【精品硕博论文-水利水电工程】气候变化对流域水文及水资源调度影响评估

硕士学位论文气候变化对流域水文及水资源调度影响评估IMPACTSASSESSMENTOFCLIMATECHANGEONBASINSHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSCHEDULING摘要当前，气候变暖已成为全球性主要环境问题，水循环在气候系统中占有重要地位，气候系统变化将打破全球与地区水循环及能量循环的平衡，致使降雨、蒸发、径流、土壤湿度等水文要素发生变化，造成水资源总量的改变及其在时空上的重新分配，这将会对未来区域水资源的开发、利用、规划、管理等带来新的挑战。气候变化对水文及水资源调度的影响评估是2L世纪水文科学研究的前沿问题之一，不仅涉及区域与全球的水文要素及其循环过程、气候系统变化，而且涉及环境、生态甚至经济、社会、政治等一系列问题，因此，研究并评估气候变化对流域水文及水资源调度的影响是十分必要的。论文以新安江流域为例，在阐述气候变化对水文及水资源调度影响机理的基础上，采用BCSD降尺度技术对GCM模式输出进行降尺度分析，构建新安江月水量平衡模型，运用遗传算法率定、验证模型参数，模拟流域未来气候情景下的径流过程，并分析主要水文要素的变化特征。同时，从长期兴利调度方面，进行气候变化情景下流域水资源调度模拟，分析模拟结果，并评估气候变化对流域水资源调度的综合影响，提出未来流域水资源管理适应对策。论文主要研究内容及成果如下（1）系统总结了气候变化对水文及水资源调度影响的研究动态，阐述开展气候变化对流域水文及水资源调度影响的必要性，明确论文研究内容与技术路线；（2）阐述RCP26、RCP45、RCP60和RCP85气候情景，探讨气候变化对流域水文循环及水资源调度影响机理，研究基于误差订正与空间分解的BCSD统计降尺度技术，构建新安江月水量平衡模型，并结合遗传算法率定、验证模型，同时探讨分析水文气象要素变化趋势的线性回归法以及MK检验法；阐明水资源调度基本内容及水库常规调度计算基本原理与步骤，从水资源利用率、水库发电、防洪减灾、供水安全等方面提出气候变化对流域水资源调度的影响评估指标；（3）选取RCP26、RCP45和RCP85气候变化情景，运用BCSD降尺度技术对CMIP5中新安江流域的气温、降雨、蒸发的GCM输出进行降尺度分析，结果显示修正效果良好。率定、验证新安江月水量平衡模型参数，结果表明率定参数合理，依此预估流域未来径流，模拟流域未来水资源调度，进行新安江流域气候变化情景下水资源调度影响评估，提出新安江流域未来水资源管理适应性对策；（4）相对于基准期19792005年，20062099年新安江流域未来RCP26、RCP45和RCP85情景下平均气温预计将上升191316；年均降雨将预计先减少，平均降幅416397，至本世纪80年代以后将略有增加，平均增幅约007276；年均蒸发预计先减少，平均降幅224208，至本世纪约40年代以后蒸发增加，平均增幅302386；年均径流预计在本世纪内是减少的，平均降幅约为594552；（5）相对于基准期19792005年，20062099年新安江水库未来RCP26、RCP45和RCP85情景下，年均库前水位升高，平均增幅093108；年均下泄流量和发电流量预计将减少，平均降幅分别为10591022和623585；年均发电量减少，平均降幅567518；（6）从健全流域防洪抗旱减灾体系、加强流域节水制度体系建设、加强流域水质监测与管理建设、优化水资源调度运行、全面加强流域水资源综合管理5方面提出新安江流域未来水资源管理适应对策。关键词气候变化、BCSD降尺度法、水文循环、水资源调度、适应性对策ABSTRACTATPRESENT，THECLIMATEWARMINGHASBECOMEAMAJORGLOBALENVIRONMENTALPROBLEMWATERCYCLEOCCUPIESANIMPORTANTPOSITIONINTHECLIMATESYSTEMTHECHANGESINTHECLIMATESYSTEMWILLBREAKTHEBALANCEOFGLOBALANDREGIONALWATERCYCLEANDENERGYCYCLE,RESULTINGINHYDROLOGICALELEMENTSCHANGE,SUCHASTHERAINFALL,EVAPORATION,RUNOFF,SOILMOISTURE,ANDSOONTHESEWILLGIVERISETOWATERRESOURCESCHANGEOFTHETOTALAMOUNTANDREDISTRIBUTIONINTEMPORALANDSPATIAL,ANDBRINGNEWCHALLENGESTOTHEREGIONALWATERRESOURCESDEVELOPMENT,UTILIZATION,PLANNINGANDMANAGEMENTASONEOFTHEFRONTIERPROBLEMSOFHYDROLOGICALSCIENCERESEARCHINTHE21STCENTURY,ASSESSMENTOFTHEIMPACTOFCLIMATECHANGEONHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSCHEDULINGNOTONLYRELATESTOTHEREGIONALANDGLOBALHYDROLOGICALELEMENTSANDITSCYCLINGPROCESS,CLIMATESYSTEMSCHANGES,BUTALSORELATESTOASERIESOFENVIRONMENTAL,ECOLOGICAL,ECONOMIC,SOCIALANDPOLITICALPROBLEMSSOITISSONECESSARYTORESEARCHANDESTIMATETHEIMPACTSOFCLIMATECHANGEONTHEBASINSHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSCHEDULINGTHISTHESISTAKESXINANRIVERBASINASANEXAMPLEFIRSTLY,THEINFLUENCEMECHANISMOFCLIMATECHANGEONTHEHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSCHEDULINGISEXPOUNDEDTHENTHEGCMOUTPUTISDOWNSCALEDBYADOWNSCALINGTECHNIQUEOFBCSDONTHEBASISOFTHESE,THEBASINSRUNOFFPROCESSINFUTURECLIMATESCENARIOSISSIMULATEDBYBUILDINGTHEXINANJIANGMONTHLYWATERBALANCEMODELTOGETHERWITHCALIBRATINGANDVALIDATINGTHEMODELSPARAMETERSBYGENETICALGORITHM,ANDTHEVARIATIONCHARACTERISTICSOFMAINHYDROLOGICALFACTORSAREANALYZEDATLAST,THEBASINSLONGTERMWATERRESOURCESSCHEDULINGINTHECLIMATECHANGESCENARIOSISSIMULATEDWITHTHEANALYZEDSIMULATINGRESULTS,THECOMPREHENSIVEINFLUENCEOFBASINSWATERRESOURCESSCHEDULINGUNDERTHECLIMATECHANGEISEVALUATEDANDTHEADAPTIVESTRATEGIESOFBASINSWATERRESOURCESMANAGEMENTINTHEFUTUREAREPUTFORWARDTHEMAINSTUDYCONTENTSANDRESULTSOFTHISTHESISAREASFOLLOWS1SUMMARIZEDTHESTUDYTRENDSOFCLIMATECHANGESTOHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSCHEDULINGSYSTEMATICALLYTHREWLIGHTONTHENECESSITYOFRESEARCHINGONTHEINFLUENCEOFCLIMATECHANGETOHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSCHEDULINGCLEAREDTHECONTENTSANDTECHNICALROUTEOFTHISTHESIS2INTRODUCEDRCP26,RCP45,RCP60ANDRCP85CLIMATESCENARIOSSTUDIEDINFLUENCEMECHANISMOFCLIMATECHANGETOHYDROLOGYCYCLEANDWATERRESOURCESSCHEDULINGANALYZEDTHEBCSDSTATISTICALDOWNSCALINGTECHNIQUEBASEDONERRORCORRECTIONANDSPACEDECOMPOSITIONBUILTXINANJIANGMONTHLYWATERBALANCEMODELCALIBRATEDANDVALIDATEDTHEMODELSPARAMETERSBYUSINGGENETICALGORITHMANALYZEDTHELINEARREGRESSIONANDMKINSPECTIONMETHODWHICHWERETHEANALYTICTECHNIQUEOFHYDROLOGICALMETEOROLOGICALELEMENTSCHANGETRENDSTHREWLIGHTONTHEBASICCONTENTSOFWATERRESOURCESSCHEDULINGANDBASICTHEORYANDTHEBASICTHEORYANDCALCULATINGSTEPSOFWATERRESOURCESCONVENTIONALSCHEDULINGPUTFORWARDTHEEVALUATINGINDEXOFCLIMATECHANGESINFLUENCETOTHEWATERRESOURCESSCHEDULINGFROMTHEASPECTSOFWATERRESOURCESUTILIZATION,RESERVOIRSPOWERGENERATION,FLOODCONTROL,ANDWATERSUPPLYSAFETY3CHOSETHECLIMATECHANGESCENARIOSOFRCP26,RCP45ANDRCP85MADETHEDOWNSCALEDANALYSISOFGCMOUTPUTSOFXINANJIANGBASINSTEMPERATURE,RAINFALLANDEVAPORATIONINCMIP5BYUSINGTHEBCSDDOWNSCALINGTECHNIQUETHERESULTSINDICATEDTHATAGOODCORRECTIONEFFECTWASOBTAINEDCALIBRATEDANDVALIDATEDTHEPARAMETERSOFXINANJIANGMONTHLYWATERBALANCEMODELTHERESULTSINDICATEDTHATTHECALIBRATEDPARAMETERSWEREREASONABLEBASEDONTHISMODEL,THEBASINSFEATURERUNOFFWASESTIMATED,ANDTHEBASINSFEATUREWATERRESOURCESREGULATIONWASSIMULATEDLASTLYTHECOMPREHENSIVEINFLUENCEOFCLIMATECHANGESTOTHEXINANRIVERBASINSWATERRESOURCESSCHEDULINGWASANALYZEDANDTHEADAPTIVESTRATEGIESOFXINANRIVERBASINSWATERRESOURCESMANAGEMENTMANAGECOUNTERMEASUREINTHEFUTUREWASPUTFORWARD4RELATIVETOTHEBASELINEPERIODFROM1979TO2005,THEAVERAGETEMPERATUREOFXINANJIANGRIVERBASININTHEFUTUREFROM2006TO2099UNDERTHESCENARIOSOFRCP26,RCP45,ANDRCP85ISEXPECTEDTORISEABOUT191TO316THEAVERAGEANNUALRAINFALLISEXPECTEDTOREDUCEFIRSTLY,WITHANAVERAGEREDUCTIONFROM416TO397,ANDTHENINCREASESLIGHTLYFROM1980SWITHANAVERAGERANGEFROM007TO276THEAVERAGEANNUALEVAPORATIONISALSOEXPECTEDTOREDUCEFIRSTLY,WITHANAVERAGEREDUCTIONFROM224TO208ANDTHENINCREASEFROM1940SWITHANAVERAGERANGEFROM302TO386THEAVERAGERUNOFFISEXPECTEDTOREDUCEINTHISCENTURY,WITHANAVERAGERANGEFROM594TO5525RELATIVETOTHEBASELINEPERIODFROM1979TO2005,UNDERTHESCENARIOSOFRCP26,RCP45,ANDRCP85FROM2006TO2099,THEAVERAGEWATERLEVELOFXINANJAINGRESERVOIRWILLRAISEWITHANAMPLIFICATIONRANGEFROM093TO108BOTHTHEAVERAGEANNUALDISCHARGEANDPOWERFLOWAREEXPECTEDTOREDUCE,WITHTHEAVERAGEAMPLIFICATIONRANGESFROM1059TO1022AND623TO585RESPECTIVELYTHEENERGYOUTPUTOFHYDROPOWERSTATIONWILLREDUCEWITHANAVERAGEREDUCTIONFROM567TO5186FUTUREADAPTATIONSTRATEGIESONWATERRESOURCESMANAGEMENTFORXINANRIVERBASINAREPROPOSEDINFIVEASPECTSASFOLLOWSASOUNDFLOODCONTROLANDDROUGHTMITIGATIONSYSTEM,CONSTRUCTIONOFWATERSAVINGINSTITUTIONALSYSTEM,BASINSWATERQUALITYMONITORINGANDMANAGEMENT,SCHEDULINGOPTIMIZATIONOFWATERRESOURCESANDBASINSINTEGRATEDMANAGEMENTOFWATERRESOURCESKEYWORDSCLIMATECHANGE,BCSDDOWNSCALINGMETHOD,HYDROLOGYCYCLING,WATERRESOURCESSCHEDULING,ADAPTIVESTRATEGIES目录摘要IABSTRACTIII第一章绪论111研究背景与意义112国内外研究动态2121气候变化对流域水文水资源影响研究动态2122降尺度技术研究动态4123流域水文模型研究动态6124流域水资源调度研究动态713主要研究内容及技术路线9131论文主要研究内容9132论文研究技术路线10第二章气候变化对流域水文及水资源调度影响评估基本理论1121气候变化情景与全球气候模式11211气候变化11212气候变化情景12213全球气候模式1322气候变化对水文循环影响机理13221水文循环系统13222气候变化对水文循环要素的影响1423气候变化对水资源调度影响机理15231水资源系统组成15232气候变化对水资源调度的影响1624