湟水流域SWAT模型构建及参数不确定性分析

敏感性分析和不确定性分析是分布式水文模型参数校准和模型构建的先决条件.以位于青藏高原与黄土高原过渡地带的青海湟水流域为例,基于SWAT模型的拉丁超立方和单次单因子(LH-OAT)采样方法和SWAT-CUP程序的拉丁超立方采样方法进行模型参数敏感性分析,同时以SWAT-CUP的P因子和R因子进行模型不确定性分析,最终结合手动调参和自动率定算法,构建湟水流域分布式水文模型.结果表明:湟水流域日尺度模拟中,率定期模型平均确定系数为0.7,平均效率系数为0.68;验证期平均确定系数为0.65,平均效率系数为0.53,可以满足应用要求;PSO算法在水文模型率定中总体表现良好;基于SWAT模型和SWAT-CUP程序的单次率定用时分别为3.5 min和2.2 min,SWAT-CUP程序明显快于SWAT;分析结果还表明:模型不确定性和模型率定结果精度并不一致,但模型不确定性决定着模型验证期的结果精度,为确保验证期精度,必须降低模型不确定性;模型自动率定中,相同迭代次数下,SWAT模型对于流量较大的子流域率定效果较好.     

SWAT模型及其应用

SWAT模型是美国农业部开发的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。从SWAT模型的原理、结构、应用及评价等方面对该模型作一综合性评述，为我国水文模型的建立提供参考。     

SWAT模型研究应用进展

利用数学模型来分析非点源污染空间分布是评估非点源污染控制中特定管理措施和管理情景效果的重要工具，也是研究环境变化条件下水资源管理问题的重要手段。20世纪70年代以来，随着人们对非点源污染的重视。产生了很多优秀的非点源模型，SWAT（Soil and Water Assessment Tool）就是其中之一。SWAT模型具有综合、分布、基于物理机制并且与GIS集成的特征，具备准确模拟流域水文状况的能力。并已在水资源和环境领域中得到广泛的承认和普及。介绍了SWAT模型的特点和主要应用，对其在非点源污染模拟和控制、环境变化对水文响应的影响、洪水短期预报等领域的最新进展进行了评述，并对我国在应用SWAT模型方面的发展方向进行了初步探讨。     

SWAT模型及其应用研究

利用数学模型来模拟水文、泥沙、非点源污染过程是流域管理中对特定管理措施的效果进行评估的重要工具,也是研究环境变化条件下水资源管理的重要手段。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是一个集成了遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和数字高程模型(DEM)技术的目前国际流行分布式水文模拟工具。介绍了SWAT模型的发展历程、原理及特点,概述了SWAT模型目前在径流模拟、非点源污染模拟与控制、气候变化对水文响应的影响、模型参数敏感性分析方面的进展情况,并对SWAT模型今后的应用和改进方向作了初步探讨。     

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.     

SWAT模型研究及应用进展

SWAT模型因“3S”技术的成熟得到了飞速的发展和应用,是目前研究水文和面源污染等问题的一个有效工具。本文简介了SWAT模型的发展与特征,概述了SWAT模型目前在国内外的研究现状,并对SWAT模型今后的发展提出了建议,为模型的进一步完善和发展提供基础。SWAT模型在面源污染和水文过程模拟中都取得了不俗的成果,并逐渐成为水文和水质研究的主要手段。模型的数据获取、研究尺度和不能精确地反映污染物质在各种景观中的迁移过程是模型所存在的缺陷,需要进一步研究与完善。     

SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望

SWAT模型是近几年发展比较快的一个流域分布式水文模型,它可以对大、中尺度的流域的水文物理过程进行长时段模拟.本文介绍了SWAT模型的特点,并通过对模型在反映人类活动对流域水资源管理影响等方面研究的评述,总结了模型在自然流域水资源管理应用的优势以及在人工干扰强烈的农业灌区应用还存在的问题.进而提出了SWAT模型在灌区的水分循环、节水改造等方面的研究方向与应用前景,为灌区水资源的优化管理与节水灌溉评价提供一个新的研究手段.     

