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珠江流域來水需水分析及預測 版權信息
- ISBN：9787030698087
- 條形碼：9787030698087 ; 978-7-03-069808-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
珠江流域來水需水分析及預測 內容簡介
本書針對變化環境下珠江流域來水需水預測與調配重大工程需求，構建概念式巖溶-新安江水文模型和VIC-3L水文模型；在此基礎上，評估氣候變化情景下珠江上游水文循環的時空演化趨勢和格局。進一步，建立社會、經濟和環境綜合作用下需水預測系統動力學模型，探明工業、農業、生活等多源需水單元的動力學演化特性；在此基礎上，建立水資源優化配置和方案綜合評價模型，闡明水資源互饋系統的演化特性與動態均衡，為水資源的管理、優化配置及政策的制定提供科學參考。
珠江流域來水需水分析及預測 目錄
目錄
前言 i
第1章 緒論 1
1.1 問題提出的背景 1
1.2 來水需水預測的研究現狀 2
1.2.1 水文模型 2
1.2.2 變化條件下氣象水文過程模擬 4
1.2.3 需水預測方法 5
1.2.4 系統動力學法的需水預測 7
1.3 本書的主要內容 8
參考文獻 9
第2章 研究區域概況 15
2.1 自然地理 15
2.1.1 地理位置 15
2.1.2 河流水系 15
2.1.3 地貌地質 17
2.1.4 土壤植被 18
2.2 氣象水文 19
2.2.1 氣候氣象 19
2.2.2 水文特征 20
2.3 水資源開發利用 21
2.4 社會經濟 21
參考文獻 22
第3章 巖溶地區的概念式水文模型 23
3.1 新安江水文模型簡述 23
3.2 K-XAJ水文模型結構 25
3.2.1 巖溶區域上產匯流 25
3.2.2 非巖溶區域上產匯流 27
3.2.3 巖溶與非巖溶區域產匯流結合 27
3.3 模型參數率定與評價指標 28
3.3.1 模型參數率定方法 28
3.3.2 模型評價指標 29
3.4 模型應用 29
3.5 模擬結果與討論 30
3.5.1 K-XAJ水文模型模擬結果 30
3.5.2 兩種模型的參數與模擬效果評估 30
3.5.3 小結 35
參考文獻 35
第4章 大尺度分布式水文模型在珠江中上游流域的應用 37
4.1 VIC-3L水文模型簡述 37
4.2 VIC-3L水文模型原理及特點 38
4.2.1 模型蒸散發計算 38
4.2.2 模型產流計算 40
4.2.3 模型匯流計算 41
4.3 VIC-3L水文模型建模 42
4.3.1 子流域劃分及網格劃分 43
4.3.2 土壤數據 44
4.3.3 植被數據 46
4.3.4 氣象驅動數據 48
4.3.5 匯流輸入文件 48
4.3.6 全局控制文件 50
4.4 VIC-3L水文模型運行 50
4.4.1 運行環境 50
4.4.2 運行步驟 51
4.5 模型參數率定與評價指標 51
4.5.1 模型參數率定方法 51
4.5.2 模型評價指標 52
4.6 模擬率定結果及驗證 53
參考文獻 57
第5章 未來氣候預估及徑流響應 58
5.1 氣候變化情景及模式選擇 58
5.2 SDSM的統計降尺度方法 60
5.2.1 SDSM簡述 60
5.2.2 SDSM原理及結構 61
5.3 基于SDSM的未來氣候預估 62
5.3.1 SDSM數據準備 62
5.3.2 預報因子選擇 62
5.3.3 SDSM率定與驗證 63
5.3.4 RCPs情景下未來降雨預估 66
5.3.5 RCPs情景下未來*高氣溫預估 68
5.3.6 RCPs情景下未來*低氣溫預估 70
