基于SWAT的内蒙古西柳沟孔兑径流模拟研究

使用SWAT模型对内蒙古十大孔兑之一的西柳沟流域进行了径流模拟,并使用SWAT-CUP结合SUFI-2算法进行了参数敏感性分析、参数率定、模型验证.研究结果表明:率定期和验证期线性拟合系数R2,Nash-Sutcliffe效率系数分别均超过了0.6和0.5,说明SWAT模型在西柳沟流域具有一定的适用性.比较模拟径流和实测径流的水文过程线,发现模拟径流在夏汛时期模拟效果较好,春汛及其他降雨较少的月份模拟效果较差,原因可能是西柳沟流域处于干旱半干旱地区,降雨时空分布不均且其流量较小,除汛期外,其它月份流量都小于1m3/s.为更好地模拟该流域的径流,SWAT模型仍有待改进.     

基于SWAT模型的内蒙古闪电河流域径流模拟研究

以内蒙古闪电河流域为研究对象,采用分布式水文模型SWAT对闪电河流域水文过程进行模拟,模型采用1962～1975年月径流资料进行参数率定,将1986-2001年作为模型的检验期对模型的适用性进行评估。结果表明:实测与模拟的逐月流量总体较为接近,率定期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.60,实测与模拟的月流量之间的相关系数在0.65以上,率定期的多年平均相对误差小于5%。由于人类活动的影响,验证期的模拟误差相对较大,超过12%。总体来看,SWAT模型参数经多次率定之后,能够较好地模拟干旱半干旱地区的径流过程,在同类地区具有一定的适用性。模拟过程中,对于降水量突然增大的月份,SWAT模型对月径流量的模拟结果往往超过实测值一倍,直接导致整个模拟过程的误差偏大。然而,模拟值与降水量在年内分配上却表现出很好的相关性,降水偏大的月份径流量敏感性大。同时,SWAT模型模拟径流结果受参数影响很大,调整融雪参数值,模拟精度在原有基础上相对提高。     

基于SWAT模型的开都河流域径流模拟

在遥感和GIS技术支持下,应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式模型对开都河流域1988-2009年逐月径流进行模拟。结果表明:模拟结果与实测径流较吻合,校准期(1990-2000年)效率系数为0.58,平均相对误差为-5.7%,线性拟合度为0.8,验证期(2000-2009年)的结果与校准期接近,均达到了模型的评价标准,结果具有一定的可信度,SWAT模型适用于开都河流域的径流模拟;季节性融雪是研究区径流形成的重要组成,结合研究区的特性,确定了研究区的各项积雪/融雪参数,提高了冬春季节径流模拟的准确性。     

基于SWAT模型的山区日径流模拟在玛纳斯河流域的应用

针对玛纳斯河流域山区水资源对径流的显著影响,建立适合于该流域的SWAT分布式流域水文模型。结果表明,采用1980-1995年数据模拟,验证了玛纳斯河流域控制性站(肯斯瓦特水文站)的日径流的模拟过程基本上反映了实际情况。模拟相对误差RE为17%、Nash Sutcliffe效率系数Ens为0.73,为新疆山区河流建立分布式流域水文模型提供了参考。     

基于CMADS气象数据集的延河流域径流量变化模拟及分析

文中对中国大气同化驱动数据集(CMADS)和传统气象站数据的降水空间分布、变化趋势和相关性进行了分析,并基于以上两种数据分别驱动SWAT水文模型,模拟延河流域的多年径流量.同时,利用甘谷驿水文站的实测径流数据进行模型参数的率定和验证,构建适合研究区域特征的分布式水文模型.结果 表明:1) CMADS和传统气象站数据的年...     

气候变化对干旱缺水区中尺度流域水文过程的影响

基于1997-2003年的气象水文资料,选择了黄土高原泾河流域上游,对半分布式生态水文模型SWIM进行了率定和验证,并以流域历史气象条件为基准,固定其它气候因素不变,针对单一气候因素变化(降水或温度)进行了情景模拟,分析、评价了降水和温度对流域径流量、蒸散量和土壤蓄水量各水文过程的影响。结果表明:流域降水量增加(减少),年径流、蒸散及蒸散分量、土壤蓄水量均增加(减少),且降水转化为各水量平衡分量的比例大小依次为径流量(蓝水)>蒸散量(绿水)>土壤蓄水量;流域温度升高,蒸散及其分量随之增加,但径流和土壤蓄水量则随之相应减少。研究结果对于变化环境下的干旱区流域水资源管理具有一定的意义。     

