干旱区典型流域极端洪水时空演变与预测研究

Increased frequency and intensity of extreme flood in arid land is becoming the marjor chanllenge to the water resource security of the region. For the spatial and temporal evolution of extreme floods, most researches have remained on the stage of qualitative or focused on statistic analysis of historical records, the researches of extreme flood evolution model and prediction which are on the base of mechanism and process are almost absent. The project, therefore, plans to select the Kaidu Watershed as a typical study area, by using historical observed data, investigate characteristics and development trends of extreme flood evolution with the help of hydrological model. At first, based on the daily meteorology and runoff data, spatio-temporal features of the extreme flood variation will be analysed by employing such methods as trend analysis and frequency analysis; improve the established S_VHM model by modifing snowmelt algorithm and adding a independent glaciermelting module, the model will be validated by observed data from 2 long-term hydrological stations and 4 short-term experiment stations; in addition,the improved S_VHM model will be applyed to predict extreme floods from 2040 to 2099 by using the projected future tempreture, precipitation and potential evapotranspiration from multi-GCMs under IPCC SRES A2, B1 and A1B emission scenarios. The study will enhance understanding on the response mechanism of extreme flood to climate change in arid region.

干旱区极端洪水事件频率和强度的增加使区域水资源安全面临严峻挑战。然而针对极端洪水演变，多集中在时空变化的定性或经验统计分析层次，缺乏基于机理过程的极端洪水演变模型和模拟预测研究。本项目拟选择极端洪水典型的开都河流域为研究区，基于长序列站点观测数据和全球气候模式输出，借助改进的水文模型，研究气候变化下极端洪水的时空演变特征和趋势。首先利用历史观测气象水文数据，用趋势分析和频率分析等方法，分析1956-2012年流域极端洪水时空变化特征；对申请者已建立的S_VHM模型改进融雪算法和增加冰川消融模块，构建干旱区极端洪水预报模型，用2站点长期径流观测数据和4站点短期降水径流关系实验验证模型；利用改进的S_VHM模型，依据多个全球气候模式在IPCC SRES不同排放情景下对未来气候的集合预测结果，预估未来气候变化对干旱区典型流域极端洪水的影响。本研究有助于加深气候变化下干旱区极端洪水形成机理的认识。

干旱区极端洪水事件频率和强度增加使区域水资源安全面临严峻挑战。然而针对极端洪水时空演变，多集中在定性或时空变化经验统计分析层次，缺乏基于机理过程的极端洪水变化规律和预测研究。本项目拟选择极端洪水典型的开都河流域为研究区，基于长序列站点观测数据和全球气候模式输出，借助改进的水文模型，研究气候变化下极端洪水的时空演变特征和趋势。首先利用历史观测气象水文数据，用趋势分析和频率分析等方法，分析1956-2012年流域极端洪水时空变化特征；对申请者已建立的S_VHM模型改进融雪算法和增加冰川消融模块，构建干旱区流域极端洪水预报模型，用2站点长期径流观测数据和4站点短期降水径流关系实验验证模型；利用改进的S_VHM模型，依据多个全球气候模式在IPCC SRES不同排放情景下对未来气候的集合预测结果，预估未来气候变化对干旱区典型流域极端洪水的影响。研究结果表明：（1）提取的6个最大日流量序列均不存在明显的趋势性，且突变点不显著；其中巴音布鲁克站年最大日流量、春季最大日流量和大山口站年最大日流量序列近似服从Frѐchet分布，而大山口站春季最大日流量、夏季最大日流量和巴音布鲁克站夏季最大日流量序列则服从Gumbel分布。20世纪80年代以来，开都河流域洪水的发生频次明显增加；巴音布鲁克站夏季洪水次数持续增加，大山口站春季和夏季洪水次数均呈增加趋势，且春季洪水出现时间均有所提前。春季显著升温与冬季降水增加，是春季融雪性洪水出现时间和水量变化的主要原因；而夏季暴雨水量和频率显著增加，是夏季洪水形成与频率变化的主导因素。（2）改进的S_VHM模型对开都河山区日径流的模拟取得了较好的效果，日径流模拟纳什系数达到0.83，月径流模拟纳什系数达到0.91；（3）由于降水和气温变化的共同影响，低、中水平气候变化情景下，流域水资源总量和峰值流量将减小；而在高水平气候变化情景下，水资源量和峰值流量将增加。在平均水平下，月平均流量的季节变化明显，特别是在融雪期径流量显著增加，冬季、秋季和夏初月份径流量减小。变化幅度最大的月份为四月和八月。与历史参考期（1960-2010年）相比，S_VHM模型模拟的未来时段设计洪水流量将减小3%-20%；但对于上游子流域，RCP 2.6, RCP 6.0 RCP8.5情景下，50和100年重现期的设计洪水流量将增加。