5.4 基于VIC-3L水文模型的未來出流分析 71
參考文獻 73
第6章 基于系統動力學模型的需水預測 75
6.1 系統動力學模型的建模原理 75
6.1.1 系統動力學概述 75
6.1.2 系統動力學模型的建模步驟 77
6.1.3 系統動力學變量解釋 77
6.2 需水預測系統動力學模型的建模研究 78
6.3 生活需水 79
6.3.1 影響生活需水的因子辨識 79
6.3.2 生活需水因子模型 79
6.3.3 生活需水系統動力學模型 84
6.3.4 生活需水系統動力學方程 86
6.4 工業需水 89
6.4.1 影響工業需水的因子辨識 89
6.4.2 工業需水因子模型 90
6.4.3 工業需水系統動力學模型 97
6.4.4 工業需水系統動力學方程 99
6.5 農業需水 101
6.5.1 農作物需水量計算 101
6.5.2 作物種類 101
6.5.3 有效降雨量計算 106
6.5.4 農田灌溉需水量計算 108
6.6 需水預測總體結果和評價 108
6.6.1 模型誤差評估 108
6.6.2 珠江流域未來需水預測 111
參考文獻 112
第7章 基于“三條紅線”約束的城市水資源優化配置與評價 115
7.1 柳州市概況 115
7.1.1 自然地理概況 115
7.1.2 社會經濟概況 116
7.1.3 水資源開發利用情況分析 116
7.1.4 現狀水資源開發利用存在的主要問題 120
7.2 水資源需水量預測與供水量預測 121
7.2.1 需水量預測 122
7.2.2 供水量預測 122
7.2.3 供需平衡分析 123
7.2.4 預測結果分析 123
7.3 基于“三條紅線”約束的水資源優化配置模型 125
7.3.1 “三條紅線”與水資源優化配置的關系 126
7.3.2 水資源優化配置模型的建立 127
7.3.3 水資源優化配置模型的求解 133
7.3.4 結果分析 134
7.4 水資源優化配置方案綜合評價模型 137
7.4.1 水資源優化配置方案綜合評價模型的構建 137
7.4.2 配置結果分析與討論 142
參考文獻 145
附錄 147
前言 i
第1章 緒論 1
1.1 問題提出的背景 1
1.2 來水需水預測的研究現狀 2
1.2.1 水文模型 2
1.2.2 變化條件下氣象水文過程模擬 4
1.2.3 需水預測方法 5
1.2.4 系統動力學法的需水預測 7
1.3 本書的主要內容 8
參考文獻 9
第2章 研究區域概況 15
2.1 自然地理 15
2.1.1 地理位置 15
2.1.2 河流水系 15
2.1.3 地貌地質 17
2.1.4 土壤植被 18
2.2 氣象水文 19
2.2.1 氣候氣象 19
2.2.2 水文特征 20
2.3 水資源開發利用 21
2.4 社會經濟 21
參考文獻 22
第3章 巖溶地區的概念式水文模型 23
3.1 新安江水文模型簡述 23
3.2 K-XAJ水文模型結構 25
3.2.1 巖溶區域上產匯流 25
3.2.2 非巖溶區域上產匯流 27
3.2.3 巖溶與非巖溶區域產匯流結合 27
3.3 模型參數率定與評價指標 28
3.3.1 模型參數率定方法 28
3.3.2 模型評價指標 29
3.4 模型應用 29
3.5 模擬結果與討論 30
3.5.1 K-XAJ水文模型模擬結果 30
3.5.2 兩種模型的參數與模擬效果評估 30
3.5.3 小結 35
參考文獻 35
第4章 大尺度分布式水文模型在珠江中上游流域的應用 37
4.1 VIC-3L水文模型簡述 37
4.2 VIC-3L水文模型原理及特點 38
4.2.1 模型蒸散發計算 38
4.2.2 模型產流計算 40
