水文系统不确定性分析方法综述

《水资源系统优化规划与管理》

课程论文

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2017年1月3日

水文系统不确定性分析方法综述

杨金孟

（山东农业大学水利土木工程学院山东泰安271018 ）

摘要：水文系统是一个复杂的系统，包含了很多不确定性因素，增加了精确模拟和预测水文过程的困难。为了提高计算结果的可靠性，水文系统的不确定性分析已成为当前研究的热点。本文对水文系统不确定性分析方法及应用研究进展进行了分类综述，介绍了它们的基本概念、原理和应用现状，并对值得进一步研究的问题进行了展望。

关键词：水文系统；不确定性分析；方法综述

A Summary on Uncertainty Analysis Methods of Hydrological

System

Y ANG Jinmeng

（College of W ater Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University ，Taian 271018）Abstract: Hydrological system is a complex system with many uncertain factors. These factors are not conductive to the accurate simulation and prediction of hydrological processes. Thus more and more people focus on the uncertainty analysis methods for the hydrological systems to improve the reliability of calculations. In this paper, we summarized the researches and the applications of the uncertainty analysis methods for hydrological systems. Based on the review,we introduced their basic concepts, principles and status of applications and prospected the issues worthy of further research.

Keywords:hydrological system; uncertainty analysis; methods summary

1 引言

水文系统研究的基本内容为水在自然界里的运动、变化过程和分布规律，通常以流域或区域作为研究对象，涉及到降雨、蒸散发、地表径流、地下水运动变化及连接地表水和地下水的土壤水的状况等。水文系统的复杂性使得不确定性分析贯穿水循环研究过程的始终，从水文过程监测数据的获取、分析和处理，水文模型的开发、应用等，都伴随自然或人为的不确定性因素。由于水文系统数据本身固有的模糊性和变异性，加之技术和人为因素，使得数据处理具有不确定性，主要表现在正确与错误并存、信息与“噪声”并存以及正常与异常并存，使得对数据分析产生的结论不精确或不可信。

模型是水文系统研究的重要手段，由于多数模型带有明显的主观假设，且参数只能通过实测资料和参数优选得到，在模型结构的选择、参数的率定、方法的优选、目标函数的确定等方面均存在不确定性。因而，不确定性分析在水文系统研究和应用中就显得尤为重要。第23届国际地球物理和大地测量大会上，国际水文科学协会(IAHS)明确提出应减少水文预报中的不确定性，探索水文模拟的新方法，实现水文理论的重大突破。1996年9月由联合国教科文组织开了第三届国际研讨会。会议的主题是：水资源系统的风险、可靠性、不确定性和稳健性；重心是研讨风险、可靠性、不确定性等问题的新途径和未来研究应用的展望。我国1994年在武汉召开了《全国首届水文水资源与水环境科学不确定性研究新理论、新方法学术讨论会》。会后出版了会议论文专著《现代水科学不确定性研究与进展》。近年来，水文系统不确定性研究取得丰硕的成果。本文就水文系统不确定性分析方法简要综述。

2 不确定性分析方法及应用分类

水文水资源系统的分析计算、预测及其评价历来是人们关心的重大课题。依据这些观测资料，寻求研究对象在时间演变过程中前后的关系、研究对象与主要影响因素的关系以及这些观测资料在空间分布上的关系。然后通过求得的各种“关系”以达到分析计算、预测和评价的目的（图1）。例如通过降雨～径流关系做出径流预测，使防洪工作未雨绸缪；利用上下游水文要素(水位、流量)的关系做出闸门及时调控的预测；利用参证流域的水文要素延展出设计流域的水文要素，弥补了设计流域的水文计算资料的不足；通过洪峰和洪量的关系分析洪水特性，提前做好汛期防洪准备工作；借助水文要素（径流、暴雨、洪水等）与发生频率的关系估计设计水文要素值；根据设计规定的各种指标标准与相应指标值的关系，对水质和水资源的特征和特性进行评价。然而水文观测资料的分析计算、预测和评价均以大量的观测资料为基础。数据观测资料往往因各种因素的影响而带有不准确性以及测量误差，因此各种水文系统的不确定分析方法应运而生，提高了水文预测的准确性。

图1.水文系统不确定分析基本关系图

不确定性是相对于确定性而言的。目前没有明确的定义。简言之，结果可能是这样的，也可能是那样的，不是百分之百的肯定。在最近30多年里，不确定性研究在水文水资源系统领域取得了长足的进步。

不确定性目前在水文水资源系统领域的分类有随机性、模糊性、灰色性、分形性以及混沌性。其在水文水资源领域中对应的分析方法为随机分析法、模糊分析法、灰色分析法、分形分析法以及混沌分析法。

2.1随机分析法

影响水文现象的一些因素偶然发生变化，使得其结果发生与否不定或大小有异，这就是随机性。水文现象的随机性无处不在并早已为人们所接受，如，给定相同的降雨强度和降雨历时，在同一块场地上进行多次人工降雨实验，每次所得径流彼此不同；河流某控制断面的月平均流量过程各年不同；水系的演变导致流域汇流特性各年有所差异，表现在汇流参数具有随机性；径流、洪水的随机性导致水利水电工程的兴利效益和安全程度显示出随机性等。

促使水文现象变化的根本原因在于必然性，但水文现象的发展、变化决不只由必然性唯一主宰，还受其它许多因素或大或小影响，这些因素的复杂性和多样性导致水文现象在演变过程中不断发生非根本性的偏差，出现可有可无、或这样或那样的结果。在水文现象的发展演变过程中，确定性和随机性不但同时存在，而且相互密切联系着。从时间尺度大小而言，这两种规律在水文现象发展演变中的主导作用会发生变化。对于小的时间尺度，往往确定性起到主导作用，此时常用确定性分析法探讨其演变规律，但随着时间尺度变长，水文现象的影响因素更多，产生影响的过程愈复杂，随机性成为其演变的主要特性，逐渐起到了主导作用，而确定性则逐渐减弱。因此探讨大时间尺度下的水文现象的演变特性就必须探讨水文现象的随机性。