变化环境下河流水文极值与生态问题研究

论文摘要

随着近几十年来气候变化和人类活动的加剧,全球水文循环过程和水资源演变规律都发生了较大的改变,进而影响了洪水干旱等极值事件发生的频率和幅度以及河流的水生态系统功能,对我国水安全造成了严重的威胁。变化的环境也对水文学科带来了新的挑战,一些传统的研究方法已经变得不再适用;如何正确理解变化环境下水文气象事件的发展趋势和演变规律,评估其对流域水资源和水生态带来的复杂影响,是当前水科学领域理论研究和实际应用中的重大科学问题。本论文选取长江流域上游宜昌段为研究对象,对变化环境下的河流水文极值和生态问题展开深入研究,分析了水文时间序列的时空间演变规律,建立了非一致性的极值频率分析模型,探究了水文变量间相关性结构的变异特征,评估了河流栖息地在多因子影响下的适宜度变化情况,为研究区域在变化环境下的水资源规划管理和水生态文明建设提供了充实的理论基础和科学的技术支撑。本论文的主要研究工作和创新性成果总结如下:（1）采用非一致性检验和小波变换分析方法,从趋势性、突变性和周期性3个角度分析了宜昌水文站不同尺度流量时间序列的变化规律和发展趋势。研究结果表明:不同尺度流量时间序列均受到变化环境的影响,其中年平均流量序列呈现出显著的减小趋势,季尺度流量序列特征则体现为夏秋两季流量减少,冬季流量增加,而春季流量相对稳定,极小值流量序列均呈现增加趋势,而极大值流量则呈现减少趋势,各流量时间序列的突变点大多出现在20世纪的60年代和21世纪初两个时期;采用小波变换分析年平均流量周期变化的主周期为25年,在研究时段内存在7次明显的丰枯交替过程。（2）构建了河道枯水流量的单变量频率分析时变矩模型,研究了其在梯级水库影响下的频率分布特征变化,探究了非一致性模型构建中的模型选择和残差分布等重要理论问题。研究结果表明:在变化环境下,非一致性模型对水文极值频率分析的拟合效果整体上优于一致性模型,残差接近服从正态分布;相较于时间变量,基于物理成因的协变量能够更好地拟合时间序列中的变化特征,并且模型对未来的预测结果更加合理;采用非一致性频率分析模型会影响水文极值的设计值,研究区域在变化环境下的枯水流量保证能力整体上有所提高。（3）提出了一种非一致性的标准流量指数结合改进水库指标用于变化环境下河道水文干旱的识别和评估,引入Copula理论对识别的干旱历时和干旱烈度进行两变量模拟,采用联合重现期和条件重现期探究了变化环境对下游河道水文干旱的影响。研究结果表明:本文提出的非一致性标准流量指数具有更好的拟合效果;相较于传统标准流量指数,非一致性指标识别的干旱烈度边际分布线型和参数均发生了明显的变化,特征变量间相关系数高于一致性指标识别的结果;在给定设计值条件下,不同干旱指标建立的Copula模型联合重现期存在明显差异,体现了月流量序列的非一致性特征;以改进水库指标为协变量的干旱指标条件重现期小于传统干旱指标的结果,意味着其识别的河道水文干旱情势更加严峻。（4）采用多变量趋势检验研究了洪水洪峰和7日最大洪量的相关关系变化,构建了时变Copula模型进行两变量非一致性频率分析,提出了两变量情形下的非一致性重现期和水文风险用于变化环境下的工程水文设计值计算。研究结果表明:研究区域洪峰洪量相关性结构发生变化,时变Copula模型的拟合效果整体上优于传统Copula模型;采用非一致性联合重现期和水文风险评估两变量洪水风险,其结果随不同的设计洪水事件而有所差异:相较于一致性模型,考虑洪峰洪量同时超过的情形,非一致性模型在给定重现期下的边际分布超过概率更高,水文风险更小,意味着以当前一致性假定设计的水利工程可以抵挡未来变化环境下的洪水风险;考虑洪峰或洪量超过的情形,非一致性模型在给定重现期下的边际分布超过概率与一致性模型相近,其水文风险值取决于初始设计标准的高低。（5）采用水文指标法分析了三峡-葛洲坝梯级水库蓄水前后河道日流量和水温序列的变化过程,以长江流域关键物种中华鲟为例,提出了栖息地统计模型用以评估多因子影响下产卵场适宜栖息面积的变化情况。研究结果表明:葛洲坝水库对于河道水文情势改变程度较小,而三峡水库对河道流量的影响达到了中度改变,蓄水前后天然河道的升温和降温过程出现滞后,河道水温结构发生变化;对20072012年中华鲟产卵场适宜栖息面积的计算结果表明最适宜中华鲟产卵的时间出现在每年11月的中上旬,而10月大部分时间已不具备中华鲟产卵所需的水文条件;适宜栖息面积同时受到流量和水温的影响,其中水温对于模型拟合的影响程度大于流量,本文建立的栖息地统计模型能够更好地量化评估多因子影响下的栖息地适宜度变化情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究综述
•   1.3 主要研究内容
• 2 水文时间序列变化规律研究
•   2.1 时间序列变异检验方法
•   2.2 研究区域概况
•   2.3 应用研究
•   2.4 本章小结
• 3 单变量水文极值频率分析时变矩模型
•   3.1 GAMLSS模型
•   3.2 应用研究
•   3.3 本章小结
• 4 基于非一致性指标的两变量水文干旱研究
•   4.1 非一致性标准流量指数
•   4.2 两变量Copula函数理论
•   4.3 应用研究
•   4.4 本章小结
• 5 基于时变Copula的两变量设计洪水研究
•   5.1 多变量水文序列趋势检验
•   5.2 时变Copula理论及方法
•   5.3 非一致性洪水风险评估
•   5.4 应用研究
•   5.5 本章小结
• 6 变化环境下的河流栖息地影响研究
•   6.1 河流生态水文指标
•   6.2 栖息地统计模型
•   6.3 应用研究
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 主要研究结论
•   7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表的论文、专利成果
• 附录2 攻读博士期间完成和参与的科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 姜尚文

导师: 康玲

关键词: 变化环境,时变矩,水文干旱,标准流量指数,理论,非一致性重现期,洪水风险,栖息地模拟

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 华中科技大学

分类号: P332

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.003924

总页数: 132

文件大小: 7662K

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