图们江流域SWAT模型的构建及其参数敏感性分析

为科学评估与合理优化图们江流域水资源，以图们江流域(中国一侧)1995年～2019实测气象水文数据为基础，应用ArcGIS 10.2建立了SWAT水文模型，对流域2000年～2019年月径流过程进行模拟。基于SWAT-CUP中的SUFI-2算法对模型输入的参数进行敏感性分析和率定校准，并探讨了模型在图们江流域的适用性。结果表明，对所构建模型模拟效果影响最大的参数为CN2、ALPHA＿BF、SLSUBBSN;率定期的确定系数R²=0.88,效率系数NSE=0.74;验证期的确定系数R²=0.83,效率系数NSE=0.66,两个时期的百分比偏差PBIAS<25%,均方根差与标准偏差的比值RSR均小于0.6。     

基于SWAT模型的北江飞来峡流域径流模拟

为满足北江飞来峡流域非点源污染负荷核算需要,利用SWAT模型对研究区1969-2011年日径流过程进行模拟。基于飞来峡流域水文、气象、地形、土地利用和土壤类型等资料构建SWAT径流模型,并运用SWAT-CUP中的SUFI-2方法对模型中的14个径流参数进行敏感性分析及参数率定,再进行径流模拟效果定量评价。结果表明:对径流过程有显著影响的参数主要为SCS径流曲线系数、主河道曼宁系数、地下水滞后系数以及地表径流滞后时间等;日径流率定期和验证期的效率系数均为0.83,相对误差分别为1.40%和0.58%,且大部分模拟数据落在不确定性区间内,模拟结果的不确定性较小,表明所构建的SWAT径流模型具有较高的精度,在北江飞来峡流域适用性良好。     

子流域划分对SWAT模型模拟结果的影响研究

基于分布式水文模型SWAT,选择三峡库区支流大宁河为研究区域,在不同的子流域划分数量条件下,进行流域径流、泥沙以及营养物模拟计算,进而分析子流域划分对模拟结果的影响。研究结果表明:1不同子流划分方案对SWAT模型模拟结果存在直接影响。对于所研究流域,径流、TN和TP受到的影响较小,泥沙受到的影响较大。2为体现流域的真实河网水系特征,保证模拟效果,子流域划分个数不宜过少或过多。3在不同流域,子流域划分数目对径流、泥沙和营养物的变化趋势影响不同,不可同一而论。4推荐大宁河的子流域划分个数为37~121个。     

目标函数对滦河流域SWAT模型径流模拟不确定性的影响

针对水文模型参数和径流模拟结果不确定性问题,选取2Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)、改进的决定系数(R_m²)、相对误差(PBIAS)、Kling-Gupta效率系数(KGE)4种目标函数,对构建的滦河流域潘家口水库上游SWAT模型进行参数率定及验证,分析了不同目标函数下模型参数的敏感性差异及径流模拟的不确定性。结果表明：参数敏感性会随迭代次数增加和抽样范围变化发生改变,不同目标函数下率定的参数范围和最优值显著不同;NSE和KGE作为目标函数在各站点径流模拟中更稳健,分别表现出较高的模拟精度和较低的模拟不确定性。     

基于CMADS驱动下SWAT模型的敖江流域径流模拟

目前针对气象、水文资料不足的小尺度流域进行径流模拟的研究相对较少。选取敖江流域为研究区,利用中国大气同化驱动数据集(CMADS)驱动SWAT模型对该流域2008—2016年进行逐月径流模拟,并使用水文比拟法结合邻近的2个传统气象站计算出模拟时段的观测数据以完成模型参数的率定与验证。结果表明:模拟结果与观测值较吻合,率定期(2010—2013年)评价指标决定系数R²和Nash-Suttcliffe系数NS分别为0.84和0.76,验证期(2014—2016年)两者分别为0.85和0.74,均达到了模型的评价要求。研究成果表明CMADS驱动下的SWAT模型适用敖江流域的径流模拟,采用水文比拟法适合在水文资料不足的地区进行径流计算,可为缺少气象与水文资料的小尺度流域进行径流模拟提供参考。     

