SWAT模型灵敏性分析模块在中尺度流域的应用——以密云县红门川流域为例

SWAT模型是基于水文过程的、具有很强物理机制的流域分布式水文模型。基于AVSWAT2005模型灵敏性分析模块,在典型中尺度流域——北京密云县红门川流域应用与验证。通过灵敏性分析,得到影响该流域产流模拟结果精度的主要参数因子,SCS径流曲线系数(CN2)、土壤可利用水量(SOL_AWC)、基流α系数(ALPHA_BF)的影响是显著的,是最敏感因子。同时调整参数值,采用1991-2006年的实测月流量数据对模型进行了校准和验证,结果表明:模型对月流量模拟的相对误差在模型校准期和验证期均小于15%,决定系数R2大于0.8,Nash-Suttcliffe系数Ens高于0.7,SWAT模型对红门川流域产流的模拟结果良好。因此,SWAT模型中的灵敏性分析模块可以应用在面积较小的中尺度流域,具有一定的推广意义。     

基于改进径流曲线数模型的北京密云坡地径流估算

密云区是北京重要的地表饮用水源地,准确模拟地表径流量,对于分析泥沙和污染物的运移十分重要。近年来,学者们运用径流曲线数(soil conservation service curve number,SCS-CN)模型计算本区地表径流量,但预报精度不理想;未考虑降雨过程和雨强对于产流过程的影响,可能是造成预报误差的重要原因。该文利用密云石匣小流域5个坡面径流小区共201场降雨产流资料,提出次产流径流曲线数计算方法,以改进SCS-CN模型并分析改进后模型模拟效果。结果表明,次产流径流曲线数与多年平均径流曲线数的比值和最大30 min降雨量与次雨量的比值之间呈显著幂函数递增关系,据此提出计算次产流径流曲线数的幂函数方程,以改进SCS-CN模型。当曲线数为0.02时,改进后模型模拟效果最好,效率系数为0.693,明显高于未改进的SCS-CN模型。改进后模型对裸地和耕地的产流模拟效果较好,但对林地的产流模拟效果不理想。今后需在深入分析产流机理的基础上,进一步提出与土壤特性有关的模型参数优化方法。     

基于前期雨量和降雨历时的SCS-CN模型改进

径流曲线法（Soil Conservation Service Curve Number,SCS-CN）对前期产流条件（Antecedent Moisture Condition,AMC）的概化,导致径流预测出现相应的突然跳跃,同时还忽略了降雨历时作为重要组成部分对地表径流的影响,影响了模型径流预测的精度。密云水库是北京市地表饮用水的重要来源,对其上游流域进行降雨径流预测有着重要的生态意义和经济意义。该研究将SCS-CN模型与前期雨量和降雨历时结合,采用API（Antecedent-Precipitation Index,前期降雨指数）模拟土壤前期水分条件,并且提出了一种考虑次降雨事件中土壤前期雨量和土壤入渗量的静态渗透方程,对SCS-CN模型进行了改进。其中,潜在最大蓄水等于前期土壤水分和土壤潜在蓄水量的和,最大静态渗透速度是流域土壤水分达到蓄满时的静态渗透速度,静态渗透系数是与土壤结构、土地利用等相关的无量纲。利用2006-2010年及2014-2020年石匣流域径流小区的200次降雨径流事件监测结果,对新改进的模型与原SCS-CN模型以及两种改进的SCS-CN模型进行了校准、验证和性能比较。结果表明,4种径流模型中,该研究改进的模型表现最好,纳什效率系数为0.77,决定系数为0.79,均方根误差为3.21 mm,相比于SCS-CN模型纳什效率系数、决定系数和均方根误差分别提高了319%、97.5%和107.5%。参数敏感性分析表明,潜在最大蓄水和静态渗透系数是最敏感的两个参数,最大静态渗透速度的参数敏感性一般,初损率的参数敏感性最差。该研究改进模型在密云水库上游潮白河流域降雨径流模拟中具有一定的适用性,可为其他地区产流计算提供参考依据。     

