基于SWAT的灌区分布式水文模型——Ⅱ.模型应用

以本文第Ⅰ部份提出的灌区分布式水文模型为工具,对典型灌区进行灌区小流域和区域尺度的水平衡模拟,定量分析了不同水管理措施对灌区小流域尺度水量平衡评价指标的影响,以及不同尺度间水量平衡评价指标的变化特点。结果表明：适当增加稻田最大蓄水深度可以减少出流水量损失,使更多的降雨和灌水转化为土壤水,满足水稻的蒸发蒸腾耗水;现状条件下适当减少渠道供水量不会导致水稻产量明显降低,但通过减少渠道灌溉水的投入,可以提高灌溉水分生产率;提高塘堰汇集回归水能力后,塘堰可供水量增加,此时减少渠道供水量不会导致水稻明显减产。输水、配水渠道水利用系数增减5％对灌区水量平衡评价指标没有显著的影响,说明企图通过提高渠系水利用系数来提高区域尺度灌溉水利用效率及节水的潜力有限。此外,灌溉水分生产率随尺度的增大而增加,证明尺度愈大对回归水的重复利用率愈高。     

基于二元水循环的灌区分布式水文模型的应用研究

针对中国北方灌区的水文特点,在二元水循环理论的指导下,对自然流域水文模型SWAT进行了改进,构建了灌区分布式水文模型,改进了SWAT模型的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法,增加了渠系渗漏模拟模块等.以河南省人民胜利渠灌区为例,利用改进的SWAT模型对该灌区的水循环过程进行了模拟.为验证模型的有效性,选用Nash-Suttclife效率系数(纳西效率系数)E、线性回归系数R2来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果.结果表明:该模型适合灌区水分循环的模拟.模型的构建和改进,对分布式水文模型在高强度人类活动影响区域的水资源、水环境研究和管理起到积极的作用,为灌溉水文学提供了新的研究方法.     

西南岩溶灌区水文特性及其模拟模型的构建

从岩溶水文和灌区水文两方面分析了西南岩溶灌区水文的特殊性和脆弱性。针对西南岩溶灌区水文特点,在对自然流域水文模型SWAT改进的基础上,构建岩溶灌区分布式水文模型。建立的岩溶灌区分布式水文模型主要添加了表层岩溶带水循环模块、岩溶地下河汇流过程,改进浅层岩溶水计算方法、稻田水分循环模块、渠系渗漏计算模块,增加塘堰的灌溉功能等,并介绍了模型的流域离散方法和水循环结构。岩溶灌区分布式水文模型的构建可为西南岩溶灌区水文特性及其对变化环境的响应等研究提供有效的工具和手段。     

基于分布式水文模型SWAT的非点源关键源区识别

农业非点源污染是水体富营养化的重要原因,识别流域内非点源流失的关键源区并加以重点控制是流域非点源污染治理的重要手段。该文为通过SWAT模型模拟流域内土壤以及氮、磷侵蚀量的预测和估算,以其结果作为侵蚀模数方程的输入,运用GIS软件ARC/INFO的Grid模块进行图形运算,实现对流域营养物质流侵蚀强度的分等定级,再通过简单几何概率模型的计算,标识出小流域营养物质侵蚀的关键源区。结果表明:总氮、总磷侵蚀具有各自的关键源区,但是也存在部分重叠的区域,对这些重要的地区,有针对性地实施和加强控制措施,减少非点源污染向水体释放,使得非点源污染的治理手段的操作性更强。     

松散耦合分布式水文模型原理与结构

文章分析了松散耦合分布式水文模型的构建理论与主要方法,模型主要包括单元水文模型与河网汇流模型2大部分。单元水文模型涉及到冠层截留、融雪、蒸散发、坡面流、非饱和土壤水运动和地下水出流等水文物理过程。产流计算考虑到地形坡度的影响采用基于地形指数的计算方法。汇流演算基于河网结构采用分段马斯京根方法。探讨了分布式水文模型的发展趋势,简单高效的基于松散耦合的分布式模型仍然会受到更多的关注。     

基于 HSPF 的东江分布式水文模型构建

针对东江流域,在基于 HSPF 水文模型的基础上,构建了东江流域分布式水文模型。详细介绍了 HSPF 分布式水文模型构建的原理、模型数据准备、模型构建以及模型验证过程。从气象分布变异的角度出发,将东江流域划分成 51 个子流域,从物理分布变异的角度出发,将东江流域的土地利用类型与土壤类型和坡向重新叠置成 29 种特征类型的下垫面。通过模型的模拟效果来看,两校准站（河源站和博罗站）的相对误差均小于 15% ,NASH 系数都在 0.9 以上,模拟效果良好。     