基于SUFI-2算法的SWAT模型在陕西黑河流域径流模拟中的应用

参数率定及敏感性分析是用来提高模型精度,确定模型关键参数及改善模型结构的非常有效的方法。本文基于SUFI-2算法,通过SWAT模型对陕西黑河流域进行了模拟,同时基于SUFI-2算法对模型参数进行了敏感性分析,结果表明：（1）影响黑河流域径流模拟结果精度的主影响因子是scs径流曲线参数;（2）用2005年到2011年的实测径流资料对模型进行了率定与验证,模拟确定性系数 R2和模型效率系数ENS均高于0．8;（3）通过SUFI-2算法与SCE-UA算法比较,发现SUFI-2算法所需时间短,精度更高。     

APEX模型在黄旗海流域的适用性研究

以内蒙古自治区黄旗海流域霸王河上游地区为研究区,运用农业政策与环境拓展模型APEX(Agricultural Policy Environmental eXtender)对流域径流和产沙量进行模拟。采用集宁水文站1983-1996年径流和产沙量的实测值对模型进行校准,并用1997-2011年径流和产沙量的实测值验证模型。运用Nash-Suttcliffe系数(Ens)、决定系数(R2)、平均百分误差的绝对值(APE)评价模型在黄旗海流域的适用性。采用Ens0.3,R20.5,APE≤25%作为模型适用性评价标准。结果显示校准期Ens在0.43~0.75之间,R2在0.52~0.81之间,APE20%,验证期除年产沙量的R20.5,其他评价指标数值都在评价标准内。说明APEX可用于模拟不同气候和土地管理条件下黄旗海流域的水文和水土流失过程,并对研究我国北方农牧交错带水文和生态过程具有潜在的应用价值。     

黄河流域内蒙古区间降雨径流模拟及水量平衡分析

以黄河内蒙古流域为研究区,利用GIS/RS技术获取流域水循环空间分布信息,选取黄河上游石嘴山、中游万家寨水文站为研究区的入、出站,利用近30年的降水等气象资料和近10年的水文资料,构建了基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型的黄河流域内蒙古区间的降雨径流模型。通过对模型的校准、验证,初步分析了该区间降水与径流量的关系及水量平衡。结果表明:黄河流域内蒙古区间农用灌溉、池塘蓄水等人为因素对径流量的影响要大于气候变化对其的影响;且在干旱的气候条件下,降水少,蒸散发量较大,从年尺度上看,通过降雨形成的径流量是非常有限的。构建的模型基本能够反映黄河流域内蒙古的月径流水文过程,水量平衡分析也揭示了当地干旱气候下径流的特征。     

土壤水分下渗机制及其在半干旱区产流模拟中的应用

尽管目前提出了许多流域水文模型,但多数模型更适用于湿润地区,将这些模型移植到半干旱半湿润地区,往往模拟结果并不理想。为了研究半干旱半湿润地区流域的产流机制,本文通过描述土壤水分的垂直运动过程,建立了湿润峰和饱和带上界面的移动方程,给出了土壤水的动态下渗过程,并据此将径流分为地表径流和壤中流,建立了流域产流模型。还以滦河水系的柳河流域作为研究对象,尝试性地进行了降雨径流的模拟。结果表明:模型的确定性系数达到77.2%以上,用于该流域的产流计算是可行的。     

Simulation of hydrological processes of mountainous watersheds in inland river basins: taking the Heihe Mainstream River as an example

The hydrological processes of mountainous watersheds in inland river basins are complicated.It is absolutely significant to quantify mountainous runoff for social,economic and ecological purposes.This paper takes the mountainous watershed of the Heihe Mainstream River as a study area to simulate the hydrological processes of mountainous watersheds in inland river basins by using the soil and water assessment tool(SWAT)model.SWAT simulation results show that both the Nash–Sutcliffe efficiency and the determination coefficient values of the calibration period(January 1995 to December 2002)and validation period(January 2002 to December 2009)are higher than 0.90,and the percent bias is controlled within±5%,indicating that the simulation results are satisfactory.According to the SWAT performance,we discussed the yearly and monthly variation trends of the mountainous runoff and the runoff components.The results show that from 1996 to 2009,an indistinctive rising trend was observed for the yearly mountainous runoff,which is mainly recharged by lateral flow,and followed by shallow groundwater runoff and surface runoff.The monthly variation demonstrates that the mountainous runoff decreases slightly from May to July,contrary to other months.The mountainous runoff is mainly recharged by shallow groundwater runoff in January,February,and from October to December,by surface runoff in March and April,and by lateral flow from May to September.     

