气候变化及人类活动对流域径流及水库调度的不确定性影响研究

Rising in recent years, climate change and human activities will continue to influence the basin runoff and reservoir operation in the future. The influence of the change conditions is complex, exist uncertainties. Therefore, this proposed research aims to develop a framework for the uncertainty evaluation on the influence of climate change and human activities on basin runoff and reservoir operation, based on the hydrological simulation and scenario simulation technology, fuzzy inference theory, multi-objective optimization theory and uncertainty analysis technology. The framework will consist of the following methodologies: analyze hydrological variation and build a distributed hydrological model SWAT, stripping the influence contribution of climate and all kinds of human activities on runoff; construct fuzzy inference model of human water consumption, mining water consumption influence rule on runoff, and improved SWAT simulated runoff result; indentify the sources of uncertainty and evaluate the uncertainty influences on runoff based on hydrological certainty and uncertainty methods; construct a multi-objective optimization model to capture reservoir optimal operation rules, and discuss the uncertainty influence of change conditions on reservoir operation conditions. The systematic analysis framework will be built to provide theoretical and technological supports for grasping the comprehensive influence rules of change conditions on water resources and evaluating the uncertainty influence of climate change and human activities on basin runoff and reservoir operation.

近年来不断加剧的气候变化及人类活动，未来也仍将对流域径流及流域控制水库的调度运行产生影响。这种变化条件的影响错综复杂，存在很大不确定性。因此本研究基于水循环模拟和情景模拟技术、模糊推理理论、多目标优化理论及不确定性分析技术等多学科的交叉与融合，进行水文变异分析并构建SWAT分布式水文模型，剥离气候及各种人类活动对径流的影响贡献；构建人类直接取用水模糊推理模型挖掘取用水影响规律，并改进SWAT模拟径流结果；辩识不确定性来源，并基于水文确定性与不确定性方法进行变化条件对流域径流的不确定性影响分析；基于多目标优化模型获取水库的历史优化调度规则，并探讨变化条件对水库调度的不确定性影响。最终形成研究变化条件对流域径流及水库调度影响及其不确定性的一套较为系统的研究框架体系，为把握变化条件综合影响下水资源演变规律、深入研究变化条件对区域水资源及水库调度的不确定性影响并提出适应性对策等提供理论和技术支持。

在全球气候变化及人类活动影响的大背景下，变化条件对流域径流及水库调度的影响及其不确定性研究，是掌握变化条件下水资源响应的科学支持，是进行适应性策略调整的重要基础。本研究针对碧流河流域重点分析了三个问题，主要内容及结论如下：. 1）基于场景模拟技术，剥离历史时期气候变化及不同人类活动对径流影响贡献，深入挖掘人类直接取用水水文效应的规律性，构建人类直接取用水模糊推理模型，并改进SWAT模拟结果。研究发现，考虑人类取用水的模拟径流较SWAT模拟径流有较大改进，说明该方法可进一步推广至未来取用水影响量预测。. 2）集合水文分析确定性方法及不确定性方法，系统分析变化条件对流域径流的不确定性影响。针对水文模型参数不确定性，研究发现有多于97%的观测数据落在95%置信水平的不确定性区间内，但该区间宽度较大，说明模型参数对模拟径流的不确定性影响较大；针对气候变化及模型耦合不确定性，选取多气候模型及排放情景、多降尺度方法进行分析，研究发现未来模拟径流的不确定性变化，在5月及7、8月主要来源于气候变化的不确定性影响，6、9月气候变化及模型耦合二者影响接近，其他月份主要来源于模型耦合的不确定性影响。进一步构建随机模拟模型，获取随机径流系列，发现基于水文分析确定性方法及不确定性方法获取的模拟径流不确定性变化范围总体相差不大，均能较好描述未来模拟径流不确定性变化范围。. 3）构建水库优化调度模型获取多目标优化调度规则；并在径流及未来用水不确定性变化情况下，评估水库运行状态及历史优化调度规则的适应性。发现未来若保持目前的用水需求，城市供水能满足保证率要求的概率仅为69%左右；若未来用水达到高场景，则城市及生态供水满足保证率要求的概率在50%以下；若未来用水达到低场景，则可以大大提高供水满足保证率的概率，三用水户均可达90%以上。. 研究成果对于把握综合影响下水资源演变规律、变化条件下综合不确定性以及提出适应性对策具有重要的理论和现实意义。