4.2.3 模型匯流計算 41
4.3 VIC-3L水文模型建模 42
4.3.1 子流域劃分及網格劃分 43
4.3.2 土壤數據 44
4.3.3 植被數據 46
4.3.4 氣象驅動數據 48
4.3.5 匯流輸入文件 48
4.3.6 全局控制文件 50
4.4 VIC-3L水文模型運行 50
4.4.1 運行環境 50
4.4.2 運行步驟 51
4.5 模型參數率定與評價指標 51
4.5.1 模型參數率定方法 51
4.5.2 模型評價指標 52
4.6 模擬率定結果及驗證 53
參考文獻 57
第5章 未來氣候預估及徑流響應 58
5.1 氣候變化情景及模式選擇 58
5.2 SDSM的統計降尺度方法 60
5.2.1 SDSM簡述 60
5.2.2 SDSM原理及結構 61
5.3 基于SDSM的未來氣候預估 62
5.3.1 SDSM數據準備 62
5.3.2 預報因子選擇 62
5.3.3 SDSM率定與驗證 63
5.3.4 RCPs情景下未來降雨預估 66
5.3.5 RCPs情景下未來*高氣溫預估 68
5.3.6 RCPs情景下未來*低氣溫預估 70
5.4 基于VIC-3L水文模型的未來出流分析 71
參考文獻 73
第6章 基于系統動力學模型的需水預測 75
6.1 系統動力學模型的建模原理 75
6.1.1 系統動力學概述 75
6.1.2 系統動力學模型的建模步驟 77
6.1.3 系統動力學變量解釋 77
6.2 需水預測系統動力學模型的建模研究 78
6.3 生活需水 79
6.3.1 影響生活需水的因子辨識 79
6.3.2 生活需水因子模型 79
6.3.3 生活需水系統動力學模型 84
6.3.4 生活需水系統動力學方程 86
6.4 工業需水 89
6.4.1 影響工業需水的因子辨識 89
6.4.2 工業需水因子模型 90
6.4.3 工業需水系統動力學模型 97
6.4.4 工業需水系統動力學方程 99
6.5 農業需水 101
6.5.1 農作物需水量計算 101
6.5.2 作物種類 101
6.5.3 有效降雨量計算 106
6.5.4 農田灌溉需水量計算 108
6.6 需水預測總體結果和評價 108
6.6.1 模型誤差評估 108
6.6.2 珠江流域未來需水預測 111
參考文獻 112
第7章 基于“三條紅線”約束的城市水資源優化配置與評價 115
7.1 柳州市概況 115
7.1.1 自然地理概況 115
7.1.2 社會經濟概況 116
7.1.3 水資源開發利用情況分析 116
7.1.4 現狀水資源開發利用存在的主要問題 120
7.2 水資源需水量預測與供水量預測 121
7.2.1 需水量預測 122
7.2.2 供水量預測 122
7.2.3 供需平衡分析 123
7.2.4 預測結果分析 123
7.3 基于“三條紅線”約束的水資源優化配置模型 125
7.3.1 “三條紅線”與水資源優化配置的關系 126
7.3.2 水資源優化配置模型的建立 127
7.3.3 水資源優化配置模型的求解 133
7.3.4 結果分析 134
7.4 水資源優化配置方案綜合評價模型 137
7.4.1 水資源優化配置方案綜合評價模型的構建 137
7.4.2 配置結果分析與討論 142
參考文獻 145
附錄 147
展開全部
珠江流域來水需水分析及預測 節選
