逐步聚類與隨機分析方法用于流域水資源管理.pdf

1、氣候變化引起流域水文過程的改變，這可能會導致洪水和干旱風險的增加。而隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，水資源的需求增加，進一步加劇氣候變化帶來的影響，決策者們面臨水資源合理配置的問題。本論文開發(fā)了逐步聚類分析與隨機分析方法用于流域水資源管理。所開發(fā)方法可以用來實現(xiàn)西北干旱區(qū)水文過程的時空變化特征模擬，進行水資源多用戶競爭性用水的優(yōu)化配置，以及開展考慮氣候變化影響的水文與水資源分析。具體包括:
　　(1)針對水文過程中的復雜性，開發(fā)了耦合逐步聚

2、類分析和析因分析方法(HFSA)的開都河模擬預測模型。該方法能夠處理離散或連續(xù)的隨機變量，以及自變量和因變量之間的非線性關(guān)系。將所開發(fā)的HFSA模型用于位于干旱山區(qū)的開都河流域，揭示水文過程中存在的復雜非線性關(guān)系。同時，析因分析結(jié)果表明，最低溫度和降水量是對模型輸出結(jié)果影響最大的因子。而最低溫度和降水量間之間，以及降水量和相對濕度間存在的交互作用，對模型輸出有較大影響。
　　(2)為開展氣候變化下水文過程的影響研究，本論文開發(fā)逐步

3、聚類降尺度方法(SCDM)，將大尺度氣象變量轉(zhuǎn)化為區(qū)域尺度的氣候變化情景。SCDM能夠處理不同時間尺度的氣象變化，并且同時處理連續(xù)和不連續(xù)的數(shù)據(jù)。SCDM和水文模型耦合，可以用于研究氣候變化對開都河流域水文過程的影響。首先，日尺度和月尺度的GCM數(shù)據(jù)被提取，分為歷史基準時期（1961-1990年），近期(2006-2011年)和未來時期（2015-2040年）。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(i) SCDM能夠產(chǎn)生不同站點的氣候變化情景，分析氣象變量空間的

4、不一致性;(ii) SCDM對溫度變量、和降水變量降尺度時，前者效果更好;(iii)最低和最高氣溫（Tmin和Tmax）具有增加的趨勢。此外，多套不同的降尺度氣侯情景被用于驅(qū)動一個日尺度氣象徑流水文模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑流量呈現(xiàn)增加的趨勢，這是由于氣溫增加引起更多融雪水。
　　(3)針對氣候變化情景和水文模擬中的不確定性，本論文開發(fā)一種多GCM隨機天氣發(fā)生器和逐步聚類耦合(MGCM-SWG-SCA)的方法，用于研究氣候變化對寒旱區(qū)水文產(chǎn)

5、生的影響。由于GCM模型產(chǎn)生氣候情景的大尺度特征，以及長序列氣象數(shù)據(jù)的復雜性，采用多GCM模型和隨機天氣發(fā)生器耦合的方法，產(chǎn)生多套區(qū)域尺度的氣候變化情景，并用于水文模型的輸入中。而實際上，水文模型輸入（降水和氣溫）和輸出變量（徑流）間的關(guān)系是非線性、時間變異性和復雜的，導致徑流模擬的困難性。逐步聚類方法(SCA)通過將輸入輸出間的關(guān)系表達為逐步聚類樹，能有效處理不連續(xù)變量和非線性系統(tǒng)。將所開發(fā)的逐步聚類水文模型用于徑流模擬中。結(jié)果分析發(fā)

6、現(xiàn)徑流量的變化在春季主要受到氣溫變化的影響;在冬季主要受到降水量變化的影響;在夏季和秋季共同受到氣溫和降水量變化的影響。此外，可以發(fā)現(xiàn)由MGCM產(chǎn)生的氣候變化情景（最低氣溫、最高氣溫和降水量）在不同季節(jié)中具有不同的變化特征;由逐步聚類水文模型模擬的日徑流量反映實測值的變化特征;徑流量從驗證期（2006-2011年）到預測期（2015-2035年）具有顯著的增加趨勢。這主要由于開都河流域位于典型的寒旱區(qū)中，冰川融雪水與氣溫變化緊密相關(guān)，而

7、降水量的變化直接帶來徑流量的變化，兩者互相作用，表現(xiàn)為徑流量受氣候變化影響顯著的特征。
　　(4)區(qū)域水資源管理中在規(guī)劃期內(nèi)，水供應(yīng)量為隨機變量，相關(guān)水量分配方案具有動態(tài)特征，即是在某些時刻、某些概率水平條件下做出決策。因此，該問題可以構(gòu)建為基于情景分析的追償性多階段隨機規(guī)劃模型。本論文開發(fā)不確定性聯(lián)合概率方法(IJPP)，在多階段規(guī)劃的框架中引入聯(lián)合概率機會約束規(guī)劃，更加有效處理模型中存在的不確定性。將IJPP方法應(yīng)用到流域水資

8、源管理規(guī)劃中，以反映并處理隨機不確定性和多用戶競爭用水的復雜性，為決策方案的生成提供技術(shù)支撐。模型計算產(chǎn)生系統(tǒng)收益值、經(jīng)濟損失值、水資源短缺量和水資源分配特征。可以發(fā)現(xiàn)不同競爭性用水用戶中隨著不同違約風險的變化，上述變量呈現(xiàn)各不相同的變化趨勢。此外，不同違約風險和經(jīng)濟收益的交互作用，對不同用戶的用水保證率產(chǎn)生影響;市政部門具有較少的缺水風險，而工業(yè)和農(nóng)業(yè)部門具有較大的缺水風險。
　　(5)通過結(jié)合多GCM集合模式，日氣象徑流的水文

9、模擬，和區(qū)間多階段機會概率約束為一個通用的框架，本論文開發(fā)多階段隨機模擬優(yōu)化耦合(IMSSO)的方法，分析氣候變化對水資源的影響。IMSSO不僅可以解決未來氣象預測模型相關(guān)的不確定性，還產(chǎn)生各種水資源分配政策方案和量化違反概率約束的風險。將所開發(fā)IMSSO模型應(yīng)用于中國西北部的開都河流域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)未來時期（2016-2070年）水資源短缺情況存在，并且隨著違反系統(tǒng)約束概率的提高（更大的風險），水資源短缺情況更加嚴重，所得水資源分配量隨之

10、減少。
　　本文開發(fā)適合干旱區(qū)開都河流域非線性水文特征的逐步聚類模擬模型，并結(jié)合大尺度GCM模型和統(tǒng)計降尺度方法，模擬研究氣候變化在流域尺度上對水文過程和徑流預測的影響。在水資源模型構(gòu)建方面，水資源優(yōu)化配置模型結(jié)果不僅可以為政府部門提供情景分析和決策，還可以給出水資源系統(tǒng)分析及其環(huán)境問題的前瞻性建議，分時期逐步解決或者減緩未來水資源系統(tǒng)所可能面臨的相關(guān)問題。以干旱區(qū)為研究對象，科學分析氣象、水文要素的變化趨勢，揭示了河川徑流的變化