（自然地理学专业论文）变化环境下流域径流演变研究——驱动力、演化模式及模拟预测.pdf

变化环境下流域径流演变研究 一一驱动力、演化模式及模拟预胃哪 专业：自然地理学 作者：石教智 导师：陈晓宏教授 摘要 自地球在宇宙中出现起，地球及其环境就无时无地不在变化。从这个意义上 讲，全球变化是自始自终地进行着的。只是在人类文明出现之前，这种变化是一 种自然演化过程，如海陆变迁、风化侵蚀等，具有一定的随机性和规律性；有了 人类文明之后，人类活动开始和各种自然因素交织一起，改变着人类的居住环境， 如修渠筑坝、垦伐种植等。而且随着人类文明的不断进步，环境变化受人类活动 影响越来越大，表现在水资源领域，则是一方面：水资源的需求量不断增加，供 需矛盾日益突出：另一方面：受水资源开发利用等人类活动和气候等自然因素变 化的双重影响，水文要素产生变异，水循环过程日益复杂。变化环境下的水循环 研究正成为全球变化研究计划的若干核心研究计划之一。 流域径流作为水循环的重要环节和人类可利用水资源的主要存在形式，是流 域水资源综合开发利用、优化配置、科学管理最重要的依据，它的形成受到人类 活动和气候变化等越来越多的影响。因此，本文以流域径流为研究对象，在分析 流域径流形成过程及其影响因素的基础上，采用时间序列分析和水文模型模拟等 多种方法对变化环境下流域径流的演化模式、成因及其未来变化进行了研究，为 各种水利工程规划、水量分配方案和水资源调查评价提供更为可靠的水文设计数 据和分析原理。论文主要研究成果如下： ( 1 ) 在分析国内、外研究成果的基础上，选取能代表我国南方湿润地区的 广东省东江流域为研究实例，系统介绍了东江流域概况及其水文气候特征，揭示 了流域受人类活动影响的一些水文变化基本特征，并结合作者参与的项目，分析 了有关资料的来源、基本情况以及资料的可靠性、一致性和代表性。 ( 2 ) 全面系统地研究了气候、人类活动、水文下垫面和太阳活动等对径流 的影响，并初步探讨了变化环境下径流演变的驱动模式，对东江流域径流演化， 首次进行了比较科学合理的驱动力分类。指出变化环境下流域径流演变符合“自 然一人工”的二元驱动模式，其驱动因子可分为系统性因素和非系统性因素，非 系统性因素又可分为可定量因素和不可定量因素。 ( 3 ) 研究了年径流序列的时、频特性，指出由于受诸多因素影响，年径流 序列表现为非线性和非平稳性，可以描述成若干成分的线性叠加模型，并可以在 频率域上分析各成分的内部结构。 ( 4 ) 针对年径流序列的时、频特征，引入新的时、频分析方法一一h h t 方 法，指出这种方法的突出优点，并就h h t 方法应用中的三个关键问题：包络线 求法、离散瞬时频率的数值计算和e m d 分解的边界问题进行了探讨，在华南地 区径流演化研究中，首次提出并应用了基于径向基函数网络模型的“边筛分，边 延拓”的边界处理方法，比一般常用的镜像延拓方法更有效。 ( 5 ) 应用h h t 方法对东江流域年径流序列进行了分析与计算，得出其不同 频率成分和演化模式，并结合其它分析方法对其周期特征、趋势性和跳跃性进行 了验证，对其演变成因进行了研究，发现：东江流域实测年径流存在2 6 0 年， 4 9 5 年，9 4 0 年和2 3 6 年等几个周期，序列没有呈现较明显的递增或递减的长 期变化趋势，且在二元驱动模式下序列于1 9 7 2 年前后有较为明显的跳跃现象； 东江流域降雨径流变化过程关系密切，但由于下垫面的调蓄作用，降雨对径流的 影响具有滞后性，且随着人类活动的日益剧烈，其影响有随着年代推移而减弱的 趋势，而人类活动对东江流域径流的影响程度则越来越大。 ( 6 ) 引入了分布式流域水文模型一- s w a t 模型，并在东江流域首次充分应 用g i s 平台、a r c g i s 软件和d e m 进行气象数据空间离散化，获取分布式的模型 输入数据，如气象数据、土地利用数据等，与s w a t 模型进行了松散耦合。 ( 7 ) 在对东江流域进行子流域划分的基础上，通过模型模拟验证进行模型 参数调试，建立了基于径流演变二元驱动模式下的东江流域s w a t 模型，并分别 模拟计算气候不变、下垫面条件改变和气候改变、下垫面条件不变情况下的天然 径流量，研究气候变化和人类活动对径流变化的影响，描述未来可能气候条件下 的径流变化情景。 ( 8 ) 论文基于新的预测理念，在华南地区径流演化研究中，首次将h h t 方 法的自适应多分辨分析同人工神经网络的强有力的逼近功能结合起来，建立了基 于h h t 方法的径向基神经网络预测模型，并对东江流域年径流序列进行了模拟 和中长期预测，得到了比较理想的结果，丰富了径流预测的理论和方法。 