气候变化对开都河流域径流的影响研究

利用SWAT模型模拟开都河流域的径流变化,并采用1990—2009年的水文站点径流数据进行精度验证,然后设定气候变化情景,模拟不同气候条件下径流的响应特征。结果表明:模拟结果与实测径流较吻合,剔除异常年份（1994年、1995年）后,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,说明SWAT模型在开都河流域的适用性较好。基于此,采用任意情景设置方法,设置了25种气候变化（气温和降水）组合情景,研究了该流域对气候变化的响应,结果表明,气候变化对径流量的影响较为显著,降水增加或气温降低均会导致径流量增加,流域未来年均径流变化的主要影响因素是降水,温度的影响相对较弱。     

基于SWAT东北黑土区乌裕尔河流域径流模型模拟

黑土区是我国的粮食主产区之一,在该区研究径流特征,对东北水资源调控、侵蚀产沙治理和粮食安全,都有非常重要的意义。以乌裕尔河流域为研究对象,利用SWAT模型对乌裕尔河流域水文过程进行模拟,通过SWATCUP程序的SUFI-2算法进行模型参数敏感性和不确定性分析,结合手动参数调整,得到了较为理想的模拟结果。结果表明:年径流及月径流在校准期和验证期的相关系数R2均达到0.8,Nash Suttcliff效率系数大于0.75,相对误差小于15%。SWAT模型可较准确地模拟流域径流过程,该模型在东北地区的水文模拟具有一定的适用性。研究发现,模型对某些降雨突增月份径流模拟较差,并且对春汛和夏汛双峰型径流模拟效果也不尽人意,春季径流量模拟普遍偏低,夏季径流量普遍偏高。因此,尽管东北地区产流结构较为复杂,一些地方如模型土壤属性数据库建设、融雪过程还需要深入研究。就目前研究来看,SWAT模型对于该地区的径流模拟总体效果可以接受,这可为该地及类似地区径流乃至侵蚀产沙模拟,为水资源的开发利用与流域的综合管理提供科学依据。     

钦江流域土地利用/覆被变化对径流产沙的影响

以钦江流域为研究对象,在GIS软件的支持下,构建研究区SWAT分布式水文模型,以径流和泥沙实测数据对模型进行校准和验证,结果显示相关系数R2高于0.9,Nash-Sutcliffe系数高于0.8,模型模拟精度较高。在固定天气因子等不变的情况下,基于1990、2008年两期土地利用数据,模拟研究区1968—2008年径流产沙过程,并分析土地利用/覆被变化对水文效应的影响,结果表明:1990—2008年土地利用变化主要表现为林地、水田面积减少,旱地、草地、水域和建设用地面积增加;与1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下径流和输沙总量均增加,土地利用变化对产流影响较小,对产沙影响较显著;由土地利用变化引起的月均径流产沙变化量为汛期增幅大于非汛期;土地利用变化对枯水年径流产沙过程影响最大,平水年次之,丰水年影响最小。     

SWAT模型灵敏性分析模块在云州水库流域的应用

SWAT模型是基于水文过程的,具有很强物理机制的流域分布式水文模型.介绍了AVSWAT2005灵敏性分析模块,并在华北土石山区云州水库流域得到较好的应用与验证.通过灵敏性分析,辨析出影响该流域产流模拟结果精度的主要参数因子.SCS径流曲线系数(CN2)、土坡可利用水量(SOL-AWC)、土壤饱和导水率(SOL_K)的影响是显著的,灵敏性等级高;平均坡度(SLOPE),浅层地下水径流系数(GWQMN)有一定影响,灵敏性等级中;依据上述结论调整参数值,采用连续10 a的实测月流量数据对模型进行了校准和验证.结果表明,模型对月流量模拟的相对误差在模型校准期和验证期均小于15%,Nash-Suttcliffe系数Ens高于0.7,SWAT模型对云州水库流域产流的模拟结果良好.因此,灵敏性分析模块的应用极大地提高了模型在华北土石山区的可用性,具有一定的推广意义.     

