第1章绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
我国是农业大国，每年所开采水资源总量的70%应用于农业灌概，但是其中60%的水资源在运输过程中损耗，因此有效的农业水资源管理对建设节约型可持续发展社会起着决定性作用。本研究以国家水体污染控制与治理科技重大专项“三峡水库水污染防治与水华控制技术及工程示范”项目为依托，对三峡库区典型区域(香溪河流域）的水资源管理进行研究。香溪河是三峡工程大现上游长江上的第一条支流，三峡水库建成后香溪河流域转变为淹没区，其生态环境状况引人关注。三峡水库蓄水达到设计水位后，回水将长江汇合处的香溪河上段至上游白沙河河段淹没。受水库回水顶托影响，水位显著增加，流速变缓形成香溪河静水湾，导致该地区流域的水文水环境条件发生巨大变化。低流速使得水体复氧系统功能减弱，库湾水体与干流水体交换困难，自净能力减弱，不利于污染物的扩散和输移。另外，该地区农业非点源以及工业污染逐年增加，生活污水过度排放，导致流域水质恶化加剧，可利用水资源量大幅度下降。香溪河流域属构造地貌，均系高山半高山区，地处中亚热带过渡区，气候属于亚热带季风性湿润气候，春季冷暖交替多变，雨水颇丰。流域水土流失较严重，以兴山县为例，全县水土流失面积达1122.5km2，占全县总面积的61%，年均侵蚀模数为6488t/km2，属强度侵蚀区。2002年底，全县总人口为39.4万人，其中农业人口为33.3万人。农业是姊归县的基础和支柱产业，2002年全县粮食产量11.13万吨，全年实现种植业产值（2002年不变价）2.19亿元。农民人均纯收入1705元。但是，香溪河流域农业灌溉管理中仍存在许多问题，如耕地与水资源时空分布不均衡导致主要耕地区域灌溉用水短缺；农产品需求量不断提高，农业用水比重却逐年下降使得农业生产缺水加剧；灌溉方式不合理以及节水措施普及力度不够导致区域灌溉用水利用效率低下；农业灌溉规划和管理不合理造成灌概区的运营效益逐年递减等。
虽然香溪河流域水资源相对较为丰富，但由于水质的不断恶化以及无节制无规划的开采，导致当地水资源分配不均，局部以农业为主要产业的区域由于缺水而直接导致农业产值降低，造成一定的社会经济损失。因此本研究主要针对当地的农业水资源管理系统，力求在有限的水资源供给条件下尽量满足农业耕作的产值最大化，为管理者提供相关的技术支持。在常规水资源分配中，决策者通常需要对水资源可利用量进行初步估计，然后依次确定分配到各用水户的水量并制定水资源分配方案。因此，可利用的水资源量在水资源分配过程中起着重要的作用，对决策者制定的决策方案有着直接的影响，而对可利用水资源量进行准确预测则是科学合理地进行水资源优化配置的前提和基础。由于水资源可利用量与流域的气候、地形、土地利用以及土壤属性等多重因素有关，具有较大的波动及不确定性，所以对水资源可利用量的准确估计是水资源管理研究中的一个难点。本研究拟采用水文模塑对流域降雨径流进行预报，得到较为准确的径流量为水资源管理提供科学依据。虽然存在多种径流量预测方法，如时间序列法、物理法等，但水文模型可以更加准确的模拟降雨一蒸发一地表水一土壤水相互转化的过程，揭示流域内降雨径流的空间分布和储存形态。因此本文选择SWAT分布式水文模型对规划期内可利用水资源量进行预测，以期为香溪河流域农业水资源管理提供良好的前提与保证。
1.2分布式水文模型的研究进展
水文模型是将水文过程概化为数学描述来研究水文规律，为水资源合理配置提供依据的一种工具。流域水文模型最早于20世纪50-60年代提出，用以研究不同时空尺度上的水循环变化规律，之后又出现了集总式水文模型和分布式水文模型。具有代表性和使用价值的流域水文模型有Stanford模型、Sacrament模型、Tank模型、Boughton模型以及我国的新安江模型等。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对水文过程进行模拟，分布参数具有严格物理基础，模拟时需将流域划分成多个小网格单元，认为每个网格单元的水力学特征和水流分布各不相同，计算流域径流过程时需要考虑水流在每个小单元体内的纵向运动以及横向的水量交换。分布式水文模型基于单元水文物理的支持，通过输入各个水文单元的水参数及变量的时空变化特征来揭示流域内的水文变化规律。此外，通过采用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等现代化技术，可以准确快速地获取支持模型运行的空间信息并有效地对其进行分类整理。例如，可以直接通过流域的数字高程模型提取河网水系、坡向以及坡度等地形信息；基于GIS软件可以更好地分析、管理、存储和显示流域内的水文气象及下垫面特征信息和数据等。因此，基于现代信息技术的支持，分布式水文模型能够更加详细地概化流域内水文特征并准确预测其变化趋势，是未来水文学研究的重点之一。