关键词：流域径流变化环境人类活动影响东江流域演变规律 h i l b e r t - h u a n g 变换 二元驱动模式流域分布式水文模型 l i i v a r i a t i o n 对q 赢q o m o f f u n 以 r ac h a n g i n ge n v i r o n m e n t 柳倒州驴叼坼，矽 月甜j l o 竹j i a o z h i t u t o r _ ：o 艇蜘o t l 8p r o f e r a ” a b s t r a c t a sw ea hk n o w , s i n c et h ee a r t hc o m e si n t ob e i n gi nt h eu n i v e r s e ，g l o b a lc h a n g e i sg o i n ga l la l o n g b e f o r eh u m a nc o m e si n t ob e i n g s i ti ss a i d t h a te n v i r o n m e n t a l c h a n g e s ，s u c ha st h ec h a n g e so fo c e a na n dl a n da r e a ，n a t u r a la i rs l a k i n ga n dw i n d i n g e r o s i o na n ds oo n , a l la r en a t u r a le v o l u t i o np r o c e s s e s ，a n dt h e ya p p e a rt ob es t o c h a s t i c a n dr e g u l a r b u th u m a na c t i v i t i e s ，f o re x a m p l e ，l a n du s e ，p l a n t a t i o na n dd a m b u i l d i n g , c o u p l e dw i t ht h e s en a t u r a lf a c t o r sa r em a k i n gh u m a nh a b i t a t i o na l la r o u n dt h e m b e c o m ew o r s ea n dw o r s ee s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s f u r t h e r m o r e ，a l o n gw i t ht h e c o n t i n u i n ga d v a n c e m e n to fh u m a nc i v i l i z a t i o n ，t h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n t i s b e c o m i n gg r e a t e ra n dg r e a t e r t a k et h ef i e l do fw a t e rr e s o u r c e sa sa ne x a m p l e ：o nt h e o n eh a n d ，t h ed e m a n do fw a t e rr e s o u r c e si sb e c o m i n gm u c hm o r ea c c e s s o r i a l , m a k i n g t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rd e m a n da n dw a t e rs u p p l ym o r eo u t s t a n d i n g ；o nt h e o t h e rh a n d ，d u et ot h ee f f e c t so fh u m a na c t i v i t i e sa n dg l o b a lc l i m a t ec h a n g e ，t h e h y d r o l o g i c a lf a c t o r s ( i n c l u d i n gp r e c i p i t a t i o n , t e m p e r a t u r e ，e v a p o r a t i o n ，r u n o f f ) a r e c h a n g i n gt e m p e s t u o u s l y , a n dt h ep r o c e s so fw a t e rc y c l eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y c o m p l e x t h e r e f o r er e s e a r c ho nt h ew a t e rc y c l eu n d e rc h a n g i n ge n v k o n m e n ti so n eo f t h ek e yp l a n so ft h er e s e a r c h e so ng l o b a lc h a n g e b a s i nr u n o 拭a st h ek e yt a c h eo fw a t e rc y c l ea n da p p e a r i n ga s p e c to fa v a i l a b l e w a t e rr e s o u r c e s ，i st h em a i nb a s i so fe x p l o r i n ga n da p p l y i n gw a t e rr e s o u r c e s ， o p t i m i z i n gc o l l o c a t i o na n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fw