基于径流模拟的分布式水文模型参数的空间响应研究

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一个集成遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和数字高程模型（DEM）技术的基于水文过程的、具有较强物理机制的先进的分布式流域水文物理模型。为了进一步研究流域尺度内水文过程的时空变化规律,深入了解流域水文时空过程与气象、地-气界面条件及流域地貌特征间的关系,选取汉江上游马道流域,运用AVSWAT2000版模型进行1981-985年间的年、月径流模拟,以月径流模拟的N-S模型效率系数为主要指标,率定出月模拟效果最佳时（N-S模型效率系数达0.9427）的各参数值。在此基础上从马道出水站点沿主河道往上游再选取6个控制点,用前面率定好的参数来模拟各个控制点处的出口流量,并研究径流模拟的空间响应,提出归一化径流面积比指数。分析指出当蒸发量小于月平均降水量时,马道流域不同面积研究区的归一化径流面积比指数趋于稳定值,当蒸发量接近或者大于月平均降水量的时候,随着研究区面积由大到小的变化,归一化径流面积比指数波动加剧,研究区面积越小,归一化径流面积比指数值的偏移量越大。     

修河中上游流域土地利用变化对径流的影响

[目的]土地利用的变化对流域水文过程产生了重要的影响,研究土地利用变化下的水文响应已成为水文学科研究的一个热点。[方法]以修河中上游流域作为主要研究区域,分析了35年来修河中上游流域各种土地利用类型的变化特征,并利用1987—2000年水文气象数据资料,构建了SWAT模型,通过设置1980年、1990年、2005年和2015年4种土地利用情景,定量分析了修河中上游流域土地利用变化对径流的影响。[结果]SWAT模型在研究区具有较好的适用性。1980—2015年,修河中上游流域主要用地类型为林地、耕地和草地,三者面积之和占流域的98%。其中高利用城市用地和耕地对径流的影响系数是正值,说明高利用城市用地和耕地对径流起促进作用;林地、草地对径流的影响系数均表现为负值,说明林地和草地对径流有抑制作用,且草地的抑制作用更加显著。此外,林地和草地在丰水季会减少径流,在枯水季却会增加径流,有类似海绵的作用。[结论]模拟研究土地利用变化对修河中上游流域径流的影响在合理规划水土资源、改善生态环境方面具有十分重要的现实意义。     

岔巴沟流域汛期径流模拟及地表产流特征分析

气候变化是影响流域水文循环过程的重要驱动因素,近年来,气候变化导致极端降雨—径流事件的频繁发生对人类社会经济发展构成了严重的威胁。因此,迫切需要开展流域水文模拟和产流特征分析。土壤和水评估工具(SWAT)是一种具有物理机制的分布式水文模型,已被广泛用于评价变化环境下的水文过程。以黄土高原岔巴沟流域为研究区,通过利用与黄土高原地区产流模式更为接近的Green-Ampt下渗法驱动SWAT模型模拟了岔巴沟流域日尺度的水文过程,并以水文响应单元为分析对象,结合4个降雨—径流事件的地表产流量和地表径流系数分析了降雨强度和前期土壤含水量对不同土地覆被产流特征的影响。结果表明：(1)基于Green-Ampt下渗法驱动的SWAT模型率定期和验证期E_NS为0.76,0.74,R²为0.78,0.75,模型能够较好地模拟日尺度流域水文过程;(2)流域不同土地覆被下地表径流系数随最大雨强的增加呈显著上升趋势,且最大降雨强度大于16 mm/h后地表径流系数显著增加,当土地覆被为耕地时降雨转化为地表径流的比例最大,其次为草地和林地;(3)前期土壤含水量的大小可以揭示大...     