本章小结18第三章气候变化对流域水文影响分析方法2031误差订正与空间分解（BCSD）降尺度技术20311统计降尺度技术概述20312BCSD统计降尺度方法原理21313BCSD降尺度法计算步骤24314BCSD降尺度法适应性与局限性分析2432新安江月水量平衡模型25321新安江水文模型与改进25322模型结构26323模型计算26324模型参数3233基于遗传算法的新安江模型参数率定32331遗传算法基本原理32332基于遗传算法的新安江月水量平衡模型参数率定3334水文气象要素变化特征分析方法35341线性回归法36342MK显著性检验法3635本章小结37第四章气候变化对流域水资源调度影响评估方法3841水资源调度概述3842水库调度图概念及组成39421水库调度图概念39422水库调度图组成3943水库常规调度计算基本原理与步骤41431水库常规调度计算基本原理41432水库常规调度计算步骤4244气候变化对水资源调度影响评估4345本章小结45第五章气候变化对新安江流域水文及水资源调度影响评估实例研究4751新安江流域概况4752新安江流域全球气候模式输出降尺度分析49521研究采用数据49522降尺度分析过程50523BCSD降尺度效果分析5153气候变化情景下新安江流域水文响应分析53531新安江月水量平衡模型参数率定与验证54532新安江流域未来径流预测56533新安江流域主要水文要素变化特征分析5754气候变化情景下新安江流域水资源调度影响评估63541气候变化情景下新安江流域水库调度模拟64542气候变化情景下新安江流域水库调度结果分析66543气候变化对新安江流域水资源调度影响评估7055新安江流域未来水资源管理适应对策研究7156本章小结73第六章总结与展望7461总结7462展望76参考文献77致谢81第一章绪论当前，气候变暖已成为全球性主要环境问题，水循环在气候系统中占有重要地位，气候系统变化将打破全球与地区水循环和能量循环的平衡，致使降雨、蒸发、径流、土壤湿度等水文要素发生变化，造成水资源总量的变化及其在时空上的重新分配，这将会对未来区域水资源的开发、利用、规划、管理等带来新的挑战。因此，如何应对气候变化对区域水文水资源带来的影响，对区域水资源的合理规划与管理愈来愈有必要。本章阐述当前气候变化及其对流域水文水资源系统影响研究现状，确定论文主要研究内容，提出研究技术路线。11研究背景与意义气候与人类赖以生存和发展的自然环境息息相关，其任何微妙变化都会对自然生态系统、经济、甚至社会政治产生深刻影响。近代社会，随着人类活动的增加，以CO2为主的温室气体排放增加，全球臭氧耗减，大气化学组成发生改变，气候系统也因此而受到影响。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告显示，18802012年间，全球海陆表面平均温度升高了085，并且在过去30年（19832012年），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15201。气候变化将对自然环境及人类社会产生深刻影响，已成为全球性主要环境问题。水循环在气候系统中占有重要地位，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，降水趋势呈显著的年际和年代际振荡，极端水文事件发生频次增大、概率增强，水循环系统中的各水文循环要素均会受到影响而发生变化。同时，流域水分储量、流量及原有产汇流过程发生变化，区域水量平衡被打破，引起水资源在数量上的改变及在时空上的重新分配。在此背景下，考虑到我国人口众多、水资源先天条件并不优越的国情，气候变化势必会对未来我国水资源规划、管理带来新的挑战。未来诸如流域洪涝与干旱等极端水文事件发生的风险增加，同时也更易诱发其它自然灾害。此外，气候变化将会改变区域水量平衡，影响区域水资源分布及与水资源有关的工程运行与项目规划管理，同时，会加速水分蒸发、改变土壤水分含量及其渗透速率，从而对生态系统及其稳定性造成影响。因此，研究并评估气候变化对流域水文及水资源调度的影响是十分必要的。气候变化对水文及水资源调度的影响评估是2L世纪水文科学研究的前沿问题之一，不仅涉及区域与全球的水文要素及其循环过程、气候系统变化，而且涉及到环境、生态甚至经济、社会、政治等一系列问题，研究气候变化对流域水文及水资源调度的影响，认知其影响机理，预测影响变化趋势，以提出适应气候变化情景下的应对策略显得尤为重要。因此，本文深入研究气候变化对流域水文循环及水资源调度的影响机理，阐述分析水文循环要素演变特征与评估水资源调度模拟结果的方法，以此进行气候变化对流域水文及水资源调度的影响分析，提出流域在未来气候变化情景下的水资源适应性管理对策，为流域在未来进行水资源系统的规划设计、开发利用及全面科学管理提供重要的参考依据，这对于科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。12国内外研究动态121气候变化对流域水文水资源影响研究动态气候变化是当前国际全球性的重要课题，关于气候变化及其对流域水文水资源影响的探索，国内外学者已开展了大量的研究工作。