基于径流预报的黑河流域水资源调配研究

摘要

黑河是我国第二大内陆河，位于西干旱半干旱地区，在该流域已修建多座大中型水库。自20世纪60年代以来，黑河中游社会经济快速发展，大量引用河道水，超采地下水，引发河湖干涸、生态退化等环境问题，严重影响流域社会经济的可持续发展和生态环境的健康稳定。因此，结合国家自然基金黑河重大计划研究黑河流域水资源调配问题，不仅能为缓解黑河流域水资源供需矛盾提供科学决策依据，也为其它流域水资源调配提供借鉴，具有重要理论意义和应用价值。 本论文鉴于1957-2014年数据资料，分析黑河流域气候变化特征和径流变化规律，研究中长期径流预报，设置水资源调配方案集，建立水资源调配评价指标体系，构建黑河地下水均衡模型和地表水与地下水联合调配模型，利用并行粒子群算法求解水资源调配优化问题，计算和评价水资源调配方案和调配方式，揭示水资源调配特征和规律，探讨水文情势变化对水资源调配的影响，建立和检验水资源调配规则。论文取得主要成果如下： (1)黑河上游和中游年降水显著增加，下游无明显趋势；流域年均气温显著升高，20世纪90年代中期是一个重要的转折点；上游年水面蒸发明显增加，中游和下游年水面蒸发无明显趋势。太阳黑子数和全球二氧化碳浓度与黑河流域气候变化具有一定联系。 (2)基于滑动窗口和相关分析，提出了滑动窗口相关分析法，能够有效排除噪音干扰，准确捕捉水文序列周期成分；基于时间序列分段趋势线斜率和截距，提出了斜截诊断法，可有效解析水文时间序列变异成分。 (3)黑河上游年径流具有22年和6年显著周期，支流梨园河年径流具有17年和19年显著周期；受降水增加和气温升高影响，黑河上游年径流量在20世纪90年代后期显著增加；黑河中游断面旬均流量和旬均水深具有良好的对数函数关系，下游相邻断面旬均流量具有良好的线性关系。 (4)在多元线性回归模型、人工神经网络、支持向量机、灰色预测模型和确定性成分叠加法中，推荐采用确定性成分叠加法对黑河流域年径流进行预报，利用支持向量机对黑河上游旬均流量进行分期预报。 (5)根据近期规划水平年（2020年）和远期规划水平年（2030年）情景，从供水侧和需水侧要素出发设置了黑河流域水资源调配方案集；在评价准则框架下建立了黑河流域水资源评价指标体系；对黑河流域水资源调配系统进行概化，构建了黑河流域中游地下水均衡模型和地表水与地下水联合调配模型；在多核工作站上实现了并行粒子群优化算法，可以高效求解水资源调配优化问题。 （6）基于非负矩阵分解原理，提出了水资源调配方案评价的非负矩阵分解法，评价相对客观，结果比较可靠；基于系统均衡和优化原理，提出了均衡优化分析方法，可有效评估水资源调配方案的均衡优化度；黑河流域近期和远期规划水平年最优方案分别为方案5和方案11；供水打折和水库调蓄相结合的方式比较适合黑河流域水资源调配。 （7）在不同规划水平年推荐方案下，黑河中游地表取水量与地表来水量具有良好的二次函数关系，正义峡与莺落峡年径流关系曲线比“97”分水方案曲线要高一些；综合考虑灌溉、生态和发电用水需求，建立了基于中长期径流预报的黑河流域水资源调配规则，包括黄藏寺水库调度函数。

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