基于3个站点校准与验证的晋江流域径流模拟

 应用分布式水文模型SWAT,对东南沿海晋江流域内3个水文站点的年、月径流和基流分别进行模拟。选取1972—1975年作为模型校准期,以效率系数、平均误差、相对误差和决定系数为评价指标,率定出6个模型敏感参数,并用1976—1979年的资料进行模型验证。结果表明:利用3个站点模拟的方法可以从流域尺度上更客观地率定模型参数,改善模型的模拟效果;模型在东南沿海流域的模拟效果较好,精度较高;模拟期内降水量的差异以及水库年径流调节均会对水量模拟结果造成影响。     

基于SWAT模型的黄土高原典型区月径流模拟分析

以黄土高原安家沟流域为研究区域,利用GIS和RS技术,建立了安家沟流域的气象数据、DEM数据、土地利用数据,成功构建了基于SWAT模型的安家沟流域水文模型。以1982—1999年作为模型的率定期,2000—2010年作为模型的验证期,对模型进行了参数敏感性分析和参数率定。其中率定期的Nash-Sutcliffe效率系数Ens(0.71)、相关系数R2(0.73)和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数Ens(0.69)、相关系数R2(0.68)均达到模型模拟要求。结果表明:SWAT模型基本上能反映安家沟的月径流水文过程,具有一定的实用性,以期为安家沟流域水资源高效配置提供依据。     

不同土地利用变化情景下的洪汝河流域水文响应

[目的]研究洪汝河流域土地利用变化对水文过程的影响,为当地水资源的合理规划和利用提供依据和参考。[方法]本研究以土壤水体评价模型(soil and water assessment tool,SWAT)为基础,通过设计多种土地利用情景模式模拟洪汝河流域水文情景,首先利用数字高程模型(digital elevation model,DEM),土地利用数据、土壤数据以及日气象数据建立模型;其次选用2006—2008年的水文观测数据进行模型率定,并进行敏感性和不确定性分析;最后,设置4种土地利用情景模式进行水文模拟。[结果]退耕还林情景下径流减少4.23%;而在耕地增加,城镇用地增加和以城镇用地、林地草地增加为主的复杂土地利用变化这3种情景下,径流分别增加3.01%,4.91%和1.50%。[结论]退耕还林增加了可涵养水源的森林,使得径流减少,而增加耕地开垦或城市建设用地则会增加地表径流。     

关川河流域土地利用变化对径流的影响

土地利用/覆被变化(LUCC)引起的径流响应研究不仅是流域水文学的一个热点,也是评估国家退耕还林战略实施效果的需要。选择黄土高原西部关川河流域为对象,依据流域出口大羊营水文站1993—2001年期间5—9月的径流资料,对SWAT模型进行参数率定。进而利用率定后的SWAT模型计算1980年、2000年两期土地利用下的径流量,分析土地利用变化的水文响应。结果表明:模拟率定期和验证期的决定系数R2和Nash-Sutcliffe效率系数分别为:0.85,0.78和0.86,0.84,说明模型对关川河流域汛期径流量模拟具有较高的适用性;关川河流域在实施了退耕还林草后,2000年较1980年耕地大面积减少而草地大面积增加。在气象条件相同的前提下,即气象输入数据不变的情况下,2000年土地利用下的月径流模拟值相比1980年土地利用下的月径流降低,9a内年均(5—9月份)径流量减少1.39m3/s。既在气候不变情况下,林草植被恢复将会引起流域径流趋于减少。     

1970—2015年秦岭北麓径流重建及变化

渭河流域能否高质量发展的一个关键就是水资源的问题,而秦岭北麓是渭河的重要产水区。为探究秦岭北麓近年水资源的变化特征,采用VIC(Variable Infiltration Capacity)模型,基于水文相似性原理,运用典型流域参证法,重建了1970—2015年秦岭北麓径流变化。结果表明:VIC模型在观测流域有着较高的适用性,在月径流模拟中,纳什系数(N_S)大于0.76,相关系数(R²)大于0.91,相对误差(RE)小于±15%; 通过水文参数移植法模型可以真实还原无观测流域径流变化,在验证期N_S,R²,RE分别为0.81,0.94,4.6。近46 a来北麓径流总量在(16.01～65.4)亿m³/a波动,1983年径流量最高达到65.4亿m³,而1977年最小值仅为16亿m³,丰水年份是枯水年份的4倍,径流年际变化明显,过去46 a秦岭北麓多年平均径流值为35.2亿m³/a。降水是径流变化的主导因素,并且也是水文模拟中最重要的影响要素。     