国际上自20世纪70年代后期逐步开展了关于气候变化影响的研究，1977年，世界气象组织（WMO）、国际水文科学协会（IAHS）、联合国环境规划署（UNEP）、国际水文科学协会（IAHS）等组织先后推进开展了世界气候影响研究计划（WCPI）、国际地球生物圈计划（IGBP）、国际水文计划（IHP）等项目，促进了国际上对于气候变化情景下的水文水资源影响研究2。1988年，联合国环境规划署及世界气象组织协同组建了政府间气候变化专门委员会（IPCC），专门研究气候变化，分析气候变化对人类社会的影响，研究应对及适应气候变化的相关对策。20世纪90年代以来，气候变化问题及其影响越来越引起社会的关注，国际上陆续举办了关于气候变化及其对水文水资源影响的各类会议，如环境与发展大会（1992，里约热内卢）、国际水文科学协会（2004，巴西）、世界水论坛（2009，土耳其伊斯坦布尔；2012，法国马赛）等，探讨了全球气候变化及其影响与对策。2013年至2014年，IPCC相继1990年、1995年、2001年和2007年36发布了四次关于全球气候变化的系列报告后，陆续发布第五次气候评估报告，进一步就近些年来的气候变化问题及研究的新进展进行了探讨1。我国自20世纪80年代开始研究气候变化及其对水文水资源的影响，并在当时就我国水文水资源对气候变化的响应展开了一系列专门研究。如我国陆续开展的“七五”、“八五”、“九五”、“十五”国家科技攻关项目中，分别包含了“气候变化对我国西北及华北水资源影响研究”（1988）7、“全球气候变化的预测、影响与对策研究”（1991）8、“气候异常对我国水资源及水循环的影响评估模型研究”（1996）9、“气候异常对我国的淡水资源影响阈值以及综合评价研究”（2001）10。“十一五”和“十二五”科技攻关项目相继启动了“典型脆弱区域气候变化适应技术示范”和“沿海地区适应气候变化技术开发及应用”项目，进一步探讨了气候变化及其影响问题。2009年，国家973项目立项“气候变化对我国东部季风区陆地水循环与水资源安全评估研究”课题。2010年，全球变化国家重大科学研究计划中也包含“气候变化对黄淮海地区水循环的影响机理和水资源安全评估研究”和“气候变化对西北干旱区水循环影响机理与水资源安全研究”两个课题。2012年，国家发改委发布了中国应对气候变化的政策与行动2012年度报告，对气候变化背景下我国如何适应以及减缓气候变化的影响提出相应举措。研究气候变化及其对水文水资源的影响，主要分两类，分别为历史和未来气候变化及其对水文水资源的影响。前者侧重分析及认知历史水文要素变化规律，后者则侧重未来的情景预测及不同情景下水文要素的演变趋势分析。二者的研究方法也有所不同。（1）历史气候变化对水文与水资源影响的研究方法进展此类研究方法的基础是通过分析历史长序列的降雨径流等水文要素的趋势变化，划分天然时期与人类活动时期，利用天然时期实测水文资料，构建流域水文模型，以此对人类活动时期的径流量进行模拟，并分析径流相对于天然时期的变化情况，以此变化量来表征气候变化对流域水文循环要素的影响量，从而认知历史气候的演变特征。2006年，王纲胜、夏军等通过构建一简单分布式月水文模型DTVGM，通过分析得出导致密云水库以上的潮白河流域径流减少的主要原因是人类活动的影响11。2008年，王国庆、张建云等通过建立SIMHYD降水径流模型定量分析了气候变化和人类活动对河川径流的影响12。2012年，胡珊珊，郑红星等采用气候弹性系数和水文综合模拟系统HIMS，研究了气候变化和人类活动对白洋淀上游水源区径流量的影响13。2013年，李云良、张奇等以鄱阳湖流域为研究区，通过建立地表地下耦合的分布式水文模型WATLAC探讨了流域水资源对气候变化的响应14。（2）未来气候变化对水文与水资源影响的研究方法进展此类方法的研究基础是首先设定未来气候变化情景，其次选择流域水文模型，用设定的气候变化情景驱动流域水文模型，模拟未来径流，并分析未来气候变化对流域水文及水资源的影响。按设定气候变化情景方法的不同，该类研究主要分为假拟气候情景和全球气候模式（GCM）输出气候情景两类，前者主要是通过组合不同变化幅度的降水与气温来设置情景，后者则是通过GCM模拟输出气候情景。关于通过假拟气候情景来分析气候变化对流域水文及水资源的影响研究，相关学者也做了一些探索，如2003年，汪美华等在假定降水、气温的不同组合情况下，研究了淮河流域、颖河流域及沂河流域径流量受气候变化的影响15。2010年，冯夏清、章光新等，在假定未来气候情景前提下，利用SWAT模型对乌裕尔河流域河流径流量进行了预测16。但由于这类方法只能模拟气候要素年际间变化，对年内各月的变化则无法假定，因此，研究结论有待验证。而通过GCM输出气候情景，从而展开气候变化对流域水文及水资源的影响研究，国内外学者亦做了大量探索。1986年，GLEICK等运用8种GCM模型，模拟输出美国萨克拉门托流域的降水与气温结果，并结合水量平衡模型，对气候变化背景下该流域水文情势的变化进行了研究17。1996年，AHTNAASOISLOKUAS等采用CCC气候模型的模拟输出结果，研究分析了CO2倍增条件下英国CAMPBELL流域上游径流与ILLECLLLEWAET流域径流的变化18。2006年，张光辉根据HADCM3GCM模型输出结果，对不同发展情景下黄河流域天然径流量受到全球气候变化的潜在影响进行了分析19。2009年，郭靖、郭生练等应用统计降尺度法将全球气候模式（CGCM2和HADCM3）和VIC分布式水文模型进行耦合，预测未来汉江流域降水径流变化情况20。