变化环境下涟水流域蓝水绿水资源的响应特征分析

发布时间：2020-09-30 00:19

　　蓝水资源表示河川径流、湖泊湿地和地下含水层补给的自由液态水。绿水资源表示水循环通过降水渗透入土壤非饱和层并由植物蒸腾或土壤蒸发返回大气层的水汽,是农业作物生产的重要基础,但是通常被传统流域水资源管理所忽视。本文以涟水流域为研究对象,应用SWAT分布式水文模型模拟不同情景设置下的蓝水绿水资源量;评估变化环境对流域蓝水绿水资源的影响;分析流域蓝水绿水管理博弈框架在涟水流域的适用性。首先基于流域DEM地形、土地覆被、土壤条件、水文气象、农业灌溉和水资源利用等时空输入数据,构建涟水流域SWAT分布式水文模型。其中利用LH-OAT方法分析蓝水绿水模拟的参数敏感性,运用PSO粒子群优化算法及KGE目标函数,并通过湘乡站实测径流量和MOD16蒸散发ET数据并行校准蓝水绿水与模型参数。然后采用纳什效率系数NSE、相关系数R2、偏差百分比PBLAS,以及95PPU的p-factor与r-factor因子评价蓝水绿水模拟结果及其不确定性。模拟效果评价与不确定性分析结果表明不同情景设置下,建立的涟水流域SWAT分布式水文模型在校准期及验证期对蓝水绿水的模拟均达到可信程度,模拟的不确定性处于置信区域。具体研究内容与研究结论如下:(1)模拟分析1985-2014年过去30 a气候变化和土地利用变化对涟水流域蓝水绿水资源的影响程度及贡献率。依据1990、2000与2010 a 土地覆被条件,将模拟情景相应划分为1985-1994、1995-2004和2005-2014 a三段气象背景时期。情景比较分析结果显示,过去30 a涟水流域蓝水绿水资源的平均比例分别为40.7%、59.3%。过去30 a气候变化使涟水流域蓝水持续降低,绿水不断增加,而土地覆被变化使蓝水相对提高,绿水有所减少。但是年蓝水资源量平均呈现削减趋势,而年绿水资源量总体呈现上升趋势,并且气候变化对涟水流域蓝水绿水的影响作用不断提升(蓝水71.4～86.3%,绿水68.2～88.7%),而土地覆被变化对蓝水绿水的影响程度则相应降低(蓝水28.6～13.7%,绿水31.8～12.3%)。因此,在土地利用覆被的空间分布格局下,涟水流域的蓝水绿水管理还需要充分考虑气候变化的影响作用。(2)模拟预测2020～2079年未来60 a气候变化背景下,涟水流域蓝水绿水资源的时间变化趋势和空间分布特征。采用HadGEM2-AO大气模式的RCP2.6、RCP 4.5、RCP 6、RCP 8.5四种典型排放路径作为未来阶段的气象输入情景,并将未来气候变化划分为2020～2049 a与2050～2079 二段气象背景时期。蓝水绿水的情景预测结果显示,与涟水流域历史阶段相比,2020～2079a在不同RCP排放情景下蓝水资源均表现出一定程度的降低趋势,大致减少了 1.4～17.3%,绿水流则显示出不同程度的上升趋势,约增加3.5～12.4%,绿水蓄量则相应持续下降,大约降低了 7.8～19.7%。即使将95PPU模拟的不确定性范围纳入考量,绿水流的增长变化趋势也比较显著。由此可见,将绿水资源纳入涟水流域未来水资源评估规划,推行蓝水绿水综合管理具有实际意义。(3)涟水流域蓝水绿水管理的博弈建模及应用分析。基于流域水量平衡和蓝水绿水综合思维,将绿水资源纳入流域水资源管理体系。在绿水信贷理念和博弈建模分析框架下,结合SWAT分布式水文模型、多目标优化及情景比较分析,利用绿水管理措施合理优化配置流域蓝水绿水资源,采用绿水信贷补偿协调处理上下游利益冲突的博弈问题,探索性地提出建立了流域蓝水绿水管理博弈框架。该框架通过博弈建模可以识别分析流域蓝水绿水管理问题的博弈空间、博弈结构和纳什均衡等博弈特征;通过合作博弈约束条件改进的多目标优化,可以计算流域蓝水绿水管理情景的绿水补偿标准和帕累托最优收益。将建立的蓝水绿水管理博弈框架应用于涟水流域实例研究。其上下游蓝水绿水收益变化、绿水补偿标准与帕累托最优解集等博弈分析结果显示,涟水流域整体社会经济与生态环境收益明显改善,其帕累托最优收益平均增长2.72亿元/a,年均绿水补偿标准折合1.94元/m3、1253.7元/hm2。实例分析表明提出的蓝水绿水管理博弈框架在涟水流域具有较好的适用性和可行性。因此,该方法可以为流域蓝水绿水管理的试点研究及其绿水补偿标准核定提供相关理论依据和技术参考,具有一定程度的的应用价值和现实意义。
【学位单位】：湖南师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P333
【部分图文】：