a t e rr e s o u r c e s b u tp r o c e s so f r u n o f ff o r m i n go ft h ev a l l e yi sb e c o m i n gt o om u c hm o r ee x p o s u r et oh u m a na c t i v i t i e s a n dg l o b a lc l i m a t ec h a n g e s ot h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t sb a s i nr u n o f fa sr e s e a r c ho b j e c t s ， a n do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gp r o c e s so fr u n o f ff o r m i n go ft h ev a u e ya n de f f e c tf a c t o r s o f i t s e l f , d i s c u s s e st h ee v o l u t i o nm o d e l so f r u n o f f f o r m i n go f t h ev a l l e ya n dt h ec a u s e s o ft h e mu n d e rc h a n g i n ge n v i r o n m e n ta n df u t u r ec h a n g es c e n e s a c c o r d i n g l yt h i sc a n b ew e l la p p l i e dt o i r r i g a t i o n w o r k sa n dw a t e rc o n s e r v a n c yp l a n n i n g ，f o r m i n g a l l o c a t i o ns c h e m eo fw a t e ra m o u n ta n di n v e s t i g a t i o na n de v a l u a t i o no fw a t e r r e s o u r c c s t h em a i nc o n c h s i o n 8o ft h i sd i s s e r t a t i o nf o h o wb e l o w ： ( 1 ) f i r s t l y , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gr e s e a r c hp a p e r sh o m ea n da b r o a d ，t a k i n gt h e e a s tr i v e rv a f i e ya sa ne x a m p l e ，w h i c hc a nd e m o n s t r a t et h ec h a r a c t e r so fh u m i d r e g i o n si ns o u t hc h i l l a t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ts y s t e m i c a l l yi n t r o d u c e sg e n e r a ls i t u a t i o n a n dh y d r o l o g i c a la n dc l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee a s tr i v e rv a l l e yi no r d e rt or e v e a l t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o l o g i c a lf a c t o r su n d e rh u m a na c t i v i t i e s a n d c o u p l e dw i t ht h er e s e a r c hp r o j e c t st h a tt h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di n ，i ta n a l y z e s t h e s o u r c eo fd a t ac o n c e m e da n dt h er e l i a b i l i t y , c o n s i s t e n c ya n dr e p r e s e n t a t i o n a l i s mo f t h ed a t as e r i e s ( 2 ) i tr o u n d l ya n ds y s t e m i c a l l ya n a l y z e st h ee f f e c t so fc l i m a t ec h a n g e ，h u m a n a c t i v i t i e s ，h y d r o l o g i c