跨流域引水与水库供水联合调度及变化条件对其影响研究

摘要

跨流域调水工程能够有效缓解水资源时空分布的不均匀性及社会需水的不平衡性，逐渐成为解决资源性缺水地区水资源需求的一种重要措施。为提高引水效率和效益，势必需要确定合理有效的跨流域引水与水库供水联合调度规则，指导水库运行。此外，调水工程建成后将是一个长期的运行过程，近年来不断加剧的气候变化及人类活动，未来仍将对区域水资源状况以及受水水库的调度运行产生影响。基于历史径流系列得到的调度规则，能否适应未来的变化条件，亟需进行研究。本文以此为切入点，以碧流河水库为研究对象，系统研究气候变化及人类活动对跨流域引水与水库供水联合调度的影响。主要研究内容及成果如下:
　　(1)基于历史长时期降雨、径流数据，开展特征值变化及趋势性检验分析。在此基础上，定性辨识气候变化和人类活动对径流的影响，识别研究区跨流域调水实际问题。为全文针对气候变化及人类活动对跨流域引水与水库供水联合调度影响开展探索性研究奠定基础。
　　(2)基于增加引水调度线的思想，设计跨流域引水与水库供水联合调度规则，并针对受水水库原设计中考虑生态需水不全面的问题，构建以均衡城市供水及生态供水为目标的多目标优化模型。基于历史长系列径流数据，采用带精英策略的遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行模型求解，优化得到考虑“好”及“中”两种生态流量的城市及生态供水相互博弈的Pareto前沿解集，本文称之为历史方案。通过调度图特点及水库运行过程分析，验证历史方案的合理性;与不引水时优化调度结果对比，结果表明，研究区亟需通过引水来缓解供需水矛盾，本文设计并优化得到的跨流域引水与水库供水联合调度规则，实现了调水的有效性，在引水量约为2.5亿m3时，增加城市供水量约2.9亿m3，对于保障地区经济可持续发展具有重大意义。
　　(3)基于SWAT分布式水文模型的本地化构建，针对未来气候变化及人类活动影响展开分析。一方面，选取第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)试验中3种气候模型(ACCESS1.0、BCC-CSM1.1(m)及CMCC-CM）输出的气候数据;基于改进Morphing方法对未来气候情景数据进行降尺度修正，并分析未来降雨及气温变化。另一方面，在人类活动影响因子中，针对未来人类取用水信息难以预测的问题，提出基于相邻年降雨量水平的人类取用水模糊推理模型。在对历史时期人类取用水进行推理结果验证时发现，考虑人类取用水影响的径流系列与实测系列的拟合程度、模拟评价指标，均比SWAT模拟输出径流系列有较大改进。推理模型得到的模糊规则参数，揭示了历史人类取用水与降雨径流之间的关系规律，在未来短期内未规划大量增加人口的情况下，可作为推测未来取用水影响量的重要依据。
　　(4)以不同未来气候情景数据驱动SWAT模型，并在模型中直接考虑水利工程的影响，进行未来径流模拟预测;在该径流模拟系列及未来降雨系列的基础上，基于人类取用水推理模型预测未来取用水影响量，进一步改进SWAT模拟结果，获取变化条件下径流状况。结果表明，相对于历史长系列多年平均径流量，ACCESS1.0、BCC-CSM1.1(m)及CMCC-CM模型情景下，未来径流量将分别变化+20.55％、-9.59％和-29.13％。基于统计学分析方法，进一步掌握未来各情景下降雨径流分布及趋势等变化特点，结论为研究变化条件对受水水库联合调度的影响奠定基础。
　　(5)针对未来径流量大幅减少的供水偏不安全情景（CMCC-CM模型情景），首先考察历史方案在该情景径流系列下的运行表现，包括各用水户供水量及保证率的满足情况;在运行指标变差的情况下，进行联合调度规则的重优化。结果表明，该情景下，在考虑“中”生态流量时，需要进行联合调度规则的重优化，才能基本满足各用水户供水保证率;而在考虑“好”生态流量时，需要将城市供水量目标降为4.57亿m3（较原城市供水量目标减少0.51亿m3），才能基本满足保证率要求。
　　(6)进一步针对未来气候情景不确定性对联合调度的影响展开分析。借助于所选取的三种未来气候情景，同时假定三个气候变化情景(未来多年平均径流量较历史长系列分别变化-9.91％、-15.08％及-21.35％)，以识别未来调度规则进行调整的临界条件。通过对比分析历史方案在各情景径流系列下的运行表现，最终对未来联合调度提出运行建议:当径流减少量在15％以下时，继续沿用历史方案仍可基本满足各用水户的保证率要求;而当径流量减少15％以上时，建议仅考虑“中”生态流量，或适当降低考虑“好”生态流量时的城市供水量目标，才能满足各用水户的供水保证率要求。