HBV水文预报模型在白龙江流域的应用研究

[目的]在白龙江流域武都站以上区域构建HBV水文模型,通过对区域日径流模拟研究,来评估模型在该区域的适用性。[方法]在参数敏感性分析的基础上,对模型参数进行率定和验证,并分析径流和降水量的年际变化特征。[结果](1)在率定期Nash—Sutcliffe效率系数Ens=0.65,确定性系数R2=0.74,验证期Ens=0.60,R2=0.70,HBV模型在该流域模拟精度较高,具有较好的适用性;(2)降水量与模拟径流变化趋势对应,HBV模型较好地模拟出了洪水对降水的响应过程。[结论]HBV模型可进一步用于研究气候变化对白龙江流域水资源的影响。     

基于SWAT模型的湘江流域土地利用变化情景的径流模拟研究

土地利用变化对径流产生重要影响, 显著影响到流域生态的可持续发展。本文应用流域分布式水文模型SWAT, 对湘江流域内5个水文站点(湘潭、株洲、衡山、衡阳、归阳)的月径流进行了模拟。选取1998~2002年作为模型校准期, 以Nash-Sutcliffe效率系数(NSI)和决定系数(R²)为评价指标, 率定出7个模型敏感参数, 并用2003~2007年的月径流进行模型验证。研究表明, 除归阳站点外, 其余4个站点月径流模拟的R²和NSI都高于0.82, 有的甚至达到0.92, 说明模拟效果较好。在此基础上, 以《湖南省土地利用总体规划(2006-2020)》为依据, 设置了3种土地利用情景模式, 以研究不同土地利用方式对径流的影响程度。结果显示, 土地利用变化对水文过程影响比较显著, 情景1中, 随着165.40 km²的耕地转为林地以及793.91 km²的耕地转为草地, 径流深模拟输出减小1.28 mm; 情景2中, 随着8 173.96 km²的林地转为耕地以及337.56 km²的耕地转为建设用地, 径流深模拟输出增加15.61 mm; 情景3中, 随着500.02 km²的未利用地转为耕地, 径流深模拟输出增加1.16 mm。因此, 增加林地和草地面积将减少径流, 而耕地和建设用地的增加导致径流的增加。在对湘江流域进行土地利用规划时需要综合考虑水文效应和经济效益, 充分认识人类活动对水资源的影响。     

基于参数移植法的SWAT模型模拟嘉陵江无资料地区径流

该文选用嘉陵江中游9个中小流域,基于参数移植方法(距离相近法、属性相似法、综合相似法)探求分布式水文模型SWAT在嘉陵江中游无资料地区径流模拟的适用性。3个有资料试验流域模拟结果显示,参数移植法的模拟精度NS、R2平均值大于0.8,径流模拟精度较好,表明基于参数移植法的SWAT模型在研究区域具有一定的适用性,同时综合相似法(0.66NS0.93)的径流模拟结果优于距离相近法(0.65NS0.93)和属性相似法(0.65NS0.92),另研究表明参证流域个数对参数移植的结果有较大影响,多个参证流域参数移植效果消除单个参证流域参数移植结果的不确定性。     

黑河上游天涝池流域生长季降雨和气温对河川径流的影响

西北干旱区的水资源短缺问题日益突出,但黑河上游高寒山区河川径流相关的精确水文资料稀缺,开展观测和研究其变化规律尤为必要。选择黑河上游天涝池流域为研究区,通过逐日观测2016年、2017年、2019年生长季河川径流量、降雨量和气温数据,采用相关分析和多元线性回归方法,分析了降雨和气温要素对河川径流的影响。结果表明:生长季内月均径流量明显滞后月均降雨量和月均温,三者均呈现出单峰变化趋势; 河川径流对降雨的平均滞后时间约为7.5 d。生长季内月均降雨量、月均温与月均径流量的Pearson相关系数分别为0.69,0.87(p<0.01),拟合多元线性回归模型的R²为0.772。研究显示该流域内降雨和气温较好地解释河川径流量的变化,结果可为黑河上游山区的河川径流响应过程提供参考依据。     

