隨機(jī)模糊分析方法研究及其在水文水資源系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、由于高強(qiáng)度人類活動和全球氣候環(huán)境變化的影響，加之人口急劇膨脹，水資源短缺矛盾凸顯。流域是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)又包含多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部又包含眾多組分?？傁到y(tǒng)、各級子系統(tǒng)及其組分之間存在復(fù)雜的互動響應(yīng)關(guān)系，同時，各系統(tǒng)的交互響應(yīng)作用都具有各自的時空演變特征與規(guī)律，由此表現(xiàn)出異質(zhì)性;這些都使得流域系統(tǒng)呈現(xiàn)出異常紛繁復(fù)雜的不確定性、多目標(biāo)性、多層次性、非線性和動態(tài)性等特征。流域水文循環(huán)和水資源管理模型是流域系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容，目前正面臨

2、著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟需對流域系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性進(jìn)行深入研究。因此，本論文以不確定條件下的流域水文模擬和水資源分配為主要研究對象，選取我國典型流域長江香溪河流域、海河漳衛(wèi)南流域、新疆開都河流域開展不確定水文模擬和水資源分配研究。研究涵蓋了水文氣象、不確定性分析、水資源優(yōu)化配置等多學(xué)科多領(lǐng)域技術(shù)。論文主要的研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)以長江流域三峽庫區(qū)香溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，探究DEM分辨率與基于地形特征的流域降雨徑流模型之間的關(guān)

3、系，選用TOPMODEL模型來模擬研究區(qū)的整個水文循環(huán)過程。在研究流域的上、中、下游分別選取了四個典型的小尺度試驗(yàn)流域進(jìn)行獨(dú)立研究，每個試驗(yàn)流域配套建設(shè)了水文、氣象觀測站以便獲得更加精準(zhǔn)的水文氣象數(shù)據(jù)。選取了從30米到200米一系列不同DEM分辨率，率定每種DEM分辨率下水文模型獨(dú)立參數(shù)，考察了TOPMODEL模型Nash、SSE和SAE三個用于反映模型效率的參數(shù)，并利用模糊分析的方法綜合評價DEM分辨率與TOPMODEL模型模擬效率之

4、間的關(guān)系。研究結(jié)果有助于決策者構(gòu)建高效的水資源利用、管理方案，提高當(dāng)?shù)氐乃Y源利用效率。
　　(2)選取新疆開都河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于半分布式水文模型TOPMODEL，開發(fā)一個隨機(jī)模糊耦合分析的方法(HSFA)用于不確定降雨徑流模擬、深入探究水文過程中的不確定性，分析參數(shù)的不確定性識別對水文模擬結(jié)果的影響。研究所開發(fā)的HSFA方法用于流域整個水循環(huán)和水文模擬，識別和表征隨機(jī)不確定性和模糊不確定性兩類水文模型中普遍存在的不確定信息。

5、除了分析上述因素對水文模型的模擬精度產(chǎn)生的影響以外，還探究二者對水文模型的聯(lián)合影響。研究結(jié)果表明，洪水期（6月到8月）參數(shù)M、ln(T0)和ChVel對徑流模擬峰值影響較大，進(jìn)而影響著徑流模擬結(jié)果的不確定性。徑流實(shí)測值落在95％置信水平下的不確定性徑流模擬帶的比例隨著隸屬度的增加而增加，殘差大小隨著隸屬度的增加而減小，HSFA方法模擬結(jié)果比傳統(tǒng)TOPMODEL模型殘差小得多。
　　(3)開發(fā)了一個DFCFP模型用于不確定條件下水資

6、源分配。DFCFP模型可以有效的處理模型約束中的模糊參數(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)的協(xié)調(diào)發(fā)展，在有限的資源下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邊界效益最大化。本研究開發(fā)的DFCFP模型用于指導(dǎo)中國海河支流漳衛(wèi)南流域的水資源分配，該流域面臨著人口增長和環(huán)境變化所帶來的嚴(yán)重水資源短缺問題。研究結(jié)果顯示，最低可信度情景和最高可信度情景下邯鄲、安陽水資源分配量有著明顯差異;兩種情景下DFCFP模型求解的系統(tǒng)邊界效益明顯比直接用總效益除以總水量計算的邊界效益要高，因此節(jié)約了大量的水資

7、源，提高了水資源利用效率;DFCFP模型求解的用戶最優(yōu)水量比DFCP模型求解的用水量要小但系統(tǒng)效益要大，由此進(jìn)一步證明了DFCFP模型對水資源管理的有效性。
　　(4)針對不確定條件下漳衛(wèi)南灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理的復(fù)雜性，基于預(yù)期的灌區(qū)水資源用戶供水目標(biāo)不能滿足需求時的水資源如何進(jìn)行分配的客觀問題，結(jié)合LFP模型與TSP模型的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一種分式兩階段隨機(jī)規(guī)劃模型(FTSP)用于漳衛(wèi)南灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源分配研究。本研究選漳衛(wèi)南灌區(qū)最大控制