefreewaterstoragecapacityS"MareassumedtobedistributedbetweenzeroandapointmaximumMSinaparabolicmanner,overFR.(3.8)wherefistheportionofthebasinareaforwhichthefreewaterstoragecapacityislessthanOrequaltoS"MandExisaparameter.1 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响Itisfurtherassumedthatthecurrentstateoffreewaterstorageinthebasincanberepresentedbyapoint(ordinateBUontheparabolaofFig.3.3)implyingthattheportionofthebasintotheleftofthatpointisatcapacitystorageandtotherightthestorageisconstant,belowcapacitylevel.RS△SMSxS′MP-K*EMBU0f/FR1.0RIRGFig.3.3TheseparationofrunoffcomputersThearealmeanfreewaterstoragecapacitySMmaybeusedinsteadofMSasaparameter(3.9)ByintegrationofS"Mineq.(3.8)andsubstitutionofSMforMSfromeq.(3.9),theequivalentfreewaterstorageSovertherunoffproducingareaFR,canbefoundfromtheequationbelow(3.10)3.5.2.RunoffSeparationTherunoffRgeneratedinaccordancewithFig.3.2andexpressedasthedepthP-K·EMovertherunoffproducingareaofthebasinisappliedbyaddingP-K·EMtoBUinFig.3.3,yieldingacontributionRStosurfacerunoff.1 河海大学学士学位论文气候变化对黄河支流泾河水资源的影响Algebraically,ifBU+P-K·EM