SCS模型在干热河谷区坡面产流模拟中的应用

 为探索干热河谷泥石流多发地区的降雨产流机制,选择地处云南省东北部干热河谷区的蒋家沟流域,利用径流小区野外双环下渗试验的结果,确定径流小区中各土壤水文类型,根据蒋家沟实际情况,用前期影响雨量代替前5d降雨总量来确定各径流场中土壤的前期湿润程度,然后利用实际观测的5次降雨—径流资料,运用SCS模型对5个不同土地利用类型的径流小区进行降雨产流模拟,通过校正初损Ia和CN参数,得到模拟结果。结果表明,与实测资料相对比,各次降雨中模拟的径流量与实测值的误差平均值分别为4.32%,5.30%,9.59%,7.99%,5.26%,可信度较高,说明SCS模型可以应用于干热河谷区坡面降雨产流的估算,研究成果可为该地区降雨—径流模型提供参考。     

基于SCS-CN模型的紫色土坡地径流预测

地表径流是引起坡面土壤侵蚀的主要动力,对降雨径流进行有效的预测,是紫色土坡地水土保持的基础。SCS-CN模型中的径流曲线数CN和初损系数λ作为主要输入参数对径流模拟精度有重要影响,但在应用于紫色土坡耕地模拟时,却很少进行坡度的调整,而坡度是影响降雨产流的重要因子。该文利用紫色土不同坡度的径流小区,选取2013年的5场降雨产流的实测数据,旨在分析紫色土坡耕地降雨产流量与地表坡度的关系,对现有的基于坡度修正的SCS-CN模型进行适用性评价,并在考虑降雨量影响的基础上对初损系数进行修正。结果表明,次降雨下径流量随坡度的增大而增大,并出现径流影响的临界坡度;经坡度修正后的模型在小降雨事件下的模拟精度较好,但强降雨条件下预测值比实测值均偏大,初损系数λ=0.2适用于紫色土坡地小降雨产流模拟,在强降雨条件下,λ值越大,模型模拟效果越好,当λ=0.3时,修正的模型在紫色土坡地径流模拟效果最理想,此时,模拟值与实测值的平均相对误差为7.42%,模型效率系数达到0.99。而基于坡度调整后的CN值对应坡度6.5°~25°依次为78.23、78.45、78.77、79.11、79.47。该研究结果可为紫色土丘陵区降雨径流预测及水土保持提供参考。     

贵州省猫跳河流域土壤侵蚀动态变化分析

通过实际观测,获得蒋家沟流域近2a的径流资料,总结出2008—2009年间径流的年内特征。通过收集蒋家沟流域土壤、土地利用和气象数据,用SWAT模型模拟了蒋家沟流域的基流月径流模拟和日径流变化。基流月模拟中旱季的模拟效果比较好,汛期由于泥石流暴发时无法观测流量,导致实测资料不完整,模拟结果比较差。日径流模拟分为旱季和汛期模拟,模拟结果的Nash效率系数和相关系数都在0.7以上,表明SWAT模型可以应用于泥石流流域蒋家沟地区的降雨—产流机制研究。     

SWAT模型在黄土丘陵区参数敏感度分析及率正研究

SWAT模型是基于水文过程的、具有很强物理机制的流域分布式水文模型。应用SWAT模型,结合1986—2000年罗玉沟流域实测水文资料对径流进行模拟,并进行了模型参数敏感度分析和率正。通过敏感度分析,辨析出影响该流域产流模拟结果精度的主要参数因子,如径流曲线数CN2等。依据上述结论调整参数值,对模型进行了率正和验证,得出率正期的相对误差为14.0%,R²为96.1%,Nash—Suttcliffe系数为0.89;验证期的相对误差为8.8%,R²为91.5%,Nash—Suttcliffe系数为0.82。结果表明实测流量和模拟流量的线性回归系数和模型的效率系数满足模型模拟的要求,SWAT模型适用于该研究区域。     

基于原型观测与DEM的强风化花岗岩小流域水文过程模拟

为了解华南花岗岩小流域特殊的产流机制,以土壤为砂壤土、基岩为强风化花岗岩的中山大学珠海校区滨海小流域作为研究对象,观测了2个分别代表森林、灌丛覆盖的5 m×10 m的径流试验场的产流过程和土壤含水率变化过程。观测结果表明超渗产流、优先流是试验场的重要产流方式,壤中流（尤其是在土壤-基岩界面上产生的壤中流）对试验场的总产流量也有较大贡献。在径流试验场原型观测基础上,建立了一个基于数字高程模型（DEM）的、包括地表径流、壤中流和基岩裂隙出流的三水源小流域水文模型。利用9次降雨径流过程对模型参数进行率定,利用4次降雨径流过程进行验证,模型的率定、验证均取得了良好的拟合效果。根据模型的模拟结果,在径流的起涨阶段地表产流贡献最大,而基岩裂隙出流对退水过程贡献明显。综合试验场原型观测结果与模型模拟结果得出结论：明显的壤中流和基岩裂隙出流是华南花岗岩小流域显著的产流特点。     