2013年，曹丽娟、董文杰等运用大气环流模型FVGCM结果驱动区域气候模式REGCM3，将REGCM3径流模拟结果与大尺度汇流模型LRM相连接，模拟预估未来气候变化对黄河流域水文过程的潜在影响21。122降尺度技术研究动态目前，在气候变化研究中，预估未来气候变化最主要的的方法是采用全球气候模式（GCM）输出，但其预估结果尺度一般较大。降尺度技术是将粗分辨率的GCM输出降尺度至研究区域所需的高分辨率时间与空间尺度数据，进而开展气候变化对流域水文水资源的影响研究。目前，常用的降尺度法主要分3类，即动力降尺度法、统计降尺度法、动力统计降尺度法。动力降尺度法是通过将全球气候模式（GCM）与一个区域气候模式（RCM）进行嵌套，从而得到更高分辨率的气象要素分布的过程。动力降尺度法具有的优点是不受观测资料的影响，且物理意义比较明确，在不同分辨率下均可应用，但同时又有计算量大且费机时、兼容性差、应用于不同区域时需重新调整参数等缺点，这些不足限制了其发展22。1997年，JACOB等运用区域气候模型，对区域内的不同区域面积、不同分辨率、初始与边界条件等进行模拟，分析了模型在各模拟条件下产生的不同影响23。2014年，王雅萍运用NCEP再分析资料驱动WRF模式，对大范围中国区域与西北半干旱区进行了一整年的气候模拟，研究检验WRF模式的动力降尺度能力24。统计降尺度是指依据区域多年实际观测资料，即区域气候要素，将其与大尺度气候要素建立统计关系，然后将此关系应用到GCM输出的大尺度气候信息，用以预估区域未来的气候变化情景。相比于动力降尺度，统计降尺度法虽缺少物理机理，受资料影响较大，但其具有计算量小、模型易于构造且形式灵活多变等优点，可弥补动力降尺度法的不足，因此受到广泛应用。目前统计降尺度主要分为环流分型技术、转换函数法与天气发生器3类25。1998年，CONWAY等应用LAMB主观分型技术，估计了英国西北部的月降水量与年均降水概率26。1999年，SAILOR等用多元线性回归法对美国站点气温进行了模拟27。2004年，ROBERTSON等运用非均匀马尔可夫链，进行巴西东北部降水的降尺度研究28。2006年，CHEN等亦通过采用马尔可夫链模型，进行了东江流域日降水的降尺度研究29。2013年，廖要明等利用马尔可夫链分别模拟了我国降水与非降水变量的时空变化，分析研究了其参数的分布特征30。动力统计降尺度法即通过结合区域气候模式和统计降尺度法而得到。该方法既有统计降尺度的优点，又有动力降尺度的优点，与动力降尺度法相比，计算机耗时减少，与统计降尺度相比，不依赖于长期观测资料，但缺点是其空间分辨率受到区域模式的限制，同时时间变率降低22。目前该方法研究较少，2013年，顾伟宗利用动力与统计降尺度相结合的方法对黄淮地区夏季降水进行了预测研究31。123流域水文模型研究动态水文模拟技术是基于物理原理为模拟水文现象而建立的数学模型，反映被模拟水文现象的基本特征。在研究气候变化对流域水文及水资源的影响评估中，水文模拟技术是解决流域降雨、蒸发、径流等水文要素信息的主要工具，在选择和使用流域水文模型时，应考虑模型的精度、通用性及其与GCM的兼容性。水文模型的发展大致经历了经验统计模型、概念性水文模型和分布式水文模型等三个阶段。经验统计模型的研究起步于20世纪50年代，主要是根据同期实际观测水文资料，包括流域降雨、气温、径流资料，在三者之间建立相关关系，以此推求未来气候变化情景下的径流变化趋势。STOCKTON（1979）32、FLASCHKA（1987）33等采用经验统计模型做了相关研究。由于该方法需要较长系列的观测资料，应用其建立相关关系，因此对观测资料的要求较高，难以应用于资料缺乏区域，同时由于未来气温、降水等存在很大的不确定性，基于历史气温、降雨及径流建立的相关关系，直接应用于未来气象因子之间则有较大局限性，因此该方法在目前已很少采用。概念性水文模型在20世纪60年代至80年代中期发展蓬勃，该方法基于水量平衡基础，以月为时间尺度，模拟从陆地降雨、蒸发、入渗、产流到最终汇流的流域径流过程，研究径流与气候之间的因果关系及径流对气候变化的响应。概念性水文模型在流域水文水资源对气候变化响应的研究中得到广泛应用，主要有3个原因GCM输出多为月气象要素；月水文资料较易通过水文测站或全球数据库得到；月或季尺度在预测气候变化情景下流域水资源量中已能满足研究要求。目前比较著名的概念性模型有HEC模型、SCS模型、SSARR模型、STANFORD模型、SACRAMENTO模型、新安江模型等。1982年，NEMEC等率先采用概念性流域水文模型，模拟了干旱与湿润地区的径流，并就气候变化对不同区域径流的影响进行了分析34。1992年，AMELL用三参数月水量平衡模型研究了英国15个湿润流域内影响气候变化的关键因素35。1994年，王国庆等将月水量平衡模型用于半干旱地区，模拟了黄河中上游各子流域内气温、降雨同径流的关系并对气候变化条件下各子流域及整个黄河中上游水量的变化进行了探讨36。1998年，邓慧平等依据流域水量平衡模型研究了沱江流域水文要素对气候变化的响应37。2008年，胡安焱等基于两参数月水量平衡模型建立三参数月水量平衡模型，模拟汉江流域月地下水位与径流过程，结果显示与实测月降水变化趋势一致38。2012年，何思为等运用4个概念性水文模型对黑河流域上游的蒸散发、土壤水分及径流过程等作了相应的分析和比较39。