随机方法应用于水文过程分析与水质管理

摘要

我国水资源量十分紧缺，有限的水资源承受着严重的污染，中国的水危机已成为制约经济发展和人民生活水平提高的重要因素。为保障我国水资源的永续利用和水环境健康，借助的先进的水文/水质过程分析手段，开发高效的随机分析方法和系统优化模型，开展适合我国国情的流域水资源、水质管理研究十分必要。
　　流域水资源、水环境系统是极为复杂的巨系统，包含水文过程、沉积物运移、污染物迁移转化、水质管理、排污权交易等多个子系统，每个子系统相互关联且包含大量不确定性因素，在充分考虑上述复杂性和不确定性的前提下对水文/水质过程进行预测，同时对水环境系统进行规划是流域水资源、水环境综合管理面临的关键问题。因此，本文以辨识水文过程与水质管理的不确定性为基础，将随机方法应用于水文过程及其不确定性分析以及水质管理（排污权交易规划），从水文和水环境两方面开展流域尺度研究，揭示多水文过程内在关联及其中多源不确定性相互作用，同时构建模拟-优化模型系统，在多种/多重不确定性及风险条件下探索最优的流域排污权交易模式。
　　具体研究包括:
　　(1)基于马尔科夫蒙特卡洛的多水平析因分析(MCMC-MFA)方法用于水文模型参数不确定性研究。所开发MCMC-MFA方法不仅能够基于先验信息、模型结构以及流域气象和下垫面特征信息严密推断物理参数不确定性，还可以定量揭示参数对水文模拟的显著影响。通过分析参数多取值水平下的水文响应揭示单个参数的效应，同时通过探讨一个参数取值水平对另一个参数单一效应的影响揭示参数交互性，研究结果有利于识别物理参数背后的水文过程对流域水循环的影响及多种水文过程之间的关联。
　　(2)基于贝叶斯理论的水文模型输入与参数不确定性分析。研究结果揭示了气象数据不确定性对单个参数不确定性及参数交互性的影响，同时通过多时期、多率定情景的模型表现的对比分析，回答了对于融雪-降雨综合补给流域在不同季节如何提高水文模型预测能力的科学问题。
　　(3)改进型模拟-优化模型应用于非点源排污权交易规划。引入排污权交易机制，以香溪河流域为研究区域，提出基于模拟的改进型随机规划模型用于流域非点源排污权交易，该模型结合改进型两阶段随机规划和SWAT水文模型，融入风险规避思想，不仅可以处理交易系统中的随机性及系统风险，还能够基于分布式水文模型为排污权交易规划提供复杂的水文过程物理机制。研究结果表明决策者对风险的态度能够影响最优交易模式和系统收益;通过交易模式与非交易模式的比较分析，发现排污权交易不仅能够提高经济收益还能够实现污染减排。
　　(4)基于区间模拟的模糊-随机规划应用于非点源污染控制。所开发方法不仅能够帮助决策者分析非点源污染物的传输行为，并处理水质参数的空间异质性，还可以在多排放源、多时期、多排放水平下，处理表达为区间、随机、模糊形式的多种不确定性及系统风险，深入分析约束的弹性和目标的模糊性（即模糊约束与模糊目标），在不同风险水平下揭示系统满意度，反映决策者在经济发展和污染控制之间的权衡。
　　(5)基于贝叶斯理论的点源-非点源排污权交易模型。提出基于贝叶斯理论的模拟优化耦合模型用于点源-非点源排污权交易规划，该模型结合基于SWAT模型的营养物污染过程模拟、贝叶斯推断以及基于模糊随机数的概率-可能性区间规划方法，能够分析模型参数不确定性，同时还能处理表达为带有模糊随机边界的区间数的复杂性，本研究将污染物迁移转化模拟中的不确定性反映到排污权交易决策制定中，同时，为排污权交易规划提供适用于乐观与悲观决策的可能性测度和必然性测度。
　　本文开发多套基于随机理论的系统分析方法应用于流域水文过程分析与水质管理。在水文过程及其不确定性分析方面，以西北寒旱区开都河流域为研究区域，通过深入分析水文参数不确定性，反映物理参数背后水文过程对流域水循环的影响及多种水文过程之间的关联;同时，研究气象（温度、降雨）数据和模型参数不确定性及其相互关系，并在多季节、多不确定性来源下评估模型表现。在流域水质管理方面，本文将流域水文过程/沉积物运移模拟、营养物迁移转化过程不确定性预测与排污权交易模型耦合，开发模拟-优化模型系统，不确定性水质模拟为排污权交易模型提供水文、沉积物循环以及营养物迁移转化过程复杂物理机制，同时在排污权交易系统中处理水文、水质过程在广袤流域中的空间异质性以及物理参数不确定性，为水质管理提供可靠的数据支持和坚实的科学基础。不确定性排污权交易规划模型从系统角度出发，能够描述交易市场及交易者行为，模拟通过市场机制和自由协商达到流域排污权最优配置的过程，最终帮助获得最优的排污权交易模式。所开发的水文过程的不确定性分析方法将有助于提高水文模型模拟/预测能力，所开发模拟-优化模型系统将有助于流域排污权交易机制的建立和完善，为我国流域水资源、水环境综合管理和决策提供重要的科学依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究内容

1．4 论文结构

第2章 文献综述

2．1 水文模型及其不确定性分析

2．1．1 水文模型研究

2．1．2 水文模型不确定性分析

2．2 流域水质管理

2．2．1 水质管理制度研究

2．2．2 水质管理方法研究

2．3 排污权交易

2．3．1 排污权交易机制研究

2．3．2 排污权交易基本问题探讨

2．3．3 排污权交易模型研究

2．4 小结

第3章 开都河流域水文过程随机性分析

3．1．1 研究方法

3．1．2 案例研究

3．1．3 结果分析

3．1．4 结论

3．2 基于贝叶斯理论的水文模型输入与参数不确定性分析

3．2．1 研究方法

3．2．2 结果分析

3．2．3 结论

3．3 小结

第4章 不确定性模拟-优化模型系统应用于香溪河流域水质管理

4．1．1 研究方法

4．1．2 研究区域

4．1．3 结果分析

4．1．4 结论

4．2 基于区间模拟的模糊-随机规划应用于非点源污染控制

4．2．1 研究方法

4．2．2 实例研究

4．2．3 结果分析

4．2．4 结论

4．2．5 符号列表

4．3 基于贝叶斯理论的点源-非点源排污权交易模型

4．3．1 研究方法

4．3．2 实例研究

4．3．3 结果分析

4．3．4 结论

4．3．5 符号列表

4．3 小结

5．1 主要结论

5．2 贡献与创新

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介