面向对象模块化的分布式水文模型MODCYCLE Ⅰ：模型原理与开发篇

MODCYCLE是一个定位于流域/区域长时间尺度水量平衡分析的分布式水文模型,具有较强的物理基础。该模型采用基于DEM的子流域划分对流域进行离散,并可针对土地利用和土壤的不均匀性进行下垫面细化,同时对人类活动影响下水循环过程的描述较为全面,可详细模拟大气水、土壤水、地表水和地下水之间复杂的"四水转化"过程。该模型具有以下特点:(1)基于C++语言以完全面向对象的方式(OOP)模块化开发,具有清晰的模型结构和灵活的功能扩展性;(2)基于数据库平台并采用ADO通用数据接口引擎,模型输入输出数据管理比较便利;(3)具有层次化水量平衡校验机制,既可为用户提供不同水循环子系统的水量平衡状况,又可辅助开发人员在模拟异常时定位错误发生的模块;(4)实现了并行计算,在多核计算机系统上运行可大幅提高计算速度。     

分布式水文模型研究进展

文章阐述了分布式水文模型的特点及国内外研究进展,通过分析地理信息系统（GIS）和遥感（Rs）在流域模拟中的应用,指出建立基于GIS、RS的耦合水文模型是未来的发展趋势。     

基于GIS的分布式流域水文模型

分布式流域水文模型比较客观地描述实际水文过程,但需要强大的数据库支持。这一特点为地理信息系统(G IS)在分布式流域水文模型的研究与应用提供了可能,反过来又推动水文模型的发展。目前,基于G IS的分布式流域水文模型的研究已成为水文学研究的热点。本文总结了分布式流域水文模型的优越性,综述了G IS在分布式流域水文模型中的应用及二者集成方式研究与应用的进展,讨论了当前研究中存在的问题,指出了今后的研究方向。     

基于SWAT模型的滹沱河流域水文效应研究

通过建立的滹沱河流域分布式水文SWAT模型,对流域的径流、泥沙、污染物的运移进行了模拟与校验,并结合实际对流域不同土地利用类型的生态水文效应(ET效应、产水效应、产沙效应及环境效应等)进行了探讨与分析。研究结果表明:退耕还林还草以及封山育林等措施可显著改善流域的生态环境治理与保护。     

SWAT模型土壤数据库建立方法

从SWAT模型在中国应用的角度出发,针对模型土壤数据库与我国参数资料不一致的问题．提出了从苏联制土壤质地转化为美国土壤质地的方法,并给出了转换计算方法。应用该方法使用SPAW软件计算SWAT模型部分参数,进行了实例验证得到了理想的结果,为该模型在中国的应用提供了方便。     

SWAT模型及其应用进展研究

在众多的水文模型中,SWAT是20世纪90年代发展起来的且在国内外应用较好的具有物理机制的分布式水文模型。本文简要介绍了SWAT模型的发展过程,较为详细地说明了模型的结构特点,并针对基础数据库,阐述了所需要的数据参数资料的来源和基本作用。随后分析了该模型在国内外应用实例中的可靠性、存在的问题和对模型应用中的改进,最后根据我国的特点,总结了该模型应用中的限制因素以及改进方向,建议加强我国土壤植被等基础数据库建设,改进模型部分计算方法,提高模型在我国应用的可靠性。     

基于SWAT分布式流域水文模型的下垫面变化和水利工程对径流影响分析

近年来随着人类活动的加剧,兴建了许多中、小型水利和水土保持工程,迅速改变着流域的自然面貌,因而改变了径流的原有规律。选取1960以前水利工程较少的时期作为人类活动不明显期来率定SWAT模型参数,对于1990以后人类活动稳定期的径流分别设置3个情景:应用原SWAT模型、应用只考虑下垫面变化的SWAT模型和应用考虑下垫面变化和水利工程影响的SWAT模型分别进行模拟。对于五道沟以上流域和流域内东丰、磐石、样子哨3个子流域模拟结果显示:考虑下垫面变化和水利工程影响后的径流模拟相关系数R2和纳什效率系数NSE分别从0.82、0.56提高到0.91、0.79,分别提高了11.0%和41.1%。其中模拟精度的提高量中91.3%是由于考虑水利工程作用所引起的,剩余部分是由考虑下垫面变化引起的。相比下垫面变化,水利工程运行对该流域径流变化占据主导作用。     

