湖泊的水量、水质变化制约着湖泊生存、发展和消亡。然而，气候变化下的湖泊水量变化是一个常态现象，而湖泊水体富营养化是湖泊的历史过程。本书以历史时期为视角，通过对太湖过去百年来湖泊沉积、磁学和花粉沉积特征、考古证据、历史文献研究，进行流域水文长时间序列和极端年份水文数值模拟，同时对百年来太湖流域营养盐变化导致的湖泊富营养化演变的不同特征阶段进行模拟以及敏感因子试验。对历史时期以自然系统为主和过去 100年以人类活动为主的两个时间系统，建立年分辨率的水位、水量时间序列，识别极端洪水事件发生的强度、频率。对比两个时间系统，评估人类活动的显著影响和自然系统下的气候变化，从而甄别人类活动与气候变化分别引起的全球增温对湖泊演化、极端灾害发生程度和频率等特征和规律。
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前言
第一篇 概论
第1章 湖泊长期水量变化3
1.1湖泊水位变化研究的基本理论和实践4
1.1.1从封闭湖泊到吞吐湖泊的研究4
1.1.2湖泊水位的指标体系4
1.1.3从个体湖泊研究到区域综合5
1.1.4从湖泊水位变化过程到变化机制的研究6
1.2太湖历史时期湖泊水量变化研究7
1.2.1太湖以及流域自然地理概况7
1.2.2过去3000年气候变化下湖泊水量变化11
1.2.3历史时期太湖水位和水量变化研究12
第2章 湖泊水量变化与极端水文事件14
2.1历史时期极端气候水文事件14
2.2从高分辨湖泊沉积记录中追踪极端水文事件16
2.3极端气候水文事件数值模拟17
2.4气候机制下极端水文事件的情景预测18
第3章 湖泊水质与湖泊营养演化21
3.1湖泊水质变化与湖泊营养演化21
3.2长期湖泊环境演化的研究途径22
3.3数据与模拟对比分析25
3.3.1数据与模拟对比25
3.3.2不确定性分析26参考文献27
第二篇 历史时期太湖水环境演变
第4章 过去3000年以来流域气候植被和太湖水量变化35
4.1钻孔岩心和沉积时代35
4.2太湖流域孢粉记录及气候植被变化38
4.2.1孢粉特征及其序列变化38
4.2.2花粉参数40
4.2.3根据花粉参数指示的气候植被和人类活动变化44
4.3过去3000年以来气候——下垫面变化下的太湖流量模拟48
4.3.1模型和模拟试验49
4.3.2模型率定和控制试验50
4.3.3历史时期模拟试验51
4.3.4敏感性控制因子试验53
第5章 太湖过去150年以来极端洪水的沉积记录55
5.1沉积钻孔和试验分析56
5.2太湖沉积序列和极端气候标识56
5.2.1沉积年代序列56
5.2.2沉积粒度特征57
5.2.3磁学特征59
5.3湖泊沉积与降水、流量相关分析61
5.4极端历史洪水年份的重建62
第6章 基于沉积考古重建太湖历史极端洪水66
6.1历史洪水的考古和文献证据66
6.1.1水则碑洪水记录66
6.1.2校验水则碑记录的洪水位66
6.1.3观测水位与水则碑水位的衔接68
6.2历史洪水的沉积信号69
6.2.1沉积粒度指标69
6.2.2磁性参数指标70
6.3重建历史时期的极端洪水年71
6.3.1洪水序列重建71
6.3.2极端洪水年的水位和年份71
6.3.3洪水重现期分析73
6.4极端洪水与气候关联分析74
6.4.1PDO气候指标及关联性检验74
6.4.2太湖历史洪水的气候关联分析75
6.4.3对太湖历史极端洪水重建的讨论76
第7章 太湖1889洪水年模拟79
7.1数据和方法79
7.2控制试验和验证81
7.2.1对太湖洪水产流的模拟能力81
7.2.2对太湖入湖洪水量和过程的模拟能力82
7.31889年洪水模拟83
7.3.1极端洪水年的产流和汇流模拟83
7.3.2极端洪水年的重现期和误差估计85
7.4对太湖1889年极端洪水模拟的讨论85
第8章 气候变化下太湖极端洪水情景预测88
8.1区域资料和模拟试验设计88
8.1.1模拟试验方案88
8.1.2极端洪水年的气候模式89
8.1.3不确定性分析90
8.1.4极端洪水的气候效应和风险系数92
8.2极端洪水年模拟92
8.2.1现代气候模式下洪水模拟（试验1）92
8.2.2历史气候模式下洪水模拟（试验2）95
8.3气候变暖下太湖极端洪水归因分析96
8.3.1不同驱动因子模拟的对比96
8.3.2归因机制分析讨论99
参考文献101
第三篇 历史时期太湖水质变化
第9章 湖泊富营养化数值模拟的研究109