CMADS在霍童溪流域SWAT模型径流模拟中的应用研究

中国东南沿海山区中小流域同样存在气象数据稀缺问题,导致流域水文模型研究受限。中国大气同化驱动数据集(CMADS)是一类可获得再分析气象数据集,用于填补水文模型数据空缺,研究其在SWAT径流模拟中的适用性显得尤为重要。以福建霍童溪流域为研究区,以测站数据为参照,通过数据一致性评价、SWAT模型径流模拟的检验系数以及水文要素空间分布对CMADS进行适用性评价。研究结果表明:两类数据降水空间分布一致,温度数据相关性较高;CMADS和测站数据在月、日尺度SWAT模型径流模拟中R~2和NSE系数均达到了较好的结果;CMADS模式水文相关分量与测站模式偏差较小且空间分布一致,CMADS数据集在东南沿海代表性流域径流模拟有较好的适用性。     

CMADS数据集及其在流域水文模型中的驱动作用——以黑河流域为例

大气驱动场的质量一直是影响水文模型模拟结果的重要因素之一,较差的大气驱动场数据通过误差传递,使得水文模型输出结果的不确定性增加。我国幅员辽阔且地形复杂,而气象观测站点却相对稀缺,现有观测站点已不能满足大尺度水量、能量平衡过程的模拟研究工作。引入中国陆面同化系统强迫场CLDAS,建立CMADS数据集,以祁连山黑河流域为典型研究区,利用CMADSV 1.0版本数据集驱动SWAT模型,并对CFSR及传统气象站驱动SWAT的结果进行对比分析。通过对黑河流域3个水文控制站(莺落峡,祁连山及扎马什克)径流量进行率定与验证后发现:CMADS+SWAT模式径流输出结果总体优于CFSR+SWAT模式及TWS+SWAT模式的模拟结果,利用CMADS+SWAT模式亦可很好地反映黑河流域各类地表分量(如土壤湿度、融雪等)时空分布特征,表明CMADS数据集较传统气象站驱动大中尺度水文模型拥有更明显的优势,该数据集将为我国地面气象站缺乏区及无站区(如中国西部及我国大部分高寒山区等)的大气-水文耦合研究提供重要的气象数据保障。     

基于SWAT模型的延河流域月径流量模拟分析

近年来SWAT模型在我国南方湿润半湿润流域以及众多大尺度流域取得了良好的应用效果,但在水文资料缺乏、气候相对干旱的流域应用不多。以黄土高原典型流域陕西省延河流域为例,结合国内外已有的研究和GIS技术,根据延河流域现有的数据成功构建了基于SWAT的水文模型,其中1980—1985年为模型的率定期,1986—1989年为模型的验证期。通过对模型的参数进行敏感性分析以及一系列率定,最终得到结果为率定期的Nash-Sutcliffe效率系数NS和相关系数R²分别是0.644和0.832;验证期的Nash-Sutcliffe效率系数NS和相关系数R²分别为0.63和0.872,均达到模型模拟的要求,表明SWAT模型基本上能够模拟延河流域月径流量水文过程,为SWAT模型在黄土高原典型流域的进一步应用提供了科学依据。     

SWAT模型的参数灵敏度分析——以贡嘎山海螺沟不同植被类型流域为例

目前分布式水文模型在我国各种流域的水文过程模拟中已得到广泛的应用,为了深入了解不同分布式水文模型参数在水文循环过程中的影响程度,文中针对贡嘎山海螺沟4种不同植被类型流域,采用扰动分析方法定义模型参数的灵敏度并根据灵敏度的取值分为5级,基于SWAT(Soil&Water Assessment Tool)分布式水文模型研究了模型参数灵敏度在年内夏季和冬季的变化及其对水文过程模拟结果的影响。计算结果表明:冬季模型参数的灵敏度普遍偏高,会出现枯水期径流过程模拟误差较大的现象,而夏季模型参数的灵敏度相对降低;但在同时模拟汛期和枯期的径流过程情况下,前者的误差会小于后者。通过对SWAT模型参数在不同植被类型流域的灵敏度分析,将会有助于减少水文模拟的不确定性或能获得更好的估计结果。     

晋江东溪流域土壤侵蚀分布式模拟

应用分布式水文模型SWAT (Soil and Water Assessment Tool),通过细分子流域,对晋江东溪流域产流和产沙进行模拟,以相对误差、决定系数和效率系数为指标,采用洪濑水文站1972～1979连续8年的实测径流和泥沙数据进行参数率定和模型验证.模拟结果表明,细分子流域能够有效改善枯水期径流模拟结果;该模型适用于水库影响下的泥沙负荷模拟.     

