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40000字硕士毕业论文水土保持战略下的中长期径流预测研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:40000字
论点:径流,流域,预报
论文概述:

通过本文的研究,一方面可以揭示受水土保持措施影响的流域径流演变规律,为精确预测人类活动影响下的中长期径流提供新思路,另一方面可以为流域水资源的合理开发利用和水土保持措施效

论文正文:

第一章导言

1.1研究目的和意义
随着工业化和城市化的快速发展,水污染越来越严重,水环境质量日益恶化。因此,洪涝灾害、干旱缺水和水环境污染三大水资源问题日益成为制约我国社会经济和生态环境和谐可持续发展的重要制约因素。为了解决日益突出的水资源问题,为人类社会、经济和生态环境的健康发展提供水资源保障,必须深刻理解水资源演变规律,进而对水资源进行科学管理、合理开发、高效利用和有效保护。中长期径流预报是水资源开发利用中非常重要的非工程措施。由于其预测周期长、预测结果精度高,对流域水资源的优化配置和高效利用具有极其重要的现实意义,人们在解决防洪抗旱、蓄水废水、各部门用水的矛盾时,可以及时采取优化措施进行统筹安排,尽量避免和减少损失,从而获得最大的综合效益,实现人水和谐共处。随着社会经济的快速发展,人类活动已经成为影响水文过程的强大力量。
中国黄土高原地区水土流失现象十分严重。水土流失面积达45.4×104km2,占黄土高原地区总面积的71%。自20世纪50年代中期以来,国家加大了水土流失治理力度,水土保持措施已成为区域人类最重要的活动之一。陕西省陕北地区作为黄土高原水土流失治理的重点地区,采取了人工造林、种草、梯田、淤地坝建设等重大水土保持工程措施。随着水土保持措施的深入实施,该地区的下垫面条件发生了显著变化,从而对自然条件下降水与径流的关系造成了破坏。根据《陕西水资源公报》,近年来陕北地区几条河流的年径流量呈明显下降趋势。
土围河是陕北黄河右岸的一级支流,水土流失面积2965.3km2,约占流域总面积的90%。土围河流域作为陕北的重点流域之一,水土保持措施实施较早,措施种类繁多,规模和数量巨大。截至2005年底,流域水土流失面积控制在1146km2,控制度为38.6%,下垫面条件发生明显变化。因此,本文以团尾河流域为典型研究区域,在探索流域径流演变规律的基础上识别径流驱动因素,寻求各种水土保持措施与径流变化之间的数学关系,量化水土保持措施对径流的影响,从而建立适合团尾河流域实际情况的中长期径流预测模型。

1.2研究进展

1.2.1研究现状
水文预报是通过处理已知的水文和气象信息来预测预报期内水文要素的状态。中长期径流预报是指在降雨发生前进行的长期预报(水利部水资源信息中心2000)。由于水文过程的复杂性和变异性,中长期径流预报一直是自然科学和应用技术领域的研究课题。它仍处于探索和发展阶段。河流径流的形成受气候因素和下垫面条件的影响。气候因素主要影响径流-降水的来源,而下垫面条件主要影响流域产汇流过程。以往的中长期径流预测研究很少考虑下垫面条件和其他因素的变化,导致预测精度低和模型通用性差。
目前,应用于中长期水文预报的研究方法可分为遗传分析、水文统计和现代预报方法。原因分析和水文统计属于传统的预测方法。现代预测方法是近年来随着数学科学、生物科学、计算机科学等学科发展起来的新方法,如人工神经网络灰色系统理论、支持向量机等理论和方法。

