灌区水资源供需系统干旱风险研究

摘要

为提高抗旱管理水平，减轻和降低干旱损失，保障社会稳定、促进社会经济发展，使有限的水资源最大限度地发挥社会、经济和环境效益，实现由被动抗旱向主动抗旱、科学抗旱转变，由应急抗旱向常规抗旱和长期抗旱转变，本文以灌区水资源供需系统为研究对象，运用风险理论对灌区水资源供需系统干旱风险进行了深入地研究。主要成果如下： (1)通过对灌区水资源供需系统干旱风险基本理论的研究，分析了灌区水资源供需系统干旱风险结构。灌区水资源供需系统干旱风险“荷载”为系统的需水量，“抗力”为系统的可供水量。灌区水资源供需系统干旱风险结构，宏观上包括致灾因子、孕灾环境和承灾体三方面。孕灾环境主要包括气象因素、下垫面因素以及人类生活历史因素；致灾因子包括自然致灾因子和人为致灾因子；承灾体主要为灌区农作物。微观上，它包括水资源供给子系统和需水子系统，二者相互作用，相互影响，相互联系，形成一个具有一定结构、功能、特征的复杂体系。 (2)对灌区水资源供需系统进行了干旱风险识别。灌区水资源供需系统风险涉及自然、社会、经济、工程、管理等多种风险因素，是复杂的系统问题，系统中的各类风险因素相互影响，各风险因素间的关系是串并联的混合关系。按照风险来源，系统风险分为自然风险和主观风险，以自然风险的不可控性和破坏性更强。 (3)提出了灌区水资源供需系统干旱风险模拟计算方法。根据遗传算法计算速度快、精度高、广泛适用性强和全局寻优的特点，求解了皮尔逊Ⅲ型分布曲线参数。基于系统“荷载”和系统“抗力”具有一定相关性的特点，采用蒙特卡罗法对降水序列进行了模拟，建立降水量与需水量和可供水量的BP网络关系；计算各降水量条件下的农业需水量和可供水量；为了减小或消除主观风险对干旱风险的影响，对可供水量进行合理配置；最后计算灌区供需系统的干旱风险概率。 (4)分析了灌区水资源供需系统干旱风险评价指标，建立了干旱风险评价模型。根据灾害学理论，提出了灌区水资源供需系统干旱风险评价指标为供水亏缺指数、干旱强度指数和作物减产指数。基于各评价指标与系统干旱风险概率P的正相关关系，采用Logistic评价模型确立了各指标的风险等级评价范围，最后借鉴“水桶原理”。建立了灌区水资源供需系统干旱风险评价模型。 (5)采用上述方法，以烟台市北邢家水库灌区为例，进行系统干旱风险识别、计算及评价。历年灌区供需水系统发生干旱的风险为46.15％，从低到高各级干旱风险的概率依次为40％、17％、21％、17％和6％。由蒙特卡罗法模拟的降水序列到干旱风险为45.84％，五级干旱风险的概率依次为46％、10％、19％、12％和13％。说明北邢家水库灌区发生超过低风险干旱的概率在50％以上，当地有一半以上的年份发生干旱，干旱发生频繁，而且高风险干旱发生也很多。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1研究背景及目的意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究的目的意义

1.2国内外研究现状

1.2.1风险概述

1.2.2水资源系统风险研究进展

1.2.3水资源系统干旱风险研究进展

1.2.4干旱风险管理研究

1.3本文主要研究内容

1.4本文研究技术路线

第二章灌区水资源供需系统干旱风险基本理论

2.1干旱成因及其对农业生产的影响

2.1.1干旱成因

2.1.2灌区农业干旱的特点

2.1.3干旱对农业生产的影响

2.2灌区农业生产的特点

2.3灌区水资源供需系统干旱风险界定

2.3.1作用与抗力

2.3.2灌区水资源供需系统干旱风险定义

2.4灌区水资源供需系统干旱风险结构

2.4.1区域灾害学系统论

2.4.2灌区水资源供需系统干旱风险特征

2.5小结

第三章灌区水资源供需系统干旱风险识别

3.1风险识别目的

3.2风险识别原理

3.3灌区水资源供需系统的不确定性

3.3.1客观不确定性

3.3.2主观不确定性

3.4灌区水资源供需系统风险因素关系分析

3.4.1独立风险

3.4.2依赖风险

3.4.3并联风险

3.4.4串联风险

3.4.5混合关系

3.5风险识别方法——事故树法

3.6灌区水资源供需系统干旱风险类型及风险转嫁

3.6.1灌区水资源供需系统干旱风险类型

3.6.2灌区水资源供需系统干旱风险转嫁

3.7 小结

第四章灌区水资源供需系统干旱风险估计

4.1灌区降水量模拟—蒙特卡罗法

4.1.1计算降水量统计参数

4.1.2遗传算法求解皮尔逊—Ⅲ曲线统计参数

4.1.3灌区降水量蒙特卡罗法模拟

4.2灌区水资源供需系统需水量与可供水量计算

4.2.1人工神经网络简介

4.2.2 BP网络的基本原理

4.2.3需水量与可供水量的BP网络模拟

4.3灌区水资源合理配置研究

4.3.1目标函数

4.3.2求解方法

4.4 小结

第五章灌区水资源供需系统干旱风险评价

5.1灌区水资源供需系统干旱风险评价指标选择原则

5.2灌区水资源供需系统干旱风险评价指标的建立

5.2.1干旱风险评价结构分析

5.2.2灌区水资源供需系统干旱风险评价指标

5.3灌区水资源供需系统干旱风险评价模型

5.3.1风险等级

5.3.2 Logistic模型

5.3.3最大可接受风险和最小不可接受风险

5.3.4系统风险评价模型

5.4小结

第六章实例研究——以烟台市北邢家水库灌区为例

6.1北邢家水库灌区概况

6.1.1自然概况

6.1.2水资源概况

6.1.3面临的主要问题

6.2灌区水资源供需系统干旱风险识别

6.3灌区水资源供需系统干旱风险估计

6.3.1降水量皮而逊Ⅲ型统计参数的计算

6.3.2降水量与需水量和可供水量的BP网络模型

6.3.3灌区干旱风险计算

6.4灌区水资源供需系统干旱风险评价

6.4.1水资源供需系统风险评价指标

6.4.2灌区水资源供需系统干旱风险评价结果

6.5小结

第七章结论与展望

7.1主要研究结论

7.2主要创新成果

7.3研究展望

参考文献

致谢

博士生期间完成的论文、科研成果和学术著作