9.1湖泊富营养化中的核心问题109
9.2流域—湖泊营养盐的机理性模型研究110
9.3SWAT模型功能和应用114
9.3.1模型的主要功能114
9.3.2模型的应用116
第10章 太湖流域营养盐现代过程模拟118
10.1以动力模拟途径追踪湖泊富营养化长期变化118
10.2空间与非空间数据及其处理119
10.2.1地形和水系119
10.2.2构建流域基础数据库120
10.2.3入湖和出湖水量的处理122
10.2.4营养盐分类和数据处理123
10.3模型与模拟方案123
10.3.1模型的输入、输出和运行界面123
10.3.2模拟方案124
10.4现代典型年份营养盐输移模拟试验124
10.4.1初始值设置124
10.4.2模型运行与率定126
10.4.3模型校验127
10.4.4模拟结果129
10.5现代连续年份营养盐输移模拟试验132
10.5.1流域点源输入132
10.5.2模型验证和率定133
10.5.3模拟结果134
10.5.4不同因子对营养盐贡献137
第11章 太湖流域20世纪60年代营养物质输移的模拟139
11.1人类活动强度变化的转折点——20世纪60年代139
11.2数据和处理140
11.2.1静态数据140
11.2.2半静态数据141
11.2.3动态数据141
11.320世纪60年代流域营养物质输移动态模拟143
11.3.1季节变化143
11.3.2空间变化145
11.420世纪60年代至21世纪头10年营养盐输移变化趋势模拟146
11.4.1变化趋势146
11.4.2总氮、总磷输移趋势与气候关系分析147
11.5营养物质输移的影响因子149
第12章 过去200年太湖流域营养盐变化模拟151
12.1模拟方案和试验设置152
12.1.1模拟方案152
12.1.2数据处理152
12.1.3未来试验气候场设置153
12.2太湖流域200年营养盐自然本底模拟156
12.2.1时间和空间模拟结果156
12.2.2模拟与地质数据的对比159
12.3太湖流域营养盐产量变化的预测160
12.3.1模拟系统设置160
12.3.2流域营养盐变化趋势162
第13章 总结和展望164
13.1对太湖历史时期极端洪水的认识164
13.2对极端洪水发生过程和机制的认识165
13.3对太湖富营养化历史演化的认识166
13.4湖泊模拟的研究方向167
参考文献169
致谢177
彩图
图目录
图1.1太湖流域地形坡度、水系、土地利用类型和土壤分布图8
图1.2太湖流域及长江中下游1860～1869年、1900～1909年和1950～1959年（10年平均）温度分布9
图1.3太湖流域及长江中下游1860～1869年、1900～1909年和1950～1959年（10年平均）降水分布10
图2.1历史时期湖泊水量和极端水文事件模拟流程图19
图3.1历史时期湖泊营养演化模拟流程图24图4.1研究区域和太湖地理位置图（a）区域图，（b）太湖流域图）36
图4.2太湖钻孔TXS和DQG位置及多钻孔岩性对比37
图4.3太湖DQG孔孢粉图谱41
图4.4太湖TXS孔孢粉图谱42
图4.5长江三角洲地区典型钻孔常绿与落叶阔叶属种花粉含量比（EQ/DQ）变化45
图4.6太湖流域常绿与落叶阔叶花粉含量比（EQ/DQ）变化45
图4.7太湖流域以及长江下游典型钻孔花粉RWCI指数变化46
图4.8过去3000年以来禾本科花粉粒径变化47
图4.9过去3000年以来典型钻孔松花粉含量变化48
图4.10ECHAM气候模型降尺度到太湖流域过去1000年特征期降水模拟52
图4.11太湖流域过去1000年流量变化模拟52
图4.12太湖流域过去3000年特征期月平均流量变化模拟及误差53
图4.13太湖流域水文敏感因子贡献率分析54
图5.1太湖TXS孔137Cs、210Pbt、226Ra、210Pbex蓄积垂直分布和年代序列57
图5.2太湖TXS孔沉积物组分和磁化率特征的垂直分布58
图5.3太湖TXS钻孔磁学参数与沉积粒度比较60
图5.4太湖TXS孔沉积砂级含量与流域洪水年份和区域降水对比62
图5.5太湖TXS孔砂级粒度和磁化率（χlf）相关分析64
图5.6太湖TXS孔沉积粒度（砂级D64和D50）和磁化率（χlf）的频谱分析64
图6.1太湖流域地表高程、水系及水则碑、水文站和钻孔位置67
图6.2太湖水则碑洪水位与逐日观测年昀高水位80%百分位的衔接系列68