分布式水文模型起步于20世纪70年代初期，其较集总式水文模型更能反映出流域土壤、植被、土地利用及降水、蒸发、径流等的空间分布状况，加之数据为网格化的，更易与GCM耦合。分布式水文模型在初期受限于计算机的计算能力发展缓慢，至80年代以后开始蓬勃发展，目前，较著名的分布式水文模型有TOPMODEL、SWAT、MIKESHE、DHSVM及VIC模型等。1994年，LIANG等研发VIC大尺度分布式水文模型及其与GCM的耦合机制，就气候变化对流域水文变量的影响进行了研究40。2003年，苏风格等基于VIC分布式水文模型，模拟了我国气候变化条件下的径流过程，同时建立气候变化背景下的径流影响评估模型41。2009年，郭生练等在建立汉江流域MM5气象预报模式及VIC分布式水文模型的基础上，耦合集成3种预报模式，同时建立了汉江流域洪水预报系统42。2013年，孙月等运用分布式水文模型EASYDHM，模拟汉江流域径流过程，分析径流变化趋势，同时就气候变化与土地利用对流域内水资源产生的影响进行了研究43。124流域水资源调度研究动态水资源调度是水资源管理决策由规划、计划与方案到水资源实施与配置的具体手段，是水资源管理工作的核心内容，其按调度方式可分为常规调度与优化调度。水资源调度研究起步于20世纪40年代MASSE提出的水库优化调度问题，50年代中期，系统工程技术在水库优化调度中得到广泛应用44。我国水资源调度研究起步于20世纪60年代初的以水库优化调度为先导的水资源分配研究，随着水资源调度的发展，至20世纪80年代，水资源调度又涉及了发电、防洪调度等多个方面。水资源调度方法也日趋丰富，主要分为常规调度方法与系统分析方法，近些年来，新的优化方法不断涌现，开拓了水资源调度方法的新领域。常规调度方法是指依据调度准则，结合水库径流调节与水能计算原理，并综合水资源调度图等经验性图表而实施的水资源调度方式，是一种经验与理论结合的调度方法，简单明确、便于操作。该方法是自1926年莫洛佐夫提出水库调节的概念以来，逐渐发展成为以水库调度图为操作指南的水库调度方法，一直沿用至今44。虽然该方法存在经验性，且未能考虑预报，调度结果未必最优，但其简洁明了、操作性强，有很好的实用性和适用性，故目前在一些中小型水库（群）中仍广泛采用。系统分析方法是在常规方法与系统理论的基础上发展起来的，其是根据水库入流过程，运用系统分析方法，寻求较优的水库调度方案，使水库发挥最大综合效益的过程。在当今水资源匮乏、开采不合理的现状下，采用水库优化调度以获得更高效益具有重要意义。随着系统分析方法的发展，目前主要包括线性与非线性规划、多目标优化技术、大系统协调分解、模拟模型法以及现代智能算法等。国内外学者也已将各种方法运用到了水库优化调度中开展了大量相关研究。1967年，HALL等通过建立线性规划与动态规划耦合模型，研究了水库优化问题45。1985年，王厥谋为使汉江中、下游取得最优防洪效果而建立丹江口水库线性规划模型46。1990年，UNDER等在运用非线性规划理论与洪水演算原理的基础上，提出实时调度优化模型47。1997年，傅湘等通过建立一个多维动态规划模型，解决复杂防洪系统联合运行问题48。2001年，AHMED对通过主成分分析法对建立的5个水库系统进行分析得出一个降维模型，并运用随机动态规划求解降维模型49。同年，杨侃等针对串联水库群的水量宏观优化调度问题，运用多目标及大系统分解协调法，建立以多目标分析为基础的库群系统分解协调宏观决策模型，并进行实例研究，结果令人满意50。2001年，李会安等在分析刘家峡水库防凌运用的主要影响因素基础上，研究了刘家峡水库防凌库容与梯级出力的关系，借鉴逐步优化思想，建立了模拟优化模型，并以刘家峡实际资料对模型进行了检验51。2002年，HUANG等结合遗传算法与随机动态规划对2个并联水库的优化调度进行了求解52。2003年，廖益平等基于改进的神经网络算法，建立了水库调度函数的神经网络模型，模拟了湖南凤滩水电站的水库调度运行，同时与基于常规回归分析法建立的水库调度函数模拟计算结果进行比较，结果表明神经网络法建立的水库调度函数具有更高的模拟计算精度，具有更好的实用性和可行性53。2007年，张双虎等将一种改进自适应粒子群算法应用于水库优化调度研究中，结果表明，该方法相比于经典方法原理简单、易编程实现且收敛于全局最优解的速度较快54。2012年，梁征利用变尺度混沌优化算法MSCOA建立了一种梯级水库群中长期水库优化调度模型，结果表明，此方法可获得梯级水库群中各水电站的最优运行方式，为指导各电站的实际运行最优化提供科学决策依据55。13主要研究内容及技术路线131论文主要研究内容本文首先阐述气候变化、气候变化情景及全球气候模式的定义，阐明气候变化对水文循环系统影响的主要机理，并从不同方面分析气候变化对水资源调度的影响机理。在此基础上，研究误差订正与空间分解降尺度法（BCSD）的原理与步骤，构建新安江月水量平衡模型，利用遗传算法估计模型参数，并阐述水文气象要素变化特征的分析方法。此外，概述水资源调度基本理论，探讨水库调度图的概念及其组成，阐述水库常规调度计算基本原理与步骤，并从水资源利用率、水库发电、防洪减灾、供水安全4方面提出相应评估指标，评估气候变化对流域水资源调度的影响。最后，以新安江流域为实例，全面评估气候变化对流域水文及水资源调度的影响，并提出流域未来水资源管理适应对策。