湖泊的水量、水質(zhì)變化制約著湖泊生存、發(fā)展和消亡。然而，氣候變化下的湖泊水量變化是一個常態(tài)現(xiàn)象，而湖泊水體富營養(yǎng)化是湖泊的歷史過程。本書以歷史時期為視角，通過對太湖過去百年來湖泊沉積、磁學和花粉沉積特征、考古證據(jù)、歷史文獻研究，進行流域水文長時間序列和極端年份水文數(shù)值模擬，同時對百年來太湖流域營養(yǎng)鹽變化導致的湖泊富營養(yǎng)化演變的不同特征階段進行模擬以及敏感因子試驗。對歷史時期以自然系統(tǒng)為主和過去100年以人類活動為主的兩個時間系統(tǒng)，建立年分辨率的水位、水量時間序列，識別極端洪水事件發(fā)生的強度、頻率。對比兩個時間系統(tǒng)評估人類顯著影響下的全球增溫時段和以自然系統(tǒng)下氣候變化對的影響，從而甄別人類活動引起的全球增溫對湖泊演化、極端災害發(fā)生程度、效應、頻率、分量等特征和規(guī)律。針對太湖富營養(yǎng)化演化機理，模擬在年際～百年際的時間尺度下、分屬自然、農(nóng)耕、現(xiàn)代工業(yè)城鎮(zhèn)化等不同歷史時期的湖泊外源營養(yǎng)鹽負荷的時空變化，從而探討了氣候變化與人類活動增強下對湖泊富營養(yǎng)化演變特征、過程和機制。這些論據(jù)和論證為全球變暖影響到湖泊演化進程、極端洪水和水質(zhì)災害發(fā)生和預測提供較為全面認識，為太湖水質(zhì)治理、防災減災提供科學依據(jù)。
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目錄
前言
第一篇 概論
第1章 湖泊長期水量變化3
1.1湖泊水位變化研究的基本理論和實踐4
1.1.1從封閉湖泊到吞吐湖泊的研究4
1.1.2湖泊水位的指標體系4
1.1.3從個體湖泊研究到區(qū)域綜合5
1.1.4從湖泊水位變化過程到變化機制的研究6
1.2太湖歷史時期湖泊水量變化研究7
1.2.1太湖以及流域自然地理概況7
1.2.2過去3000年氣候變化下湖泊水量變化11
1.2.3歷史時期太湖水位和水量變化研究12
第2章 湖泊水量變化與極端水文事件14
2.1歷史時期極端氣候水文事件14
2.2從高分辨湖泊沉積記錄中追蹤極端水文事件16
2.3極端氣候水文事件數(shù)值模擬17
2.4氣候機制下極端水文事件的情景預測18
第3章 湖泊水質(zhì)與湖泊營養(yǎng)演化21
3.1湖泊水質(zhì)變化與湖泊營養(yǎng)演化21
3.2長期湖泊環(huán)境演化的研究途徑22
3.3數(shù)據(jù)與模擬對比分析25
3.3.1數(shù)據(jù)與模擬對比25
3.3.2不確定性分析26參考文獻27
第二篇 歷史時期太湖水環(huán)境演變
第4章 過去3000年以來流域氣候植被和太湖水量變化35
4.1鉆孔巖心和沉積時代35
4.2太湖流域孢粉記錄及氣候植被變化38
4.2.1孢粉特征及其序列變化38
4.2.2花粉參數(shù)40
4.2.3根據(jù)花粉參數(shù)指示的氣候植被和人類活動變化44
4.3過去3000年以來氣候——下墊面變化下的太湖流量模擬48
4.3.1模型和模擬試驗49
4.3.2模型率定和控制試驗50
4.3.3歷史時期模擬試驗51
4.3.4敏感性控制因子試驗53
第5章 太湖過去150年以來極端洪水的沉積記錄55
5.1沉積鉆孔和試驗分析56
5.2太湖沉積序列和極端氣候標識56
5.2.1沉積年代序列56
5.2.2沉積粒度特征57
5.2.3磁學特征59
5.3湖泊沉積與降水、流量相關(guān)分析61
5.4極端歷史洪水年份的重建62
第6章 基于沉積考古重建太湖歷史極端洪水66
6.1歷史洪水的考古和文獻證據(jù)66
6.1.1水則碑洪水記錄66
6.1.2校驗水則碑記錄的洪水位66
6.1.3觀測水位與水則碑水位的銜接68
6.2歷史洪水的沉積信號69
6.2.1沉積粒度指標69
