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《西北农林科技大学》 2012年
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石羊河流域用水结构的数据驱动模拟及缺水风险研究

马黎华  
【摘要】:石羊河流域地处我国典型的西北干旱内陆区,区域内降水稀少,蒸发强烈。该流域是甘肃省河西内陆河流域中人口最多、水资源开发利用程度最高、用水矛盾突出、水资源对经济社会发展制约性较强的地区。近年来区域内经济迅速发展,农业规模持续扩张,使得流域内干旱缺水的局面愈演愈烈。深入了解区域用水特性,完成未来区域用水预测,分析缺水风险是实现区域水资源可持续利用的关键,同时对抑制水危机的进一步恶化有积极地现实意义。针对社会环境变化与气候环境变化的复杂背景,本论文(1)以该流域相关历史数据信息为依据,采用用水结构与信息熵结合的方法,研究了石羊河流域多年用水结构的演变特征;(2)量化了多年环境影响因素变化与流域用水结构变化的协同性;(3)建立了半经验半理论的居民生活用水模型与工业用水模型与流域农业用水的神经网络集成模拟;(4)设计了四种不同的未来变化情景;(5)以历史数据信息为基础定义了流域结构性缺水指数的概念与内涵,并进行流域结构性缺水风险评价分析。取得了以下几个方面的主要成果: (1)基于信息熵理论对石羊河流域用水结构信息熵演变规律以及其影响因素进行分析,研究发现用水结构信息熵可以更直观有效的反映区域的用水结构特性以及进行区域间用水结构的比较;基于互信息法(Mutual Information, MI)进行影响因素选择所建立的模型(MI_model模型)对于石羊河流域用水结构信息熵演变趋势的模拟更具优势。 (2)在流域生活用水模型与工业用水模型的模拟研究中,由居民生活用水的子模型结果表明,随着城镇化率的增加,居民生活用水定额呈明显的增加趋势;由工业用水的子模型结果表明,随着GDP的增加,工业用水定额呈明显的减少趋势。在石羊河流域农业净灌溉需水量的模拟中,发现了神经网络集成模型具有模拟效果最好(误差小)与不确定性最小(d-factor值最小)的双重优势。 (3)从几种情境设计下的蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)仿真模拟结果看,预测年比现状年的用水结构性缺水风险均有所降低,2020-2030年降低的最为显著,2030-2050年的用水结构性风险有不同程度的回升;几种变化环境情景设计的对比中,政策调整明显降低了区域用水结构性缺水的风险,气候变化也不同程度降低了区域用水结构性缺水的风险。 研究运用信息熵与互信息理论对流域用水结构的分析突破了传统的描述方式,可以更好表达其演变特性并进行驱动力的有效标识。创新性提出了流域“用水结构性缺水风险”的概念。运用情景分析、神经网络集成模型、以及MC仿真技术相嵌合的技术手段,实现了对区域社会、经济、政策与气候等多重复杂背景下的流域用水结构性缺水风险不确定性的评价与分析。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TV213.4

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【参考文献】
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