a ll a n ds u r f a c ec h a n g ea n dt h es u na c t i v i t i e st ot h ep r o c e s so f r u n o f ff o r m i n go ft h ev a h e y a n dp r i m a r i l yr e s e a r c h e s t h ed r i v em o d e lo fr u n o f f f o r m i n gu n d e rc h a n g i n ge n v k o n m e n t ，t h e nc l a s s i f i e st h ed r i v i n g f a c t o r s b a s e do nt h e a b o v ea n a l y s i s ，i td e m o n s t r a t e st h a tt h ep r o c e s so fr u n o f ff o r m i n go ft h ev a h e y a c c o r d st ot h ed u a l i s t i c ( n a t u r a l h u m a n ) d r i v i n gm o d e l , a n dt h a tt h ed r i v i n gf a c t o r s c a nb ec l a s s i f i e di n t ot w ok i n d so ff a c t o r s ：t h es y s t e m i ca n dt h en o n - s y s t e m i c t h e n o n - s y s t e m i c f a c t o r sc a n b eo n c ei l o r ec l a s s i f i e di n t ot w ok i n d so ff a c t o r s ： q u a n t i f i c a t i o n a la n dn o n - q u u n t i f i c a t i o n a l ( 3 ) i tr e s e a r c h e st h et e m p o r a la n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fy e a r l yr u n o f f s e r i e so ft h ee a s tr i v e rv a l l e y f r o mt h i si tc a nb es e e nt h a ty e a r l yr u n o f fs e r i e ss h o w n o n - l i n e a r i t ya n dn o n - s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hc a l lb ed e s c r i b e da sa d d i t i o no f s o m el i n e a r i t ym o d e l sa n dc a nb ea p p l i e dt oa p i e c ea n a l y z et h ei n n e rm a k e u po f c o m p o n e n t si nt h ef i e l do ff r e q u e n c y ( 4 ) a i m e da tt h et e m p o r a la n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fy e a r l yr u n o f fs e r i e s ，i t i n t r o d u c et h en o wm e t h o do fh i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt o v a n a l y z et h et e m p o r a la n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c st ot h i sf i e l d ，a n ds h o w si t ss t r o n g s u i t o fc o u r s e ，w h e ni tc o m e st oh h t , i th a st h r e em a i np r o b l e m st ob es o l v e d ：t h e f i t t i n go ft h ee n v e l o p el i n e , n u m e r i c a lv a l u ec o m p u t i n go fd 娜e l s ei n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c ya n dt h eb o r d e rp r o b l e mo fe m d t r a n s f o r m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er b f