6.2.2磁性參數(shù)指標70
6.3重建歷史時期的極端洪水年71
6.3.1洪水序列重建71
6.3.2極端洪水年的水位和年份71
6.3.3洪水重現(xiàn)期分析73
6.4極端洪水與氣候關(guān)聯(lián)分析74
6.4.1PDO氣候指標及關(guān)聯(lián)性檢驗74
6.4.2太湖歷史洪水的氣候關(guān)聯(lián)分析75
6.4.3對太湖歷史極端洪水重建的討論76
第7章 太湖1889洪水年模擬79
7.1數(shù)據(jù)和方法79
7.2控制試驗和驗證81
7.2.1對太湖洪水產(chǎn)流的模擬能力81
7.2.2對太湖入湖洪水量和過程的模擬能力82
7.31889年洪水模擬83
7.3.1極端洪水年的產(chǎn)流和匯流模擬83
7.3.2極端洪水年的重現(xiàn)期和誤差估計85
7.4對太湖1889年極端洪水模擬的討論85
第8章 氣候變化下太湖極端洪水情景預測88
8.1區(qū)域資料和模擬試驗設計88
8.1.1模擬試驗方案88
8.1.2極端洪水年的氣候模式89
8.1.3不確定性分析90
8.1.4極端洪水的氣候效應和風險系數(shù)92
8.2極端洪水年模擬92
8.2.1現(xiàn)代氣候模式下洪水模擬（試驗1）92
8.2.2歷史氣候模式下洪水模擬（試驗2）95
8.3氣候變暖下太湖極端洪水歸因分析96
8.3.1不同驅(qū)動因子模擬的對比96
8.3.2歸因機制分析討論99
參考文獻101
第三篇 歷史時期太湖水質(zhì)變化
第9章 湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬的研究109
9.1湖泊富營養(yǎng)化中的核心問題109
9.2流域—湖泊營養(yǎng)鹽的機理性模型研究110
9.3SWAT模型功能和應用114
9.3.1模型的主要功能114
9.3.2模型的應用116
第10章 太湖流域營養(yǎng)鹽現(xiàn)代過程模擬118
10.1以動力模擬途徑追蹤湖泊富營養(yǎng)化長期變化118
10.2空間與非空間數(shù)據(jù)及其處理119
10.2.1地形和水系119
10.2.2構(gòu)建流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫120
10.2.3入湖和出湖水量的處理122
10.2.4營養(yǎng)鹽分類和數(shù)據(jù)處理123
10.3模型與模擬方案123
10.3.1模型的輸入、輸出和運行界面123
10.3.2模擬方案124
10.4現(xiàn)代典型年份營養(yǎng)鹽輸移模擬試驗124
10.4.1初始值設置124
10.4.2模型運行與率定126
10.4.3模型校驗127
10.4.4模擬結(jié)果129
10.5現(xiàn)代連續(xù)年份營養(yǎng)鹽輸移模擬試驗132
10.5.1流域點源輸入132
10.5.2模型驗證和率定133
10.5.3模擬結(jié)果134
10.5.4不同因子對營養(yǎng)鹽貢獻137
第11章 太湖流域20世紀60年代營養(yǎng)物質(zhì)輸移的模擬139
11.1人類活動強度變化的轉(zhuǎn)折點——20世紀60年代139
11.2數(shù)據(jù)和處理140
11.2.1靜態(tài)數(shù)據(jù)140
11.2.2半靜態(tài)數(shù)據(jù)141
11.2.3動態(tài)數(shù)據(jù)141
11.320世紀60年代流域營養(yǎng)物質(zhì)輸移動態(tài)模擬143
11.3.1季節(jié)變化143
11.3.2空間變化145
11.420世紀60年代至21世紀頭10年營養(yǎng)鹽輸移變化趨勢模擬146
11.4.1變化趨勢146
11.4.2總氮、總磷輸移趨勢與氣候關(guān)系分析147