图6.31921～2004年太湖特大洪水位与沉积指标对比70
图6.4太湖沉积记录3个的洪水信号序列对比71
图6.51600～1920年多指标历史洪水序列对比72
图6.61600～2004年洪水序列频谱分析73
图6.7过去400年太湖特大洪水水位与PDO序列对比76
图7.1太湖上游模拟区域图80
图7.21988～2002年控制试验逐月水文模拟与观测对比82
图7.31999洪水年降水、径流和水位对比83
图7.41889洪水年逐日观测降水（P）和逐日模拟汇流径流（Q）83
图7.5太湖1889洪水年模拟径流和频率分布84
图8.1IPCC-20C3M方案1999年逐日降水模拟和驱动试验1逐日流量模拟93
图8.2IPCC-20C3M方案驱动逐日极端流量模拟频率分布及与控制试验流量对比94
图8.3IPCC-PICTL方案驱动试验2的15年逐日流量模拟和频率分布95
图8.4IPCC-PICTL方案驱动试验2极端流量模拟频率及与控制试验流量对比96
图8.5蒙特卡罗模拟太湖流域逐日流量变化及频率分布98
图8.6IPCC-PICTL方案和20C3M方案驱动的太湖流量变化风险评估99
图10.1模拟太湖水域分区和流域119
图10.2各区地表径流逐月模拟与实测值对比128
图10.3各区逐月总氮和总磷模拟与实测值对比128
图10.41995年、1998年和2002年太湖流域总氮、总磷总量模拟129
图10.5太湖上游河网分布与水文水质断面位置图133
图10.6太湖上游各区1987～2007年多年营养盐通量空间来源137
图10.7不同营养盐来源因子对湖泊TN和TP贡献率138
图11.1太湖各区模拟总氮、总磷逐月分布143
图11.2太湖流域土壤总氮和总磷空间分布图145
图11.31962～2002年入湖总氮和总磷模拟的年平均量146
图11.41962～2002年太湖总氮和总磷模拟的浓度变化147
图11.51962～2002年实测流量与模拟总氮、总磷入湖量148
图11.620世纪60年代营养来源对入湖营养盐的贡献率150
图12.1太湖流域历史时期子流域划分153
图12.2太湖流域未来100年频率高于75%的温度和降水变化155
图12.3太湖流域四个子流域（NW、N、SW、SE）过去200年营养盐各个分量模拟157
图12.41850～1940年入湖TN和TP年平均量模拟158
图12.5过去200年TN和TP模拟的区域分布158
图12.6过去200年太湖子流域入湖营养盐模拟与沉积资料（Dls和Ms钻孔）对比160
图12.71960～2000年入湖年平均（ANN）和夏季（JJA）TN和TP模拟161
图12.8气候变化驱动下2010～2100年太湖流域TN和TP变化模拟163
表目录
表4.1历史时期各个特征期气候变化下模拟方案49
表6.1太湖吴江水则碑的洪水位标准67
表6.220世纪特大洪水器测水位与水则碑记录对比68
表6.3太湖历史洪水与PDO关联性检验的参数和结果75
表7.11889洪水年径流模拟及频率上、下限误差估计85
表8.1试验1（1988～2002年）和试验2（1880～1894年）入湖流量模拟的主要统计量97
表9.1基于流域尺度的湖泊营养盐外源模型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数122
表10.3模拟方案设计124
表10.4计算人和牲畜TN、TP排放参数125
表10.5校验水量、总氮和总磷模拟的ENS系数127
表10.61995年、1998年和2002年总氮、总磷量模拟130
表10.7不同营养源类型对湖泊总氮、总磷贡献率131
表10.8不同子流域营养源对湖泊总氮、总磷贡献率131
表10.91987～2007年各子流域输出营养盐浓度模拟135
表10.101987～2007年各子流域营养盐量模拟136
表11.11965～1995年太湖流域主要社会经济指标的增长率143
表11.220世纪60年代子流域总氮、总磷年内模拟月均值144
表11.31962年和1965年子流域总氮、总磷入湖量模拟年均值145
表11.4营养盐入湖趋势拟合函数参数设置147
表11.520世纪60年代营养盐来源敏感试验结果149
表12.11960～2000年太湖水体与沉积物TN、TP测值资料159
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