SWAT模型之初步探讨

由美国农业部农业研究中心（USDA-ARS）研发的分布式水文模型:水土评估工具（SWAT）,具有强大的物理机制。近年来,它被认为是最适合模拟在不同土壤、土地利用和管理大流域中,长期土地管理对于水、土沙、营养物质及农业化学物质的影响。介绍SWAT模型的原理及基础数据库之建立,并搜集SWAT模型应用研究之文献（1999-2008年）,以统计分析SWAT模型目前的研究现况,作为日后应用SWAT模型进行相关研究之参考。     

SWAT模型自动校准模块在云州水库流域参数率定研究

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。该文以华北土石山区云州水库流域为例,运用了SWAT模型自动校准模块来进行参数率定和检验,研究了SWAT模型自动校准模块的应用。通过模型自动校准、调整参数,使模型能够比较准确地模拟该流域的径流量。同时,经过模型有效性检验,计算得到,确定性系数为0.78,径流模拟值与实测值拟合度较好。从模拟结果可以看出,SWAT模型自动校准模块在云州水库流域的应用是较为成功的。     

基于SWAT模型茶园化肥减施增效配比研究

茶园化肥减施技术是改善茶园土壤环境、降低茶区地表水体富营养化的主要措施之一,有助于茶园生态环境的改善。利用云南省西双版纳自治州勐海县勐邦库区曼真村2018年3—9月大田试验数据及勐海县勐邦库区2011—2016年气象水文资料,基于SWAT模型建立区域尺度茶园化肥减施模型,构建环境效益评价体系(土壤肥力指标、水环境指标和经济效益指标),采用模糊综合评价法定量计算茶园不同施肥方式(常规化肥、70%化肥+有机肥配施、70%化肥+缓释肥配施、70%化肥+土壤改良剂配施)的环境综合效益指数,系统研究勐海茶园化肥减施增效配比方案。结果表明:1)勐邦库区流域月尺度径流与水质的模拟和实测结果趋势相同,决定系数R2=0.895,纳什系数Ens=0.837,模型拟合度高;2)综合效益权重计算结果表明,水环境指标(0.412)土壤肥力指标(0.317)经济效益指标(0.271),水环境对综合效益存在显著影响;3)勐海茶园最优的化肥减施配比方案为70%化肥+缓释肥配施,其土壤肥力效益指数为0.96,水环境效益指数为0.97,经济效益指数为0.99,综合效益评价指数为0.97。综上, 70%化肥+缓释肥配施能有效降低茶园地表水体富营养化产生的风险,同时能够提高茶园土壤肥力而不影响茶园的经济效益。因此,配施缓释肥是现阶段较为适合勐海茶园的环境友好型施肥技术。     

分布式水文模型SWAT的发展与研究动态

分布式流域水文模型研究已成为现代水文模型研究的热点，是解决流域水文、生态和环境问题的一个有效的途径。SWAT模型是一种基于GIS基础之上的分布式流域水文模型，近年来得到了快速的发展和应用。主要介绍了SWAT模型的发展历程和目前国内外应用研究动态，以期为我国水文模型的发展和建立提供参考。     

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SWAT模型的径流与土壤侵蚀过程模拟

将可表征土地利用变化对水文响应影响的分布式水文模型SWAT应用于密云水库潮河子流域,对模型的敏感性进行了分析,并采用1986～1991年下会水文站数据对其径流量和泥沙负荷进行了率定和验证,模型评估结果表明该模型对径流的模拟效果非常好,对泥沙的模拟效果较好。通过计算34个子流域内的侵蚀模数,对流域内的土壤侵蚀强度进行了分级,并分析了不同土地利用方式对产沙的影响。结果表明,流域内的土壤侵蚀主要发生在农田,为保障密云水库的水质应对其采取有效的水土保持措施。     

SWAT模型及其在水环境非点源污染中的应用研究进展

非点源污染是水环境污染的主要来源之一,其过程机理复杂,应用水环境污染模型模拟是研究非点源污染的重要手段.SWAT模型是国际上著名的分布式流域水环境模型之一,结合了遥感(RS)、地理信息系统((GIS)技术,能够准确、长时间段连续地模拟复杂流域的各种水环境过程以及气候变化、土地利用类型、管理措施对流域水平衡和非点源污染的影响,为监测、评价、研究流域水环境非点源污染状况提供了强大的支持平台.在大量调研国内外相关文献的基础上,围绕模型的主要标志性改进及应用成果介绍了SWAT模型的发展历程和现状,论述了模型应用于水环境非点源污染研究的几个主要方面和国内外研究新进展,分析了目前国内应用SWAT模型进行水环境非点源污染研究存在的问题,并对SWAT非点源污染子模型的发展趋势做了展望,以推广这一先进模型在国内的应用范围,提高非点源污染模拟、监测、评价工作的效率及结果的可靠性.     