基于VIC的中小尺度黄泥庄流域径流模拟

为对黄泥庄流域水资源进行评价与规划,探讨VIC大尺度分布式水文模型在中小尺度流域上的适用性,采用VIC模型对黄泥庄流域的径流进行模拟,结果表明:VIC模型在黄泥庄流域具有较好的适用性,说明VIC大尺度水文模型在中小尺度流域具有一定适用性;月径流模拟的Nash-Sutcliffe效率系数均在0.80以上,相对误差大部分在0.10以内,满足该流域水资源评价与规划的要求;模拟过程中部分较大洪峰,VIC模型的径流模拟效果稍显欠佳,参数率定结果的不确定性也给模拟结果带来一定误差,需进一步研究改进。     

大凌河流域分布式水文模型的构建与运用研究

文中以大凌河大城子水文站以上流域作为研究流域,运用分布式水文模型SWAT模型,基于研究区遥感数据,并结合地理信息软件解译流域下垫面地理信息,获取SWAT模型的地理数据输入,选用大城子水文站2001-2010年日流量资料对模型进行了参数的率定和校验,并实现了研究流域径流深空间分布,基于构建的分布式水文模型,通过设定3种土地利用模式情景,定量分析不同土地利用模式情景对流域径流深的影响。研究结果表明:遥感数据可作为分布式水文模型SWAT模型的地理参数的输入,模型模拟精度可达到规范要求。     

基于SWAT模型对洙赵新河流域径流的模拟研究

洙赵新河是南四湖流域重要的入湖河流,研究该流域的径流对南四湖湖西平原区具有重要意义。选用SWAT分布式水文模型,通过SWAT-CUP程序的Sufi-2算法进行参数率定、敏感性分析与不确定性分析,模拟了洙赵新河流域2008-2014年的月径流过程。结果表明:月径流在校准期和验证期的相关系数R2和NS效率系数均大于0. 85,表明SWAT模型在洙赵新河流域适用性较好;根据敏感性分析结果发现水文相关参数与径流有不同程度的相关性,其中植被蒸腾补偿系数、河岸调蓄的基流α因子、浅层地下水径流系数等13个参数最为敏感;在气象站点密度较小的地区,引入CMADS气象数据集作为流域水文模型的驱动数据集,取得了理想的效果。     

基于SWAT的乌伦古河流域径流模拟研究

以新疆乌伦古河流域上游为研究区,利用DEM、土地利用、土壤类型和水文气象资料,基于SWAT构建研究区分布式水文模型,探讨了SWAT模型在乌伦古河的适用性。应用LH-OAT法对参数进行敏感性分析,采用手动调参对模型参数进行率定和验证,根据已有的径流资料选用2000年—2005年为模型参数率定期,2006年—2009年为模型的验证期。研究结果表明:实测值与模拟值的趋势一致总体较为接近,率定期和验证期效率系数均大于0.6,相关系数0.8以上,径流平均误差小于15%。总体来看,SWAT模型参数率定之后,能较好的反映了乌伦古河流域的月径流水文过程,在该地区具有一定的适用性。更多还原     

基于相似流域法的SWAT模型模拟黄河中游无资料地区径流

选用黄河中游两个小流域,基于相似流域法探求分布式水文模型SWAT在黄河中游小流域无资料地区径流模拟的适用性。通过距离、流域面积相近及属性相似的方法,用已知流域率定参数移植到无资料流域进行径流模拟。选取2009-2013年的日径流与月径流进行模型率定,以效率系数(NS)和决定系数(R2)为评价指标,率定出4个模型敏感系数,并用2014-2016年的日径流与月径流进行模型验证。结果显示:率定期月径流模拟的R2为0. 76,NS为0. 70;日径流模拟的R2为0. 70,NS为0. 64;验证期月径流模拟的R2为0. 82,NS为0. 74;日径流模拟的R2为0. 78,NS为0. 68。说明基于相似流域法的SWAT模型对于无资料的小流域月径流量模拟具有很好的适用性。     

不同水文模型在双桥流域的应用比较

新安江模型、SWAT模型和BTOPMC模型分别代表集总式、响应单元式和网格分布式三种不同结构的流域水文模型。以Nash效率系数为目标函数,采用SCE-UA自动优化算法率定模型参数,对双桥流域的日径流进行了模拟。结果表明:新安江模型、SWAT模型和BTOPMC模型都能较好反映双桥流域的日径流过程。从总体效果来看,新安江模型的模拟效果比SWAT模型和BTOPMC模型的好,三个模型对总体水量的模拟误差都在±10%以内,水量模拟比较平衡。在不同流量级的模拟中,SWAT模型的水量平衡效果均比新安江模型和BTOPMC模型的好;大流量模拟时,新安江模型的模拟均方根误差较小,模拟效果最好;中流量和小流量模拟时,BTOPMC模型的均方根误差较小,模拟效果最好。     