f u n c t i o nn e t w o r ki sf k s t l yu s e dt os o l v et h et h i r dp r o b l e ma b o v ei nt h er e s e a r c h e so n v a r l a t i o no fb a s i nr u n o f fi ns o u t hc h i n a ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sb e t t e rt h a n o t h e rm e t h o d sc o m m o n l yu s e d ( 5 ) a p p l y i n gh h t t oa n a l y z ea n dc o m p u t ey e a r l yr u n o f fd a t a s e to ft h ee a s t r i v e rv a l l e y , t h ed i f f e r e n tf r e q u e n c yc o m p o n e n t sa n de v o l u t i o nm o d e l sa r ee d u c e d c o u p l e d w i t ho t h e rm e t h o d s ，t h ep e r i o d i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et e n d e n c yc h a r a c t e r i s t i c s a n dj u m p i n gp o i n to fy e a r l yr u n o f fd a t a s e ta r ed i s c u s s e d t h em a i nc o n c l u s i o n sf o l l o w b e l o w ：t h eo b s e r v e dy e a r l yr u n o f fd a t a s e to ft h ee a s tr i v e rv a l l e ym a y b ee x i s t2 6 0 ， 4 9 5 ，9 4 0 ，2 3 6 ，e ta l ，y e a rc y c l e s ；d a t a s e th a sn oc l e a ri n c r e a s i n go rd e c r e a s i n g c h a n g et e n d e n c y , a n dt h e r ei s a j u m p i n gp o i n ti n1 9 7 2 ；t h er e l a t i o nb e t w e e nr a i n f a l l a n dr u n o f fa r ev e r yc o n s a n g u i n e o u s ，b u tt h ee f f e c t so fr a i n f a l lt or u n o f fa r el a g g e d b e c a u s eo ft h ea d j u s t m e n tc a p a c i t yo ft h eu n d e r l y i n gs u r f a c e ，a n da l o n gw i t h i n c r e a s i n g l ya c u t eh u m a na c t i v i t i e s ，t h en a t u r a le f f e c t sh a sat e n d e n c yt od r o pa sy e a r s g oa sw e l la st h a tt h eh u m a n e f f e c t sa r eb e c o m i n gg r e a t e ra n dg r e a t e r ( 6 ) ad i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lf o rb a s i n s - - s w a ti sf i r s t l ya p p l i e dt ot h e e a s tr i v e rv a h e y , a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lt h ew e a t h e rd a t a s u r f a c e sa r ei n t e r p o l a t e db ya r c g i ss o f t w a r ea n dd e mm o d e l s ot h ew e a t h e rd a t a t h es o i ld a t a ，v e g e t a t i o nm a p p i n ga n dl a n du s ed a t aa si n p u td a t a s e t ，a r es i m p l y c o u p l e dw i t hs w a t m o d e l ( 7 ) b a s e do ns u b - b a s i n sg o t t e nb