干旱区流域水文过程分析及水资源管理

发布时间：2020-05-07 08:47

【摘要】：水资源是维持干旱区社会经济和生态环境可持续发展的重要保障。受不断加剧的气候变化和日益增强的人类活动影响,干旱区流域水资源的数量和时空分布发生了显著变化,给水资源管理带来了严峻的挑战。水资源管理是一个涉及水文模拟与预报以及水资源优化配置的复杂过程。由于受降水的随机性、政策的主观性、社会经济的波动性等因素影响,水资源系统存在大量的不确定性,加剧了水资源管理的难度。如何表征系统的复杂性和不确定性,提高水文模拟与预报的精度,制定可靠的水资源管理方案,是干旱区可持续发展面临的主要问题。因此,本文在系统辨识水文过程以及水资源管理中存在的复杂性和不确定性基础上,开展了干旱区流域水文过程分析,揭示了影响水文过程模拟与预报的主要因素;开发了一套基于随机分析的水资源管理方法体系,制定了稳健的水资源管理策略。具体开展了以下几方面工作:(1)建立了开都河流域SLURP(Semi-distributed land-use based runoff process)水文模型,设计了 24 种数字高程模型(DEM,digital elevation model)分辨率和子流域划分水平的组合,量化了流域空间分辨率对径流模拟的影响,揭示了 DEM分辨率和子流域划分水平的交互性与径流变化的关系,优化了模型的输入。结果发现子流域划分水平对径流的影响程度比DEM的影响大,200m DEM和183个子流域数目组合下的流域径流模拟效果最好。(2)开发了耦合多气候情景的逐步聚类-SLURP模型,分析了多种气候模型(GCM,global climate model)和温室气体排放情景下开都河流域温度、降水和径流的变化。该模型不仅能反映气候变化情景的不确定性对径流的影响,提出的逐步聚类降尺度方法还能够有效处理气候尺度下延时预报因子和预报量之间存在的非线性和离散性特征,避免了函数假设关系。结果发现开都河流域春季和冬季的温度上升幅度大,春季和秋季的降水增加,春季径流先增加后减少,而且对气候变化最为敏感。(3)集成了 GCM、随机天气发生器、SLURP水文模型和区间多阶段随机规划方法,构建了模拟-优化集合模型,探究了气候变化对开孔河流域中游人类活动用水和下游生态用水的影响。该模型系统不仅能充分反映气候变化对水资源管理的影响,还能有效表征气候模式的不确定性,以及水资源管理系统中存在的随机性、动态性和区间不确定性。通过求解模型能够得到不同气候变化模式和生态调水计划下的水资源配置方案,为开孔河流域适应气候变化以及降低缺水带来的风险提供了决策支持。(4)依托可能性模糊规划、弹性模糊规划和机会约束规划,提出了模糊机会约束方法,该方法能有效处理农业系统中参数表征为可能性分布、概率分布和弹性约束的多重不确定性信息,帮助决策者有效权衡系统收益以及系统违约风险。以阿姆河下游农业灌区为例,构建了农业水-土地资源联合管理模型,设置了 1080种情景,探究了不同农业灌溉效率对水-土地资源关联系统的影响;得到了最优的水资源配置方案和农业种植结构,在保障粮食安全和效益最大化的基础上,发现灌溉效率为0.61时能够有效适应水资源波动带来的不确定性,并适合阿姆河下游灌区农业发展。(5)基于模糊可信度规划、机会约束规划和分式规划,建立了模糊随机分式规划方法,用于处理水资源-粮食-能源关联系统中的随机和模糊不确定性,同时反映系统中的多目标性;以开孔河流域为例,构建了基于随机模糊分式规划的水资源-粮食-能源关联模型,探究了来水量、需水量以及污染物和CO2减排的不确定性对水资源分配、农业种植和电力生产的影响,发现水资源供需的波动对火电生产和蔬菜种植的影响最大,结果为保障水资源、粮食和能源安全提供了最优的管理模式。总之,本文探究了流域空间分辨率和气候变化对开都河流域水文过程的影响,揭示了径流变化的影响因素,提高了模型模拟与预报的精度。提出了一套基于随机分析的干旱区流域水资源综合管理模型,平衡了气候变化、有限水资源量、粮食和能源生产以及生态环境保护之间的矛盾,优化了干旱区流域水资源配置方案、农业种植结构和电力生产模式,提高了水资源利用效率,缓解了干旱区流域水资源短缺带来的风险。
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论文结构

第三章：开都河流域水文过程分析。该章节主要探讨了流域空间分辨率和气逡逑候变化对水文过程的影响，分为两部分内容：（１邋）邋ＤＥＭ分辨率和子流域划分水逡逑平对径流模拟的影响。迎过设置多组ＤＥＭ分辨率和子流域划分水平，探究不同逡逑组合下径流模拟效果以及月径流和峰值流量的变化等，从而有效辨识影响径流过逡逑程的主要因素。（２）耦合多气候情景的逐步聚类－ＳＬＵＲＰ模型分析开都河流域水逡逑文过程。耦合多种全球气候情景、逐步聚类降尺度方法、ＳＬＵＲＰ水文模型，探逡逑究多种气候情景下的温度、降水、径流的变化，进而分析影响径流变化的因素。逡逑７逡逑

流域概况,开都河,原理,示意图

３．１．２开都河流域概况逡逑开都河流域位于我国西北干旱区，隶属于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自逡逑治州，介于东经８２°５８４６°５５１卩北纬４１°４７＇－４３°２ｒ之间（如图３－２所示）［２１６］。河逡逑流的起源地是天山南麓的伊连哈比尔尕山，流经和静县、焉耆县和博湖县，，最终逡逑流入博斯腾湖｜２１Ｚ２１８】。河流全长６１０邋ｋｍ，流域面积达２．２万ｋｍ２。流域径流主要逡逑是依靠冰雪融水和雨水共同补给，是焉耆盆地与孔雀河流域经济发展的重要水逡逑源，也是塔里木河流域下游生态环境可持续性发展的重要保障［２１９￣２２（）１。流域内荒逡逑漠土为主，并分布着沼泽土、草甸土和冻土。由于地形、气候、土壤等原因，流逡逑域内植被覆盖率较低，且７０％为草地（大多分布在降水较多的河源区域），耕地逡逑和林地较少｜２２１１。流域上游人类活动稀少，下游农垦开发活动较强，导致河流的逡逑自然形态受到破坏。因此
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV213.4;P333;S274

【参考文献】