11.5營養(yǎng)物質(zhì)輸移的影響因子149
第12章 過去200年太湖流域營養(yǎng)鹽變化模擬151
12.1模擬方案和試驗設置152
12.1.1模擬方案152
12.1.2數(shù)據(jù)處理152
12.1.3未來試驗氣候場設置153
12.2太湖流域200年營養(yǎng)鹽自然本底模擬156
12.2.1時間和空間模擬結(jié)果156
12.2.2模擬與地質(zhì)數(shù)據(jù)的對比159
12.3太湖流域營養(yǎng)鹽產(chǎn)量變化的預測160
12.3.1模擬系統(tǒng)設置160
12.3.2流域營養(yǎng)鹽變化趨勢162
第13章 總結(jié)和展望164
13.1對太湖歷史時期極端洪水的認識164
13.2對極端洪水發(fā)生過程和機制的認識165
13.3對太湖富營養(yǎng)化歷史演化的認識166
13.4湖泊模擬的研究方向167
參考文獻169
致謝177
彩圖
圖目錄
圖1.1太湖流域地形坡度、水系、土地利用類型和土壤分布圖8
圖1.2太湖流域及長江中下游1860～1869年、1900～1909年和1950～1959年（10年平均）溫度分布9
圖1.3太湖流域及長江中下游1860～1869年、1900～1909年和1950～1959年（10年平均）降水分布10
圖2.1歷史時期湖泊水量和極端水文事件模擬流程圖19
圖3.1歷史時期湖泊營養(yǎng)演化模擬流程圖24圖4.1研究區(qū)域和太湖地理位置圖（a）區(qū)域圖，（b）太湖流域圖）36
圖4.2太湖鉆孔TXS和DQG位置及多鉆孔巖性對比37
圖4.3太湖DQG孔孢粉圖譜41
圖4.4太湖TXS孔孢粉圖譜42
圖4.5長江三角洲地區(qū)典型鉆孔常綠與落葉闊葉屬種花粉含量比（EQ/DQ）變化45
圖4.6太湖流域常綠與落葉闊葉花粉含量比（EQ/DQ）變化45
圖4.7太湖流域以及長江下游典型鉆孔花粉RWCI指數(shù)變化46
圖4.8過去3000年以來禾本科花粉粒徑變化47
圖4.9過去3000年以來典型鉆孔松花粉含量變化48
圖4.10ECHAM氣候模型降尺度到太湖流域過去1000年特征期降水模擬52
圖4.11太湖流域過去1000年流量變化模擬52
圖4.12太湖流域過去3000年特征期月平均流量變化模擬及誤差53
圖4.13太湖流域水文敏感因子貢獻率分析54
圖5.1太湖TXS孔137Cs、210Pbt、226Ra、210Pbex蓄積垂直分布和年代序列57
圖5.2太湖TXS孔沉積物組分和磁化率特征的垂直分布58
圖5.3太湖TXS鉆孔磁學參數(shù)與沉積粒度比較60
圖5.4太湖TXS孔沉積砂級含量與流域洪水年份和區(qū)域降水對比62
圖5.5太湖TXS孔砂級粒度和磁化率（χlf）相關(guān)分析64
圖5.6太湖TXS孔沉積粒度（砂級D64和D50）和磁化率（χlf）的頻譜分析64
圖6.1太湖流域地表高程、水系及水則碑、水文站和鉆孔位置67
圖6.2太湖水則碑洪水位與逐日觀測年昀高水位80%百分位的銜接系列68
圖6.31921～2004年太湖特大洪水位與沉積指標對比70
圖6.4太湖沉積記錄3個的洪水信號序列對比71
圖6.51600～1920年多指標歷史洪水序列對比72
圖6.61600～2004年洪水序列頻譜分析73
圖6.7過去400年太湖特大洪水水位與PDO序列對比76
圖7.1太湖上游模擬區(qū)域圖80
圖7.21988～2002年控制試驗逐月水文模擬與觀測對比82
圖7.31999洪水年降水、徑流和水位對比83
圖7.41889洪水年逐日觀測降水（P）和逐日模擬匯流徑流（Q）83
圖7.5太湖1889洪水年模擬徑流和頻率分布84
圖8.1IPCC-20C3M方案1999年逐日降水模擬和驅(qū)動試驗1逐日流量模擬93
圖8.2IPCC-20C3M方案驅(qū)動逐日極端流量模擬頻率分布及與控制試驗流量對比94
圖8.3IPCC-PICTL方案驅(qū)動試驗2的15年逐日流量模擬和頻率分布95
