全球变暖下青藏高原河湖系统建模及演变分析方法研究

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青藏高原河湖系统是一个受诸多因素影响的复杂多变系统,它由内流区湖泊子系统和外流区河网水系子系统组成。受全球气候变暖影响,青藏高原冰雪冻土逐渐融化,内流区湖泊因水量增加而出现连通,甚至漫溢溃决后向外流区演进,导致河湖系统发生显著改变,给素有“亚洲水塔”之称的青藏高原水文水资源安全及生态环境屏障带来巨大挑战。论文通过多学科综合交叉,对全球变暖背景下青藏高原河湖系统建模及演变分析方法进行研究,为监测和预警青藏高原水文、水资源及水灾害,并制定有针对性的应对措施提供科学理论与指导依据。论文研究工作和取得的成果如下:(1)提出了基于空天地水的青藏高原DEM协同方法:建立了面向青藏高原特殊地理环境,集成卫星遥感、UAV-SFM、地面实测和船载水深测量等的多维协同体系,并采用GNSS星站差分技术,构建了统一地理空间基准,实现了空天地水多源DEM数据的融合,扩大了数据覆盖范围,提升了高程精度和空间分辨率,为青藏高原河湖系统建模与演变分析,提供了一种有效的地形地貌数据获取方法。(2)提出了基于数学形态学的青藏高原内流区湖泊水文连通性建模方法:基于区域增长算法提取内流区湖泊,采用标记控制的分水岭分割方法建立湖泊分水线,计算相邻分水线的最小溢出点高程建立漫溢邻接矩阵,利用改进Priority-flood搜索算法构建湖泊级联漫溢模型,通过森林结构图实现建模结果的可视化。构建的青藏高原内流区融合型湖泊和瀑布型湖泊等漫溢级联模型,从地形特征上阐明并揭示了全球变暖下,内流区湖泊的水文连通性演变特征,分析了突变和早期信号,为青藏高原内流区湖泊水文连通性建模与分析,提供了一种数据结构简单、算法高效、易于编程实现、可视化程度高的新方法。(3)提出了基于DEM+先验知识的青藏高原外流区河网水系提取方法:针对D8算法在平坦地形条件下,容易出现迷失水流方向问题,将水文地貌特征信息作为先验知识进行辅助引导,从概念模型及其相应数学建模与实现方法,建立了集成DEM与先验知识的数字高程扩展模型DXM(Digital elevation-e Xtended Model),提出了基于DXM的河网水系提取方法。青藏高原外流区可可西里河网水系提取实验表明,这种“DEM+先验知识”模式的DXM,利用水文地貌先验知识对DEM进行了扩展,能够在高程追踪失去作用时,及时发挥对水流方向的引导作用,为平坦地区河网水系的高质量提取,提供了一种简单、高效、实用的新方法。(4)模拟分析了青藏高原内流区湖泊漫溢溃决外流演变特征:根据湖泊级联结构模型,评估了全球变暖下青藏高原内流区湖泊的漫溢溃决外流可能性,分析了盐湖的潜在溢出点,模拟了盐湖发生漫溢溃决后洪水的外流演进过程,较好地预测了盐湖外溢给下游青藏铁路等重大工程带来的威胁,为制定应对保护措施提供了科学依据。
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