气候变化对流域水文影响评估及水资源适应性调度研究

学号： 1120203008 分类号 TV7 密级 无 U D C 627 博 士 学 位 论 文气候变化对流域水文影响评估及水资源适应性调度研究闻 昕指导教师姓名： 方国华 教授 南京市西康路 1 号 河海大学水利水电学院 申请学位级别： 博 士 专业名称： 水利水电工程 论文提交日期： 2015 年 5 月 论文答辩日期： 2015 年 6 月 学位授予单位和日期： 河 海 大 学 2015 年 6 月 答辩委员会主席： 张展羽 教授 答辩委员会委员：许有鹏 教授、王银堂 教高、 毛春梅 教授、 毛劲乔 教授2015 年 6 月 中国 南京分类号（中图法） TV7 UDC（DDC ） 627 密级 无 论文作者姓名 闻昕 学号 1120203008 单位 河 海 大 学 论文中文题名气候变化对流域水文影响评估及水资源适应性调度研究 论文中文副题名 无 论文英文题名 Research on the climate change impacts on the hydrology system and adaptive operation of water resources 论文英文副题名 无 论文语种 汉 论文摘要 汉/英 语种论文页数 135 论文字数 12 (万)论文主题词 气候变化 水文响应 水资源影响 适应性管理 全球气候模式 ELQG 优化算法 BCSD 降尺度法 申请学位级别 博士 专业名称 水利水电工程 研 究 方 向 水资源优化规划及技术经济 指导教师姓名 方国华 导师单位 河海大学水利水电学院 论文答辩日期 2015 年 6 月 2 日Research on the climate change impacts on the hydrology system and adaptive operation of water resourcesDissertation Submitted toHohai UniversityIn Fulfillment of the RequirementFor the Degree ofDoctor of EngineeringbyWen Xin(Water Conservancy and Hydropower Engineering)Dissertation Supervisor: Professor Fang Guohua June, 2015 Nanjing, P.R.China学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者（签名）： 年 月 日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者（签名）： 年 月 日前 言I前 言气候作为人类赖以生存的自然环境的重要组成部分，它的任何变化都会对自然生态系统以及社会经济产生深刻影响。近百年来，气候除了自然的周期性波动以外，越来越多地受到人为因素的影响，其中最显著的是全球大气化学组成的改变，主要表现为臭氧耗减和温室气体的增加，造成全球气候持续呈现以变暖为主要特征的变化。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC ） 第五次评估报告，1880-2012年间，全球海陆表面平均温度升高了 0.85，并且在过去 30 年（1983-2012） ，每 10年地表温度的上升幅度高于 1850 年以来的任何时期，同时预期 21 世纪末全球平均气温将比 18501900 年上升 1.52.0。水循环系统是气候系统的重要组成部分，在气候变化的影响下，全球水文循环过程加剧，水分蒸发量增加，降水趋势呈现显著的年际和年代际振荡，流域原有的产汇流过程改变，流域水分储量和流量发生变化，区域水量平衡被打破，引起水资源在数量上的改变和在时空上的重新分配。我国人口众多且水资源先天条件并不优越，气候变化势必对未来我国水资源规划和管理带来新的挑战。首先，气象要素的改变将打破流域水文循环平衡，并直接引起区域水资源量的改变。第二，以极端降水为代表的极端天气事件发生的强度、频率、历时等在全球范围均呈加剧趋势，水旱灾害的年、季交替越来越突出，对流域的防洪抗旱安全构成了严峻威胁。第三，农业、工业以及生活需水均发生变化，水资源供需矛盾更加突出，危机进一步加剧。第四，气候系统中气温、降水等因素与水体中营养物和污染物的循环紧密相关，在气候变暖背景下，这些因素的变化也将引起水环境系统的变化，对水质和水生态系统构成影响。气候变化对水文水资源的影响评估是 2l 世纪水文科学研究的前沿问题之一，也是水文科学发展战略性高层次问题。该领域不仅着眼于全球性气候系统的变化，而且针对区域性和全球性的水文循环和水文过程，涉及全球生态、环境以及社会经济乃至政治问题。本文深入研究气候变化背景下水文水资源系统的变化规律，揭示气候变化与水文水资源以及生态环境变化之间的关系，分析水循环演变特征，评估未来气候变化对流域水文与水资源的影响，为未来水资源系统的规划设计、开发利用和运行管理提供科学依据，这对于分析流域或区域水文水资源循环和演变规律，科前 言II学合理开发利用流域水资源以及保障流域水资源安全等均具有重要的理论和实际意义。论文的创新点主要体现在以下四方面：（1）提出气候变化条件下水资源适应性调度与管理的研究框架与方法在传统气候变化影响评估的基础上，分析确定气候变化条件下水资源适应性调度的任务，同时对流域水资源系统进行概化，构建水资源系统模拟模型。