基于分布式水文模型SWAT 的缺资料地区水资源评价方法

气候变化和人类活动对流域水资源演变的影响程度不断加剧,对传统水资源评价技术方法提出了挑战。针对变化环境下缺资料地区传统水资源评价方法水量"还原"失真、水质水量评价分离、地下水和地表水评价分离等问题,本文采用了基于分布式水文模型SWAT的水资源评价方法,探讨了其评价原理、关键步骤和在缺资料地区的适用性等,并以西北内陆河玛纳斯河流域山区为例,比较了传统水资源评价方法和本文所用方法评价结果的差异。结果表明,本文所用方法在流域水资源评价精度、评价对象和水文要素的完整性、评价时段的灵活性上具有显著的优越性,证明利用具有物理机制的分布式水文模型有望实现水资源的动态、高效和快速评价,其评价原理可为水资源评价方法的改进提供一种新思路和技术支撑。     

基于分项调查法和SWAT模型的水资源评价方法

现状下垫面条件下长系列天然径流资料是水资源评价的基础,但下垫面变化以及人类活动常常改变了水文循环过程,给水资源评价带来系统性偏差与较大的不确定性。以浠水流域为实例,提出将分项调查法和SWAT模型相结合的水资源评价方法,即根据水文站与水库位置关系建立不同水量平衡方程进行径流还原,利用与现状下垫面条件相近年份的还原后的径流数据进行参数率定与验证,并将构建的模型应用于长系列天然径流过程模拟计算。结果表明：仅采用分项调查法还原后的水文站降水-径流关系的一致性存在明显偏差;而通过构建基于现状下垫面条件下的SWAT模型,各水文站径流模拟值的降水-径流相关性优于还原值,且不同时期降水-径流关系一致性得到显著改善,表明该方法能够有效修正下垫面变化对径流的影响,有助于进一步开展水资源规划、水旱灾害风险评估等工作。     

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。     

一种高效的SWAT模型参数自动率定方法

本文分析了SWAT模型和PSO算法的原理,将PSO算法引入SWAT模型中,构建了新的SWAT模型参数自动率定模块,通过在天津蓟运河流域实例研究,发现该方法率定精度较高,收敛速度快,运行结果稳定,整体率定效果优于模型自带的参数率定模块。如果用改进后的模块在Linux平台开展自动率定,可以使模型自动率定效率提高到当前水平的7倍,适用于大型流域或长时间系列模拟。而PSO算法作为一种通用的优化算法,可广泛用于各种水文模型的参数率定。     

一种SWAT模型参数识别的改进方法

参数的敏感性分析和不确定性分析是分布式水文模型构建的先决条件。在辽河流域建立SWAT模型,利用SWAT-CUP中的SUFI-2算法进行参数的率定,在此基础上提出一种更为简便的参数识别方法。将研究区域辽河干流的主要支流分别进行参数识别,再将SWAT-CUP中率定的最佳参数的从TXINOUT文件中提取出来,分别覆盖到SWAT模型中各对应支流子流域的TXINOUT文件中,即可得到按主要支流经过参数识别后的SWAT模型,避免了SWAT-CUP调参工具涉及众多子流域导致参数识别过于复杂的问题。结果表明,辽河干流主要支流招苏台河、清河、柴河等子流域主要水文断面率定期的平均纳什效率系数分别为0.60、0.65、0.68,验证期分别为0.60、0.72、0.77,参数率定的结果相对于全局调参有较大的改进。采用本文提出的参数识别方法,可以解决SWAT-CUP全局调参时上下游断面结果难以同时匹配或伪匹配的问题,又可以避免分区参数识别时对不同子流域的土地利用类型、土壤类型以及坡度等参数的繁琐设定,同时降低了SWAT模型手动调参的复杂程度,可较好地应用到SWAT模型参数识别过程中。     

基于SWAT模型的盘龙江流域径流模拟

为了给日后的滇池治理和昆明市水资源保护利用提供依据,以昆明市区的盘龙江流域为研究区域,采用SWAT模型对该流域的径流进行模拟研究,通过加载流域的DEM、土地利用、土壤类型等数据到SWAT模型,选定1999—2004年为模型参数率定期,2005—2007年为模型验证期,对松华坝以上流域和以下流域分别进行模拟,并对模拟结果进行比较和评价。结果表明:松华坝以上区间流域的模拟相关系数R2在0.83以上,Ens在0.80以上;松华坝以下区域的模拟相关系数R2在0.70以上,Ens在0.58以上。即该模型对盘龙江流域具有良好的适应性,可以为盘龙江流域在不同土地利用的条件下对流域的水量、水质、泥沙进行模拟预测。