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35960字硕士毕业论文基于SWAT模型的香溪河流域农业水资源分布研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:35960字
论点:水文,流域,模型
论文概述:

本研究拟运用分布式水文模型SWAT,基于香溪河流域30m的DEM对流域水系进行划分,构建数字子流域并生成水文响应单元,然后以每个水文响应单元为单位对降雨径流及水文产汇流过程进行模拟。

论文正文:

第一章引言

1.1项目背景和研究目的及意义
中国是一个农业大国。每年开采的总水资源的70%用于农业灌溉,但60%的水资源在运输过程中流失。因此,农业水资源的有效管理对建设节约型和可持续社会具有决定性作用。本研究以国家重大水污染控制与管理科技项目“三峡库区水污染防治与水华控制技术及工程示范”项目为基础,研究三峡库区(香溪河流域)典型区域的水资源管理。香溪河是长江三峡工程上游的第一条支流。三峡水库建成后,香溪河流域变成了洪水泛滥区,其生态环境引起了人们的关注。三峡水库蓄水达到设计水位后,回水将从长江交汇处的香溪河淹没白沙河上游。受水库顶推回水影响,水位明显升高,流速减慢,形成香溪河静态进水口,导致该地区流域水文水环境条件发生较大变化。低流速削弱了水复氧系统的功能,使库湾水体难以与主流水体交换,削弱了自净能力,不利于污染物的扩散和输送。此外,该地区农业非点源和工业污染逐年增加,生活污水排放过多,导致流域水质恶化,可利用水资源量大幅减少。香溪河流域是一个构造地貌,既有高山又有半高山。它位于中亚热带的过渡地带。气候属亚热带季风湿润气候。温度和温度在春天交替变化,雨量充沛。流域水土流失相对严重。以兴山县为例,全县水土流失面积为1122.5km2,占全县总面积的61%。年均侵蚀模数为6488t/km2,是一个强侵蚀区。截至2002年底,该县总人口为394,000人,其中333,000人务农。农业是秭归县的基础和支柱产业。2002年,全县粮食产量为113,300吨,年产值(2002年不变)为2.19亿元。农民人均纯收入1705元。然而,香溪河流域农业灌溉管理仍存在许多问题。例如,耕地和水资源分布不均空导致主要耕地地区灌溉用水短缺。对农产品的需求不断增加,但农业用水量的比重却在逐年下降,这使得农业生产中的缺水问题更加严重。灌溉方式不合理,节水措施推广不足,导致区域灌溉用水效率低下。农业灌溉的不合理规划和管理导致灌区运行效益逐年下降。
虽然香溪河流域水资源相对丰富,但由于水质不断恶化和无节制、无计划的开发,当地水资源分布不均,一些以农业为主要产业的地区农业产值因缺水而直接下降,造成一定的社会和经济损失。因此,本研究主要针对当地农业水资源管理系统,试图在有限的水资源供应条件下实现农业生产的产值最大化,并为管理者提供相关的技术支持。在传统的水资源配置中,决策者通常需要对可用的水资源进行初步估计,然后依次确定分配给每个用户的水量,并制定水资源配置计划。因此,水资源的可利用量在水资源配置过程中起着重要的作用,并直接影响决策者制定的决策计划。准确预测可利用水资源量是科学合理优化配置水资源的前提和基础。由于与流域气候、地形、土地利用和土壤性质相关的水资源可利用性的波动性和不确定性较大,准确估算水资源可利用性是水资源管理研究的难点。本研究提出利用水文模型预测流域降雨径流,以获得更准确的径流,为水资源管理提供科学依据。尽管有很多径流预测方法,如时间序列法和物理法,水文模型能更准确地模拟降雨-蒸发-地表水-土壤水转化过程,揭示流域降雨径流的空分布和储存模式。因此,本文选择SWAT分布式水文模型预测规划期内的可利用水资源量,为香溪河流域农业水资源管理提供良好的前提和保障。

1.2分布式水文模型研究进展
水文模型是将水文过程概化为数学描述的工具,用于研究水文规律,为水资源的合理配置提供依据。流域水文模型最早是在20世纪50-60年代提出来研究不同尺度空下水循环变化规律的,随后出现了集总水文模型和分布式水文模型。具有代表性和实用性的流域水文模型包括斯坦福模型、萨克拉门托模型、坦克模型、鲍顿模型和新安江模型。随着计算机和3S技术的发展,分布式水文模型得到了充分的改进和应用。分布式水文模型基于流域尺度模拟水文过程。分布参数有严格的物理基础。在模拟过程中,流域应被分成多个小网格单元。认为各网格单元的水力特性和流量分布是不同的。在计算流域径流过程时,应考虑各小单元水流的纵向运动和水平水量交换。分布式水文模型以单元水文物理为支撑,通过输入各水文单元水参数和变量的时间空变化特征,揭示流域水文变化规律。此外,通过采用遥感和地理信息系统等现代技术,可以准确、快速地获取空支持模型运行的信息并进行有效分类。例如,可以通过流域的数字高程模型直接提取河网水系、坡向和坡度等地形信息。基于地理信息系统的软件可以更好地分析、管理、存储和显示流域的水文和气象信息以及下垫面特征信息和数据。因此,在现代信息技术的支持下,分布式水文模型能够更详细地概括流域水文特征,准确预测其变化趋势,是未来水文研究的重点之一。