空间数据对分布式水文模型SWAT流域水文模拟精度的影响

分布式水文模型的模拟精度受空间参数精度的影响.提升空间参数精度能较为精准描述流域空间特征,也会使空间数据量冗增,甚至影响模型运行效率.以分布式水文模型SWAT为例,分析DEM、子流域划分、土地利用、土壤、降水站点等空间数据精度对模型模拟精度的影响.结果表明:1)对不同对象(流量、泥沙、营养元素等)进行模拟时,大多数空间数据分辨率阈值不同,分辨率超出阈值可能降低模型模拟的精度;2)DEM分辨率降低,泥沙和总磷(TP)模拟结果的相对误差明显增加,而流量和硝态氮(NO3-N)模拟结果变化极小;3)DEM分辨率达到一定精度后,进一步提高并不会使地表径流模拟精度得到改善,低分辨率DEM获得的坡度较小,这会降低模型对流量的模拟,模拟的洪峰径流产生滞后现象;4)子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大.子流域和水文响应单元的划分数量对流域上游产沙量影响较大,而对流域出口处泥沙荷载影响较小;5)土地利用和土壤图精度主要通过影响模型中HRU生成的数量而影响模拟结果;6)地表径流模拟上,能够体现对地表径流贡献较大的局地降水事件的分布式的降水数据要比利用气象站点获得的降水数据模拟结果的精度要高.研究结果可以为今后模型开发、利用、改进提供参考,提高模型模拟的精度.     

SWAT模型在粤北连江流域的应用研究

选择粤北连江流域为研究区域,以分布式水文模型SWAT作为模拟工具,对流域内的水文过程进行模拟。利用流域内高道、凤凰山和黄麖塘3个水文站2001—2010年的实测月平均径流量进行敏感性分析和参数率定。以2001—2005年作为校准期,2006—2010年作为验证期,以相对误差（Re）、决定系数（R²）以及Nash-Suttcliffe效率系数（Ens）作为模型适用性的评价指标。校准期3个水文站的月径流量模拟值的相对误差分别是2.72%,5.91%,1.63%,决定系数均大于0.9,Nash-Suttcliffe系数分别为0.97,0.89,0.70,而验证期相对误差分别是2.62%,5.36%,9.32%,决定系数均大于0.9,Nash-Suttcliffe系数分别为0.90,0.69,0.69。各项评价指标均符合精度要求,说明SWAT模型可以用于连江流域的径流模拟。     

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。     

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.     

基于SWAT模型的延河流域径流侵蚀能量空间分布

降雨侵蚀力是通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)等流域土壤侵蚀模型中应用最广泛的侵蚀动力因子,但仍具有一定的局限性,相比之下,径流侵蚀功率可以更充分地反映地表水力侵蚀动力的综合作用。分析径流侵蚀功率的空间分布,以期从能量的角度阐明流域侵蚀的分布情况,研究流域空间侵蚀的特征。该研究运用SWAT模型在延河流域的模拟结果,将次暴雨径流侵蚀功率推广到年尺度,提出年径流侵蚀功率的概念,并研究年径流侵蚀功率的空间分布规律及尺度效应。研究结果表明:在延河流域年径流侵蚀功率的空间分布具有"支流大、干流小;上游大、下游小"的特点;将子流域出口断面控制面积作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈幂函数关系,空间尺度效应阈值在155 km2;将子流域出口断面以上河长作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈指数函数关系,且干、支流的空间尺度效应不同。研究结果从能量角度阐明了延河流域水力侵蚀动力的空间分布,为在延河流域不同地区进行针对性的水土资源管理、水土保持工程建设提供理论支持。