第1章 緒論 隨著世界經濟的迅速發展、全球人口的加速膨脹、城市化進程的普遍加快，水資源短缺已成為影響世界政治格局、經濟發展和社會進步的重要瓶頸問題，其本質在于供給和需求的矛盾與不平衡。據聯合國數據估計，人類的需水量在20世紀發生了深刻的變化，20世紀初期全球用水量僅為4000×108 m3/a，到20世紀末期，已上升至39 000×108 m3/a。另外，全球氣候變化問題日益嚴峻，洪澇災害、水資源短缺、水生態惡化、水土流失等水問題日益突出，水資源作為“生命之源，生產之要，生態之基”，其重要作用不言而喻。 本章簡要介紹研究背景及研究意義，圍繞全書涉及的三個主要研究方面—水文模型、氣象水文過程模擬、需水預測方法及模型，深入分析國內外研究進展及研究現狀，*后簡要概述各個章節的主要研究內容。 1.1 問題提出的背景 水是人類文明的起源，是人類賴以生存及發展的基礎，是社會經濟發展不可或缺的重要資源，因此水又被稱為“生命之源，生產之要，生態之基”。目前，全球淡水資源僅為世界總水量的2.5%，其中86%的淡水難以被開發利用，可被人類直接利用的河流水、湖泊水僅占全球淡水總量的0.26%。我國水資源總量占全球淡水資源的6%，約為2.8×1012 m3，全球排名第四。但因為我國人口眾多，水資源時空分布極其不均，人均用水量遠低于世界平均水平，國內局部地區水資源嚴重匱乏，供需矛盾日益凸顯。隨著經濟的發展和社會的進步，近年來水生態惡化、水資源污染等水安全問題引起了社會各界的高度關注和廣泛重視，水問題已經成為制約全球，特別是我國社會經濟可持續發展的重要瓶頸。 氣候變化是影響水資源的重要因素。2014年聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告中指出，全球變暖已成為未來氣候變化的趨勢。氣候變化必然會對大氣運動狀態造成影響：一方面，將會直接影響徑流、土壤濕度、降雨、蒸發等，進而導致水資源時空上的重新分配及流域內水資源總量的增加或減少；另一方面，氣候變化將改變未來降雨頻率、強度，導致各地極端干旱、洪澇災害頻頻發生，加重水資源惡化，對水資源的開發利用造成嚴重影響，嚴重威脅全球水安全[1-2]。 此外，受經濟迅速發展、全球人口加速膨脹、地方城市化進程加快等因素的綜合影響，世界各地對水資源的需求仍在日益增長。按目前的用水強度模擬未來全球用水總量，預計到2100年全球用水量將達到80 000×108 m3/a，而中國需水量也會攀升至8814×108 m3/a[3]。聯合國《世界水資源綜合評估報告》指出：“缺水問題將嚴重制約21世紀世界經濟和社會發展，并可能導致國家間的沖突。”[4] 2013年，國際水文科學協會（International Association of Hydrological Sciences，IAHS）正式啟動了Panta Rhei科學計劃（2013～2022年）[5]，該計劃重點研究社會水文學的變化行為，通過研究人類活動對水循環變化的作用和響應機制，提高人類對水循環的影響與利用能力，以期提高對水資源互饋系統長期演化趨勢的預測水平，*終制定適應變化環境的水資源可持續開發利用策略[6]。由此可見，社會-自然變化環境下的水文水資源響應不僅是21世紀國際學術界公認的研究熱點和難點，而且是探索全球水文水資源利用前景的重要手段。為更好地預測在變化環境下水資源的發展態勢，關鍵之一就是要合理地模擬未來的水資源量或徑流總量。 水資源危機威脅國家用水安全，制約國民經濟發展，甚至會影響世界政治經濟格局。綜合考慮自然環境和社會經濟等復雜因素影響，開展變化環境下的水資源總量評估、未來需水量預測和供需平衡分析是水安全戰略研究的重要課題，不僅可以創新和發展水科學的理論方法與關鍵技術，而且能夠更好地解決未來發展過程中面臨的水問題。 珠江流域覆蓋整個中國南部，是我國重點防護的流域對象之一，流域內地貌多樣、人口密集、水資源分配不均。珠江上游地處高原地區，是我國西南少數民族聚居地，人煙稀少，經濟欠發達，防洪工程體系尚不完善，水利樞紐建設不完備，防洪工事以堤防防洪為主。珠江下游地區是我國經濟特區，人口分布密集，經濟高度發達，但下游三角洲、柳州市、梧州市等重點防護對象的洪水抵御能力相對偏弱。