黄河流域中上游地区水储量变化研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 周美林 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 罗毅 |
| 关键词 | 水储量 气候变化 人类取水 驱动机制 黄河流域 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 陆地水储量包含地表水（含冰川积雪）、土壤水和地下水，是黄河流域中上游地区经济发展和生态安全保障的基础资源。受气候变化和植被恢复工程的影响，近年来流域水文条件发生显著变化。因此，研究其时空演变规律和驱动机制，理解变化环境下陆地水的存储、转换和消耗，对流域生态保护和高质量发展具有重要的意义。 本研究基于多源数据，采用经验模型、分区统计、相关性分析等方法，分析退耕还林/还草工程实施前后陆地水储量及其分量时空变化特征，从内部主导和外部驱动两个方面阐述了退耕还林/还草工程实施后水储量变化驱动机制。主要结果如下：1.采用H2O机器学习算法重建了GRACE卫星（1982-2002）水储量变化，重建数据与实测数据相关系数为0.64~0.96，均方根误差为7~30mm。基于重建数据分析退耕还林/还草工程实施前后水储量时空变化。结果表明：（1）退耕还林/还草工程实施后，黄河流域中上游地区年际水储量显著减小（-5.5mm/year），低于实施前（1982-1999年）-1.73mm/year，亏缺速度加快。空间上黄土高原区域显著减小区域面积增大，龙羊峡以上变为增加。（2）不同时段水储量年内特征一致，春秋季增加，夏冬季减小。退耕还林/还草工程实施后水储量年内补给量减小，消耗量增加。水储量变化极值区域随季节变化，春季增加极值区域为河套灌区（10mm），秋季增加极值区域为黑河流域和白河流域（48mm），夏冬季减小极值区域为三门峡到花园口区间（-16~-41mm）。2.基于GLDAS、ERA和CPC模拟的土壤水分析退耕还林/还草工程实施后，2米深度土壤水储量时空变化，阐明退耕还林/还草工程实施后降水、温度和植被对土壤水储量变化的影响。结果表明:（1）退耕还林/还草工程实施后（2003-2015年）土壤水储量年际趋势不显著（-0.003mm/year），与实施前（1982-1999年）-0.28mm/year相比，土壤水储量变化不明显。空间上，渭河流域和唐乃亥以上区域土壤水储量由减小转为增加，兰州到头道拐区间由增加转为减小，三门峡到花园口区间土壤水储量减小程度加剧。（2）不同时段土壤水储量年内变化一致，夏秋季增加，春冬季减小，年内变化幅度为40mm。退耕还林/还草工程实施后年内土壤水储量消耗减小，补给增加，土壤水储量以补给为主。不同季节土壤水储量变化极值区域不同，夏秋季在阿尼玛卿山地区增加幅度最大（39mm），渭河流域、头道拐到龙门区间减小幅度最大（-19~-31mm）；春冬季在黑河流域和白河流域减小幅度最大（-24mm），河套灌区和渭河流域增加幅度最大（18~23mm）。（3）降水、气温和植被对土壤水储量的影响具有明显的空间变异。三门峡以上区域土壤水储量增加受降水增加、最低气温增加和植被增加影响显著，三门峡到花园口区间土壤水储量减小受降水减小，最低气温增加，最高气温增加和植被减小影响显著。3.基于重建的陆地水储量，结合土壤水储量、煤炭开采和水库蓄水评估研究区域地下水储量时空变化，阐明了降水、温度、植被、地下取水和采煤对地下水储量年际变化的影响。结果表明：（1）退耕还林/还草工程实施后（2003-2015年）黄河流域中上游地区地下水储量显著减小（-5.69mm/year），与实施前（1982-1999年）-3.5mm/year相比，地下水储量减小速率增大，加剧地下水储量亏缺程度。空间上，阿尼玛卿山地区地下水储量由增加显著（2.1~29mm/year）转为增加不显著或减小（-1.7~9.5mm/year），头道拐到三门峡区间显著减小区域面积增加。（2）退耕还林/还草工程实施前后地下水储量年内变化特征相近，春冬季补给期，夏秋季为消耗期，年内极差为18.8mm，地下水储量年内变化以消耗为主。（3）地下水储量受气候和植被影响显著，地下取水和采煤影响不显著。降水、温度和植被对地下水储量年际变化影响显著区域不同：兰州以上区域地下水储量减小受降水减小影响显著；兰州到头道拐区间受最低温度增加、植被增加影响显著；三门峡到花园口受降水减小、植被增加、温度（最低和最高）增加影响显著；头道拐到三门峡区间降水、温度和植被变化对地下水储量变化影响不显著。4.不同时间尺度黄河流域中上游地区陆地水储量变化主导分量不同，其中年际尺度由地下水储量主导，季节尺度由土壤水储量和地下水储量共同主导。（1）年际尺度，流域平均地下水储量、土壤水储量和地表水储量贡献率分别为63%、21%和16%。空间上，兰州以上流域由地下水、土壤水和地表水储量共同主导，兰州到头道拐、龙门到三门峡区间由土壤水、地下水储量共同主导，头道拐到龙门、三门峡到花园口区间由地下水储量主导。（2）季节尺度，土壤水储量贡献为43%~49%，地下水储量贡献率为51%~55%；空间分布特征不同，整体而言水储量季节变化由土壤水和地下水储量共同主导，河套灌区和六盘山地区由土壤水储量主导，头道拐到三门峡区间由地下水储量主导。5.气候变化是水储量年际和年内变化主要驱动因素，年际尺度的变量协同作用贡献显著。（1）水储量年内变化驱动因素贡献从大到小依次为基流、蒸发、最低温度、灌溉取水，其中基流变化使水储量补给减小，蒸散发、最低温度、灌溉取水使水储量消耗增加。不同区域的年内变化驱动因素及贡献不同：龙羊峡到兰州和龙门到三门峡区间，气候贡献率显著高于人类活动；兰州到龙门区间，气候与人类活动贡献率相近。（2）年际尺度，水储量趋势变化主导因素从大到小依次为基流、降水、发电取水、径流、NDVI和最低气温，其中径流和最低气温仅通过协同作用影响水储量。不同驱动因素协同作用显著影响区域和作用方式不同，发电取水与最低温度促进黑河和白河流域水储量增加，发电取水与径流促进扎陵湖、鄂陵湖和果洛地区水储量增加、黄土高原中部地区水储量减少，降水与径流显著促进扎陵湖和鄂陵湖地区水储量增加，降水和基流、NDVI和径流对汾河流域、河套灌区、内流区和三门峡到花园口区间水储量的减小影响显著。综上，退耕还林/还草工程实施后，黄河流域中上游地区陆地水储量显著减小，由地下水储量变化主导，变化决定因素为基流、降水、发电取水、径流、NDVI和最低气温，其中气候贡献最大，变量间协同作用显著。年内水储量以消耗为主，由土壤水储量和地下水储量变化共同主导，变化决定因素为基流、蒸散发、最低气温、灌溉取水 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 153 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186931]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周美林. 黄河流域中上游地区水储量变化研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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