SWAT模型水文过程参数区域差异研究

探讨SWAT模型的敏感参数和参数值的区域差异,有助于减少水文过程模拟的不确定性,提高模型在不同区域的应用水平。论文在收集SWAT模型的国内应用文献基础上,依据干燥指数将流域划分为湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区,主要采用定性分析方法,分析模型的敏感参数和参数值的空间差异及其影响因素。结果表明,SWAT模型的敏感参数和参数值具有一定的区域差异。对于地表水文过程,径流曲线系数(CN2)和土壤可利用水量(SOL_AWC)在各个区域都比较敏感,土壤蒸发补偿系数(ESCO)在湿润区和半湿润区较为敏感;由于均受土壤质地的影响,湿润区CN2 值高于半湿润区,SOL_AWC则正好相反;受气温和植被覆盖的影响,湿润区和干旱区的ESCO取值高于半湿润区和半干旱区。地下水参数在湿润区和干旱区较为敏感。降雪融雪参数仅在干旱区融雪对径流贡献大的流域才比较敏感。由于气候、土壤、植被条件的区域异质性,导致了流域水文过程参数的区域差异。结果还表明,由于水文过程还受到局部气象条件、下垫面等多种因子共同作用,以及模型尚未揭示的其它因子的影响,模型参数在相同区域的不同流域也存在着一定的差异。     

SWAT模型降水输入参数的改进研究

水文模型的运行和模拟精度,很大程度上依赖于输入参数的质量。论文通过不同途径获取的降水数据作为SWAT模型的输入参数,比较分析模型模拟精度。研究发现通常SWAT模型在模拟过程中选择的降水站点是固定的,如果某些年份缺失数据则会调用天气发生器,天气发生器基本可以满足SWAT模拟的需要,可以取得比较满意的结果。利用空间插值为缺乏降水观测的子流域提供降水输入参数,一定程度上提高了SWAT的模拟精度。不过在某些降水过程时空变率较大的情况下,空间插值的降水量往往偏低,导致SWAT模型对洪峰的模拟效果不好。     

SWAT模型在我国流域水环境模拟应用中的评估验证过程评价

模型评估验证是模型开发和应用过程中的重要环节,是管控模型应用于管理决策风险的重要手段.近年来,以SWAT模型为代表的流域水环境模型在我国流域水环境管理中得到广泛应用,但模型评估验证过程尚缺乏规范性指导.结合SWAT模型建模过程和模型评估验证的基本步骤,梳理总结SWAT模型评估验证过程的评价方法,针对确定研究或决策目标、获取输入数据、构建模型、模型率定验证、展示模型结果等5个阶段分别设计评价指标.筛选中国知网收录的2015—2017年发表的以SWAT模型为主题的428篇学术论文作为研究对象,评价现有研究的模型评估验证过程,分析我国SWAT模型评估验证的现状以及存在的问题和不足.评价结果表明,我国现有的SWAT模型应用研究总体比较重视模型评估验证过程,能够清晰定义研究区域、建模目标和期望产出,说明输入数据来源和质量以及模型概化、参数灵敏度分析、参数识别、不确定性分析的方法和结果,模型模拟效果较好.但是,针对SWAT模型评估验证方法的研究较少,在模型参数识别方面还存在参数选取未考虑研究区域特征、参数识别结果不合理等问题.建议在SWAT模型应用研究中关注参数灵敏度分析和参数识别,结合研究区域特征建立本地化应用数据库,加强模型评估验证方法研究.当模型应用于流域水环境管理决策时,应完整地开展模型评估验证,并分析模型不确定性对决策的影响.      

非点源模型中的水文模拟——以SWAT模型在芦溪小流域的应用为例

结合分散参数非点源模型SWAT在芦溪小流域的应用,讨论了连续模拟非点源模型水文模块的计算结果.由讨论结果来看,SWAT能够有效地模拟长时间序列的水文过程.一般来说,长期径流量模拟准确,短期径流量的结果较差,尤其是对日径流量的模拟存在着系统性的误差,这主要是由模型的内部结构和数据的时间精度决定的.      

基于SWAT模型的碧流河流域入海径流模拟研究

利用多源综合数据,建立碧流河流域SWAT（soil and water assessment tool）分布式水文模型,对模型进行了率定验证。结果表明:率定期模型纳什效率系数Ens、决定系数R2及相对偏差PBIAS分别为0.80、0.86、18.9%,模型不确定性P因子、R因子分别为0.78、0.58,验证期Ens、R2及PBIAS值分别为0.87、0.88、1.9%,建立的SWAT模型在碧流河流域中径流模拟总体效果较好,不确定性较小。通过建立流域水文模型,可以解决海洋科研业务工作中监测覆盖的入海河流有限、入海径流量难以获得的问题,为污染物入海通量评估提供高分辨率的流量数据。     