對于珠江下游經濟發展前沿地區，由氣候變化引起的洪澇、干旱等自然災害給社會經濟帶來了較大的損失；而欠發達中上游地區，適應氣候變化、防范自然災害的能力相對薄弱，一旦發生自然災害，下游也將承擔更大的風險。另外，隨著人口膨脹和社會經濟發展，需水總量日益增長，水資源供需矛盾愈加突出。氣候變化背景下，利用氣候模式預估未來氣候變化情勢，預測流域水文循環演化趨勢、需水變化特性及徑流響應機制已成為研究的熱點和難點。 為此，本書圍繞珠江流域水文過程模擬，以及變化條件下的水文響應、需水量預測與供需平衡分析等問題展開研究，既是當前的研究熱點，又是我國可持續發展的重要戰略方向，關系到經濟、社會及生態環境可持續發展等諸多方面。 1.2 來水需水預測的研究現狀 1.2.1 水文模型 水文模型是水文水資源領域的核心工具之一，在洪水預報、水資源規劃等領域起著不可或缺的作用。它是以數學的形式描述水文產流、匯流過程，可將其視為一個復雜系統，以降雨、蒸發等資料為系統輸入，通過產匯流過程的模擬計算，*終輸出流域的模擬徑流量。水文模型可分為概念式水文模型、分布式-半分布式水文模型、黑箱模型三種[7-9]。概念式水文模型是由描述降雨的產匯流機理的公式組成的，但受早期理論研究水平的限制，忽略了降雨時空分布和下墊面差異的影響；分布式-半分布式水文模型在產匯流物理機制的基礎上，將流域劃分為不同的若干單元或子流域，充分考慮了降雨分布不均與下墊面差異對水文過程造成的影響；黑箱模型是計算機高速發展下形成的產物，又稱經驗性模型，它不考慮模型的物理意義，完全通過復雜的數學統計關系對降雨進行模擬。 水文模型的誕生可追溯至20世紀30年代的下滲定理和單位線[10-11]；水文模型的蓬勃發展主要是在20世紀50～80年代，此階段主要圍繞水文循環的過程展開研究，隨之產生的模型多為概念式水文模型，如新安江水文模型、Stanford模型、水土保持局（Soil Conservation Service，SCS）模型、水箱模型、水文工程中心（hydrologic engineering center，HEC）模型等[12]；隨著計算機技術的快速發展，地理信息系統（geographic information system，GIS）和遙感技術突飛猛進，20世紀60年代后，Freeze等[13]首先提出了分布式水文模型的概念，在傳統水文模型中考慮了下墊面的影響，此后，分布式水文模型引起了學者的廣泛關注，逐步成為水文模型的研究焦點，隨后大量的半分布式水文模型與分布式水文模型相繼問世，主要包括地形水文模型（topography hydrologic model，TOPMODEL）[14]、歐洲系統水文（system hydrological European，SHE）模型[15]、可變下滲容量（variable infiltration capacity，VIC）水文模型[16]、SWAT模型[17]等；21世紀，計算機性能日益提高，學者不斷將人工智能算法運用于水文預報[18]，至此黑箱模型備受關注，目前運用*多的是逆傳播（back-propagation，BP）神經網絡模型[19-21]、自回歸滑動平均（autoregressive moving average，ARMA）模型[22-23]。 我國在20世紀針對流域的具體特性，也開展了水文模型的深入研究。