水资源在人类生存和社会发展中占有重要地位,保证水资源的可持续发展利用,是实现经济社会可持续发展的首要前提条件。流域水文预报和水资源承载力分析是水资源系统研究中的两个重要课题,是水利工程规划建设、水资源优化配置及社会可持续发展的重要支撑。进入二十一世纪以来,我国水资源的可持续利用面临人口增长、供需水不平衡以及气候变化影响等多重压力。一方面全球气候变暖导致两极冰盖加剧融化,海平面升高,淡水资源减少,暴雨、洪涝、干旱等极端事件发生频率显著增加;另一方面,水利工程胁迫导致流域自然径流破碎化,流域水资源系统的时空变异规律更加复杂,水循环系统的大气、地表、土壤、河川和地下水过程的显著变化诱发了系列资源、生态、环境等问题。气候和水循环过程的变异对流域水文预报和水资源承载力分析提出了更高的要求。本文针对变化环境下中长期水文预报与水资源承载力研究中存在的关键科学问题,以长江上游金沙江流域及西南地区为主要研究对象,分析了金沙江流域径流和降雨特性时空变化规律;建立了基于灰色关联分析的模糊支持向量机月径流预报模型,为了提高模型预报精度,研究了模型构建过程中预报因子选择与时间序列分解两个关键环节。将气象,大气环流,影响长江中上游流域降雨的黑潮海温,东亚夏季风指数等遥相关因子组成特征集合,采用序列浮动前向算法挖掘预报因子特征子集,并尝试采用高斯过程回归对金沙江上游石鼓站和下游屏山站月径流进行不确定性预报,得到月径流的预报区间和置信水平,在此基础上,采用Sobol全局敏感性方法推求了石鼓和屏山站汛期径流预报因子的灵敏度,辨识了对汛期径流预报结果产生较大影响的因子集。最后针对传统模糊综合评价方法中的不足之处,建立了可变模糊集与集对分析耦合的西南地区水资源承载力评价模型,识别了西南各地水资源承载力等级。本文的主要研究内容和创新性成果包括:(1)研究工作以金沙江最大支流雅砻江二滩站以及金沙江干流控制断面石鼓、攀枝花,工程断面乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝为分析对象,研究金沙江流域径流年内年际时空变化特性,并建立了金沙江和乌江洪水联合概率分布,探求两江洪水遭遇概率。金沙江流域多时空尺度径流特性以及洪水遭遇研究发现,过去50年金沙江径流年内分配存在较大的不均匀性,而径流的年际变化较小,且金沙江下游地区径流年际变化比上游地区相比较弱。洪水遭遇方面,金沙江与乌江洪水同现概率非常小,而乌江已经发生大洪水情况下,金沙江发生洪水的条件概率很大,当乌江发生20年一遇洪水时,有接近50%的可能金沙江发生了 20年一遇洪水。(2)为了提高中长期径流预报模型的预报精度,本文从模型构建,预报因子筛选和时间序列分解三个关键环节进行了研究。径流的形成受到气象、水文、地形等复杂因素的影响,随着气候条件以及流域下垫面条件发生变化,不同时期水文样本数据对未来径流贴近程度是不相同的。将支持向量机与模糊集理论的中隶属度概念相结合,构建模糊支持向量机模型使得径流模拟过程中样本数据能根据重要性的不同而具有不同误差要求,其中离预测期较近的历史样本数据具有更大的参考价值而离预测期较远的历时样本具有相对较小的参考价值。同时,为克服常用的相关系数法不能衡量因子间非线性相关关系的缺陷,研究工作引入一种多元因子分析方法-灰色关联分析法,该方法能考察复杂现象发展态势的关联、接近程度而不是简单度量变量间的一致性。以金沙江石鼓站月径流预报为实例,考察基于灰色关联分析的模糊支持向量机模型的预报效果,研究结果表明相对传统支持向量机模型,本文构建的模型极大提高了预测精度和泛化能力,是一种可靠有效的径流中长期径流预报模型。(3)将输入因子序列进行小波分解被证明能提高水文模型的预报精度,为了研究不同时间序列分解方法在径流预报领域的适用性,本文研究了离散小波变换、经验模式分解、STL三种分解方法的原理并分别采用三种方法对金沙江屏山站径流和降雨序列进行了分解,选用被证明具有良好预测性能的基于灰色关联分析的模糊支持向量机模型对分解子序列进行模拟预测,模拟结果表明三种分解方法能使模型的预报精度有不同程度提高,其中离散小波变换分解对模型精度改善最大、其次是STL分解处理,经验模式分解处理后的模型精度改善效果较不明显。(4)径流的形成极其复杂,仅仅用前期的径流或气象数据来预报未来径流是不全面的,限制了预报精度的进一步提高。气候遥相关因子与径流具有滞后相关性,研究工作提出基于信息增益的序列浮动前向选择算法,从降雨、气温、气压等气象因子,国家气象中心发布的74项环流因子,与长江流域径流有密切关系的黑潮海温,太平洋10年涛动、东亚夏季风指数等300多个初选预报因子中挖掘出与预报月径流密切相关的一组预报因子集。将近年发展起来的基于贝叶斯网络的新型机器学习算法高斯过程回归引入到金沙江上游石鼓站和下游屏山站的径流预报研究中来,预报结果同时给出置信水平和预报区间,并采用Sobol全局敏感性分析方法辨识了对金沙江汛期径流预报影响较大的因子集。建立的基于气候因子的高斯过程回归水文预报模型具有良好的预报效果,在汛期对径流预报有较大影响的因子为前期径流、降雨、湿度以及大西洋东部欧洲环流型、北大西洋振荡遥相关因子。(5)在水资源承载力评价研究中,针对以往模糊综合评价多采用主观方法确定各评价指标权重的诸多弊端,研究工作将信息熵理论客观权重法与层次分析主观权重法相结合,采用基于主客观组合权重的改进模糊可变模型,评价了水资源承载力等级。在选取评价标准时,为了避免在模糊决策方面广泛应用的最大隶属原则在极端情况下失效问题,研究工作引入了可处理不确定性问题的集对分析方法,通过集合间同异反分析,选用联系度系数描述集合间的贴近度。通过云南水资源系统实例计算并进行对比分析,表明该方法不但结构严谨,而且可信度较高。