论文部分内容阅读
变化环境下的水文水资源研究是当前水文科学的热点问题之一。气候变化和人类活动是造成流域水文过程变化的两个主要因素，而随着社会经济的发展和人类改造自然能力的加强，人类活动的影响越来越显著。城镇化是人类改变地表最深刻、最剧烈的过程之一，也是影响水文过程的重要因素。随着城镇化进程的加快和城镇规模的不断扩张，土地利用状况发生了显著改变，河流水系被改造，流域水文过程和水文规律发生变化，区域洪涝灾害、水资源与水环境等问题也随之加剧，因此，快速城镇化地区的河网水系演变和水文过程变化规律亟待探索。 太湖流域既是我国经济发展最为迅速的区域之一，也是我国城镇化率最高的区域之一。随着城市化进程的快速推进，人类活动对该区域河网水系和水文过程造成的影响十分突出。河网水系日趋主干化，调蓄功能下降;汛期河网与太湖水位居高不下，小水大灾现象突出。20世纪90年代太湖流域洪涝灾害频繁发生、损失巨大，人类活动是其中极为重要的因素之一。对该区域城镇化背景下的河网水系和水文过程变化进行研究，是一个理论和实践上都富有意义的课题。 本文以太湖流域水网区为研究区域，综合运用RS、GIS、水文模拟、时间序列分析、分形等技术和方法，对城镇化背景下的河网水系和水文过程变化进行研究。论文提取了1960s、1980s、2000s年代3个不同时期的水系图，在此基础上阐释了水系结构特征及影响因素。探讨了该区域河网极值水位的时间和空间变化特征，并采用水位历时曲线参数化的方法模拟了下垫面变化下的水位过程。分析了城镇化背景下研究区水系调蓄功能的变化，并使用分形理论探讨水系演变与水位变化之间的联系;将时间序列分析和产水量模拟相结合，预估了太湖未来特征（平均、最高和最低）水位变化的可能情景，为太湖流域防洪减灾提供有益的参考。 首先，研究该区域城镇化背景下的下垫面和水系演变。①采用遥感解译数据详细分析了研究区的下垫面土地利用变化特征，发现研究区城镇建设用地增加主要由水田、旱地和水域转化而来。为进一步分析流域未来城镇化下的产水量变化，设定了未来15年的城镇化情景。②基于基本地形图和电子地图提取了研究区1960s、1980s和2000s年代的三期水系图，证实1960年代前的河网受城镇化干扰甚微，1960-1980年代的河网受城镇化影响尚不明显，而1980年代以后的河网受城镇化的影响十分剧烈。③在分析水系结构指标变化特征的基础上，将河网水系演变与研究区城镇扩展、人口分布格局变化之间进行对比，探讨了水系演变的影响因素。结果显示，人口增加最为迅速的区域，其河网水系演变的简单化趋势也是最为显著的。 其次，研究该区域城镇化背景下的水文过程变化。①采用特征统计、趋势检验、IHA模型等方法对比分析研究区降水和河网水位特征，确认河网高等级水位的集中程度大大超过降水的集中程度，其原因是城镇化对河网水位上升造成了显著影响。②基于MK趋势和突变检验法、克里金插值法、半变异函数等方法，分析人类活动对河网极值水位造成的影响。分析结果表明，研究区河网极值水位上升趋势显著而历年降水量没有显著趋势，因此人类活动影响在极值水位变化过程中发挥着越来越重要的作用。同时发现，流域高强度的人类活动干扰还造成极值水位的空间自相关性减弱。③采用水位历时曲线(LDC)参数化的方法，模拟了研究区不同年代的河网水位变化，并探讨了下垫面变化对LDC形状的影响。从模拟结果来看，80、90年代的LDC曲线坡度较高，而90年代是LDC曲线坡度最高的年代。该参数化方法对LDC曲线的形状模拟精度很高，为分析土地利用变化等下垫面变化对水文过程的影响提供了思路。 最后，研究区城镇化背景下流域和水系变化对水文过程的影响。①建立月尺度上四种土地利用类型的产水量计算模型，计算1991、2001和2006年土地利用特征下的太湖流域产水量，并根据未来15年的城镇化情景计算未来可能增加的产水量，进一步估算所增产水量对太湖水位上升的影响。结果表明，未来15年流域上游区土地利用变化将可能造成太湖水位上升0.26m左右。②分析和对比了不同年代、不同区域、不同河道等级河网与湖泊的容蓄和可调蓄能力。结果发现，不同年代的水系与湖泊调蓄能力，1960年代至1980年代的下降幅度不大;而从1980年代至2000年代，下降比较明显，尤其以河网容蓄和可调蓄能力的下降更为显著。此外，在城镇化影响下，三级、四级等低等级河道的河网容蓄和可调蓄能力下降更为突出。③通过对不同时期河网和湖泊分形特征的刻画，深入认识水系结构变化，并进一步与水位序列分形特征进行对比，初步揭示了河网水系演变和水位变化的联系:从上世纪1960s年代至2000s年代，研究区各市范围内水系盒维数和湖泊关联维数均呈下降趋势，而代表站水位序列的分维数是上升的，因此水系和水位的分形特征验证了水系调蓄能力的下降趋势。④采用弹性分析方法，将研究时间段分为基准期和相对期，分析了河网水位对城镇化的响应特征，得到了在相对期城镇化弹性系数显著增加的结论。⑤选择时间序列分析的方法，采用趋势、周期和随机项分解模型对太湖年特征水位进行模拟，预测未来15年太湖特征水位，并进一步将流域未来土地利用变化所引起的太湖水位增加量，与时间序列模型预测的太湖特征水位相叠加，从而对太湖流域的未来洪涝进行预估。分析认为，未来2021年太湖最高水位将可能超过4.31m，其中产水量增加所造成水位上升的比重接近6％。 总之，本文选取城镇化快速发展、洪涝灾害频繁发生的太湖流域，深入探讨了城镇化背景下区域河网水系和水文过程的变化，阐明了区域下垫面和水系变化特征，探讨了水系演变的影响因素，并揭示了研究区城镇化等人类活动影响下的水文过程变化主要特征。论文进一步深入分析了城镇化背景下区域产水量变化和水系调蓄能力的变化，运用分形理论探讨了河网水系演变与水位变化之间的联系，并将时间序列分析和产水量计算相结合，预测了未来15年土地利用变化情景下的太湖特征水位，其成果将有助于未来流域洪涝预警。