路线图,路线图,水绿,合作博弈

逡逑图１－１所示，假设非合作时上下游收益曲线ｈ的纳什均衡点ＮＥ＝Ａ，通过重新分逡逑配收益矩阵，可以得到合作博弈模式的上下游收益曲线及其帕累托最优点Ｂ。逡逑对比厶与心可知，Ａ点相对于Ｂ点处于帕累托劣势。逡逑个逡逑Ｙ邋￣逦蓝水绿水管理ｉ：逡逑上游收益逦ｘ逡逑图１－１流域蓝水绿水管理合作博弈的上下游收益曲线示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｕｐｓｔｒｅａｍ邋ａｎｄ邋ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ邋ｒｅｖｅｎｕｅ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｂｌｕｅ邋ａｎｄ邋ｇｒｅｅｎ邋ｗａｔｅｒ逡逑ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ邋ｉｎ邋ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ邋ｇａｍｅ邋ｍｏｄｅ逡逑另夕卜，在合作博弈模式的绿水补偿标准计算中引入Ｎａｓｈ－Ｈａｒｓａｎｙｉ邋Ｂａｒｇａｉｎｉｎｇ逡逑博弈分析［１２６＿１２７］的谈判议价过程，以权衡处理上下游博弈收益分配的公平效率问逡逑题。通过逆向归纳比较分析上下游合作与不合作的效用距离可知，Ｂａｒｇａｉｎｉｎｇ博逡逑弈不断趋向于上下游合作收益５０％平均分配的斯坦克尔伯格均衡点［１２＼因此，逡逑流域蓝水绿水管理上下游Ｎａｓｈ－Ｈａｒｓａｎｙｉ邋Ｂａｒｇａｉｎｉｎｇ博弈模型的最优解决方案可逡逑以用目标约束的最优化方程（１－３）至（１－６）表达［１２９］。逡逑ｍａｘ邋（Ｅｉ－ｅｉ）邋（Ｅ２－ｅ２）逦（１－３）逡逑Ｅ］＋Ｅ２＜Ｓ逦（１－４）逡逑Ｅｉ＞邋ｅｉ；邋Ｅ２＞邋ｅ２逦（１－５）逡逑Ｅｉ，邋Ｅｉ＞邋０；邋ｅｉ，邋ｅｊ＞邋０逦（１－６）逡逑式（１－３）中五／、及分别表示上下游博弈参与者的合作收益

涟水,流域,地理位置

２研究区域概况逡逑水流域的自然地理特征逡逑水流域地处湖南省中部，东经１１１。３（＾？１１２°．５３Ｓ北纬２７°．１７＇￣２８°．０４下游左岸一级支流流域，流域面积范围７邋１７３邋ｈ２［１３叱其北邻沩水，涓水，西面为湘江流域与资水流域分水岭，属于湘江第四大支流流岸潇水（１２邋０９９逦耒水（１１邋７８３邋２）和（沫水１０邋３０５邋Ａｗ２），唯一超过３邋５００邋ｈ２的流域。涟水流域内地表高程范围－４８？１邋４９８邋ｗ，２０２．９邋ｍ，平均坡降０．４２５邋％。。其地势西高东低，由西往东汇入湘江，（娄星区、涟源市、双峰县）和湘潭市（湘乡市、韶山市，湘潭县），以及邵阳市新邵县与邵东县等部分区域『１３１１。本研宄将涟水干流文站以上流域选作研究区域，集水控制范围６邋０３８邋约占涟，见图邋２－１。逡逑１１１°３０，Ｅ逦１１２°Ｅ逦１１２°３０＇￡逦邋逦逡逑

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其中土地利用单元转换的不确定性仅为３．７％。具体划分成８种土地利用逡逑类型：农业用地ＡＧＲＬ、建设用地ＵＲＨＤ、落叶林ＦＲＳＤ、常绿林ＦＲＳＥ、混合逡逑林ＦＲＳＴ、水体ＷＡＴＲ、灌木ＲＮＧＢ和草地ＲＮＧＥ，见图３－１。由表３－１重分类逡逑后统计计算的涟水流域１９９０、２０００与２０１０邋ａ邋土地利用类型的比例数据可知，涟逡逑水流域过去３０邋ａ邋土地利用覆被的主要变化趋势为农业用地持续增加（４５．４？５６．５？逡逑６３．１％），森林面积不断削减（４６．２－３３．５－２６．７％）。最后通过重分类后的土地利用逡逑类型代码、对应指令表“Ｒｅｌｕｃ．ｄｂｆ”与配置命令行，连接调用ＳＷＡＴ邋土地利用数逡逑据库及其土地属性参数。逡逑３２逡逑

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