Zhao等[24]提出了新安江水文模型，被廣大學者認同并廣泛應用；朱求安等[25]、張心鳳等[26]、李哲等[27]、李致家等[28]、邵成國等[29]、Shi 等[30]將新安江水文模型應用在漢江流域、珠江流域、長江流域、海河流域、烏魯木齊河流域等區域的水文預報中，均得到了較好的預報效果；馮嬌嬌等[31]、曹虎[32]、周瑜佳等[33]利用普適似然不確定性估計（generalized likelihood uncertainty estimation，GLUE）算法、復合遺傳算法等方法對新安江水文模型參數的敏感性、不確定性及準確性進行了分析；Li 等[34]利用新安江水文模型研究了澳大利亞東南部210多個集水區中研究植被蒸騰對徑流的影響。概念式水文模型多屬于集總式水文模型，一般多用于小流域徑流預報，而大流域因下墊面差異和降雨時空分布不均多采用分布式水文模型，需要將流域網格化或區域化且其應具備與大氣耦合的能力，可有效地進行未來水文響應的研究；除此之外，分布式水文模型還被用于水質污染、水土流失等相關研究中。朱悅璐等[35-36]、朱悅璐[37]以渭河為典型流域，采用VIC水文模型研究了模型參數、氣候變化、下墊面等不確定因素影響下的水文響應；陳思[38]運用VIC水文模型對無定河流域進行了水文模擬，分析了模型參數的敏感性及其對流域未來徑流的影響；SWAT模型可被用于除草劑及其代謝產物，土壤中的磷、氮等非點源污染的遷移途徑模擬[39]，為流域的污染治理提供了理論依據[40-41]。 隨著對模型理解和研究的深入，不少學者改進了傳統概念式水文模型和分布式水文模型以滿足各研究區域的實際需求。索立濤等[42]根據研究區域子流域間的水分補給關系對TOPMODEL進行了重構，建立了適用于巖溶地區的水文模型；范火生[43]、朱子唯等[44]、王加虎等[45]借助GIS工具，按流域下墊面性質將其網格分區化，結合傳統新安江水文模型建立了分布式-半分布式的新安江水文模型；Jukic等[46]以約旦河流域為研究對象，將地下水模型與水量平衡模型結合，開展了徑流模擬研究；Malagò等[22]根據巖溶地區落水洞、巖溶管道特點，將SWAT模型與巖溶模型相結合，建立了巖溶地區的SWAT模型，研究了克里特島區域尺度的水文模擬。總體而言，相對于國外水文模型的研究，我國仍需進一步加強對水文模型的研究，以促進流域的數字化，推動我國水利事業的蓬勃發展。 1.2.2 變化條件下氣象水文過程模擬 20世紀70～80年代，國內外針對氣候變化下的氣象水文過程模擬及水資源響應開展了一系列研究工作，IPCC已經完成了五次全球氣候變化的成因分析、水資源響應評估及應對氣候變化的對策研究。1977 年，美國相關組織已經開始了對全球氣候變化、水資源供需平衡等關系的一系列研究。Mimikou等[47]以希臘中部為研究對象，借助HadCM2和UKHI兩種氣候模式，開展了氣候變化下未來降雨、平均月徑流量的響應研究；2004年，劉昌明[48]以黃河流域為研究對象，從水循環的角度探討了人類活動和氣候變化對流域水文過程的影響；Milly等[49]基于歷史水文氣象數據，考慮了人類活動與氣候變化的影響，對研究區域的徑流量進行了預測，并探討了三者之間的影響關系；Arnell[50]應用HadCM2和HadCM3兩種氣候模式，模擬了不同氣候模式下全球不同流域的入流及用水量變化特性；Yang等[51]利用水文氣象觀測站點的降雨、蒸發、徑流等歷史數據，探究了氣候變化對黃河流域徑流的影響，并得出了氣候變化是造成黃河流域徑流減少的重要原因之一的結論；Bl？schl 等[52]分析了氣候變化、土地利用與徑流變化之間的相互關系；Smith 等[53]開展了印第安納州城市化和氣候變化對流域徑流影響的研究，結果表明城市化對徑流的影響可能更大；李志等[54]利用分布式水文模型SWAT模型定量模擬了氣候變化及土地覆蓋對黑河流域徑流變化的影響程度；Chen 等[55]以梭磨河流域為研究對象，分別利用 SWAT模型和CHARM，研究了氣候變化和土地覆
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