东辽河流域吉林省境内的径流模拟研究

以东辽河吉林省境内河段为研究对象,采用SWAT分布式水文模型对东辽河泉太水文站进行径流模拟,模型采用2006—2008年实测的逐月径流资料进行参数的率定,并以2009—2010年为模型的验证期,分析对水文过程影响较大的因素、模型的模拟精度及对研究区的适用性。结果表明:泉太水文站率定期与验证期径流的模拟值与实测值总体上拟合较好,率定期与验证期径流模拟的相关系数（R²）均大于0.6,Nash-Suttclife效率系数（E_ns）均大于0.75,相对误差（R）均小于30%。验证期的月径流模拟相对误差较率定期小,且相关系数R²、效率系数均大于0.9,降雨是径流的重要影响因素,月径流模拟值与年内的降雨过程存在较好的正相关性,且率定期相关性较验证期相关性大。应用率定后的参数在SWAT模型中进行径流模拟的结果较好,精度较高。将SWAT模型应用于东辽河吉林省段的径流过程模拟,具有较强的适用性。     

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R_E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。     

基于可变源区理论的SCS模型改进及其应用

准确预测小流域的径流量是进行侵蚀预报和水土流失治理的关键。SCS-CN是预测无径流观测资料地区降雨产流的常见模型之一。针对传统SCS-CN模型不能准确识别饱和产流源区问题,基于可变源区理论对SCS-CN模型进行了改进,并以三峡地区王家桥小流域50场降雨径流数据为例,对基于可变源区的SCS方法（CN-VSA）、初损率λ=0.2和改进的λ=0.05的SCS-CN方法进行了对比。结果表明:SCS-CN_0.2方法不适合该流域,CN-VSA和SCS-CN_0.05方法均能较好模拟结果,CN-VSA方法决定系数为0.802,效率系数是0.651,SCS-CN_0.05方法分别是0.763,0.766,但是SCS-CN_0.05方法不能准确定位饱和产流源区。在流域综合治理的水文效应评估中,饱和产流源区准确定位十分重要,改进的CN-VSA方法能定位产流源区,在实践中有着重要意义。     

基于GD_SVM_CA-Markov模型的县域景观格局模拟

利用地理探测器探究地理要素变化与驱动因子关系的优势以及支持向量机分类决策的特点,对CA模型进行改进,并结合Markov模型,形成GD_SVM_CA-Markov模型,以期为县城城镇发展规划以及环境保护提供决策参考。以生态脆弱区典型县域内蒙古磴口县为研究区,基于2011年磴口县土地利用数据,应用GD_SVM_CA-Markov模型,对磴口县2016年的土地景观空间分布格局进行模拟预测,以期发现其变化规律,为了保证模拟精度,将模拟结果与传统CA-Markov模型模拟结果进行对比验证。结果表明,CA-Markov模型模拟结果的总体Kappa系数为0.862 8,GD_SVM_CA-Markov模型模拟结果的总体Kappa系数为0.925 0,2个模型模拟结果的精度均较高,但GD_SVM_CA-Markov模型模拟结果的精度更高,结果更优。因此,将GD_SVM_CA-Markov模型应用于当地土地景观空间分布格局模拟预测,具有一定可行性,可为当地生态治理以及相关政策的实施提供参考。     

递推关系概化前期产流条件改进SCS模型

降雨径流的精准模拟和预测是开展水资源管理和水土环境质量评价的重要依据之一,但现有SCS模型不能有效表征前期降雨蓄存和消耗对产流的影响,进而限制了其径流预测精度。该文基于潜在初损和有效降雨影响系数形成日有效影响雨量的递推关系,将前期产流条件概化成前期日降雨量对降雨初损的影响函数,从而构建了改进SCS模型。其中潜在初损量明确了产流前流域的最大降雨蓄存潜力和日降雨量的有效影响阈值,而前期有效降雨影响系数则表示了在蒸发蒸腾或渗漏过程作用下前期有效日降雨量的动态消耗。在小区、田间、流域3种排水面积下的模型应用结果表明,改进SCS模型能更准确地预报产流的变化,验证期的确定系数R2和纳什系数NSE比SCS原模型分别提高了27.0%~30.9%和1.0%~78.3%。前期有效降雨影响系数的稳定性较好,两模型的曲线数的拟合值比较一致。该改进SCS模型为更准确预测蒸发蒸腾或渗漏较为剧烈地区的径流提供参考。     