yh y d r o i o g i c a lm o d e lo fa r c g i s ，t h ed i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e lf u rt h ee a s tr i v e rv a l l e u a h s t i cd r i v es w a ti sb u i l t u n d e r d i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，t h ee f f e c t so fc l i m a t ec h a n g ea n dh u m a na c t i v i t i e st or u n o f fa r e s i m u l a t e d ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r cs a t i s f a c t o r y f n r 【h e r r n o r e ，t h ee f f e c t sa r ea l s o s i m u h t e da n dp r e d i c t e du n d e ra l lk i n d so fs c e n a r i o si nt h ef u t u r e ( 8 ) o nt h eb a s i so fn e wp r e d i c t i n gt h o u g h t ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yc o u p l e sh h t w i t ha n na n db u i l d san e wm o d e li nt h er e s e a r c h e so nv a r i a t i o no fb a s i nr n n o f fi n v i s o u t hc h i 加一ap r e d i c t i o nm o d e lo fr b f n nb a s e do nh h t a f t e rb e i n gu s e dt o s i m u l a t ea n dp r e d i c ty e a r l yr u n o f fd a t a s e to ft h ee a s tr i v e rv a l l e y , i tc a nb es e e nt h a t t h er e s u l t sa y eb e t t e rp e r f e c t ，t h u st h en e ww a yi sm e a n i n g f u lt ot h et h e o r yo fr u n o f f p r e d i c t i o nf o ram o d e r a t e l o n gp e r i o d k e yw o r d s ：b a s i nr u n o f f ；c h a n g i n ge n v i r o n m e n t ；h u m a ni m p a c t s ；t h ee a s tr i v e r v a l l e y ；v a r i a t i o nl a w ；h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ；d u a l i s t i cd r i v e m o d e l ；d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lf o rb a s i n s v 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 随着社会的发展和科技的进步，社会生产力获得了极大的提高。人类不仅已 经成为一种地质因素，甚至在某些方面已经超过了自然本身。v i t o u s e k 等( 1 9 9 7 ) 指出三分之一到一半的地球表面已经被人类活动所改变，一半以上的能够利用的 地表淡水已经被人类所利用，地球表面的生态系统无一幸免于人类的深刻影响。 诺贝尔奖获得者c r u t z c n 最近指出，世界现已进入“人类纪”( a n t h r o p o c e n e e r a ) 。 无容置疑，人类不再被动的适应环境，也不再简单的修饰环境，而是正在大幅度 的改造、改变环境，并且正在试图控制环境。在二十一世纪，我们人类将要面对 由我们自己的经济和社会活动所带来的全球变化。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国际科学界已经组织了4 个大型的全球变化研究计 划，即世界气候研究计划( w c r p ) 、国际地圈生物圈计划( i g b p ) 、全球变化 的人类因素计划( i h d p ) 和生物多样性计划( d i v e r s i t a s ) 。这4 个大型研究 计划，又包括若干核心研究计划，共同构成了国际全球变化研究的计划体系。随 着这些研究计划的酝酿、实施和推进，出现了一个明显的研究趋势，即越来越重 视人类社会对全球环境变化的影响以及人类社会对全球变化的响应与适应问题 的研究。