塔里木河干流上游区WaSSI-C生态水文模型的适用性评价

水碳耦合模型能够为干旱区水碳资源综合管理提供重要的工具支持。以塔里木河干流上游区为研究对象，在深入分析WaSSI-C模型（Water Supply Stress Index-Carbon model）理论方法和运行机理的基础上，结合研究区自然地理环境特征，补充冰川融化计算模块，以增强模型在研究区的适用性。在此基础上，将研究时段划分为率定期（2000-2009年）和验证期（2010-2015年），利用实测的径流数据和MODIS数据产品的蒸散（ET）和总生态系统生产力（GEP）数据，以相关系数(R²)和效率系数（NS）为主要统计指标，探讨了不同时期WaSSI-C模型在研究区的适用性。流域总径流在率定期和验证期对比验证的R²分别为0.72和0.68，NS为0.71和0.67；ET在率定期和验证期对比验证的R²分别为0.60和0.64，NS为0.60和0.56；GEP率定期和验证期对比验证的R²分别为0.68和0.61，NS为0.66和0.69；除ET在验证期的NS为0.56以外，模拟结果的2个评价指标均保持在0.6及以上，可见模型能够很好地模拟塔里木河干流上游区水碳资源的动态变化。     

基于高光谱与电磁感应技术的干旱区绿洲土壤含水量反演研究

为实现干旱区绿洲土壤含水量的快速、准确监测,利用采集自渭干河-库车河绿洲的84个表层(0~10cm)土壤样本,通过利用电磁感应仪(EM38)将所测解译后数据代替实测土壤含水量数据,将高光谱反射率重采样为Landsat8卫星遥感波段反射率,在选取光谱特征参数、提取敏感波段的基础上,利用偏最小二乘回归(PLSR)方法建立土壤含水量模型,将最优估算模型应用于遥感影像,实现研究区土壤含水量遥感反演。研究结果表明:(1)利用EM38所测水平模式土壤表观电导率与土壤含水量拟合效果最优,能够代替实测土壤含水量进行后续建模分析。(2)相比3种单一的光谱特征指数,利用多种光谱特征指数所建土壤含水量估算模型的建模效果更优,其干、湿各季建模集决定系数R~2大于0.7,均方根误差(RMSE)均小于0.5%,RPD均大于2,能够作为有效手段估算干旱区绿洲土壤含水量。(3)不同季节土壤含水量遥感反演值与实测值决定系数R~2均大于0.6,均方根误差(RMSE)均小于0.6%,显示了较高的预测精度,证明利用电磁感应技术与高光谱相结合能够实现对干旱区绿洲土壤含水量的精准、高效监测。     

Understanding the impact of mountain landscapes on water balance in the upper Heihe River watershed in northwestern China

Estimating the impact of mountain landscape on hydrology or water balance is essential for the sustainable development strategies of water resources.Specifically,understanding how the change of each landscape influences hydrological components will greatly improve the predictability of hydrological responses to mountain landscape changes and thus can help the government make sounder decisions.In the paper,we used the VIC(Variable Infiltration Capacity)model to conduct hydrological modeling in the upper Heihe River watershed,along with a frozen-soil module and a glacier melting module to improve the simulation.The improved model performed satisfactorily.We concluded that there are differences in the runoff generation of mountain landscape both in space and time.About 50% of the total runoff at the catchment outlet were generated in mid-mountain zone(2,900-4,000 m asl),and water was mainly consumed in low mountain region(1,700-2,900 m asl)because of the higher requirements of trees and grasses.The runoff coefficient was 0.37 in the upper Heihe River watershed.Barren landscape produced the largest runoff yields(52.46% of the total runoff)in the upper Heihe River watershed,followed by grassland(34.15%),shrub(9.02%),glacier(3.57%),and forest(0.49%).In order to simulate the impact of landscape change on hydrological components,three landscape change scenarios were designed in the study.Scenario 1,2 and 3 were to convert all shady slope landscapes at 2,000-3,300 m,2,000-3,700 m,and 2,000-4,000 m asl respectively to forest lands,with forest coverage rate increased to 12.4%,28.5% and 42.0%,respectively.The runoff at the catchment outlet correspondingly declined by 3.5%,13.1% and 24.2% under the three scenarios.The forest landscape is very important in water conservation as it reduced the flood peak and increased the base flow.The mountains as "water towers" play important roles in water resources generation and the impact of mountain landscapes on hydrology is significant.     