第二章研究方法

2.1 SWAT模型概述
20世纪90年代,美国农业部的阿兰姆将SWRRB模型与ROTO模型相结合,用于河道布线,形成了SWAT模型。到目前为止,SWAT模型已经得到了许多改进和完善,特别是通过与地理信息系统的结合,大大提高了参数提取、数据库管理和结果表达的效率。SWAT模型是流域尺度上的分布式水文模型,它分析和模拟水文循环中各种元素的变化过程。根据日连续历史数据和空之间的分布参数,将流域划分为多个子流域,形成水文响应单元,每个网格单元独立计算物质循环及其关系,完成每个子流域的分布式产流计算,然后进行汇流计算,得到流域水平衡要素。该模型由两部分组成:陆面水文过程和水面径流过程。地表水文过程考虑了水文、气象、土壤类型和植被覆盖等8个模块对水循环系统的影响,而地表径流模拟通过水库水量平衡和河流径流计算2个模块完成了流域水文循环中物质输运的模拟。SWAT模型不仅可以分析和模拟水循环过程,还可以用来研究土壤、植被、大气等环境因素的变化对水循环的影响。SWAT模型的操作流程主要如图1所示:输入研究区数字高程图,通过分析研究区地形数据自动识别模拟流域范围,然后将流域划分为若干子流域,从而确定河网结构,计算子流域的相关参数。在此基础上,根据对输入土壤类型和植被覆盖等下垫面特征数据库的综合分析,将每个子流域进一步划分为多个水文响应单元(HRU)。分别输入各HRU的气象数据、水库或其他水文气象特征参数,逐级计算各HRU径流,然后通过汇流计算各子流域和全流域的出口断面流量。

第三章基于SWAT模型的香溪河水文预报........24
3.1数据准备........24
3.2参数灵敏度分析........37
3.3模型校准和验证........37
3.3.1参数校准........37
3。3.2模型速率的确定和评估........40 [/BR/] 3.3.3模型验证结果和评估........44[/比尔/] 3.4水文预报........46 [/BR/]第四章基于水文预报的香溪河流域........49[/比尔/] 4.1数据准备........49[/比尔/] 4.2模型建立........53
4.3结果分析........54
4.4模型比较分析........60
第5章结论和展望........62
5.1结论........62
5.2前景和不足........63

结论

首先,选择SWAT分布式水文模型预测香溪河流域未来5年(2012-2016年)的出口部段,为流域农业水资源管理提供更准确的水量数据。在此基础上,建立了适用于香溪河流域农业水资源管理的两阶段随机区间半无限优化模型,有效解决了当地农业水资源的优化配置问题,为决策者提供了可靠的技术支持。总体而言,本研究的创新点和成果可概括如下:
(1)对香溪河流域的水文气象、数字高程模型、土壤类型和土地利用等原始数据进行了一系列的数学插值、归纳和统计。,消除了错误信息,从而能够满足模型的输入要求,更加准确。
(2)结合ArcGIS,将香溪河流域土壤类型、土地利用等原始地图拼接数字化,并分配到相应的流域空。根据流域实际情况,对SWAT模型的原始土壤性质和土地利用数据库进行了重新分类和编码,建立了香溪河土壤类型和土地利用数据库。
(3)通过对香溪河流域数字高程图数字高程模型的地形分析,对河流系统进行提取和数字化,建立香溪河流域河网系统,并将其划分为31个子流域。采用
(4) LH-OAT灵敏度分析法对SWAT模型输入参数的灵敏度进行了分析,根据流域实际情况,得到了对仿真结果有较大影响的7个参数。
(5)利用香溪河兴山水文站1991-2007年和2008-2010年实测流量资料对SWAT模型进行了标定和验证。结果表明,相对误差、模型效率系数和相关系数均在可接受水平。因此,SWAT模型能够很好地概括研究区的参数,准确描述研究区的水文过程,适用于香溪河流域。
(6)假设土地利用/植被覆盖、土壤类型、数字高程模型等数据库。不变,采用SWAT模型内置WXGEN天气;发电机对输入模型的长序列水文气象数据进行统计分析。原始北京的数理统计表明,随着时间的推移,各种气象参数具有随机性和弱稳定性,据此可以合理预测未来五年的气象条件。在此基础上,给出了香溪河流域31个子流域未来5年各出口断面日流量预测。
(7)针对香溪河流域水资源优化配置中的各种不确定因素,引入了“函数E区间”的概念,提出了适用于流域农业水资源管理的两阶段随机区间半无限优化模型(ITSOM),并给出了相应的解决方案。

参考
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