而水作为地球生态系统的生命血液，水的各种形态在地球系统的各个方 面都扮演着举足轻重的角色，任何旨在描述全球系统的模型都必须提供一些水文 过程的描述【1 1 。 因此，流域径流作为水文过程的重要因素，对其在变化环境下，即自然和人 类活动双重驱动下的描述和研究，也成为了水文水资源领域研究的热点和前沿问 题之一。 1 1 2 问题的提出 我国是人口最多的发展中的大国。随着经济的发展，从历史上的人少水多、 人水协调逐渐向人多水少、人水矛盾发展至矛盾日益尖锐化。水循环的演变十分 显著，侧支循环通量已占到流域水循环的2 0 。流域径流量作为水循环的重要 环节，是流域水资源综合开发利用、优化配置、科学管理最重要的依据，它的形 成受到人类活动和全球变化越来越多的影响，近几十年来，全球各流域的径流量 也因此都出现了不同程度的增大或减少的趋势，水旱灾害频繁和加剧，与此相对 应，以流域径流为载体的社会、经济和环境发展指标也随着流域径流的时空分布 的变化而发生动态改变【”。 流域径流的年内、年际分配过程的分析计算、长期演化规律，是各种类型水 利工程，如水库、水电站、泵站等工程开发、运行、管理和水资源优化配置的最 重要的依据之一，也是水资源调查评价的重要内容之一。在以前的许多水利规划 设计的水文计算中，都是以历史实测的水文系列资料为依据，并假定未来的水文 变量特征值( 从统计意义上) 和过去一样，缺乏对流域径流变化机理和人类活动 影响的研究。有关这些认识不足及预测的偏差，历史上有过许多深刻教训。许多 大坝遭到损坏，许多水库无法运行。国内外水资源评价方法与实践也均是基于“实 测一还原”的一元静态模式【孙，即通过实测水文要素后，再把实测水文系列中隐 含的人类活动影响扣除，“还原”到流域水资源的天然“本底”状态。但是，随 着人类活动日益加剧，还原比例越来越大，受资料条件等客观因素的限制和选取 还原参数时人为主观随意性的影响，应用还原法难以获取“自然”和“人工”二 元驱动力作用下的水资源量“真值” 4 1 。此外，随着国内用水矛盾日益尖锐，流 域分水也是势在必行，这就要求对流域径流的未来变化有个科学和准确的认识。 因此，有必要探讨径流形成的环境变化及其影响，并对变化环境影响下的流 域径流演变规律进行深入研究，分析其影响机制，更好的预测其未来变化，为各 种水利工程规划、水量分配方案和水资源调查评价提供更为可靠的水文设计数据 和分析原理。 1 2 研究回顾 全球变化研究是2 0 世纪8 0 年代兴起的跨学科的、综合性的国际合作研究活 动，气候变化和人类活动对径流的影晌是全球变化的研究课题之一。早期有关气 候变化的研究主要集中在人类活动如何改变局部气候条件，如大型水库库区气候 2 的变化等，而不是气候对人类社会的影响和人类对变化气候的适应问题。到2 0 世纪4 0 年代，温室效应导致的全球变暖引起了人们的关注，世界气象组织以及 许多的气象部门都展开了这方面的研究。美国国家研究协会于1 9 7 7 年较早地组 织讨论气候、气候变化和供水之间的相互关系和影响。国际水文界则在2 0 世纪 8 0 年代中期才开始重视温室效应对水文水资源的影响，在这之前，主要响应联 合国教科文组织( u n e s c 0 ) 于1 9 6 5 年提出国际水文1 0 年计划( i i - i d ，1 9 6 5 1 9 7 4 ) 鼠继国际水文十年，成立了国际水文计划( i h p ，1 9 7 5 1 9 8 0 ) ，其中一 个核心内容就是研究人类活动对水环境及水文因素的影响，主要探讨人类活动导 致水文及水资源的变化，包括人工灌排系统、城市化、农业措施改变和水利工程 等对水循环的影响。在i h p 第2 和第3 阶段( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) 提出了对水土流失， 特定水文区，人类活动对水文过程影响的预测，气候变化和水文过程相互关系等 方面的研究。从1 9 9 0 年开始，国际上许多科学机构和科学家参与了国际地圈和 生物圈计划( i g b p ) 以及全球能量和水循环试验计划( g e w e x ) ，其它计划也 开始与之配合。i h p 第4 阶段的研究计划的重点确定为大气一土壤一植被之间的 水循环关系和全球气候变化对陆地水文过程的影响，并于上世纪进入9 0 年代末， 开始重视脆弱环境中的水文水资源问题。至此，变化环境下水文水资源开发、水 文生态演化、人地关系核心之一的人水关系研究等，成为当今国际地学研究的前 沿问题。 我国于2 0 世纪7 0 年代末也开始有系统地研究关于气候变化和人类活动对水 文水资源的影响，并于1 9 8 8 年1 0 月在武汉召开了“人类活动对水文要素影响的 研究”学术会谢6 】，会议结合i h p 和i h d 提出了进一步开展研究的3 个专题： 水利工程、农业措施对水循环的影响：森林的水文效应；城市化水文效应 和城市水资源危机。此后，由于人口和经济的发展，我国西北和华北地区出现缺 水，黄河水旱水灾问题也日益突出，一些针对性的研究计划和科研项目相继启动。 其中有代表性的有：1 9 8 8 年开始的“中国气候与海平面变化及其趋势和影响的 初步研究”项目：“六五”期间设立的“华北地区水资源评价”项目；“八五”期 间设立的“黄河治理与水资源研究”项目；“九五”期间开展的“西北地区水资 源合理开发利用与生态环境保护研究”以及2 0 0 1 年中科院知识创新项目“华北 水循环与水资源安全”研究和国家自然科学基金重点项目( 2 0 0 4 2 0 0 7 ) “水资 3 源约束下西北干旱区城市化过程及生态效应研究”等。