圖8.4IPCC-PICTL方案驅(qū)動試驗2極端流量模擬頻率及與控制試驗流量對比96
圖8.5蒙特卡羅模擬太湖流域逐日流量變化及頻率分布98
圖8.6IPCC-PICTL方案和20C3M方案驅(qū)動的太湖流量變化風險評估99
圖10.1模擬太湖水域分區(qū)和流域119
圖10.2各區(qū)地表徑流逐月模擬與實測值對比128
圖10.3各區(qū)逐月總氮和總磷模擬與實測值對比128
圖10.41995年、1998年和2002年太湖流域總氮、總磷總量模擬129
圖10.5太湖上游河網(wǎng)分布與水文水質(zhì)斷面位置圖133
圖10.6太湖上游各區(qū)1987～2007年多年營養(yǎng)鹽通量空間來源137
圖10.7不同營養(yǎng)鹽來源因子對湖泊TN和TP貢獻率138
圖11.1太湖各區(qū)模擬總氮、總磷逐月分布143
圖11.2太湖流域土壤總氮和總磷空間分布圖145
圖11.31962～2002年入湖總氮和總磷模擬的年平均量146
圖11.41962～2002年太湖總氮和總磷模擬的濃度變化147
圖11.51962～2002年實測流量與模擬總氮、總磷入湖量148
圖11.620世紀60年代營養(yǎng)來源對入湖營養(yǎng)鹽的貢獻率150
圖12.1太湖流域歷史時期子流域劃分153
圖12.2太湖流域未來100年頻率高于75%的溫度和降水變化155
圖12.3太湖流域四個子流域（NW、N、SW、SE）過去200年營養(yǎng)鹽各個分量模擬157
圖12.41850～1940年入湖TN和TP年平均量模擬158
圖12.5過去200年TN和TP模擬的區(qū)域分布158
圖12.6過去200年太湖子流域入湖營養(yǎng)鹽模擬與沉積資料（Dls和Ms鉆孔）對比160
圖12.71960～2000年入湖年平均（ANN）和夏季（JJA）TN和TP模擬161
圖12.8氣候變化驅(qū)動下2010～2100年太湖流域TN和TP變化模擬163
表目錄
表4.1歷史時期各個特征期氣候變化下模擬方案49
表6.1太湖吳江水則碑的洪水位標準67
表6.220世紀特大洪水器測水位與水則碑記錄對比68
表6.3太湖歷史洪水與PDO關(guān)聯(lián)性檢驗的參數(shù)和結(jié)果75
表7.11889洪水年徑流模擬及頻率上、下限誤差估計85
表8.1試驗1（1988～2002年）和試驗2（1880～1894年）入湖流量模擬的主要統(tǒng)計量97
表9.1基于流域尺度的湖泊營養(yǎng)鹽外源模型112
表10.1流域地形基本特征和人口密度120
表10.2太湖流域主要河道入湖出湖水量特征和系數(shù)122
表10.3模擬方案設計124
表10.4計算人和牲畜TN、TP排放參數(shù)125
表10.5校驗水量、總氮和總磷模擬的ENS系數(shù)127
表10.61995年、1998年和2002年總氮、總磷量模擬130
表10.7不同營養(yǎng)源類型對湖泊總氮、總磷貢獻率131
表10.8不同子流域營養(yǎng)源對湖泊總氮、總磷貢獻率131
表10.91987～2007年各子流域輸出營養(yǎng)鹽濃度模擬135
表10.101987～2007年各子流域營養(yǎng)鹽量模擬136
表11.11965～1995年太湖流域主要社會經(jīng)濟指標的增長率143
表11.220世紀60年代子流域總氮、總磷年內(nèi)模擬月均值144
表11.31962年和1965年子流域總氮、總磷入湖量模擬年均值145
表11.4營養(yǎng)鹽入湖趨勢擬合函數(shù)參數(shù)設置147
表11.520世紀60年代營養(yǎng)鹽來源敏感試驗結(jié)果149
表12.11960～2000年太湖水體與沉積物TN、TP測值資料159
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