变化环境下流域干旱问题及其对生态与供水系统影响研究- - 以引滦供水系统及其控制流域为例

On the basis of field investigation and measurement in Luanhe water supply system and its controlled area, changes in environmental factors such as climate and land use/land cover will be analyzed first. And the driven factors of drought events should be identified from the complex context. Temporal and spatial distribution of drought will be researched based on suitable drought indices. Non-stationary drought modeling such as drought frequency analysis and forecast must be solved due to environmental change. In combination with experimentation, hydro-meteorological and remotely sensed data, the law of carbon cycle will be determined in the ecological system, and the spatial and temporal patterns of the net primary productivity is estimated based on light utilization model. Then the effects of drought on carbon cycle could be quantified. The effects of drought on water resources will also be quantified by hydrological modeling. By studying stochastic modeling under non-stationary conditions and risk analysis, it will be determined for the impact of drought on water supply risk. At last, effective measures will be proposed for mitigating drought effects on ecological and water supply system, which provide important information for drought adaption.

项目以引滦供水系统及其控制流域为例，在充分的实地调研和勘察的基础上，对流域气候和下垫面条件等环境变化特征进行分析，从复杂的干旱事件成因中识别出干旱主要驱动因子，并进行流域干旱演变规律及地缘特征分析。针对干旱产生条件具有非一致性特征，研究变化环境下干旱频率分析及干旱预测等问题的理论及其模拟方法。并通过试验研究，结合遥感数据及相关水文气象观测资料，模拟分析生态系统碳收支的时空分布特征，给出干旱对自然生态系统碳收支平衡的影响。采用水文模型模拟的方法分析流域水资源对干旱事件响应程度。研究变化环境下非一致性时间序列随机模拟技术，确定引滦供水系统供水风险对干旱的响应程度，并提出应对生态系统和供水系统干旱的有效措施，为流域干旱风险应对提供基础理论支持。

引滦供水系统担负着向天津市供水的重要任务，其安全运行对天津市可持续发展起到重要的作用。项目以引滦供水系统及其控制流域为例，对流域气候和下垫面条件等环境特征进行了分析，通过环境因子与干旱指标的统计关系分析，从复杂的干旱事件成因中识别出了干旱的大尺度气候因子（ENSO、NAO、PDO等）和下垫面条件（土地利用、水土保持）等主要驱动因子，对流域干旱的时空分布特征进行了分析，发现流域气象干旱和水文干旱均有加剧的趋势。针对干旱产生条件具有非一致性特点，提出了变化环境下以大尺度气候因子和下垫面因子为协变量的非一致性气象干旱和水文干旱指标，比一致性干旱指标更能捕捉严重干旱。提出了流域干旱类型演变的三种情况，农业干旱和水文干旱并非由气象干旱导致，并且气象干旱也并非演变为农业干旱和水文干旱，给出了农业干旱和水文干旱发生的约束条件。提出了变化环境下以大尺度气候因子为协变量的预测方法，对于一个月预见期的干旱精度较好。结合流域土地利用遥感数据及相关水文气象资料，估算了流域生态系统净第一性生产力，分析了其时空变化特征及其对干旱的响应程度，流域上游草地净第一性生产力较低，在0-300 gC/m2a-1之间，中下游林地的净第一性生产力普遍高，为300-400 gC/m2a-1。构建了滦河流域分布式水文模型，模型的确定性系数达到0.8左右，模拟分析了人类活动对流域水资源的影响。提出了变化环境下基于Copula函数和混合分布的非一致性月径流时间序列随机模拟技术，模拟结果能准确反映原非一致性时间序列的统计特征，在此基础上研究了干旱对引滦供水系统供水风险的影响程度，由于非一致性的影响，供水可靠度由原来的0.773减小到现在的0.490，可恢复性由0.137减小为0.075，脆弱性由1.7增加到2.0。该研究为变化环境下滦河流域干旱预测及水资源规划与管理提供了科学依据。