随机模糊分析方法研究及其在水文水资源系统中的应用

随机模糊分析方法研究及其在水文水资源系统中的应用

由于高强度人类活动和全球气候环境变化的影响,加之人口急剧膨胀,水资源短缺矛盾凸显。流域是一个复杂的系统,该系统又包含多个子系统,各子系统内部又包含众多组分。

总系统、各级子系统及其组分之间存在复杂的互动响应关系,同时,各系统的交互响应作用都具有各自的时空演变特征与规律,由此表现出异质性；这些都使

得流域系统呈现出异常纷繁复杂的不确定性、多目标性、多层次性、非线性和动态性等特征。流域水文循环和水资源管理模型是流域系统的重要研究内容,目前正面临着严峻挑战,亟需对流域系统的复杂性和不确定性进行深入研究。

因此,本论文以不确定条件下的流域水文模拟和水资源分配为主要研究对象,选取我国典型流域长江香溪河流域、海河漳卫南流域、新疆开都河流域开展不确定水文模拟和水资源分配研究。研究涵盖了水文气象、不确定性分析、水资源优化配置等多学科多领域技术。

论文主要的研究工作及创新性成果如下：(1)以长江流域三峡库区香溪河流

域为研究区,探究DEM分辨率与基于地形特征的流域降雨径流模型之间的关系,选用TOPMODEL模型来模拟研究区的整个水文循环过程。在研究流域的上、中、

下游分别选取了四个典型的小尺度试验流域进行独立研究,每个试验流域配套建设了水文、气象观测站以便获得更加精准的水文气象数据。

选取了从30米到200米一系列不同DEM分辨率,率定每种DEM分辨率下水文模型独立参数,考察了TOPMODEL模型Nash、SSE和SAE三个用于反映模型效率的

模型模拟效率之间参数,并利用模糊分析的方法综合评价DEM分辨率与TOPMODEL

的关系。研究结果有助于决策者构建高效的水资源利用、管理方案,提高当地的

水资源利用效率。

(2)选取新疆开都河流域为研究区域,基于半分布式水文模型TOPMODEL,开发一个随机模糊耦合分析的方法(HSFA)用于不确定降雨径流模拟、深入探究水文过程中的不确定性,分析参数的不确定性识别对水文模拟结果的影响。研究所开

发的HSFA方法用于流域整个水循环和水文模拟,识别和表征随机不确定性和模

糊不确定性两类水文模型中普遍存在的不确定信息。

除了分析上述因素对水文模型的模拟精度产生的影响以外,还探究二者对水文模型的联合影响。研究结果表明,洪水期(6月到8月)参数M、ln(To)和ChVel 对径流模拟峰值影响较大,进而影响着径流模拟结果的不确定性。

径流实测值落在95%置信水平下的不确定性径流模拟带的比例随着隶属度

的增加而增加,残差大小随着隶属度的增加而减小,HSFA方法模拟结果比传统TOPMODEL模型残差小得多。(3)开发了一个DFCFP模型用于不确定条件下水资源分配。

DFCFP模型可以有效的处理模型约束中的模糊参数,实现规划目标的协调发展,在有限的资源下实现系统边界效益最大化。本研究开发的DFCFP模型用于指导中国海河支流漳卫南流域的水资源分配,该流域面临着人口增长和环境变化所

带来的严重水资源短缺问题。

研究结果显示,最低可信度情景和最高可信度情景下邯郸、安阳水资源分配

量有着明显差异；两种情景下DFCFP模型求解的系统边界效益明显比直接用总效

益除以总水量计算的边界效益要高,因此节约了大量的水资源,提高了水资源利用效率；DFCFP模型求解的用户最优水量比DFCP模型求解的用水量要小但系统

效益要大,由此进一步证明了DFCFP模型对水资源管理的有效性。(4)针对不确定

条件下漳卫南灌区农业水资源管理的复杂性,基于预期的灌区水资源用户供水目标不能满足需求时的水资源如何进行分配的客观问题,结合LFP模型与TSP模型的优点,开发了一种分式两阶段随机规划模型(FTSP)用于漳卫南灌区农业水资源分配研究。

本研究选漳卫南灌区最大控制性工程岳城水库的两个大型供水灌区为研究

对象,探讨了灌区农业灌溉水资源的优化配置问题。研究表明不同决策情景所对

应的经济效益和缺水风险不同,最优决策实现了经济效益和缺水风险之间的平衡；不同径流水平下,各用户的正常灌溉面积会发生相应变化,高径流水平时所有用户均能得到正常灌溉。