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。     

妫水河流域水文模拟及参数不确定性分析

以北京市延庆区妫水河为例,使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型对妫水河流域进行月尺度水文模拟,使用SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting)算法分析参数的敏感性,依据SWAT-CUP自动率定得到P因子和R因子分析模型的不确定性,从而完成本流域分布式水文模型的构建。率定结果显示,率定期确定系数R 2为0.65,效率系数NSE为0.61;验证期确定系数R 2为0.89,效率系数NSE为0.88;不确定性分析结果中P-factor均大于0.5,R-factor均小于0.3。通过以上分析可得该模型对妫水河流域的水文模拟有良好的效果。     

基于智能聚类识别的 SWAT 模型参数优化方法 −以石头口门水库流域为例

为探究 SWAT 模型参数优化过程与方法,降低参数估计不确定性,采用敏感性分析方法遴选关键参数,针对 关键参数采用拉丁超立方抽样构建参数样本集,进而结合各组关键参数组合下的模拟精度指标构建聚类指标集, 采用 SOM 聚类算法进行聚类,并基于模拟精度较高且波动较小类别识别各关键参数取值范围,形成一种 SWAT 模型关键参数优化系统方法。以石头口门水库流域为例,选取 1980—2016 年（1980—1986 年为预热期,1987— 2009 年为率定期,2010—2016 年为验证期）的月径流实测资料,建立流域 SWAT 模型,引入 SOM 聚类算法进行参 数优化,不断缩小模型关键参数合理取值区间,并应用 SUFI-2 算法进行模拟结果对比。结果表明：SWAT 模型适 用于石头口门水库流域,且参数优化前验证期的决定系数 R2为 0.79,纳什效率系数 ENS为 0.74,P-factor 为 0.65,R-factor 为 0.56;参数优化后验证期 R 2为 0.88,ENS为 0.83,P-factor 为 0.70,R-factor 为 0.50,模拟效果较好。故 应用 SOM 算法进行 SWAT 模型参数优化可以降低模型不确定性,提高径流模拟精度,为水文模型参数优化算法 的选择提供思路,对水资源管理政策制定与水库优化调度具有重要意义。     

系统微分响应参数率定方法在建阳流域SWAT模型中的应用

利用基于系统微分响应理论的参数率定方法率定闽江建阳流域SWAT模型,通过流域1992—2000年日资料验证了该方法的实际应用效果,采用纳什效率系数(NSE)、偏差百分比(PBIAS)和相关系数r作为评价指标对率定后的SWAT模型模拟精度进行评价,并与传统利用SUFI-2方法率定得到的SWAT模型模拟结果进行对比分析。结果表明：系统微分响应方法率定的参数在建阳流域的日径流模拟中表现较好,率定期和检验期NSE均为0.65以上,径流量PBIAS在5%以内,r在0.65以上;利用系统微分响应率定参数方法率定SWAT模型参数在实际应用中可行,且效率与精度均高于传统的SUFI-2方法。     

基于SWAT模型的黑河与白河流域水文模拟研究

若尔盖湿地是我国最大的泥炭沼泽地,自然资源丰富。黑河与白河是该湿地中最大的两条河流,黑河与白河流域的水文模拟研究对于了解流域内的水文变化情况具有重要意义。利用黑河若尔盖水文站和白河唐克水文站2009—2016年的实测水文数据,对黑河与白河流域进行SWAT水文模拟。结果表明:唐克站率定期的决定系数R~2和纳什效率系数E_(ns)分别为0.79和0.73,若尔盖站率定期的R~2和E_(ns)分别为0.72和0.72;验证期唐克站和若尔盖站的R~2分别为0.77和0.62,E_(ns)分别为0.72和0.61,模拟结果比较理想;SWAT模型在黑河与白河流域有较好的适用性。     

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。     

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。     

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。     

浊漳河流域SWAT模型构建及径流敏感性分析

以浊漳河流域为研究对象,基于研究区1980-2005年的实测径流资料,利用SWAT模型模拟该流域径流,利用SWAT-CUP自带的SUFI-2算法进行径流敏感性分析及参数率定.率定结果表明影响研究区域地表径流的主要参数是CN2、CANMX、REVAPMN;模型率定期和验证期的R2值分别为0.83与0.79,NS分别达到0...     

