第一章 绪论
1.1研究目的和意义
随着工业化和城市化的快速发展，水体污染愈来愈加严重，水环境质量不断恶化。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与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，必须深刻认识水资源演变规律，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一项十分重要的非工程措施，由于其预见期较长，高精度的预报成果对流域水资源的优化配置和高效利用具有极其重要的实际意义，使人们在解决防洪与抗旱、蓄水与弃水以及各部门用水之间的矛盾时，能够及时采取优化措施进行统筹安排，尽最大可能避免和减少损失，以便获取最大综合效益，实现人水和谐相处。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营力。
我国黄土高原地区水土流失现象非常严重，水土流失面积达 45.4×104km2，占黄土高原地区总面积的 71%，从 20 世纪 50 年代中期开始，国家对水土流失的治理力度不断加大，水土保持措施成为最主要的区域性人类活动之一。陕西省的陕北地区作为黄土高原水土流失治理的重点区域，采取的主要水土保持工程措施有人工造林、种草、修梯田和建淤积坝，伴随水土保持措施的深入实施，区域下垫面条件发生显著变化，由此导致天然状态下的降水径流关系遭受破坏，根据“陕西省水资源公报”，近年来陕北地区的多条河流的年径流量呈现出明显的减少趋势。
秃尾河是陕北地区黄河右岸的一级支流，流域水土流失面积 2965.3km2，约占流域总面积的 90%。作为陕北地区的重点治理流域之一，秃尾河流域内的水保措施实施时间较早，措施类型较多，且其规模和数量庞大，截止 2005 年底，流域已治理水土流失面积 1146km2，治理度为 38.6%，下垫面条件变化明显。因此本文以秃尾河流域作为典型研究区域，在探索流域径流演变规律的基础之上识别径流驱动力因子，寻求各项水保措施与径流变化之间的数理关系，量化水保措施对径流的影响量，从而建立适合秃尾河流域实际情况的中长期径流预报模型。
1.2 研究进展
1.2.1 研究现状
水文预报就是通过处理已知的水文气象等信息来预测预见期内的水文要素状态。中长期径流预报是指预见期较长，在降雨尚未发生之前所作出的径流预报（水利部水利信息中心 2000）。由于水文过程的复杂多变性，中长期径流预报一直是自然科学和应用技术领域内的一项研究难题，目前仍处于探索和发展阶段，河川径流的形成受气候因素和下垫面条件的共同影响，气候因素主要影响径流的来源——降水，下垫面条件则主要影响流域产汇流过程，以往的中长期径流预报研究很少考虑下垫面条件等因素的变化，导致预测精度偏低，模型通用性较差。
当前，应用于中长期水文预报的研究方法可以划分为成因分析法、水文统计法和现代预报方法。成因分析法和水文统计法属于传统预报方法，现代预报方法是近些年随着数学科学、生物科学和计算机科学等学科发展起来的新方法，例如人工神经网络、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
秃尾河流域地处鄂尔多斯盆地东部，地理坐标为东经 109°45′～110°35′，北纬38°10′～39°10′。流域涉及陕西省榆林市的榆阳区、神木县和佳县 3 县的 12 个乡镇，北部与窟野河流域相邻，南以佳芦河流域为界。2.1.1.2 河流水系秃尾河是黄河右岸的一级支流（高亚军等 2006），发源于陕西省神木县瑶镇乡宫泊海子，自西北向东南流经瑶镇、公草湾、古今滩、高家堡，于神木县万镇的河口岔村注入黄河（李占斌等 2001）。据《陕西省志 水利志》（陕西省地方志编纂委员会1999）记载，秃尾河汉代名圁水，亦名吐浑河，元代下游曾改名无定河，明代始称秃尾河，由于源出沙漠区，且支流稀少，故得“秃尾”之名，上源有二，西支圪丑沟，源自大海子，长 19.5km，流域面积 410km2，东支正源出于神木县西偏北部的宫泊海子，长 23.4km，流域面积 323km2，二源汇合始称秃尾河。秃尾河流域面积 3294km2，干流全长 139.6km，河道平均比降 3.16‰，两岸支流呈羽状分布，共有大小支流 24条，其中流域面积在 100km2以上的主要支流有宫泊沟、圪丑沟、古今滩沟、红柳沟、扎林川、洞川、乔岔滩沟、开荒川和盐沟等九条，流域水系分布见图 2-1。2.1.1.3 气象水文秃尾河流域地处中纬度干旱半干旱地区，属于大陆性季风气候区（高亚军2006）。