基于SWAT模型的洞庭湖平原水资源量计算

为计算洞庭湖平原水资源并分析未来气候变化对研究区水资源量的影响,基于2010—2013年洞庭湖平原实测水文气象数据以及DEM、土地利用、土壤类型等数据,利用ArcSWAT构建了洞庭湖平原分布式水文模型进行径流模拟,对土壤水、河道径流和地下水分别进行了水均衡分析,并通过设置5种不同的未来气候变化情景,研究了气候变化对水资源量的影响。结果表明：(1)洞庭湖平原年均降雨量为254.27×10⁸ m³,实际蒸散发量占总补给量的59.96%,土壤对地下水的补给量占总补给量的30.93%,地表径流量和侧向流量占总补给量的20.37%,因此大气降雨的主要排泄方式是蒸散发,在降雨量变化幅度较大时研究区内土壤对地下水的补给比地表径流受降雨的影响更大,土壤水呈负均衡;(2)均衡期内地表水年均资源量为120.84×10⁸ m³,基流量对河道径流的补给量(57.13%)大于地表径流对河道径流的补给量(41.12%);该流域地下水补给的主要来源是土壤对地下水的补给,模拟期内年均地下水资源量为78.64×10⁸     

基于SWAT模型的东江流域径流模拟

基于分布式水文模型SWAT以及SUFI-2 程序对东江流域进行了51 a(1960-2010 年)月径流模拟,并在此基础上讨论了东江流域水文过程的空间差异。模拟结果表明,河源站受新丰江水库影响,模拟结果不确定性较大,确定性系数R2和Nash-Sutcliffe 效率系数相对其他站点较低,龙川站、岭下站、博罗站R2和Nash-Sutcliffe 效率系数皆满足模型适用性要求。流域出口博罗站率定期R2、Nash-Sutcliffe 效率系数分别为0.83、0.83,验证期为0.84、0.84,模型模拟精度较高。东江流域径流深主要受降水空间不均影响,形成由北向南先增后减的趋势。流域下垫面差异对产流过程也有一定影响。其中土壤含水量受土壤性质、人类活动等影响,由北向南差异明显;蒸散发量受植被覆盖影响亦较为明显,北部蒸散量占降雨量的比例大于中部及南部。     

基于SWAT模型的青山湖流域氮污染时空分布特征研究

基于SWAT模型构建了青山湖流域的氮负荷模型,利用2005~2011年的径流观测资料和2011年7月15日~8月4日的水质监测资料对模型进行率定和验证.青山湖流域氮污染的主要来源包括农田化肥、农村生活、畜禽养殖、城镇点源及湿沉降,其中对流域出口TN浓度贡献最大的来源是化肥施用,占34.3%.对流域现状氮负荷的时空分布特征进行分析,结果表明:NO3--N流失量的时空分布特征明显,6~9月的流失量最大,占62.5%,空间上中部流失量比西北部自然林区域大,坡面流是NO3--N主要流失途径;有机氮流失量较大的区域主要分布在中部农田比例较高的子流域.研究结果可为流域的氮污染控制和研究提供科学依据.     

基于SWAT模型的瀼渡河生态流量计算方法

保障和管理河湖生态流量是加强水资源开发利用管控的基本要求,是实施长江大保护和高质量发展的重要内容。以瀼渡河为例,提出了针对无实测流量的河流推算生态流量的方法。首先,利用SWAT水文模型模拟得到1990—2019年30年逐月流量过程,表明该河流流量由上游至下游逐渐增大,且具有明显的汛期和非汛期特征;其次,采用蒙大拿法、最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法和流量历时曲线法4种水文学计算方法,选取瀼渡河干流重点控制断面进行生态流量计算,结果表明生态流量计算值介于10%~33%,呈现出流量历时曲线法>近10年最枯月平均流量法>最小月平均流量法>蒙大拿法的趋势;最后,经水质达标校核,分析得出瀼渡河生态流量计算推荐方法为流量历时曲线法,年补水径流量约占年均径流量的30%。     

SWAT模型在洱海流域面源污染评价中的应用

重点污染区域和污染因子的识别是面源污染控制的基础. 通过将物理过程模拟及排污系数法计算进行整合,建立了SWAT模型,以描述农业生产活动与污染入湖量之间的关联关系,并以云南洱海流域总氮污染为例,使用验证后的SWAT模型模拟计算不同空间单元和不同农业生产活动对入湖TN的污染贡献系数,定量分析流域内各区域的农业面源污染源结构,识别洱海流域重点农业污染源和农业污染村镇. 结果表明,奶牛养殖、生猪养殖和大蒜种植是目前洱海流域内入湖TN污染的最重要农业污染源,占流域总污染负荷的66.12%. 对入湖TN污染贡献最大的6个村镇为江尾、右所、三营、玉湖、凤仪和喜洲,占流域总污染负荷的63.41%.      