并且，明确目标函数、系统动力方程以及约束条件的数学表达，构建气候变化条件下流域水资源适应性调度模型，运用ELQG算法进行求解，研究提出应对气候变化水资源适应性调度方案与综合管理措施。（2）探索运用扩展性线性二次高斯法（Extended Linear Quadratic Gussian, ELQG）求解复杂水资源系统调度问题针对水资源系统及调度模型的特点，研究ELQG控制算法模型求解中的应用步骤与程序，提出基于退火精确罚函数法和多次罚函数法的约束处理机制，可短时间内在可行域内寻找到较优解，有效克服其它调度方法中维数灾、早熟收敛以及求解时间过长等问题，在复杂水资源系统的联合应急调度、结合短期预报的水资源调度、水库汛限水位动态控制等领域具有广阔的应用前景。（3）基于CMIP5数据的气候变化对于水文水资源系统影响评估研究本文首先定义基于典型浓度路径（Representative Concentration Pathway, RCP）的未来气候变化情景，利用误差订正与空间分解（Bias Correction and Spatial Disaggregation, BCSD）法对CMIP5中全球气候模式的输出进行降尺度分析，驱动新安江月水量平衡模型，模拟气候变化条件下流域的水文响应，全面评估气候变化对流域水文与水资源系统的影响。（4）气候变化对钱塘江流域水文影响评估与水资源适应性调度研究通过BCSD方法将钱塘江流域 CMIP5中GCM主要输出变量进行降尺度分析，构建新安江月水量平衡模型，模拟流域未来气候变化情景下径流的时空分布情况，全面评估气候变化对于钱塘江流域水文水资源系统的综合影响。构建钱塘江流域水资源系统模拟和适应性调度模型，并利用ELQG优化算法对模型进行求解，将模型优化结果与常规调度结果进行对比分析，为未来气候变化条件下钱塘江流域水资源的保护与管理提供对策建议。摘 要III摘 要气候是人类赖以生存的自然环境的重要组成部分，它的任何变化都会对自然生态系统以及社会经济产生深刻影响。近百年来，全球气候持续呈现以变暖为主要特征的变化，这将加剧全球水文循环，改变降雨、蒸发、径流等要素的时空分布，致使流域水分储量和流量发生变化，区域水量平衡被打破，引起水资源在数量上的改变和在时空上的重新分配，这将对水资源保护与管理带来新的挑战。本文深入分析气候变化的概念与现象，探讨其对水文水资源系统影响，研究提出气候变化影响评估与适应性调度研究方法与框架。同时，定义气候变化情景，研究 BCSD 降尺度技术，构建新安江月水量平衡模型，利用遗传算法对模型参数进行估计，并对水文气象要素变化特征进行识别分析。并且，建立气候变化条件下水资源系统模拟和适应性调度模型，利用 ELQG 算法对模型进行求解。最后，以钱塘江流域为实例，全面评估气候变化条件对于流域水文水资源的影响，并对水资源适应性调度展开研究。本文主要研究内容与成果如下：（1）探讨气候系统与气候变化的概念，分析气候变化的主要现象和影响因素，研究气候变化对水循环系统的影响机理，研究气候变化对流域水资源系统的综合影响。同时，分析气候变化对于水资源调度的影响与挑战，明确水资源适应性管理的主要内容，研究提出“未来气候情景设置水文响应模拟 影响评估适应性调度管理”的研究方法与框架。（2）从误差订正和空间分解两个方面研究基于BCSD方法的统计降尺度技术，并分别分析该方法的局限性和适应性。根据月尺度水文过程的特点，改进经典新安江水文模型的水源划分和汇流计算两个模块，研究建立新安江月水量平衡模型，包括流域分块、蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算五个层次，并用遗传算法对模型参数进行估计。（3）提出气候变化条件下流域水资源适应性调度的研究方法与框架，构建基于水量平衡的水资源系统模拟模型。然后，以社会、经济和生态环境等综合效益最大为目标函数，以水位、流量、发电机组限制等为约束条件，构建水资源适应性调度模型。在此基础上，研究 ELQG 算法的基本原理及其在水资源适应性调度模型求解中的应用，并分别分析该方法的优越性和局限性。摘 要IV（4）通过BCSD降尺度技术将 CMIP5流域气温、降水和蒸散发 GCM预估结果进行降尺度分析，结果显示降尺度对于GCM误差修正具有良好的效果。2006-2099年，流域年均气温预计将继续保持增长趋势，增速0.091-0.495 /10a，空间分布预计由西北向东南方向呈递减趋势；降水预计将呈现波动并缓慢增加的趋势，增速14.91-16.33mm/10a，由西北部向东南部递增；蒸散发预计呈平稳增长趋势，增速8.62-11.25mm/10a，由西部向东部递增。（5）构建新安江月水量平衡模型，并运用遗传算法对模型进行率定，模型验证结果显示：模型参数较合理，能够较准确的模拟钱塘江流域月径流变化情况。2006-2099年，钱塘江流域径流整体预计将呈现上升趋势，与1979-2005年径流情况相比，新安江水库流域未来径流量预计将平均下降5.4-5.8%，金华江流域径流量预计将增长6.2-7.5%，衢江流域的增幅在0.8%以内。同时，流域径流年内差异减小，丰水期与枯水期的界限变得相对模糊。气候变化对于流域水文水资源影响主要体现在“暖湿化”趋势显著、极端气候事件威胁加剧、水文不确定性增加、水土流失问题严重、水资源供需矛盾尖锐、水质污染防治面临压力等六个方面。（6）构建钱塘江流域水资源系统模拟模型，分析气候变化条件下流域水资源调度任务，建立钱塘江流域水资源适应性调度模型，并利用 E