目录

声明

摘要

CONTENTS

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究进展

1．2．1 跨流域调水研究现状

1．2．2 跨流域调水水库优化调度方法研究进展

1．2．3 变化条件下水库调度研究进展

1．3 研究存在问题及发展趋势

1．4 主要研究内容

1．4．1 论文主要内容

1．4．2 论文组织结构

2 研究区概况

2．1 引言

2．2 碧流河水库及流域概况

2．3 研究流域基础数据采集与处理

2．3．1 水文气象数据

2．3．2 空间信息数据

2．4 研究区水文要素变化分析

2．4．1 水文要素变化分析方法

2．4．2 研究区降雨径流变化分析

2．5 研究区跨流域调水实际问题

2．6 本章小结

3 跨流域引水与水库供水联合优化调度

3．1 引言

3．2 跨流域引水与水库供水联合调度多目标优化模型

3．2．1 基于改进调度线的联合调度规则设计

3．2．2 多目标优化问题的目标函数

3．2．3 约束条件

3．3 基于带精英策略的非支配遗传算法的多目标问题求解

3．3．1 Pareto基本概念

3．3．2 非支配遗传算法(NSGA)

3．3．3 带精英策略的非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)

3．4 优化模型基本输入

3．5 基于多目标优化模型的受水水库引-供水规则优化

3．5．1 优化求解

3．5．2 调度规则合理性

3．5．3 联合调度有效性

3．6 本章小结

4 SWAT模型本地化构建

4．1 引言

4．2 SWAT模型简介

4．2．1 SWAT模型原理及结构

4．2．2 SWAT模型数据处理

4．2．3 SWAT模型参数率定

4．3 碧流河水库流域SWAT模型本地化构建

4．3．1 SWAT模型建立

4．3．2 SWAT模型的参数敏感性分析

4．3．3 SWAT模型的参数率定

4．4 碧流河水库流域SWAT模拟结果

4．5 本章小结

5 气候变化及人类活动影响下水资源响应研究

5．1 引言

5．2 未来气候情景下降雨及气温变化

5．2．1 基准期的选取

5．2．2 气候模型及气候情景的选取

5．2．3 降尺度方法

5．2．4 未来气候情景下降雨气温状况

5．3 人类活动对径流影响分析

5．3．1 土地利用变化影响

5．3．2 水利工程影响

5．3．3 人类取用水影响

5．4 气候变化及人类活动影响下水资源响应

5．4．1 未来取用水对径流影响预测

5．4．2 未来径流状况

5．5 本章小结

6 变化条件下降雨径流特征及其对跨流域引水与水库供水联合调度影响研究

6．1 引言

6．2 未来变化条件下降雨径流特征变化分析

6．2．1 降雨径流统计特征变化分析

6．2．2 降雨径流演变特征分析

6．3 未来变化条件下引-供水规则运行表现

6．4 考虑变化条件的引水与供水联合调度规则优化

6．4．1 重优化结果

6．4．2 考虑“中”生态流量时的重优化与历史优化结果对比分析

6．4．3 考虑“好”生态流量时的适应对策

6．5 气候情景对联合调度影响不确定性分析

6．5．1 未来气候情景不确定性影响分析

6．5．2 气候变化情景假定及其不确定性影响分析

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介