HSPF径流模拟参数敏感性分析与模型适用性研究

选择太湖丘陵地区典型小流域,在分析径流模拟关键参数敏感性的基础上,对HSPF模型进行了率定与验证,并评价了该模型在太湖丘陵地区的适用性.采用基于扰动分析法的相对灵敏度方法,分析了影响水文过程的AGWRC、UZSN、INFILT、LZSN、DEEPFR这5个关键参数的敏感性,进而通过参数调整对模型率定与验证,模拟估算了2005～2010年的径流量.其中率定期径流模拟的偏差百分比均控制在10%以内,分别为-6.39%、-8.76%、9.66%,模拟精度很好;验证期偏差百分比分别为-13.31%、5.22%,模拟结果在良好范围内.在率定期和验证期,模型的效率系数(Ens)分别达到了0.87、0.69,相对误差(RE)分别为1.63%、4.14%,精度满足模拟要求,模拟结果能反映中田河流域年径流量变化规律.研究结果表明,HSPF模型在太湖丘陵地区模拟流域径流量具有较好的适用性,对该地区水文过程模拟具有科学指导意义,也为HSPF模型在国内不同地区的应用和推广提供借鉴.     

基于SWAT的不同农田灌溉模式下农田地表径流氮素流失特征

以天津市武清区为研究对象,利用SWAT（Soiland Water Assessment Tool）模型进行不同农田灌溉模式下农田地表径流氮素流失特征的模拟,验证了模型在该地区的适用性。模拟时制定了16种不同的灌溉情景,模拟结果表明在冬小麦生育期灌溉污水2次和3次的情况下,对应夏玉米生育期的抽雄水灌污水的情境下（WSM2、W6M2、W7M2和W8M2）的氮素含量均比灌清水（W5MI、W6M1、W7M1和W8M1）时较小。由此得出选择合适的污灌制度,将会减少研究河段出口断面氮素含量的结论。     

SWAT模型融雪模块的改进与应用研究

融雪是水文过程的重要影响因素,为了对天山北坡气候极端高寒地区进行长期洪水预报预警,该研究以SWAT （土壤和水评估工具）模型为基本框架对其融雪模块进行修改,将基于物理过程的分布式融雪径流模型耦合入SWAT模型,并基于高程带对改进前后的模型进行了对比验证。通过对新疆天山北坡军塘湖河流域进行模拟、参数率定与验证后发现,原SWAT 模型在参数率定期间（2000 年1 月1 日至2004 年12 月31 日）的Nash-Stucliffe 效率系数（NSE）略低于基于物理过程的模型SWAT-JTH,但在验证期（2006 年1 月1 日至2010 年12 月31 日）,SWAT原模型NSE高于改进后的SWAT-JTH 模型。两种方法模拟效果均可以满足实际融雪模拟精度的需求。研究发现,温度因子方法（SWAT融雪模块）虽较基于物理过程的模型结构更简单,但在合理率定参数后却可以得到较好的效果。虽然现今观测和实验手段还不能满足物理过程模型精度要求,以及物理模型本身的错误叠加现象对目前的研究带来了诸多不确定性,但由于物理模型对于极端条件下的模拟及物理过程的模拟具有很大优势,未来随数据精度的提高,将继续深入该物理模型的改进研究。该研究将对高寒山区分布式融雪径流预报预警的发展起到一定的促进作用。     

基于灰色模型的大气环境质量分析与评价

利用灰色模型对西安市大气环境质量进行了综合评价,并在已有研究方法的基础上,对综合关联度进行改进,从而提出了改善城市空气质量的建议。     

GIS辅助矿区环境质量评价系统设计与实现

以提高环境质量评价的空间信息处理能力和检索查询功能为目的,提出应用 GIS ARCVIEW软件和空间信息管理和分析技术对矿区环境质量因子进行分析,建立环境质量评价系统的方法,在矿区实践应用,使环境质量评价更具合理性和可操作性,评价结果形象、直观,为矿区环境管理和决策提供了有利依据。     

基于MCMC法的水质模型参数不确定性研究

参数识别是数学模型应用的前提.鉴于常用贝叶斯离散化方法在搜索复杂模型参数后验分布时的计算限制的原因,本文引入了MCMC采样法.为考察MCMC法对参数后验分布的搜索性能和效率,进行了2个案例研究.结果表明,MCMC法对参数后验分布的搜索,无论是搜索性能还是搜索效率,均表现出了独特的优越性.同时,Gelman收敛判别准则计算表明,MCMC采样序列均能稳定收敛到参数的后验分布上.可见,MCMC法适用于复杂环境模型的参数识别和不确定分析研究.     

基于物元可拓模型的地下水质量评价研究

物元可拓方法是从定性和定量两个角度去处理现实世界中矛盾问题的一种新方法.文章在基于可拓工程方法的基础上,利用物元模型理论,建立了地下水质量评价模型,通过计算综合关联度确定地下水质量等级.由于物元分析中的关联度引入了负数,保证了信息的完整性,能较完整地反映事物的综合质量水平,因此,评价结果更为客观、准确.应用结果表明该方法是合理可行的.