气候变化背景下,流域水文循环加剧,极端水文事件频发。同时,全球经济快速发展已经带动地形和水文过程复杂的西藏地区,使西藏地区工农业迅速发展,人口快速增加。因此,深入研究西藏地区的水文过程成为一项重要而紧迫的任务。然而,西藏地区地貌高差大,伴随冻土、冰川和雪盖等水文过程。复杂的地形和水文过程对西藏地区的水文数据分析和水文模拟方法提出了更高的要求。分形理论在水文领域中的应用是有可能满足上述要求的一种研究思路。分形特征是水文序列的内在性质,但基于分形理论的研究方法在水文分析和模拟中的应用潜力尚未得到充分挖掘。本文以西藏地区典型小流域董古沟流域为主要研究对象,设置了多个水文、气象、土壤监测点,对监测数据进行了深入的分析,同时,构建了董古沟流域的水文模型,进一步研究董古沟流域的水文过程。本文的具体研究内容和成果如下:(1)用径流指标分析、相关分析和联合多重分形谱(JMS)对董古沟流域的水文、气象、土壤数据进行了深入的分析。由径流指标分析结果发现,在董古沟流域,雪盖和冻土的形成和消融是水文过程的重要组成部分。针对土壤湿度-土壤温度-降雨(SM-ST-P)时间序列的联合多重分形谱(JMS)分析很好地揭示了SM-ST-P时间序列的关系。SM-ST-P时间序列JMS季节分析结果还表明,JMS能够有效区分出有冻土过程的区域和时期。JMS分析在应对复杂水文要素关系时,能够进行深入而有效的分析。(2)建立了董古沟流域的DHSVM分布式水文模型,并对其进行了敏感性分析和多目标率定,使用的目标函数包括纳什效率系数E和它的两种变体(相对形式Erel和倒数形式Ein)。总体结果表明,DHSVM在董古沟流域的模拟效果整体良好,枯水期欠佳。敏感性分析的结果表明,对Ein敏感的参数主要包括温度递减率和土壤蓄水相关参数等;对E和Erel敏感的参数主要包括降雨截流叶面积加倍因子和蒸散发相关参数等。多目标率定结果表明,Ein能够最大限度地提高DHSVM在枯水期的模拟效果。(3)结合基于分形理论的新指标维数比(RD)与纳什效率系数(E),本文提出了E-RD多目标率定策略,并使用E-RD多目标率定策略对董古沟、兰江、湘江三个流域的HBV模型进行了多目标率定。结果表明E-RD多目标率定策略在三个案例中均能够显著提高HBV模型对各径流成分(快速流和基流)的模拟效果。此外,因为引入RD不对E的值产生过多负面影响,因而提出的E-RD多目标率定策略能够兼收两个指标的优点。(4)使用联合多重分形谱(JMS)分析了董古沟、兰江、湘江三个案例中水文模型的模拟效果。对6组构造数据和10组实际模拟结果的分析说明,JMS分析能够兼顾时间序列的各个部分,并且JMS分析能够直观地展现各部分的模拟效果,精准定位出模拟效果较差的部分。JMS分析的结果还表明,虽然DHSVM分布式模型和HBV集总式模型的模拟结果整体纳什效率系数相近,但DHSVM的细节模拟更为准确,更能适应地形复杂的山区小流域的应用。