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基于多源信息分析人类活动对径流及洪水预报的影响

曹明亮  
【摘要】:水资源问题是21世纪全球资源环境的首要问题,直接关系着人类的生存和社会的发展。我国人均水资源量不足、水资源时空分布不均的两大特点,决定了供水安全与防洪安全是我国经济社会发展的重大任务和重要保证。近几十年来,随着人口增长和社会经济的发展,人类活动使水资源的赋存形式发生了深刻变化,使河川径流减少,极端洪水灾害事件增加,供水和防洪问题更加突出。这些变化给我国水资源研究领域带来了许多新问题,如人类活动影响下的径流演变规律与水资源供需平衡问题,及人类活动影响下的洪水预报与洪灾防治问题等。本文以此为切入点,以辽宁省碧流河水库流域为对象,研究气候变化与人类活动对以城市供水为主大型水库来水量的影响;以吉林省丰满水库流域为对象,研究中小水利工程对洪水预报的影响。主要研究内容与成果如下: (1)根据人类活动对径流及洪水的影响特点,将人类活动影响因子分为三类:是影响流域的产汇流条件,主要包括土地利用变化、水保工程、河道整治等影响;二是人类直接取用水,主要包括跨流域调水及灌区等引水工程、地下水开采等;三是影响流域河道的汇流过程,主要包括水库塘坝等蓄水工程的影响。针对上述人类活动影响因子,分析了人类活动对碧流河水库流域和丰满水库流域的径流及洪水的影响特点。 (2)采用Kendall秩次相关法、Spearman秩次相关法及线性回归检验法分析两个流域的水文气象要素变化趋势,定性分析引起流域径流变化的原因。在此基础上,根据碧流河水库流域降水、气温的变化,采用总量控制、随机分配的方法对降水序列进行还原计算,该方法通过降水序列的变化趋势计算历年需还原的降水总量,再以代表站丰、平、枯3个典型年各月平均降水天数为条件,将还原降水随机分配到每个月内;采用总量控制、比例放大的方法还原气温序列,该方法通过还原前、后的气温计算还原系数,以此系数对原系列进行放大计算还原气温序列。还原后的降水、气温序列剔除了趋势性特点,仅具有周期性特点。 (3)利用碧流河流域的DEM、土壤、土地利用及气象水文等数据建立了碧流河水库流域的SWAT模型。采用以水量平衡为控制条件的多站点多变量的SWAT模型率定方法,在总量控制与年内分配相结合的优化准则下,利用各分站控制流域的属性,从上游到下游逐级确定模型参数,使碧流河水库流域的SWAT模型能反映流域水循环过程。 (4)传统GLUE方法采用纳西效率系数Ens作为单一似然判据,常会产生较大的水量模拟误差,影响模型参数的不确定性分析结果。为此本文提出了由纳西效率系数Ens、相对误差Re及相关系数R2三个指标组成多准则似然判据的改进GLUE方法,并采用多目标模糊优选模型确定多准则GLUE方法的后验似然函数值,进而建立评价SWAT模型参数的不确定性分析方法。经验证,对于90%置信区间,改进的GLUE方法获得的区间宽度比传统GLUE方法更窄,SWAT模型的不确定性更小。通过随机扰动分析了降水数据不确定性对模拟结果的影响,发现降水数据的不确定性较小,与参数不确定性分析结论一致。 (5)结合气象要素还原计算及SWAT模型情景模拟,提出了气候变化及人类活动对径流影响的定量成因分析法。该方法首先根据GDP及人口变化,确定人类活动影响变点,通过变点前后径流序列及由SWAT模型模拟出的对应还原气象要素序列的还原径流序列,计算出气候变化与人类活动对径流变化的贡献率。在碧流河水库流域的应用表明,对于1981~2005年,气候(降水、气温)变化和人类活动对碧流河水库来水量变化的影响比例分别为39%与61%.针对碧流河水库流域1980s情景及2000s情景的SWAT模型,采用情景模拟法,模拟出不同时段对应不同土地利用及上游是否修建中小水库共3种情景的径流量。对比分析各情景模拟结果,发现碧流河水库来水量减少的主要原因是直接取用水及中小水库的拦蓄,土地利用变化对来水量的影响较小。 (6)将Landsat TM/ETM+遥感数据与传统气象水文数据结合,提出基于遥感数据的小水库拦洪计算方法。该方法根据遥感数据提取的水面信息与有资料小水库的实测库容信息,以子流域为基本计算单元,建立不同坡度的各类子流域的小水库塘坝面积库容关系;以包含洪水时段的两景遥感数据为基础,通过分析两景遥感数据的水面面积及对应时段内降水、蒸发的变化,计算出小水库塘坝的逐日水面面积变化,并将其转化为库容的变化,从而计算出小水库塘坝的拦洪量,此拦洪量可用于校正原洪水预报方案。在丰满Ⅱ区流域的应用表明,全流域水利工程对20060826洪水的拦洪量为4389.6万m3,校正后的洪量相对误差由校正前的31.8%降低到10.1%. (7)提出了考虑单景遥感数据的小水库塘坝蓄泄规律分析方法,并将其应用于丰满Ⅱ区流域的7场洪水。该方法首先利用遥感数据获得小水库塘坝的初始蓄水状态,再选用小水库塘坝初始蓄水状态、洪水所处汛期阶段及降水量3个因子,分析不同因子下的小水库塘坝拦洪规律,分析结果可用于洪水实时预报校正。 最后对全文做了总结,并对有待于进一步研究的问题进行了展望。


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