考虑不确定性的流域水文过程及水库调度研究
水库调度是实现河川径流时空重新分配、解决水资源供需矛盾的重要途径，是一项极其复杂的系统工程，涉及到自然、社会、经济等多方面领域。整体来看，水库调度研究包含“流域水文过程变化识别（识别层）→流域水资源模拟（供水侧）→用水部门需水计算（需水侧）→水库调度方式研究（调控侧）”四个层次。各研究环节存在大量不确定性因素，对水库调度不同层次结果产生显著影响；多重不确定性因素在系统内的传导累积效应，使得水库调度系统结果呈现出异常复杂的未确知性。为了提升水库调度系统在不确定性环境下的抗干扰能力、降低水库运行风险、增强相应研究成果的可信度与实用性，本文针对上述四个层次，在识别不确定性来源的基础上，通过构建适当的模型，量化多重不确定性因素的影响程度以及累积效应。 论文以黄河流域内泾河、渭河以及黄河上游等区域为研究对象，诊断了流域水文气象要素相依关系演变特征，研究了不确定性背景下极端降雨-洪水二元变量重现期，揭示了Budyko模型的参数不确定性对流域水资源评估的影响，量化了水文模型参数不确定性与模型不确定性对径流模拟结果的影响，确定了降水量、降水次数及其过程的随机性对作物灌溉需水的影响，在此基础上建立了考虑水文模型参数不确定性与降水过程随机性下的水库调度模型，分析了水文模型参数不确定性与降水过程的随机性对水库调度方式以及相关兴利效益的影响。 主要研究成果如下： （1）采用基于Copula函数的对数似然比检验法，诊断了流域降雨-径流关系变异特征，提出了ARMA-GARCH模型与Partial Copula函数相耦合的水文-气象要素相依结构变异诊断方法。Copula函数可准确模拟水文-气象要素间非线性相依关系，泾河流域降雨，径流关系于1996年发生转变；ARMA-GARCH-Partial Copula模型可有效去除序列自相关性、条件异方差性以及协变量的影响，结果表明，去除降雨对蒸发、径流的影响后，蒸发一径流相依结构变化诊断结果较不去除差异明显。 （2）采用交叉小波法分析了流域极端降雨-洪水相依关系变化特征，提出了样本不确定性下适用于保证流域防洪工程安全以及多泥沙区域河道泥沙安全运移的雨洪重现期研究框架。结果表明，1994年、1981年分别为渭河干流流域与泾河流域极端雨洪关系发生变异的时期；样本不确定性对极端雨洪单变量、二元变量重现期结果影响较大，充分考虑该不确定性影响对流域防洪方案的制定具有重要的指导意义。 （3）提出了基于Bootstrap法的Budyko模型参数w不确定性研究框架，推导了参数w不确定性对流域水资源评估的影响与流域气候条件间的关系。黄河上游区域与渭河流域Budyko模型参数w分别为2.52(95%CI:[2.44,2.62])、3.14(95%CI:[3.01,3.28])；参数w的不确定性对流域水资源评估的影响随着PE/P的增加，先快速增加，达到极值点后缓慢降低，两研究区域该极值点分别处于PE/P为1.37、1.20时。 （4）采用贝叶斯理论框架下MCMC算法与DREAM算法，研究了水文模型参数不确定性，基于条件随机森林法，分析了模型参数敏感性；引入重复测量单因素方差分析法，计算了模型不确定性与参数不确定性对径流模拟结果的影响程度。采用上述理论方法，研究了HyMod模型、GR4J模型在半湿润区、SIMHYD模型在干旱区径流模拟中的参数不确定性；发现了模型参数对不同时段、不同量级下径流的敏感程度不同；与参数不确定性相比，模型不确定性是影响径流模拟的主要来源。 （5）采用复合泊松分布随机模拟日尺度降水过程，应用析因设计方差分析法量化了降水量、降水次数以及降水过程的随机性对作物灌溉需水计算的影响。以泾河流域为例，结果表明，与降水过程的随机性相比，降水量变化对玉米灌溉需水的影响显著，其次为降水次数，二者交互作用影响不显著；降水过程的随机性对玉米灌溉需水量影响同样值得关注，1960年玉米生育期受降水过程的随机性影响，灌溉需水量结果最大、最小值间偏差197mm。 （6）建立了考虑多重不确定性因素影响的水库调度模型，基于概率盒理论分析了混合不确定性对水库调度以及兴利目标的影响。不确定性因素方面，主要考虑了水文模型参数不确定性与降水过程的随机性，前者对河川径流模拟产生影响，后者对河川径流模拟以及作物灌溉需水均会产生影响。以泾河流域东庄水库为研究对象，结果表明，降水过程的随机性单独影响时，不同时段水库水位变化幅度相差较大，对玉米产量的影响程度较冬小麦大，水电站发电量受其影响，发电量在2.17~2.83亿kW·h内变化；与水文模型参数不确定性共同作用时，同样对水库运行方式产生显著影响，粮食产量以及发电量方面影响程度更大。
水库调度;流域水文过程;不确定性
西安理工大学
博士
水利工程;水文学及水资源
黄强;畅建霞
2018
中文
TV697.11
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）