受地形和季风环流的制约，流域四季分明。春季干燥少雨，气温回升快而不稳定，多风沙天气；夏季炎热多雨，日温差大；秋季凉爽湿润，气温下降快；冬季寒冷干燥，降雪稀少，封冻期较长。流域内光热资源丰富，旱灾发生频率高，“十年九旱”是该流域气候的主要特点。根据神木县气象站观测的气象资料，流域多年平均气温 8℃，最高月（7 月份）平均气温 23.9℃，最低月（1 月份）平均气温-9.8℃，年平均日照 2871h，平均风速 2～3.6m/s，多年平均最大风速 19m/s，年平均无霜期 175 天，年平均冰封期 84 天，最大积雪深度 120mm，水温大于 15℃以上 150 天，年最大冻土深度 146cm。流域降水量自东南向北和西北递减，多年平均年降水量约 393mm，大部分地区介于 375～425mm 之间，多年平均汛期（6~10 月）降水量约占全年降水量的 80.8%，多年平均年水面蒸发量为 1120mm。
第三章 基于人工神经网络的径流预报...................................... 38-56
3.1 人工神经网络概述...................................... 38-39
3.1.1 概念及特点...................................... 38-39
3.1.2 分类...................................... 39
3.2 基本原理和算法...................................... 39-41
3.2.1 人工神经元...................................... 39-40
3.2.2 拓扑结构 ......................................40-41
3.2.3 学习规则...................................... 41
3.3 基于 BP 网络的中长期径流预报...................................... 41-49
3.4 基于 RBF 网络的径流预报 ......................................49-51
3.5 小结...................................... 51-56
第四章 基于支持向量机的径流预报...................................... 56-70
4.1 理论基础...................................... 56-57
4.2 SVM 及 LSSVM 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 LSSVM 的中长期径流预报...................................... 64-69
4.5 小结...................................... 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
5.2.2 GM（1,1）模型...................................... 71-72
5.3 GM（1,1）-SVM 组合模型......................................72-76
5.4 小结...................................... 76-77
结论
本文以受水土保持措施影响显著的秃尾河流域作为研究区域，在分析流域径流变化特征和识别流域径流驱动因子的基础上，采用传统的降水-径流相关法及现代非线性预报方法（人工神经网络方法的 BP 模型和 RBF 模型、支持向量机的SVM 模型和LSSVM 模型以及灰色支持向量机组合模型）建立了水土保持措施下的中长期径流预报模型，主要研究结论如下：
（1）流域多年平均年流量 11.1m3/s （径流总量 3.486 × 108m3，折合径流深107.2mm），均方差 =2.58，变差系数 C =0.23，偏态系数SC =0.46，径流年际变化不大，年内分配比较均匀。
（2）流域径流在 1978 年发生了显著突变，突变后的径流序列呈现明显下降趋势，突变前年平均流量 13.2m3/s，突变后年平均流量 9.19m3/s，相对突变前减少了30.4%，而且突变后的年内分配比突变前的年内分配均匀。
（3）根据建立的“基准期”降水-径流回归模型计算降水变化和水土保持措施对径流的影响量，从 20 世纪 70 年代末到 2005 年，降水因素对年径流影响所占比例从27.5%降低到 3.7%，对汛期径流影响所占比例从 43.7%降低到 11.3%，而水土保持措施对年径流影响所占比例从 72.5%上升到 96.3%，对汛期径流影响所占比例从 56.3%上升到 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）采用径流系数减少率作为分析流域不同时期水土保持措施对径流的影响量的量化指标。以 1956~1978 年作为流域基本未受水土保持措施影响的基准期，1979~2005年间在与基准期相似年降水条件下平均年径流量减少了 17.4%，在与基准期相似汛期降水条件下平均汛期径流量减少了 22.5%，随着水土保持措施的持续实施，流域径流量在降水相似的条件下逐渐减少，减小程度越来越大。