变化环境下流域径流演变研究——驱动力、演化模式及模拟预测

摘要

自地球在宇宙中出现起，地球及其环境就无时无地不在变化。从这个意义上讲，全球变化是自始自终地进行着的。只是在人类文明出现之前，这种变化是一种自然演化过程，如海陆变迁、风化侵蚀等，具有一定的随机性和规律性；有了人类文明之后，人类活动开始和各种自然因素交织一起，改变着人类的居住环境，如修渠筑坝、垦伐种植等。而且随着人类文明的不断进步，环境变化受人类活动影响越来越大，表现在水资源领域，则是一方面：水资源的需求量不断增加，供需矛盾日益突出；另一方面：受水资源开发利用等人类活动和气候等自然因素变化的双重影响，水文要素产生变异，水循环过程日益复杂。变化环境下的水循环研究正成为全球变化研究计划的若干核心研究计划之一。 流域径流作为水循环的重要环节和人类可利用水资源的主要存在形式，是流域水资源综合开发利用、优化配置、科学管理最重要的依据，它的形成受到人类活动和气候变化等越来越多的影响。因此，本文以流域径流为研究对象，在分析流域径流形成过程及其影响因素的基础上，采用时间序列分析和水文模型模拟等多种方法对变化环境下流域径流的演化模式、成因及其未来变化进行了研究，为各种水利工程规划、水量分配方案和水资源调查评价提供更为可靠的水文设计数据和分析原理。论文主要研究成果如下： (1)在分析国内、外研究成果的基础上，选取能代表我国南方湿润地区的广东省东江流域为研究实例，系统介绍了东江流域概况及其水文气候特征，揭示了流域受人类活动影响的一些水文变化基本特征，并结合作者参与的项目，分析了有关资料的来源、基本情况以及资料的可靠性、一致性和代表性。 (2)全面系统地研究了气候、人类活动、水文下垫面和太阳活动等对径流的影响，并初步探讨了变化环境下径流演变的驱动模式，对东江流域径流演化，首次进行了比较科学合理的驱动力分类。指出变化环境下流域径流演变符合“自然一人工”的二元驱动模式，其驱动因子可分为系统性因素和非系统性因素，非系统性因素又可分为可定量因素和不可定量因素。 (3)研究了年径流序列的时、频特性，指出由于受诸多因素影响，年径流序列表现为非线性和非平稳性，可以描述成若干成分的线性叠加模型，并可以在频率域上分析各成分的内部结构。 (4)针对年径流序列的时、频特征，引入新的时、频分析方法——HHT方法，指出这种方法的突出优点，并就HHT方法应用中的三个关键问题：包络线求法、离散瞬时频率的数值计算和EMD分解的边界问题进行了探讨，在华南地区径流演化研究中，首次提出并应用了基于径向基函数网络模型的“边筛分，边延拓”的边界处理方法，比一般常用的镜像延拓方法更有效。 (5)应用HHT方法对东江流域年径流序列进行了分析与计算，得出其不同频率成分和演化模式，并结合其它分析方法对其周期特征、趋势性和跳跃性进行了验证，对其演变成因进行了研究，发现：东江流域实测年径流存在2.60年，4.95年，9.40年和23.6年等几个周期，序列没有呈现较明显的递增或递减的长期变化趋势，且在二元驱动模式下序列于1972年前后有较为明显的跳跃现象；东江流域降雨径流变化过程关系密切，但由于下垫面的调蓄作用，降雨对径流的影响具有滞后性，且随着人类活动的日益剧烈，其影响有随着年代推移而减弱的趋势，而人类活动对东江流域径流的影响程度则越来越大。 (6)引入了分布式流域水文模型——SWAT模型，并在东江流域首次充分应用GIS平台、arcGIS软件和DEM进行气象数据空间离散化，获取分布式的模型输入数据，如气象数据、土地利用数据等，与SWAT模型进行了松散耦合。 (7)在对东江流域进行子流域划分的基础上，通过模型模拟验证进行模型参数调试，建立了基于径流演变二元驱动模式下的东江流域SWAT模型，并分别模拟计算气候不变、下垫面条件改变和气候改变、下垫面条件不变情况下的天然径流量，研究气候变化和人类活动对径流变化的影响，描述未来可能气候条件下的径流变化情景。 (8)论文基于新的预测理念，在华南地区径流演化研究中，首次将HHT方法的自适应多分辨分析同人工神经网络的强有力的逼近功能结合起来，建立了基于HHT方法的径向基神经网络预测模型，并对东江流域年径流序列进行了模拟和中长期预测，得到了比较理想的结果，丰富了径流预测的理论和方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究的背景和意义