气候变化对太子河流域水资源影响研究

根据太子河流域的水文特征与水资源特点,利用SWAT模型揭示了流域水资源受气候变化的影响作用。为解决1:25万DEM数字高程模型提取水系过程存在的支流位置、形状偏差较大的问题,加载运行了精度为1:400万电子河网,通过分析模型参数敏感性校准、验证了模型的计算精度与可靠性,然后以1976-2017年太子河气象资料为依据,模拟分析了流域水资源受气候变化的影响作用。研究表明:2009-2012年校准期R2=0. 94、Nash系数Ens=0.96,2013-2016年验证期R2=0. 88、Nash系数Ens=0. 82,在模拟分析流域水资源月径流变化过程中该模型具有较高的精度与可靠性;太子河中下游降水量与年内地表径流、基流变化保持较好的一致性,该区域的水量输出项以蒸散发为主,相对于降水过程地表径流存在一定的滞后性,滞后期为2个月,基流量约为地表径流的1/2。     

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。     

基于SWAT的径流模拟参数优化方案及不确定性分析

SWAT模型在水科学领域应用极为广泛，顺序不确定拟合算法（SUFI-2算法）是SWAT校准优化的首选工具，提高SUFI-2算法的率定效率对SWAT的应用十分重要。在SUFI-2算法中设立NS、R2和PBIAS 3种目标函数，在此基础上，分析14种水文相关参数敏感性，基于95PPU不确定性的限制原则（P-factor>0.7且R-factor<1）率定参数范围，结合模拟性能评价的分级准则遴选最佳模拟，最后采用出山店水库1980～2018年水文资料进行验证。结果表明：3个目标函数中，PBIAS对参数变化的响应程度最强，利用PBIAS确定的敏感参数有CN2,CANMX,SOL＿BD,GW＿DELAY,GWQMN, GW＿REVAP,ESCO,RCHRG＿DP和SOL＿AWC;率定期和验证期模拟不确定性与降水分布相关；遴选的最佳模拟在不同时期表现出的性能稳定高效，证明遴选方法可行。研究成果对于提高水文模型优化效率具有借鉴意义。     

基于SUFI-2优化算法和SWAT模型的汾河流域月径流模拟

以黄河中游的汾河流域为研究区域,构建汾河流域SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2优化算法进行参数敏感性分析、率定与不确定性分析,模拟了流域控制站河津水文站的月径流过程。结果表明:12个水文参数对径流的模拟均有不同程度的影响,对径流影响量最大的为土壤层有效含水量、其次为径流曲线数,影响最小的为主河道河床曼宁系数;率定期和验证期E_ns值均达到了0.80以上,相对误差R_e均小于20％,且确定性系数R²均大于0.85。汾河流域SWAT模型的月径流模拟效果较好,验证期较率定期落在不确定性区间的数量有所增加,表明验证期的径流模拟比率定期的径流模拟不确定性程度大。     

基于 CORDEX 数据集的碧流河流域径流预估

为了研究气候变化对碧流河流域径流的影响,基于CORDEX联合区域降尺度试验,采用区域气候模式对GCM所涉及的两个全球气候模式进行降尺度,获得三种情景下的气象数据集,并利用气象数据集驱动率定好的SWAT水文模型,预测未来气候变化条件下碧流河流域的径流过程,分别分析年、月平均径流相对于基准期的变化特征,以及各情景模式下设计丰水年(P=10%)、设计平水年(P=50%)、设计枯水年(P=90%)的设计年径流年内分配过程相对于基准期的变化。结果表明:气候变化对碧流河流域径流的影响主要体现在汛期;C1、C3情景在RCP4.5排放路径下汛期平均径流量相对于基准期增加17.65%、0.14%,多年平均径流量增加18.17%、5.58%;其余各情景下径流量皆呈减小趋势,其中汛期减幅(-7.22%～-0.75%);多年平均减幅(-10.25%～-10.58%)。设计年径流分配过程显示,未来时期设计丰水年,平水年的年径流最大值主要出现(5—10月),较基准期汛期(6—9月)而言范围较大,设计枯水年年内分配不均匀,碧流河水库在未来时期兴利防洪调度将面临一定的挑战。     

