地表水与地下水常常存在着密切的水力联系,地表水的变化会影响地下水,反之亦然。单独开展地表水数值模拟或地下水数值模拟,均不能全面刻画流域水流的运移和分布,无法有效解决地表水地下水联合调度及合理配置问题。以流域为分析平台,建立基于水文循环物理机制的地表水地下水耦合模拟模型,不仅能够全面刻画流域水流的运移和分布规律,还能够实现流域水资源的整合分析及统一规划。全球气候变化会影响局部地区大气降水的时空分布。大气降水是水文循环过程中一个重要环节,它的变化直接影响流域地表水径流量和地下水补给量,极端降水事件还会引发流域洪涝、干旱等水文灾害事件的发生。因此,有必要开展全球气候变化对局地大气降水量变化影响的研究。在此基础上,结合地表水地下水耦合模拟模型,预报并分析流域未来降水量变化对地表水地下水所产生的综合影响,从而能够为流域水资源合理开发提供科学依据,具有重要的理论和实际意义。受地表水力参数、水文地质参数的随机变化影响,地表水地下水耦合模拟模型的输出结果具有不确定性。若不加以考虑,将难以评估模型输出结果的可靠程度。因此,有必要开展地表水地下水耦合模拟模型的不确定性分析研究,分析耦合模型参数的随机变化对耦合模型输出结果的影响。在不确定性分析过程中,需要反复多次调用地表水地下水耦合模拟模型,这会产生庞大的计算负荷和冗长的计算时间。建立地表水地下水耦合模拟模型的替代模型是解决这一问题的有效途径。与模拟模型本身相比,替代模型既能大幅度地减少计算负荷,又能保持较好的计算精度。本文研究应用核极限学习机法及线性加权和法建立地表水地下水耦合模拟模型的替代模型。本文以整个浑河流域为研究区,通过地表水地下水耦合模拟模型、灵敏度分析、替代模型、大气环流模型、统计降尺度模型和不确定性分析等理论和方法的综合应用,对研究区地表水地下水水流进行耦合模拟与预报,分析研究区地表水地下水对全球气候变化的响应。对研究区地表水地下水耦合模拟模型中敏感参数的取值范围和概率分布进行反演识别。在此基础上,对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,分析耦合模型敏感参数的随机变化对耦合模型预报结果的影响。首先,通过野外现场调查、动态监测和地表水地下水相关资料的收集与整理,分析确定浑河流域地表水地下水运移特征。对研究区水文及水文地质条件做出合理地概化,建立研究区地表水地下水耦合模拟概念模型,进而建立研究区地表水地下水耦合模拟数学模型。应用HydroGeoSphere软件对所建立的地表水地下水耦合模拟模型进行并行同步求解,即地表水模型、地下水模型以及二者耦合方程的并行同步求解。运用野外地表水地下水实际同步观测数据,对所建立的耦合模型进行校正和检验。其次,根据NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的气候再分析资料,采用统计降尺度方法建立了描述大气环流因子与研究区降水量之间关系的统计降尺度模型。根据大气环流模型CanESM2(the second generation Canadian Earth System Model)提供的未来气候情景数据,运用所建立的统计降尺度模型预报了全球气候变化影响下研究区未来降水量的变化情况。基于研究区降水量预报结果,运用建立好的地表水地下水耦合模拟模型,预报研究区未来地表水径流量和地下水水位的变化情况。然后,运用局部灵敏度分析方法,筛选出研究区地表水地下水耦合模拟模型中对耦合模型输出结果影响最大的参数,将其作为敏感参数并视为随机变量。研究应用拉丁超立方抽样方法在随机变量的可行域内进行抽样,将抽样结果作为模型输入代入研究区地表水地下水耦合模拟模型,通过运转耦合模型得到相应的模型输出,进而构成输入-输出数据集。根据输入-输出数据集,分别应用核极限学习机法、克里格法和支持向量回归法建立了研究区地表水地下水耦合模拟模型的替代模型,并采用线性加权和法建立了包括核极限学习机替代模型在内的组合替代模型。采用遗传算法对组合替代模型中各单一替代模型的权重取值进行优化。通过对比分析三个单一替代模型和组合替代模型对耦合模型的逼近精度,甄选出精度最优的替代模型。最后,根据地表水径流量实测值与模拟值的相对误差以及地下水水位实测值与模拟值的绝对误差,建立似然函数。研究应用广义似然不确定性估计方法反演识别研究区地表水地下水耦合模拟模型中敏感参数的取值范围和概率分布。在此基础上,应用蒙特卡罗方法对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,分析耦合模型敏感参数的随机变化对耦合模型预报结果的影响。基于以上研究,得出如下主要结论:(1)根据收集到的浑河流域地表水和地下水实测资料,经过模型的校正和检验,地表水和地下水的模拟值与实测值拟合状况较好,所建立的地表水地下水耦合模拟模型符合浑河流域实际情况,可以运用其预报某种情景方案下地表水和地下水的响应变化情况。(2)应用统计降尺度方法建立了统计降尺度模型,经校正和检验拟合效果较好。预报结果表明:受全球气候变化的影响,浑河流域未来降水量略有增大的趋势。在预报期后期,年降水量变化幅度增大。(3)综合应用大气环流模型、统计降尺度模型和地表水地下水耦合模拟模型,预报并分析了全球气候变化影响下,浑河流域未来降水量变化对地表水径流量和地下水水位所产生的影响。预报结果表明:浑河流域未来地表水径流量和地下水水位均有增大的趋势。山区地下水水位增大的幅度明显高于平原区。(4)不同替代模型精度分析的结果表明:组合替代模型的精度明显高于其他三种单一替代模型,说明组合替代模型对地表水地下水耦合模拟模型具有更好的逼近精度。对于不同的实际问题,甄选出来的组合替代模型也会有所不同。(5)应用广义似然不确定性估计方法识别出了浑河流域地表水地下水耦合模拟模型中敏感参数的取值范围和概率分布。应用蒙特卡罗方法,分析了敏感参数的随机变化对耦合模型输出结果的影响,获得了浑河流域地表水地下水耦合模拟模型预报结果的统计特征以及不同置信水平下的置信区间,能够为开发利用方案的可靠性分析和风险分析提供科学依据。