1.1.1研究背景

1.1.2问题的提出

1.2研究回顾

1.3研究进展

1.3.1气候变化对流域径流的影响研究

1.3.2人类活动的水文效应研究

1.3.3水文时间序列的分析研究

1.3.4流域水文模型研究

1.4存在问题及发展趋势

1.5本文研究内容和技术路线

1.5.1本文研究主要内容

1.5.2本文研究思路和技术路线

参考文献

第2章东江流域概况及基础资料分析

2.1引言

2.2东江流域概况

2.2.1地理位置

2.2.2主要水系

2.2.3主要水文气候特征

2.3基础资料来源及分析

2.3.1基础资料来源

2.3.2主要水文资料的“三性”审查

2.3.3主要水文气象测站及分布

2.4本章小结

参考文献

第3章影响径流演变的驱动力

3.1气候对对径流的影响

3.1.1降水和气温对径流的影响

3.1.2其它气候因子对径流的影响

3.2人类活动对径流的影响

3.2.1水利工程措施、农业及水土保持措施对径流的影响

3.2.2城市化对径流的影响

3.2.3温室效应对径流的影响

3.2.4人工侧支循环对径流的影响

3.3水文下垫面对径流的影响

3.3.1地质条件对径流的影响

3.3.2地貌类要素对径流的影响

3.3.3植被对径流的影响

3.3.4人为建筑物要素对径流的影响

3.4太阳活动对径流的影响

3.4.1太阳黑子对径流的影响

3.4.2太阳质子耀斑对径流的影响

3.4.3日食对径流的影响

3.5径流演变的驱动力分类

3.6本章小结

参考文献

第4章径流演化模式分析

4.1时间序列的一般概念

4.2水文时间序列的合理描述

4.3基于HHT方法的水文时间序列分析

4.3.1时频分析方法回顾

4.3.2希尔伯特-黄变换（HHT）方法简介

4.3.3经验模态分解（EMD）方法

4.3.4希尔伯特-黄变换

4.3.5HHT方法中关键问题及其解决

4.4变化环境下东江流域径流演变特征及成因分析

4.4.1东江流域径流演化模式分析

4.4.2东江流域径流演变成因分析

4.5本章小结

参考文献

第5章基于SWAT模型的变化环境下径流模拟研究

5.1基于二元驱动模式的流域径流模拟模型

5.2SWAT模型的结构

5.2.1气象组件

5.2.2水文组件

5.2.3植被（作物生长）组件

5.2.4其它组件

5.2.5河道汇流演算

5.2.6模型主要输出结果

5.3SWAT模型的数据准备与处理

5.3.1东江流域DEM分析与子流域划分

5.3.2基于DEM的气象数据空间离散化

5.3.3植被与土壤数据

5.3.4土地利用数据及CN值的确定

5.3.5模型输入数据及其来源汇总

5.4模拟结果校准与评价

5.4.1模型参数率定和敏感性分析

5.4.2模型的可靠性和适用性

5.4.3径流模拟结果

5.5东江流域变化环境下分布式水文模拟

5.5.1气候变化和人类活动对径流影响的定量分析

5.5.2未来气候变化下的情景模拟

5.6本章小结

参考文献

第6章基于HHT方法的径向基神经网络年径流预测

6.1引言

6.2径向基（RBF）神经网络

6.3径流序列预测的RBFNN模型创建

6.3.1RBFNN模型结构

6.3.2RBFNN的学习算法

6.3.3RBFNN模型的确定

6.4ARMA模型预测方法

6.5预测效果分析

6.5.1预测效果评价指标

6.5.2径流序列预测效果分析

6.6东江流域博罗站径流预测结果及实用性评价

6.7本章小结

参考文献

第7章结语

7.1本文内容总结

7.2特色与创新点

7.3有待进一步研究的问题

附表

致谢

博士期间的科研成果

原创性声明