基于 SWAT 模型的北山水库流域地表径流模拟

为评价北山水库流域地表水资源,选用SWAT软件构建了该流域的分布式水文模型。基于2016-2018年实测水文数据以及高程、土地利用类型、土壤类型等数据,完成了对北山水库流域的SWAT模型构建,利用SWATCUP软件对参数进行率定及敏感性分析,选取决定系数(R~2)、纳什效率系数(NSE)、平均相对误差绝对值(MARE)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标。结果表明:北山水库月蓄水量模拟值与实测值吻合良好,模型率定期和验证期的R~2均达到0.89,NSE分别达到0.88与0.85,MARE分别为5.04%与4.23%,RMSE分别为1.15×10~6 m~3与0.90×10~6 m~3,由此表明该模型能近似反映研究区的径流变化特征,展示了SWAT模型在该流域的适用性。此外,基于验证的水文模型对主要参数进行敏感性分析,表明影响该区径流模拟最为显著的两个参数是浅层地下水回归流阈值和径流曲线数。     

遥感蒸散发数据应用对SWAT模型径流和蒸散发模拟精度的影响

为探讨遥感蒸散发数据补充研究区水文资料的能力,及其在SWAT模型应用中对径流和蒸散发模拟精度的影响。以淮河上游息县控制流域为研究区建模,并利用实测径流资料与遥感蒸散发数据(MOD16A2)设置3种参数率定情景:仅实测径流率定参数(S1)、仅遥感蒸散发率定参数(S2)、径流与蒸散发同时率定参数(S3),分析不同情景下径流与蒸散发过程的模拟效果。结果表明:从径流模拟而言,S2、S3较S1的模拟精度(NS系数)均有不同程度的降低,但S3在S2的基础上有较明显的改善;从子流域尺度上的蒸散发模拟而言,S1至S3模拟精度呈现出逐渐上升的趋势,在采用径流与蒸散发同时率定时,S3比S2情景NS系数上升的子流域个数占总数的46%。通过逐步深入探究遥感蒸散发数据在SWAT模型中的应用,以及对参数率定的影响,从而分析其对径流与蒸散发的模拟精度产生的变化,此方法也可推广到其他水文模型,在区域尺度水资源管理与利用上具有较好的参考价值。     

基于统计仿真和数据同化的流域水文过程模拟

针对模型参数率定计算负荷量和优化性能问题,以沙河流域为研究区域,基于分布式时变增益水文模型,通过PSUADE平台提供的响应曲面参数优化方法,结合误差纠偏的集合卡尔曼滤波数据同化算法,实现水文模拟的综合优化。利用流域出口流量观测作为验证数据,以纳西效率系数和水量平衡系数及其综合函数作为评价目标,借鉴响应曲面方法生成水文模型的统计仿真代理模型,对模型参数进行敏感性分析并缩小取值范围,利用全局优化方法实现参数率定。基于遥感蒸散发观测、借助集合卡尔曼滤波算法,进行水文模型的数据同化,实现流域径流过程模拟的有效校正。结果显示:借助统计仿真方法降低了参数率定的计算消耗;利用数据同化调整了模型模拟的轨迹,验证期水量平衡系数、纳西效率系数、综合评价指标分别达到1.102、0.798、0.152,整体径流模拟效果较好,蒸散发模拟结果同样得到改善。     

天山西部山区VIC模型的应用

为能够更好地指导高寒山区融雪径流模拟研究与洪水预报方面的工作,以天山西部山区的喀什河流域为研究区,根据研究区内1990年-2000年内的水文气象数据、CFSR再分析数据、DEM、土壤及植被等数据,借助构建的VIC模型进行径流模拟研究。根据模拟结果,可以看出:(1)气象资料匮乏区可以将CFSR再分析数据作为数据源,但此数据与实际情况存在一定偏差,需进行相应修正;(2)本研究以优选水文站降水数据作为CFSR再分析数据修正依据,以水文站所在CFSR再分析数据网格为标准,通过与其他CFSR网格降水数据建立相关关系进行CFSR异常数据剔除的方法是可行的;(3)构建的VIC模型在本研究区具有一定的适用性,且模型参数取用较合理;(4)率定期内,月尺度下模型效率系数和多年径流相对误差分别为0.80和4.7%,日尺度下分别为0.64和3.3%;而在验证期内,月尺度下模型效率系数和多年径流相对误差分别为0.84和14.5%,日尺度下分别为0.70和13.1%。