本文主要内容包括（1）气候变化对流域水文及水资源调度影响基本理论阐述气候变化、气候变化情景、全球气候模式的定义，分析气候变化对流域水文循环的影响机理，同时探讨气候变化对流域水资源调度影响机理，主要从水资源利用率、水库发电、防洪减灾、供水安全4方面进行阐述。（2）气候变化对流域水文影响分析研究阐述基于误差纠偏及空间分解的BCSD（BIASCORRECTIONSPATIALDOWNSCALING）统计降尺度法原理与计算步骤，并分析其适应性与局限性。论述新安江月水量平衡模型的基本原理与方法，阐明遗传算法基本原理及基于遗传算法率定水文模型参数的步骤。最后研究水文气象要素趋势变化特征的分析方法。（3）气候变化对流域水资源调度影响评估研究阐述水资源调度基本内容，探讨水库调度图的概念及组成，阐明水库常规调度计算基本原理与步骤。同时，依据水库调度模拟结果，从水资源利用率、水库发电、防洪减灾、供水安全4方面提出气候变化对流域水资源调度的影响评估指标。（4）气候变化对新安江流域水文及水资源调度影响评估简要分析新安江流域概况，通过BCSD降尺度技术将CMIP5中新安江流域GCM主要输出变量降尺度至流域水文模型尺度。构建新安江流域月水量平衡模型，对模型进行率定、验证，并模拟新安江流域在未来气候情景下的径流过程。此外，对新安江流域未来主要水文要素相对基准期的变化特征进行分析，同时，模拟新安江水库未来气候变化情景下的水资源长期兴利调度，分析模拟结果，评估气候变化对流域水资源调度的综合影响，提出未来新安江流域水资源管理适应对策。132论文研究技术路线本文首先阐述气候变化对流域水文及水资源调度影响评估基本理论，在此基础上，运用BCSD降尺度技术对GCM气象要素输出进行降尺度分析，将气象要素降尺度结果输入新安江月水量平衡模型，模拟流域在未来气候变化情景下的径流响应，对流域主要水文要素变化特征进行识别分析。同时，模拟未来气候变化背景下流域水资源的长期兴利调度，依据调度模拟结果，评估气候变化对流域水资源调度的综合影响。最后对新安江流域进行实例研究，评估气候变化对新安江流域水文及水资源调度的影响，并提出流域未来水资源适应性管理对策，论文研究技术路线如图11所示。气候变化对流域水文及水资源调度影响评估气候变化对流域水文及水资源调度影响评估气候变化对流域水文及水资源调度影响评估基本理论气候变化对流域水文影响分析方法气候变化对流域水资源调度影响评估方法气候变化对水文循环影响机理气候变化对新安江流域水文及水资源调度影响评估新安江流域概况气象资料降尺度分析气候变化情景下流域水文响应水资源调度概述水资源调度模拟影响评估水库常规调度气候变化对流域水资源调度影响流域未来径流预测流域水文模型率定与验证主要水文要素变化特征分析水库常规调度基本原理流域水文模型BCSD降尺度技术水文气象要素变化特征分析方法模型参数率定模型结构与原理模型验证水库常规调度计算步骤气候变化情景与全球气候模式气候变化对水资源调度影响机理流域水资源调度模拟流域水资源调度影响评估流域未来水资源管理适应对策气候变化情景气候变化全球气候模式图11气候变化对流域水文及水资源调度影响评估研究技术路线图第二章气候变化对流域水文及水资源调度影响评估基本理论本章首先阐述气候变化的定义及其产生的显著影响，探讨预估未来气候状态的气候变化情景，阐明生成气候情景的全球气候模式。同时，论述气候变化对水文循环的影响机理，并主要分析气候变化对气温、降雨、蒸发、径流的影响。最后研究气候变化对水资源调度的影响机理，主要从水资源调度的水资源利用率、水库发电、防洪减灾、供水安全等方面展开论述。21气候变化情景与全球气候模式211气候变化气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年至数百年以上，以冷、暖、干、湿这些特征来衡量，通常由某一时期的平均值和离差值表征。气候包括温度、湿度、气压、风力、降水量、大气粒子数等在很长时期及特定区域内的统计数据，气候的形成主要是由于热量的变化而引起的。气候系统是由大气圈、水圈、冰雪圈、陆面、生物圈以及它们之间的相互作用而构成的高度复杂系统，气候系统的演变过程受到自身动力学规律、外部驱动（如火山喷发、太阳变化等）以及人类活动驱动（如大气组成的改变、土地利用等）等的影响。气候变化，指基于统计学意义上的气候平均状态发生的巨大改变，或持续十年亦或更长时间的气候平均状态产生的气候变动。气候变化问题一直是近代社会关注的热点。联合国气候变化框架公约中，区分了由人类活动所导致的气候变化与因自然原因所引起的气候变率，将气候变化描述为通过相当长时间的观察，除自然气候的变化以外，由于人为因素直接或间接地影响全球大气的组成，从而引起的气候变化56。目前，国际社会所讨论的气候变化问题，主要是指温室气体的增加所产生的全球气候变暖问题57。近些年，由于气候变化所引起的一系列诸如酸雨、臭氧耗减、全球变暖等问题日益凸显，IPCC第五次评估报告显示近半个世纪以来，大气、海洋变暖，积雪、冰冻圈减少，海平面上升，温室气体浓度增加1。因此，研究气候变化问题及其产生的一系列影响已刻不容缓。212气候变化情景在气候变化研究中，由于气候系统本身存在复杂性与不确定性，目前仍难以准确预估未来区域气候的发展与变化，因此，通常采用“情景”一词来描述未来气候变化状态。气候变化情景（简称气候情景）是在考虑了温室气体排放、人口、经济、社会、环境、全球化等一系列自然及人为因素的基础上，通过科学合理的假设，从而建立未来气候的时空分