小流域水量水质综合模型模拟研究

水箱模型也称Tank模型,是应用较为广泛的流域水文模型,模型将复杂的降水径流过程简单概化为流域的蓄水与出流关系进行模拟。针对皂河小流域的降水、径流和水循环等水文特性,建立了4层串联水箱模型,模拟流域的降水径流过程,计算流域径流量,并结合河流水质模型,综合模拟河流流量及主要水质指标变化。结果表明:各项指标的模拟值与实测值吻合较好,说明水箱模型用于小流域的径流模拟结果较为准确,可与水质模型耦合使用,综合模拟小流域的水文水质变化。     

Adaptability of machine learning methods and hydrological models to discharge simulations in datasparse glaciated watersheds

The accurate simulation and prediction of runoff in alpine glaciated watersheds is of increasing importance for the comprehensive management and utilization of water resources. In this study, long shortterm memory(LSTM), a state-of-the-art artificial neural network algorithm, is applied to simulate the daily discharge of two data-sparse glaciated watersheds in the Tianshan Mountains in Central Asia. Two other classic machine learning methods, namely extreme gradient boosting(XGBoost) and support vector regression(SVR), along with a distributed hydrological model(Soil and Water Assessment Tool(SWAT) and an extended SWAT model(SWAT_Glacier) are also employed for comparison. This paper aims to provide an efficient and reliable method for simulating discharge in glaciated alpine regions that have insufficient observed meteorological data. The two typical basins in this study are the main tributaries(the Kumaric and Toxkan rivers) of the Aksu River in the south Tianshan Mountains, which are dominated by snow and glacier meltwater and precipitation. Our comparative analysis indicates that simulations from the LSTM shows the best agreement with the observations. The performance metrics Nash-Sutcliffe efficiency coefficient(NS) and correlation coefficient(R~2) of LSTM are higher than 0.90 in both the training and testing periods in the Kumaric River Basin, and NS and R~2 are also higher than 0.70 in the Toxkan River Basin. Compared to classic machine learning algorithms, LSTM shows significant advantages over most evaluating indices. XGBoost also has high NS value in the training period, but is prone to overfitting the discharge. Compared with the widely used hydrological models, LSTM has advantages in predicting accuracy, despite having fewer data inputs. Moreover, LSTM only requires meteorological data rather than physical characteristics of underlying data. As an extension of SWAT, the SWAT_Glacier model shows good adaptability in discharge simulation, outperforming the original SWAT model, but at the cost of increasing the complexity of the model. Compared with the oftentimes complex semi-distributed physical hydrological models, the LSTM method not only eliminates the tedious calibration process of hydrological parameters, but also significantly reduces the calculation time and costs. Overall, LSTM shows immense promise in dealing with scarce meteorological data in glaciated catchments.     

黄土区小流域水沙对降雨及土地利用变化响应研究

降雨和土地利用/覆被变化是流域径流、泥沙的两个主要影响因子。本研究采用SWAT模型,用固定其中一个影响因子而改变另一个影响因子的方法,对研究区降雨变化与土地利用/覆被变化对径流泥沙影响进行估算,目的在于从年月不同时间尺度上确定黄土高原小流域水沙对降雨和土地利用变化的响应状况。结果表明,在年尺度上降雨变化对径流影响的贡献率为84.20%,土地利用变化对径流影响的贡献率为28.63%;在月尺度上,降雨对径流贡献率也大于土地利用对径流的贡献率,尤其在雨季降雨对径流的影响程度和土地利用对径流影响程度的比值最大可以达到4.5。因此,不论在年尺度还是月尺度上,降雨对径流的贡献率都远远大于土地利用对径流的贡献率。此外,研究结果也表明流域年降水量和流域森林植被盖度均与流域径流模数或输沙模数呈指数关系。     

开都河源区径流变化的气候响应

气候变化下的山区径流时空变异特征是干旱区水文水资源研究的热点之一。本研究选择天山南坡开都河流域源区为典型研究区,基于1958-2017年大山口水文站和巴音布鲁克水文站径流数据,及巴音布鲁克气象观测数据,采用TFPW-MK趋势检验、小波分析与小波相干等方法分析径流序列的趋势、突变和周期特征及其对气候变化的响应。结果表明:近60 a来,开都河源区径流、降水、气温呈显著增加趋势,并且径流量、降水量与最高气温的增率在加快,而平均气温与最低气温的增率减缓;径流量、降水与平均气温的突变年份集中在20世纪90年代,并且均存在28 a的周期;夏季径流量增加主要受夏季升温的影响,而早春径流量增加主要与冬季降水增加、早春升温有关;在年尺度上,降水是影响开都河径流变化的主要因素,气温主要以积温形式影响着径流的变化;在月尺度上,积温与降水均与径流呈显著正相关关系,且源区上游径流较下游径流对气温变化更为敏感。