黄土高原陆地水储量变化归因分析及区域尺度地下水补给

论文摘要

作为世界人口最多的国家和全球第二大经济实体,如何可持续地利用和科学的管理水资源是我国乃至世界的重大问题,对全球粮食安全、人类健康和社会安定具有重要的意义。黄土高原作为我国生态环境脆弱区,为改善黄土高原生态环境,治理水土流失,国家在该地区推行世界范围内最大的生态恢复工程──退耕还林还草工程。截止2013年黄土高原植被覆盖度相比1999年增加了一倍,黄河输沙量已降低到唐朝农耕时代的水平。然而,该地区的水资源十分有限,人工林草植被的增加以及过度耗水引发了一系列问题。例如随着退耕还林还草工程的推进,人工林草地面积的不断增加,土壤干燥化成为黄土高原普遍存在现象,导致陆地水储量下降以及地下水补给量的减少。然而,现有研究大多从点尺度分析退耕还林还草工程实施以来陆地水储量的变化,缺乏对区域尺度陆地水储量的变化尤其变化原因的研究;另外由于没有可靠的估算区域尺度地下水补给的方法,现有关于地下水补给的研究也限于点尺度。为了厘清退耕还林还草工程实施以来黄土高原区域尺度陆地水储量变化、主要诱因及地下水补给变化情况,本论文从三个方面开展研究:（1）利用德克萨斯州州立大学空间研究中心（CSR）、美国喷气推进实验室（JPL）和戈达德空间飞行中心（GSFC）基于重力卫星（GRACE）和Mascons方法的陆地水储量（TWSA）数据产品（分别记作CSR-M、JPL-M和GSFC-M）,研究黄土高原地区陆地水储量时间序列及空间变化;（2）结合全球陆地数据同化系统（GLDAS）、林草地深剖面土壤水分配对实验、煤炭开采数据、地下水位监测数据等,分析区域尺度陆地水储量变化的原因;（3）改进了基于GRACE数据的地下水储量波动法估算退耕还林还草工程实施以来该地区区域尺度地下水补给量变化。主要取得了如下研究成果:（1）黄土高原陆地水储量在20052014年间整体呈下降趋势。CSR-M、JPL-M和GSFC-M计算得到区域平均陆地储水量亏损速率分别为-6.1±0.9 mm yr-1、-6.8±1.0 mm yr-1和-10.7±1.0 mm yr-1;三种数据产品在空间上都说明陆地水储量从东南到西北下降趋势逐渐减弱。CSR-M和JPL-M的趋势变化在区域平均和空间分布上均具有较好的一致性,而GSFC-M与前两者相比存在较大差异。三种数据产品计算区域平均储水量的振幅分别为13.7±3.6 mm、12.2±3.9 mm和10.8±4.2 mm,相位分别为11.3±0.5、10.1±0.6和10.8±0.7月,与降水有12个月的滞后。三种数据产品区域平均的振幅和相位都较一致,但三者振幅和相位空间分布差异较大。（2）在20052014年间,深层土壤储水量亏损是黄土高原陆地水储量下降的主要原因。退耕还林还草工程实施以来,深根植被过度耗水造成黄土高原区域深层土壤储水量的亏损速率为-4.7 mm yr-1（p<0.01）,占TWSA下降速率的77%(GRACE反演的TWSA变化速率为-6.1 mm yr-1（p<0.01）),所以深层土壤储水量亏损是TWSA下降的最主要影响因子。地下水储量变化分别为0.1 mm yr-1（p<0.01）、-0.1 mm yr-1（p<0.01）,表明在这段时期地下水储量变化不大。另外因煤炭开采造成黄土高原区域质量变化速率为-2.7 mm yr-1（p<0.01）,所以煤炭开采对黄土高原TWSA的影响不能忽略。退耕还林还草工程实施以来,植被得到很好的恢复,生态用水增加,但浅层（02 m左右）土壤储水量以2.1 mm yr-1（p<0.01）的速率增加,可能与这段时期降水量增加(11.9mm yr-1)有关。（3）基于改进的地下水储量波动法估算了黄土高原2002年至2012年间区域尺度地下水补给量,其变化范围为30.866.5 mm yr-1,这一时期区域尺度地下水补给量没有明显的长期变化趋势,但显现出很大的年际变异,其中降水量解释了42%的地下水补给年际变异。本文改进的方法估算的年平均补给量(48.3 mm yr-1)比原方法推算的补给量大20.0 mm yr-1,因为原方法估算的结果为净补给,而改进的方法估算的是总补给量;与现有文章中报道的多年平均点尺度的估算结果相比无显著差异。估算的多年平均补给量标准偏差为16.0 mm yr-1,CV为33.1%,在多数情况下与其他方法的不确定性相当或小于其他方法的不确定性,所以本文改进后的储水量波动法具有较高的精度。本研究分析GRACE反演的TWSA变化原因,估算造林对深层土壤储水量消耗,以及区域尺度地下水补给量的变化,另外改进的地下水储量波动法可以用于估算无数据或资料匮乏地区区域尺度总地下水补给量,所以本文可为更好的管理和利用水资源提供科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 重力卫星反演陆地水储量进展