基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟

目前普遍使用的基于SWAT(soil and water assessment tool)模型的分布式建模方法仅适用于山地、丘陵等高差较大的地区,对于具有复杂水文结构特点的平原河网区尚无有效的解决方案。该文选择太湖流域湖西区作为研究区,基于SWAT模型探索出一套完整的针对平原河网区的分布式建模方案。该方案采用概化、打断的方式将交叉、环状河网处理成单一的枝状河网,采用按河道分流比例跨子流域调水的方式来还原原始河道的传输过程,采用添加"虚拟水库"的方式来模拟人工圩区内外的水量交换。通过对太湖湖西区2008-2010年的月均径流量进行模拟验证,根据模拟值和观测值计算的荣登桥、胡家圩及宜兴3个水文站的相关系数r和纳什(Nash-Sutcliffe)系数Ens分别为0.94、0.95、0.93和0.84、0.80、0.67,说明了这种建模方法在平原河网区具有较好的适用性。     

基于SWAT模型的TRMM降水数据径流模拟适宜性评价

以辉发河流域为研究区,采用SWAT分布式水文模型,以实测降水数据和TRMM降水产品作为模型输入,在月尺度和日尺度上构建了四种径流模拟情景,并利用SUFI_2算法分析了不同降水输入和时间尺度下模型的参数敏感性、参数不确定性和径流模拟结果。结果表明:(1)TRMM降水产品的误差会改变参数的敏感性排序,尤其是在日尺度上;(2)4种模拟情景P因子的范围为0.58~0.9,R因子的范围为0.47~1.58,模型拟合精度较好。月尺度上TRMM数据的估算误差较小,其更高的空间分辨率可使径流模拟不确定性得到明显改进,而随着时间尺度的变化,TRMM数据在日尺度上的误差增大会导致日径流模拟结果不确定性的增加;(3)在月尺度和日尺度上,采用TRMM数据降水输入模拟径流,其NS和R2系数均达到较好水平,实测降水模拟结果略优于TRMM数据。研究表明,在辉发河流域,TRMM降水产品在径流模拟方面表现出较好的适宜性,是一种较为可靠的降水数据源。     

基于SWAT模型的阿克苏河流域径流模拟

阿克苏河流域地处中国西北干旱区域,受高寒气候影响,其冰川和积雪融化补给对流域径流量变化、区域水资源合理优化及生态环境的保护影响重大。结合阿克苏河流域融雪径流的产流、汇流的独特之处,应用SWAT分布式水文模型对其月均径流进行了模拟研究。收集阿克苏河流域7个气象站点1980—2013年的逐日观测数据和阿拉尔水文站2000—2013年月均实测径流数据,基于DEM数据、土地利用数据、土壤数据,建立适合阿克苏河流域的融雪径流模型并进行月均径流的模拟。结果表明:SWAT模型在阿克苏河流域具有良好的适用性,校准期和验证期相对误差RE均在8%以内,决定性系数R2和Nash-Sutcliffe效率系数NS均高于0.82,达到了模型的评价标准,为高海拔干旱区建立分布式水文模型提供了参考。     

塔里木河中游径流变化分析

在多年水文数据的基础上,分析了塔里木河中游1957~2002年间径流年际变化及1992~2002年径流月际变化的特点、趋势及其原因和影响。得出1957~2002年间塔里木河中游径流不稳定、不平衡,并且径流呈逐渐减小的趋势,其主要原因是源流区和上游区大量引水所致;塔里木河径流月际变化呈明显的西北型河流的特点,在7~9月为洪水期,水量可占全年水量的79.31%,4~6月份由于农业用水,导致径流量下降。塔里木河径流的这些特点给水资源管理加大了难度。     

