流域环境变化下玛纳斯河融雪洪水的水文效应及其防洪风险不确定性问题研究

摘要

气候变化和人类活动将加剧西北干旱区以冰雪融水为基础的水资源供给的不确定性，导致融雪洪水灾害发生的频度和强度增大；同时也改变了融雪洪水径流的时空分布，造成实测水文时间序列的非一致性。若将传统的洪水频率分析方法应用到水利工程水文设计中，会导致设计洪水计算的水利工程防洪风险和水资源利用的可靠性极有可能被严重低估或高估。因此，研究环境变化对融雪洪水径流过程、设计洪水及水库防洪风险不确定的影响，探索非一致性融雪洪水频率计算方法，定量评估环境变化对融雪洪水径流过程、设计洪水及水库防洪不确定性的影响是及其必要的。本文以玛纳斯河肯斯瓦特水库控制流域为例，在突变诊断的基础上，研究气候变化和人类活动对融雪洪水径流过程的贡献程度；基于非一致性融雪洪水频率计算分析，给出了环境变化对水库设计洪水及水库防洪风险不确定性的定量影响，为变化环境下流域设计洪水修订、区域防洪规划管理以及洪水资源安全利用提供技术支撑和科学指导依据。主要研究内容及成果如下： （1）采用Pettitt检验法和Mann-Kendall检验法分析水文要素序列变异与趋势特征，年均气温、年蒸发量以及年径流量序列的变异点最可能发生的年份分别为1979年、1996年和1993年，而年降水量序列没出现变异点。根据气候变化特征和土地利用的不同时相遥感资料，并结合水文物理机制，在1990年前后，流域内的下垫面变化不大，导致年径流量发生变异的主要原因为气候变化，变异点为1993年。 （2）对融雪洪水特征序列进行非一致性检验，年最大洪峰流量序列和年最大洪量序列发生变异的年份均为1993年，结合不同时相的遥感影像资料综合判断，气候变化是导致融雪洪水特征序列发生变异的主要原因；气温序列变异点发生在1979年，1日、7日、15日及30日前期影响雨量序列均无变异点，而3日、5日前期影响雨量序列变异点均发生在1971年。采用相关分析方法对气候影响因子与融雪洪水特征序列进行相关分析，选择相关性最强的气温序列、1日及3日前期影响雨量序列作为融雪洪水特征序列的影响因子。 （3）采用线性回归、Mann-Kendall突变检验和累积距平等方法对融雪洪水径流量和其气候影响因子进行变化特征及突变分析，融雪洪水径流量、降雨量和蒸发量呈一致性的增加趋势，融雪洪水径流量突变年份为1995年，利用统计分析法和累积量斜率变化率比较法得出，1996-2010年降雨量、蒸发量和人类活动对融雪洪水径流量增加的贡献率分别为59.64%、31.83%和8.53%。表明气候变化对流域融雪洪水径流量的影响大于人类活动对融雪洪水径流量的影响。 （4）对基于GAMLSS理论一致性模型和分别以时间、气候因子为协变量的GAMLSS非一致性模型的融雪洪水特征序列计算结果进行比较分析。结果表明，一致性模型拟合残差不满足服从正态分布的要求，说明融雪洪水特征序列不符合一致性假设；以时间为协变量的非一致性模型拟合残差较好地服从正态分布，融雪洪水特征序列随着时间的推移呈上升的变化趋势；以气候因子为协变量的非一致性模型的物理成因机制与客观实际情况相符，拟合残差符合正态分布总体要求，其分位数灰度图较好地描述了融雪洪水特征序列在环境变化影响下的动态变化过程。 （5）对混合分布模型和条件概率分布模型进行比较分析，并对非一致性融雪洪水特征序列进行分析计算，混合分布模型拟合效果较条件概率分布模型更优。将混合分布模型的设计洪水成果，与2008年审定的成果及不考虑变异的原序列 P-Ⅲ分布拟合成果进行对比分析。结果表明，在不同的设计标准下，混合分布模型和传统P-Ⅲ型分布拟合结果均比2008年审定的融雪洪水设计值要小；而混合分布模型拟合结果比传统P-Ⅲ型分布拟合结果要大。 （6）对融雪洪水特征序列采用“分解-合成”理论进行一致性修正，利用Bayes理论和 Gibbs-MCMC算法对实测、还原及还现融雪洪水特征序列的 P-III型分布参数的不确定性进行估计，并对其预报区间的优良性进行评价。结果表明，通过对非一致性融雪洪水特征序列的还原/还现计算，可减小参数估计不确定性对其计算产生的影响，从而提高预报区间的可靠性。将融雪洪水特征序列一致性修正后两种条件下的设计洪水作为入库融雪洪水，进行水库调洪演算，采用频率分析法对这两种条件下的水库极限防洪风险率进行复核分析。并基于直角梯形模糊数构建水库漫坝模糊风险分析数学模型，对过去、现状两种条件下的水库漫坝模糊风险指标区间进行识别，并对不同截集水平?所对应的模糊风险率区间和绝对误差范围下限、上限值进行估计。结果表明现状条件下融雪洪水受流域气温显著上升的影响增大了水库漫坝失事的风险。其结果可为保障水库安全运行和洪水资源安全利用提供科学参考依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 研究区概况与水文特征

1.4 研究内容与技术路线

1.5 本文创新点

第2章 区域环境变化及融雪洪水特性分析

2.1 环境变化特征分析

2.2 水文要素序列变异诊断分析

2.3 水文要素序列变异成因分析

2.4 融雪洪水特性分析

2.5 本章小结

第3章 环境变化下融雪洪水非一致性及影响因素分析

3.1 融雪洪水特征序列非一致性分析

3.2 融雪洪水特征序列协变量非一致性分析

3.3 本章小结

第4章 环境变化对非一致性融雪洪水径流过程影响程度分析

4.1 研究方法

4.2 气候影响因子分析

4.3 环境变化对融雪洪水径流量变化的贡献率

4.4 本章小结

第5章 基于GAMLSS模型的非一致性融雪洪水分析

5.1 GAMLSS模型

5.2 基于GAMLSS模型的融雪洪水分析

5.3 本章小结

第6章 基于混合分布模型的非一致性融雪洪水分析

6.1 混合分布模型

6.2 基于混合分布模型的融雪洪水分析

6.3 融雪洪水特征序列的设计洪水过程线比较

6.4 本章小结

第7章 环境变化对水库防洪风险不确定性影响分析

7.1 融雪洪水特征序列设计洪水计算分析

7.2 融雪洪水特征序列非一致性对参数估计不确定性影响

7.3 水库极限防洪风险复核分析

7.4 水库漫坝模糊风险分析

7.5 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