逐步聚类与随机分析方法用于流域水资源管理

发布时间：2018-01-20 04:20

本文关键词： 气候变化水文模型降尺度不确定性水资源管理　出处：《华北电力大学(北京)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：气候变化引起流域水文过程的改变,这可能会导致洪水和干旱风险的增加。而随着经济和社会的发展,水资源的需求增加,进一步加剧气候变化带来的影响,决策者们面临水资源合理配置的问题。本论文开发了逐步聚类分析与随机分析方法用于流域水资源管理。所开发方法可以用来实现西北干旱区水文过程的时空变化特征模拟,进行水资源多用户竞争性用水的优化配置,以及开展考虑气候变化影响的水文与水资源分析。具体包括:(1)针对水文过程中的复杂性,开发了耦合逐步聚类分析和析因分析方法(HFSA)的开都河模拟预测模型。该方法能够处理离散或连续的随机变量,以及自变量和因变量之间的非线性关系。将所开发的HFSA模型用于位于干旱山区的开都河流域,揭示水文过程中存在的复杂非线性关系。同时,析因分析结果表明,最低温度和降水量是对模型输出结果影响最大的因子。而最低温度和降水量间之间,以及降水量和相对湿度间存在的交互作用,对模型输出有较大影响。(2)为开展气候变化下水文过程的影响研究,本论文开发逐步聚类降尺度方法(SCDM),将大尺度气象变量转化为区域尺度的气候变化情景。SCDM能够处理不同时间尺度的气象变化,并且同时处理连续和不连续的数据。SCDM和水文模型耦合,可以用于研究气候变化对开都河流域水文过程的影响。首先,日尺度和月尺度的GCM数据被提取,分为历史基准时期(1961-1990年),近期(2006-2011年)和未来时期(2015-2040年)。结果发现:(i)SCDM能够产生不同站点的气候变化情景,分析气象变量空间的不一致性;(ii)SCDM对温度变量、和降水变量降尺度时,前者效果更好;(iii)最低和最高气温(T_(min)和T_(max))具有增加的趋势。此外,多套不同的降尺度气侯情景被用于驱动一个日尺度气象径流水文模型。结果发现径流量呈现增加的趋势,这是由于气温增加引起更多融雪水。(3)针对气候变化情景和水文模拟中的不确定性,本论文开发一种多GCM随机天气发生器和逐步聚类耦合(MGCM-SWG-SCA)的方法,用于研究气候变化对寒旱区水文产生的影响。由于GCM模型产生气候情景的大尺度特征,以及长序列气象数据的复杂性,采用多GCM模型和随机天气发生器耦合的方法,产生多套区域尺度的气候变化情景,并用于水文模型的输入中。而实际上,水文模型输入(降水和气温)和输出变量(径流)间的关系是非线性、时间变异性和复杂的,导致径流模拟的困难性。逐步聚类方法(SCA)通过将输入输出间的关系表达为逐步聚类树,能有效处理不连续变量和非线性系统。将所开发的逐步聚类水文模型用于径流模拟中。结果分析发现径流量的变化在春季主要受到气温变化的影响;在冬季主要受到降水量变化的影响;在夏季和秋季共同受到气温和降水量变化的影响。此外,可以发现由MGCM产生的气候变化情景(最低气温、最高气温和降水量)在不同季节中具有不同的变化特征;由逐步聚类水文模型模拟的日径流量反映实测值的变化特征;径流量从验证期(2006-2011年)到预测期(2015-2035年)具有显著的增加趋势。这主要由于开都河流域位于典型的寒旱区中,冰川融雪水与气温变化紧密相关,而降水量的变化直接带来径流量的变化,两者互相作用,表现为径流量受气候变化影响显著的特征。(4)区域水资源管理中在规划期内,水供应量为随机变量,相关水量分配方案具有动态特征,即是在某些时刻、某些概率水平条件下做出决策。因此,该问题可以构建为基于情景分析的追偿性多阶段随机规划模型。本论文开发不确定性联合概率方法(IJPP),在多阶段规划的框架中引入联合概率机会约束规划,更加有效处理模型中存在的不确定性。将IJPP方法应用到流域水资源管理规划中,以反映并处理随机不确定性和多用户竞争用水的复杂性,为决策方案的生成提供技术支撑。模型计算产生系统收益值、经济损失值、水资源短缺量和水资源分配特征。可以发现不同竞争性用水用户中随着不同违约风险的变化,上述变量呈现各不相同的变化趋势。此外,不同违约风险和经济收益的交互作用,对不同用户的用水保证率产生影响;市政部门具有较少的缺水风险,而工业和农业部门具有较大的缺水风险。(5)通过结合多GCM集合模式,日气象径流的水文模拟,和区间多阶段机会概率约束为一个通用的框架,本论文开发多阶段随机模拟优化耦合(IMSSO)的方法,分析气候变化对水资源的影响。IMSSO不仅可以解决未来气象预测模型相关的不确定性,还产生各种水资源分配政策方案和量化违反概率约束的风险。将所开发IMSSO模型应用于中国西北部的开都河流域,结果发现未来时期(2016-2070年)水资源短缺情况存在,并且随着违反系统约束概率的提高(更大的风险),水资源短缺情况更加严重,所得水资源分配量随之减少。本文开发适合干旱区开都河流域非线性水文特征的逐步聚类模拟模型,并结合大尺度GCM模型和统计降尺度方法,模拟研究气候变化在流域尺度上对水文过程和径流预测的影响。在水资源模型构建方面,水资源优化配置模型结果不仅可以为政府部门提供情景分析和决策,还可以给出水资源系统分析及其环境问题的前瞻性建议,分时期逐步解决或者减缓未来水资源系统所可能面临的相关问题。以干旱区为研究对象,科学分析气象、水文要素的变化趋势,揭示了河川径流的变化成因及未来水资源情势。
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【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】：2017
【分类号】：TV213.4

【参考文献】