伊洛河上游流域退耕还林还草对蓝水绿水分配的影响

土地利用变化对区域水循环具有重要影响，土地利用决策就是水资源决策，这一命题已经被诸多研究证实并被研究者和决策者所认识。本文以黄河流域中游的伊洛河上游流域为研究区域，应用分布式流域农业生态水文模型SWAT （Soil and Water Assessment Tool），在我国退耕还林还草的生态恢复和重建的重大背景下，分别设置了6种不同的土地利用变化情景，基于蓝水和绿水的视角，研究土地利用/覆被对流域水循环的影响。本文对SWAT模型输出的月径流结果进行了率定和验证，证明该模型对研究流域水文循环的模拟达到了可接受水平的准确性与合理性。采用单因素方差分析和多重比较，分析基于不同水文年型下土地利用变化对各水文要素变化的影响。结果表明：1）2010-2015年多年平均降水资源总量为34.94亿m³，多年平均蓝水绿水资源总量为34.09亿m³，蓝水资源量占多年蓝水绿水资源总量的33.73%，绿水资源量占多年蓝水绿水资源总量的66.27%。2）不同情景退耕还林或还草，蓝水资源量均减少，绿水流均增加，绿水库均减少。在丰水年和平水年，退耕还林还草对蓝水资源量中地表径流分量影响较明显。该结论对于加深认识伊洛河上游流域土地利用/覆被和水资源的相互关系具有一定意义，为该区域高效合理利用水土资源提供了科学依据。     

基于SWAT模型的赤水河流域径流年内分配特征及其对降水的响应研究

[目的] 研究赤水河流域径流年内分配的非均匀性变化特征及其对降水的响应情况,为流域水资源的开发利用及防洪治涝等研究提供决策依据。[方法] 以赤水河流域中上游为研究区,构建SWAT模型相关数据库并对流域径流进行模拟。以实测逐月径流数据对模型进行率定验证。基于模型输出结果,结合降水/径流集中度和集中期,分析流域径流年内分配特征及其对降水的响应情况。[结果] 两个水文站率定期决定系数（R²）与纳什效率系数（Ens）均在0.83以上,验证期R²与Ens均在0.69以上,满足精度要求;流域降水和径流年内分配不均匀性显著,二者变化趋势较为一致,主要集中在6—8月;径流集中度的时空分布受降水集中度影响显著,由于入渗和蒸散作用的影响,前者通常大于后者,但当降水集中度较低时（PCD<0.3）,径流集中度不再完全以降水集中度为主导;由于流域径流对降水变化的响应存在滞后性,径流集中期往往大于降水集中期,短期较小幅度的降水量增加对降水集中期影响显著,而对径流集中期影响有限。[结论] 降水是引起赤水河流域径流集中度/集中期变化的主导因素,而在不同降水量条件下径流系数的变化,是径流集中度/集中期对降水集中度/集中期产生不同响应特征的主要原因。     

Suitability of Watershed Models to Predict Distributed Hydrologic Response in the Awramba Watershed in Lake Tana Basin

Planning effective landscape interventions is an important tool to fight against land degradation and requires knowledge on spatial distribution of runoff. The objective of this paper was to test models that predict temporal and spatial distribution of runoff. The selected models were parameter‐efficient semi‐distributed watershed model (PED‐WM), Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning integrated hydrological modeling system (HBV‐IHMS), and Soil and Water Assessment Tool (SWAT). We choose 7‐km² Awramba watershed in the Lake Tana basin with detailed hydrological information for testing these models. Discharge at the outlet, rainfall, and distributed information on infiltration rates, water table, and extent of the saturated area were collected from 2013 to 2015. The maximum saturated area was 6·5% of the watershed. Infiltration rates exceeded rainfall intensities 91% of the time. Hence, saturation excess runoff was the main runoff mechanism. Models were calibrated for the rainy seasons in 2013 and 2014 and validated for 2015. For daily flow validation, the PED‐WM model (Nash–Sutcliff efficiency, NSE = 0·61) outperformed HBV‐IHMS (NSE = 0·51) and SWAT (NSE = 0·48). Performance on monthly time step was similar. Difference in model behavior depended on runoff mechanism. In PED‐WM, saturation excess is the main direct runoff process and could predict the maximum extent of the saturated area closely at 6·9%. HBV‐IHMS model runoff simulation depended on soil moisture status and evapotranspiration, and hence was able to simulate saturation excess flow but not the extent of the saturated area. SWAT, where infiltration excess is the main runoff mechanism, could only predict the monthly discharges well. This study shows that prevailing runoff mechanisms and distribution of runoff source areas should be used for proper model selection. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.