第2章研究方法
2.1 SWAT模型概述
20世纪90年代，美国农业部的AranM将SWRRB模型与河道演算ROTO模型稱合形成SWAT模型。至今为止，SWAT模型已经过多次改进和完善，尤其是通过与GIS相结合，大幅度提高了参数提取、数据库管理以及结果表达的效率。SWAT模型是一种流域尺度的分布式水文模型，对水文循环包含的各要素变化过程进行分析和模拟。根据逐日连续的历史数据及空间分布式参数，将流域划分成多个子流域构成水文响应单元，各个网格单元独立计算物质循环及其关系，完成各子流域分布式产流计算，然后进行汇流演算，求得流域的水量平衡要素。模型包含陆面水文过程和水面汇流过程两部分，其中陆面水文过程考虑了水文、气象、土壤类型以及植被覆盖等8个模块对水循环系统的影响，水面汇流模拟则通过水库水量平衡和河道径流演算2个模块完成流域水文循环过程中物质输移的模拟。SWAT模型不仅可以对水循环的过程进行分析和模拟，也可用于研究流域土壤、植被、大气等环境要素的变化对水文循环的影响。SWAT模型运行流程主要如图1所示：输入研究区域的DEM数字高程图，通过对研究区的地形数据进行分析自动识别出模拟的流域范围，然后将流域离散成多个子流域，由此确定河网结构并计算出子流域的相关参数。在此基础上，根据输入的土壤类型以及植被覆盖等下垫面特征数据库的综合分析，将各子流域进一步划分为多个水文响应单元（HRU)。分别输入各个HRU的气象数据、水库或其他水文气象特征参数，逐步计算每个HRU的径流量，再通过汇流推算得出各子流域以及整个流域的出口断面流量。
第3章基于SWAT模型旳香溪河水文预报........24
3.1数据准备........24
3.2参数敏感性分析........37
3.3模型率定和验证........37
3. 3. 1参数率定........37
3. 3. 2模型率定结果与评价........40
3. 3. 3模型验证结果与评价........44
3.4流域水文预测........46
第4章基于水文预报的香溪河流域........49
4.1数据准备........49
4.2模型的建立........53
4.3结果分析........54
4.4模型对比分析........60
第5章结论与展望........62
5.1结论........62
5.2展望与不足........63
结论
本文首先选用SWAT分布式水文模型对香溪河流域未来五年（2012-2016)的出口断面进行了预测，为流域农业水资源管理提供较为精确地水量数据资料。在此基础上开发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（ITSOM)，有效地解决了当地农业水资源优化分配问题，为决策者提供了可靠的技术支持。总体来说，本研究的创新和成果可以归纳为以下几个方面：
(1)对香溪河流域的水文气象、DEM、土壤类型以及土地利用等原始数据进行了一系列数学插值、归纳统计等处理，剔除了错误信息，使其能够满足模型的输入要求且更加精确。
(2)结合ArcGIS将香溪河流域土壤类型、土地利用等原始图鉴进行拼接和数字化，并赋值到对应的流域空间。根据流域实际情况对SWAT模型原有的土壤属性和土地利用数据库进行了重分类和编码转换，建立了香溪河土壤类型和土地利用方式数据库。
(3)通过对香溪河流域数字高程图DEM进行地形分析，提取流域水系并将其数字化，建立了香溪河流域的河网体系，并将流域离散为31个子流域。
(4)釆用LH-OAT灵敏度分析法对SWAT模型输入参数进行了敏感性分析，结合流域的实际情况得出了 7个对模拟结果影响较大的参数。
(5)分别利用香溪河兴山县水文站1991-2007年和2008-2010年的实测逐口径流资料对SWAT模型进行参数率定和验证，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，因此认为SWAT模型能很好地概化研究区的参数，准确描述研究区的水文过程，适用于香溪河流域。
(6)在土地利用/植被覆盖、土壤类型、DEM等数据库不变的假设条件下，采用SWAT模型自带的WXGEN天气；发生器对输入模型的长序列水文气象资料进行了统计分析。遵循各个气象参数随时间的改变呈现随机性和弱稳定性的数理统计原贝IJ，对未来五年的气象条件进行了合理的预测。在此基础上给出了未来五年内香溪河流域31个子流域逐日各出口断面流量的预测值。
(7)针对香溪河流域水资源优化配置存在的各种不确定性因素，引入“函数E间”这一概念，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)，并给出了相应解法。
参考文献
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