第二章流域概况及径流特征分析

2.1流域概况
团尾河流域位于鄂尔多斯盆地东部,地理坐标为东经109° 45′-110° 35′,北纬38° 10′-39° 10′,流域覆盖陕西省榆林市榆阳区、神木县和郏县12个乡镇。北部毗邻库耶河流域,南部以贾鲁河流域为界。2.1.1.2水系的土围河是黄河右岸的一级支流(高亚军等,2006)。它发源于陕西省神木县姚镇乡贡博海子,从西北向东南流经姚镇、贡草湾、古津滩和高家堡。它在神木县万镇河口岔村注入黄河(李占斌等,2001)。根据《陕西水资源志》(陕西地方志编纂委员会1999年),吐蕃河在汉代也被命名为吐蕃河。元朝的下游改名为武定河。团委河最早是在明朝命名的。由于它的沙漠起源和很少的支流,土围河被命名为“土围河”。上源2处,西支葛洲沟,发源于大海子,长19.5公里,集水区410平方公里。东支源于神木县西北部的宫保海子,长23.4公里,集水面积323平方公里。两个源头汇合,土围河流域面积3294km2,干流全长139.6km,河道平均坡度为3.16‰,两岸支流呈羽状分布,共有大小支流24条。其中,流域面积100平方公里以上的主要支流有贡布沟、葛洲沟、古晋塘沟、刘宏沟、闸林川、东川、桥茶塘沟、开荒川、盐沟等九条支流。流域水系分布见图2-1。2.1.1.3土围河流域的气象水文位于中纬度干旱半干旱地区,属于大陆季风气候区(高亚军,2006年)。
受地形和季风环流的限制,该盆地有四个不同的季节。春天干燥多雨,气温上升迅速但不稳定,多风多尘。夏季炎热多雨,日温差大。秋天凉爽潮湿,气温迅速下降。冬天寒冷干燥,降雪稀少,冰冻期较长。该盆地光热资源丰富,干旱频繁。“十年九旱”是盆地气候的主要特征。根据神木县气象站观测的气象资料,流域年平均气温8℃,最高月(7月)平均气温23.9℃,最低月(1月)平均气温-9.8℃,年平均日照2871小时,平均风速2 ~ 3.6米/秒,年平均最大风速19米/秒,年平均无霜期175天,年平均冰冻期84天, 最大积雪深度为120毫米,水温超过15℃达150天,年最大冻土深度为146厘米。 盆地降水由东南向北方和西北减少,多年平均年降水量为393毫米,大部分地区为375 ~ 425毫米至425毫米。汛期(6-10月)年平均降水量占年降水量的80.8%,年平均蒸发量为1120毫米

基于人工神经网络的
第三章径流预测.............................................38-56
3.1人工神经网络概述.............................................38-39
3.1.1概念和特征.............................................38-39
3.1.2分类.............................................39
3.2基本原则和算法.............................................39-41[/溴/] 3.2.1人工神经元.............................................39-40
3.2.2拓扑.............................................40-41
3.2.3学习规则.............................................41
3.3基于BP网络的中长期径流预测.............................................41-49
3.4基于径向基函数网络的径流预测.............................................49-51
3.5摘要.............................................51-56
第四章基于支持向量机的径流预测.............................................56-70
4.1理论基础.............................................56-57
4.2 SVM和最小二乘支持向量机回归算法.............................................57-59
4.3基于SVM的中长期径流预报.............................................59-64
4.4基于最小二乘支持向量机的中长期径流预测.............................................64-69
4.5摘要.............................................69-70
第五章中长期径流预报.............................................70-77
5.1灰色系统简介.............................................70
5.2灰色动态预测模型.............................................70-72
5.2.1数学原理.............................................70-71[/溴/] 5.2.2通用汽车(1,1)型号.............................................71-72[/溴/] 5.3克(1,1)-SVM组合模型.............................................72-76
5.4概述.............................................76-77

结论

以水土保持措施影响较大的土围河流域为研究区域。在分析径流变化特征和识别流域径流驱动因素的基础上,采用传统的降雨径流相关方法和现代非线性预测方法(人工神经网络方法的BP模型和径向基函数模型、支持向量机的SVM模型和最小二乘支持向量机模型以及灰色支持向量机组合模型)建立水土保持措施下的中长期径流预测模型。研究的主要结论如下:
(1)流域年平均年流量为11.1m3/s(总径流量为3.486 × 108m3,等效径流深度为107.2mm),均方差= 2.58,变异系数C =0.23,偏度系数SC =0.46,年径流量变化不大,年内分布相对均匀。
(2)1978年流域径流发生了巨大变化。变化后的径流序列呈显著下降趋势。变更前的平均流量为13.2m3/s,变更后的平均流量为9.19m3/s,比变更前低30.4%。此外,变化后一年的分布比变化前更加均匀。
(3)根据建立的“基期”降水径流回归模型,计算了降水变化和水土保持措施对径流的影响。从20世纪70年代末到2005年,降水因子在年径流中的比例从27.5%下降到3.7%,降水因子在汛期径流中的比例从43.7%下降到11.3%。然而,水土保持措施对年径流的影响从72.5%增加到96.3%,对汛期径流的影响从56.3%增加到88.7%。以林地为主的水土保持措施对流域径流的影响越来越大。
(4)径流系数减幅作为定量指标,分析了水土保持措施对流域不同时期径流的影响。以1956-1978年为流域基本不受水土保持措施影响的基本时期,汛期降水与基本时期相似的情况下,年平均径流量减少17.4%,与基本时期相似的情况下,年平均径流量减少22.5%。随着水土保持措施的不断实施,流域径流量在与基础期相似的降水条件下逐渐减少,减少程度越来越大。