基于信息熵与改进极限学习机的中长期径流预测

为提高流域中长期径流预测精度,提出一种基于信息熵与改进极限学习机的中长期径流预测方法。首先,基于不同水文站点的流域控制面积构造径流综合指数,在较宏观层面表征流域水情丰枯变化;其次,采用偏互信息法计算影响对象与径流综合指数之间的相关性,获得径流过程变化的关键因子集,形成预测模型输入;最后,结合K折交叉验证与改进粒子群算法优化极限学习机(ELM)参数,构建IPSO-ELM模型,用于中长期径流预测。以雅砻江流域为例,将所建模型与BP神经网络(BPNN)、支持向量机(SVM)、ELM和PSO-ELM等预测模型进行对比分析。结果表明:所提模型的E_(mape)、E_(rmse)、E_(dc)、E_(qr)和E_(re)等性能评价指标明显优于上述4种模型;5种预测模型在D1数据集上的预测效果整体上胜于D2。     

基于ArcSWAT2009的锦江流域径流模拟分析

基于ArcGis10.0建立了锦江流域数据库,将ArcSWAT2009模型应用于锦江流域的径流模拟。采用LH-OAT灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析,得出模型灵敏参数序列,并利用4个水文站(危坊、宜丰、上高、高安)2001~2008年径流观测数据对SWAT模型进行参数率定。模型适用性评价结果表明:校准期和验证期年均值相对误差(Re)小于20%,月相关系数(R2)和月效率系数(NSE)均大于0.7,拟合精度较高,SWAT模型适宜锦江流域的径流模拟。     

金沟河流域水文气象要素关系变异诊断

为了研究全球气候变化背景下金沟河流域水文、气象要素变化特征,选取内陆干旱区金沟河流域八家户水文站1964-2016年实测年径流资料和同步实测气象(气温、降水)资料,在采用累积距平法、R/S分析法、M-K趋势检验法分析水文气象要素序列演变规律的基础上,运用Pearson相关系数法分析径流与气温、降水间的相关性,将偏相关系数法与数据滑动窗口技术相结合,分析径流与气象要素(气温、降水)间的相互关系及变异特征,最后采用双累积曲线法对变异点进行验证。结果表明:金沟河流域1964-2016年年径流量以极其微弱的趋势波动增加,增加趋势不显著(0 U=1. 0 Uα/2=1. 96),并且未来一段时间内年径流量将继续保持上升趋势(H=0. 680. 5);同时段气温具有极显著的增加趋势(U=4. 33 Uα/2=2. 56 0),未来气温将呈现出明显的持续增加趋势(H=0. 78 0. 5);同时段降水具有显著的增加趋势(U=2. 13 Uα/2=1. 96 0),未来降水将持续增加(H=0. 54 0. 5);相关性分析表明,气温是影响金沟河流域径流的主要气象因子;滑动偏相关系数法分析表明,径流-气温联合序列变异点为1985年,采用双累积曲线法进行验证,结果与其一致。     

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。     

SWAT模型在北方高寒地区径流模拟中的适用性研究

由于特殊的气候和下垫面条件,北方高纬度寒区流域日径流过程往往具有较大的非线性。诸多水文模型在该地区日流量模拟过程中适用性较差,这对寒区开展洪水预报、干旱和环境污染治理等工作造成了很大的困难。在结合已有研究的基础上,将SWAT模型应用于寒区,评估了其在寒区日流量模拟中的适用性,并对率定参数进行了敏感性分析,研究结果表明:率定期NSE为0.89,BIAS为1.10%,R~2为0.89,验证期NSE为0.79,BIAS为-5.72%,R~2为0.79,流量模拟效果较好,表明SWAT模型在寒区径流模拟中具有较好的适用性。     

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。