这些项目和研究的相继实 旌及其取得的丰富成果，使得我国干旱半干旱地区在变化环境下的水文水资源问 题研究显得相对成熟。 1 3 研究进展 1 3 1 气候变化对流域径流的影响研究 气候变化必然引起水分循环的变化，进而引起流域径流在时空上的重新分 布。气候变化对流域径流的影响研究主要基于2 个基础：一个是流域水量平衡， 即流域内降水地表水一土壤水一地下水一蒸散发一人工侧支循环水等相互转化 和平衡关系；另一个是气候情景( s c e n a r i o ) 生成，即根据未来气候可能的变化 范围，给定未来径流可能遇到的气候条件。在此基础上，国内外关于气候变化对 流域径流的影响研究主要分为两类，下面分述。 一类是收集流域内气候( 降水、气温等) 和径流的同期长系列观测资料，利 用时间序列分析方法，建立相关关系( 或经验统计模型) ，分析和预测气候变化 对径流的影响。该方法的代表是l a n g b e i n ( 1 9 4 9 ) ，他首次全面分析了美国部分 地区年径流的变化特性和气候影响【7 j s t o c k t o n 等人也用这种方法研究了气候对 流域水资源的影响【引。p e a r m a n 则通过资料分析，研究了温室效应对澳大利亚 m u r r a y d a r l i n 河流域水文要素( 包括径流) 的影响【9 】ok a r l 和r i e b s a m e 研究了 美国降水和气温1 0 年间波动对径流的影响。在国内，此方面的研究成果主要与 黄河流域等干旱半干旱地区有关，其它流域和地区则相对较少。具有代表性的有： 黄荣辉、丑纪范，康玲玲、蒋晓辉等分析了黄河源区年均降水量和年均径流量的 关系；马全杰等人分析研究了黄河兰州以上天然径流特征对青藏高原大气环流的 响应【1 0 l ；施雅风等研究了气候变化对西北华北地区水资源的可能影响【1 1 】；彭梅 香等通过黄河上游年径流与海温的关系分析，探讨了海温场( s s t ) 对径流量的 影响【1 2 ；傅国斌用统计模型初步分析了全球增暖对华北水资源的影响，其中引 用了h e r m a nr o h n 等人的预测结果，即当大气中的c 0 2 含量增加到5 6 0 5 8 0 p p m ( 约为1 9 世纪的2 倍) 时，以北纬4 0 6 为中心的地带，气温可能升高6 0 ，降 水可能减少1 4 【”】：张国胜等人研究分析了近3 8 年( 1 9 6 1 1 9 9 9 ) 黄河上游径 流量及其与流域降水、气温的关系，着重分析了干早气候对黄河水资源的影响【1 4 l ； 4 李栋梁等人从气候学的角度对黄河上游径流量演变特征进行了研究，指出夏季高 原降水量对同期及落后半年之内的径流有显著贡献，前期青藏高原热力作用及大 气环流特征对夏季流量预测具有一定的参考价值【1 5 】：王根绪等根据近4 0 多年来 所发生的2 0 次e n s o 事件，分析了降水与径流过程对e n s o 事件响应的统计规 律，并指出e n s o 事件与黄河源区降水与径流年际波动变化有较好的相关性【1 6 l ： 丁永建在山区资料有限的情况下，采用多元线性回归月径流模型和径流因子矩阵 对山区流域冰川、积雪、冻土等特殊水文要素以及降水和气温在各月对径流影响 的主次程度进行了判断，从而确定出影响径流的主要因子f 1 7 】；景元书等人通过 长江干流区近8 0 年观测资料和对应的气温、降水资料，分析了气候变化对长江 干流区径流量的影响，初步指出年径流量在总体上随降水量的增加而上升，随气 温的下降而增加【1 8 j ；秦年秀等对长江流域径流趋势变化及突变进行分析，指出 2 0 世纪2 0 年代初的北半球突然变暖、长江上游地区呈现降温、降水减少趋势与 宜昌和汉口站从1 9 2 6 年开始径流经历了一个明显减少的变化有关【1 9 】；汪美华等 运用多元回归方法，建立有关气候一径流深的数学模型，预测了未来气候变化的 1 5 种可能情景下淮河三个代表子流域径流深的变化，指出不同流域对各种气候 变化的响应存在明显的差异和不同季节的径流深对各种气候变化的响应也存在 明显的差异，文章还特别关注了暖干天气组合下径流深的变化【2 0 】。 另一类是建立流域水文模型，即以水文现象的物理过程为基础建立概念性水 文模型，研究气候、径流的因果关系以及流域水资源对不同气候条件的响应。 n e m c c 和s c h a n k e 最先应用概念性水文模型估算气候变化对美国干旱地区和湿润 地区径流的影响【2 1 】。以t h o m t h w a i t e 等人建立的水量平衡模型为基础【2 2 1 ， g l i c k 提出了修正的水量平衡模型并应用于评估气候变化对水资源系统的影响田1 。随 后各种改进的水量平衡模型应运而生。如n a s h 用修正后的水平衡模型研究了科 罗拉多河水文系统的响应并与前期统计模型的研究结果相比较，结果表明前期的 研究过高估计了各种情景( 包括气温增加) 下径流的减少，而且在选择的温度变 化范围内( 46 c ) 期望的径流量变化与历史记录并无统计意义上的差异，除非 降雨变化在1 0 以上【2 4 l 。m i m i k o u 等