•     1.2.2 陆地水储量变化原因分析
•     1.2.3 重力卫星反演其它水文学要素
•     1.2.4 地下水补给的特征
•     1.2.5 地下水补给的测定方法
•   1.3 主要存在的问题
•   1.4 研究内容
•   1.5 技术路线图
• 第二章 研究区概况、研究数据与方法
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地形地貌
•     2.1.2 气候特征与土地利用
•     2.1.3 水文特征
•     2.1.4 煤矿资源分布
•   2.2 研究数据与方法
•     2.2.1 推算点尺度地下水补给量
•     2.2.2 配对实验
•     2.2.3 降水数据
•     2.2.4 浅层土壤储水量
•     2.2.5 蒸散发数据简介
•     2.2.6 地下水位和地下水蓄变量
•     2.2.7 NDVI数据
•     2.2.8 土地利用数据
•     2.2.9 GDP和人口密度数据
•     2.2.10 煤炭开采与转运
•   2.3 本章小结
• 第三章 黄土高原陆地水储量时空变化特征
•   3.1 引言
•   3.2 研究方法
•     3.2.1 GRACE卫星数据处理方法及产品
•     3.2.2 储水量时序分析法
•   3.3 结果分析
•     3.3.1 黄土高原区域平均陆地水储量变化
•     3.3.2 黄土高原陆地水储量趋势变化空间分布特征
•     3.3.3 黄土高原储水量振幅变化特征
•     3.3.4 黄土高原陆地水储量的相位及滞后性
•     3.3.5 不同方法计算结果差异大小及原因分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 黄土高原区域陆地水储量变化归因分析
•   4.1 引言
•   4.2 研究方法
•     4.2.1 计算TWSA和 SWSAs
•     4.2.2 计算实测地下水储量变化
•     4.2.3 计算煤炭开采或转运导致的质量损失
•     4.2.4 计算深层土壤水分亏损
•   4.3 结果分析
•     4.3.1 浅层土壤水储量变化
•     4.3.2 地下水储量变化
•     4.3.3 煤炭开采和转运导致的区域质量变化
•     4.3.4 黄土高原蒸散发变化
•     4.3.5 区域平均深层土壤水分亏损
•   4.4 讨论
•     4.4.1 退耕还林还草工程不会造成浅层土壤储水量下降
•     4.4.2 地下水储量没有显著下降,不是TWSA下降的主要原因
•     4.4.3 煤炭开采或转运对TWSA下降的影响不能忽略
•     4.4.4 蒸散发增加会消耗更多的深层土壤水
•     4.4.5 深层土壤水储量亏损是黄土高原TWSA下降的主要影响因子
•     4.4.6 不确定性分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 黄土高原区域尺度地下水补给研究
•   5.1 引言
•   5.2 方法
•     5.2.1 研究区域
•     5.2.2 GWSA与 TWSA的分离
•     5.2.3 地下水补给估算
•     5.2.4 计算不确定性
•   5.3 结果
•     5.3.1 GRACE方法得到的地下水储量距平值（GWSA）的变化
•     5.3.2 GRACE计算的地下水补给与其他研究结果的比较
•     5.3.3 区域尺度地下水总补给量估算的不确定性评价
•   5.4 讨论
•     5.4.1 GWSA的季节性和对降水响应的延迟
•     5.4.2 本文改进的方法与其他方法结果对比
•     5.4.3 降水在2002 年至2012 年间主导了地下水补给的年际变化
•     5.4.4 多种方法不确定性对比
•     5.4.5 局限性
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴奇凡

导师: 司炳成

关键词: 深层土壤储水量,地下水补给,区域尺度,黄土高原

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家自然科学基金重点项目(编号:41630860)

分类号: P641

总页数: 113

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