黑河流域地表－地下水耦合模拟的不确定性问题研究

本项目以地表-地下水耦合模拟为平台、以不确定性问题为切入点，研究黑河.中游平原区地表-地下水相互作用的规律，为区域水资源管理决策发展先进的理论方法和支撑技术。将针对分布式地表-地下水耦合模拟，进行不确定性分析方法的创新，发展一个考虑多种不确定性来源、融合多种随机分析技术、以管理目标为导向的不确定性分析方法体系。将以黑河中游平原区为例，研究不确定性分析对于揭示地表-地下水相互作用规律和完善模型结构的重要反馈作用，为耦合模型结构的改进建立"评估-反馈-更新-再评估"的动态方法体系。将发展不确定性条件下水文观测数据优化采集的决策方法，并通过与数据同化方法的整合，建立"同化-收集-同化"的模型校正新框架。通过整合各部分研究，本项目将创建集模拟、不确定性分析、数据同化、随机规划为一体的水资源模拟框架，直接服务于重大研究计划"建立耦合生态、水文和社会经济的流域集成模型"的科学目标。

地表-地下水耦合模拟可为流域水循环研究和水资源管理提供重要支撑，但其结果具有显著的不确定性。如何量化并削减地表-地下水耦合模拟的不确定性是一个难题，也是水资源研究领域研究的热点。本项目以黑河流域（我国第二大内陆河流域）中游的张掖盆地为研究对象，对上述不确定性问题进行了系统研究。首先，对概率配点法（Probabilistic Collocation Method, PCM）进行了创新性扩展，首次用于复杂的地表-地下水耦合模拟，并对张掖盆地的水循环过程进行了系统分析。研究验证了方法的有效性，量化了关键水文变量的不确定性大小及来源，并揭示了耦合模拟不确定性的时空变化规律。其次，建立了基于PCM的信息价值计算方法，可用于进行水文数据优化收集的决策。对于张掖盆地的实例分析表明，数据的信息价值存在显著的空间差异，在人力物力有限的常态下，进行数据优化采集的决策十分重要。再次，提出了基于代理模型的优化方法，使得基于地表-地下水耦合模拟的决策优化成为可能，并将新方法用于张掖盆地灌溉水管理的优化研究。研究表明，研究区的灌溉用水在时间和空间上均存在优化空间，但现有的“分水曲线”管理模式将无法避免中游地下水蓄量的持续下降。此外，本项目还对美国地调局开发的GSFLOW模型进行了结构性改进，使之能更好的用于干旱和半干旱农业区的研究。总体而言，本项目所获得的成果和认识对于流域水资源模拟和管理具有重要的价值。