基于SWAT模型的抚河流域土壤侵蚀模拟

为模拟流域土壤侵蚀状况,分析土地利用方式对土壤侵蚀的影响,构建抚河流域SWAT模型.应用SWAT模型对研究区的径流、产沙状况进行了校准和验证,在此基础上分析了抚河流域土壤侵蚀强度特征,探讨了不同土地利用方式对产沙的影响.结果表明:4个测站月径流、月输沙量的校准期和验证期的决定系数(R2)均在0.7～0.93之间,Nash-Sutteliffe效率系数(NSE)在0.64～0.92之间,径流、泥沙模拟结果达到满意精度,模型在本区域具有良好的适用性;土壤侵蚀以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,城乡及工矿用地的土壤侵蚀模数最大,而林地的产沙量绝对量最大.研究成果可为研究区水土保持提供参考.     

水稻灌区水量转化模型及其模拟效率分析

为更合理地定量描述和研究分析南方丘陵水稻灌区水量及其转化关系,在已构建的水稻灌区分布式水量平衡模型（改进SWAT模型）的基础上进一步从模型模拟结构、稻田水量平衡要素（蒸发、降雨、渗漏和灌排）模拟和渠系渗漏影响等方面对模型予以改进完善,以期能合理体现灌区特征,充分描述灌区水文过程,提高模拟精度,为灌区水量转化和节水潜力分析研究提供有效手段。文中将完善相关改进的模型应用于漳河灌区典型流域,并将其模拟结果与原SWAT模型模拟结果比较分析。结果表明：改进SWAT模型径流模拟总量与实测值基本一致,相对误差在±10.0%之内;Nash-Suttclife效率系数达到0.57～0.76;评价系数均在0.85以上。原SWAT模型径流模拟总量仅占实测值的30%～40%;Nash-Suttclife效率系数均低于0.50,甚至出现负值;评价系数在0.76～0.91之间。改进SWAT模型水稻蒸发蒸腾量模拟值与试验值相对误差仅为-4.76%,评价系数为0.93,Nash-Suttclife效率系数高达0.85;而原SWAT模型模拟值与试验值相对误差高达-38.49%,评价系数为0.73,Nash-Suttclife效率系数为负值。可见,改进SWAT模型因全面考虑水稻灌区水文特征,其模拟效率明显优于原SWAT模型,更适合于南方丘陵区水稻灌区的水文循环模拟。     

黄土高原小区径流过程预测模型评价

地表径流是土壤侵蚀和泥沙搬运的主要原动力.径流过程及其特征值是侵蚀模型,特别是侵蚀过程模型中水文模块的重要输入资料,但相对于降雨过程和径流总量资料,径流过程数据十分匮乏.为了对径流过程进行有效模拟,本文利用黄河流域子洲径流试验站团山沟3个小区107场降雨-径流过程观测数据,在小区尺度上对比验证3个仅含有1个参数的简易入渗模型:Ⅰ入渗能力恒定法,即假设入渗能力为1个常值,产流仅发生在降雨强度大于此值的情况;Ⅱ径流系数法,即假设实际入渗率与降雨强度呈正比关系,比例系数为1与径流系数的差值;Ⅲ入渗能力空间变异法,即假设入渗能力存在空间差异,实际入渗率表现为最大入渗率和降雨强度的指数形式.同时,为考查模型在不同时间尺度上的表现,文章分别选取1、6和15 min对数据进行重采样.结果显示:以洪峰流量和有效流量的预测精度作为模型有效性评价指标,相较于径流系数法和入渗能力空间变异法,入渗能力恒定法对黄土高原区径流过程的模拟效果最好,即入渗能力恒定更符合于黄土区实际产流入渗特点;随着过程资料采样时间间隔的增加,模型的模拟精度显著提高,即模型并不依赖于高密度的采样数据.研究结果可为缺乏径流过程资料的地区提供径流过程的计算方法,且有助于定量描述水文过程、土壤侵蚀和泥沙搬运过程.