降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响

分别基于13个雨量站的日降雨量和小时降雨量,在率水流域建立SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型,对基于不同降雨时间分辨率的SWAT模型进行独立的参数率定和验证,在此基础上分析降雨时间分辨率对率水流域SWAT模拟性能的影响.结果表明,降雨输入的时间分辨率对率水流域SWAT模型的水文模拟性能有显著影响.小时降雨输入SWAT模型的纳什系数（NSE）和决定系数（R²）在率定期分别为0.89、0.90,在验证期分别为0.86、0.88,均显著高于日降雨输入SWAT模型对应的模型评价统计量值.究其原因,小时降雨输入SWAT模型对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入SWAT模型.建议应在不同气候与自然环境条件的流域内开展类似的降雨时间分辨率对水文模型模拟性能的影响研究.     

降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响

分别基于13个雨量站的日降雨量和小时降雨量,在率水流域建立SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型,对基于不同降雨时间分辨率的SWAT模型进行独立的参数率定和验证,在此基础上分析降雨时间分辨率对率水流域SWAT模拟性能的影响.结果表明,降雨输入的时间分辨率对率水流域SWAT模型的水文模拟性能有显著影响.小时降雨输入SWAT模型的纳什系数（NSE）和决定系数（R²）在率定期分别为0.89、0.90,在验证期分别为0.86、0.88,均显著高于日降雨输入SWAT模型对应的模型评价统计量值.究其原因,小时降雨输入SWAT模型对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入SWAT模型.建议应在不同气候与自然环境条件的流域内开展类似的降雨时间分辨率对水文模型模拟性能的影响研究.     

基于SWAT模型的挠力河流域地表径流数值模拟与不确定性分析

为探究水文模型参数敏感性及模型不确定性对径流模拟的影响,运用SWAT模型对挠力河流域地表径流过程进行了数值模拟,利用SUFI-2方法评价模型参数敏感性及不确定性对模拟结果的影响,选取决定系数（R2）与Nash-Sutcliffe效率系数（E_NS）对模型精度进行评价。敏感性分析结果表明:对挠力河流域径流模拟影响最大的4个参数是CN2（SCS径流曲线数）、SLSUBBSN （平均坡长）、SOL_BD （土壤湿密度）和SOL_K （土壤饱和导水率）,表明SCS径流曲线数、土壤与地形地貌是影响挠力河流域地表径流最重要的因素。月径流模拟过程与实测水文过程拟合较好,率定期和验证期R2与E_NS分别为0.68、0.67和0.76、0.44,均达到令人满意的结果。不确定性分析结果表明:p因子为0.78,r因子为0.94,模型不确定性较小,进一步验证了模型的适用性。研究结果可为其他相似流域SWAT模型的应用及参数的率定提供参考。     

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。     

考虑空气阻力影响的流域水文过程模拟研究

降雨入渗时,部分空气会被禁锢在土壤中,影响水分下渗。目前分布式水文模型构建过程中,尚未考虑空气阻力对降雨入渗的影响,这制约着模型的适用性。论文基于Green-Ampt模型,引入土壤含水量饱和度系数、土壤导水系数饱和度系数、土壤进气值和土壤进水值4个参数量化空气阻力影响,改进分布式水文模型WEP-L模型。最后,选择清水河流域和柳江流域进行实例研究,检验WEP-L模型的改进效果。结果表明：与传统WEP-L模型相比,改进的WEP-L模型在清水河流域（面积较小）应用时可显著提高流域水文过程模拟精度,尤其是在暴雨洪水期,日径流模拟相对误差由40.57%降低到9.43%,Nash效率系数由-0.24提高到0.57。而在柳江流域（面积较大）应用时,模型改进后模拟效果虽有所改善,但不够显著。     

灰色季节性指数自记忆模型及其在海河区降水模拟与预测中的应用

准确的降水模拟与预测,对防汛、抗旱及区域水资源管理有着重要的指导作用。由于降水序列波动较大,传统的灰色模型所得到的降水模拟值和预测值往往趋于平均值,论文从输入数据和模型结构改进两个方面对传统的灰色模型进行改进——采用季节性指数法对降水数据进行平滑处理,引入自记忆函数,构建灰色季节性指数自记忆模型（SS-GM）,并将其应用于海河区降水过程的模拟和预测。结果表明：①该模型较传统灰色模型而言,模拟效果有很大程度的提高,能够准确模拟年和月尺度的降水过程,各水资源二级区的月尺度Nash-Sutcliffe 系数（NSE）和决定系数（R²）均达到了0.60 以上,大部分区域年降水模拟的NSE和R²均在0.70 以上,且在较大的时空尺度上,模拟效果更佳;②模型具有一定的月降水量的预测能力,在1~2 月预见期内,各分区降水预测值NSE达到0.50 以上,大部分地区NSE值超过0.60;③模型结构简单、计算方便,能很好地反映降水数据序列的变化趋势,且具有较高的模拟及预测精度。     

鄱阳湖生态经济区小流域土壤侵蚀模拟

在Arc Gis 10.0平台下,构建了鄱阳湖生态经济区小流域土壤侵蚀SWAT模型。利用潭口和渡峰坑水文站的逐日径流、泥沙实测数据对模型进行了校准及验证,并分析了土壤侵蚀的时空分布特征。模型适用性评价结果(月径流:0.886 2≤R2≤0.967 6,0.81≤NSE≤0.87;月泥沙:0.837 4≤R2≤0.911,0.68≤NSE≤0.76)显示了良好的精度,表明建立的Arc SWAT2009模型适宜研究区的土壤侵蚀模拟。土壤侵蚀时空分布特征显示,1983-2012年汛期(4-8月)土壤侵蚀为全年的83.2%,说明强降雨是形成土壤侵蚀的主要原因;其中,87.3%的研究区面积处于微度或轻度侵蚀级别;且农业发达和城镇密集的地区土壤侵蚀强度较高,其侵蚀模数居前两位,表明人为活动可能是土壤侵蚀的重要因子之一。     

SWAT模型在黑河中上游流域的改进与应用

基于物理机制的分布式水文模型是定量化研究人类活动影响下流域水文过程非常有效的工具。使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对黑河中上游流域2000—2009年的月平均径流过程进行模拟的结果表明,SWAT模型很好地模拟了黑河上游自然状态下的径流过程,但对中游地区冬季径流模拟明显偏低。分析表明,黑河中游地形和农业生产高强度、反复的地下水抽取灌溉—渗透—地下水补给过程可能是导致模拟偏低的主要原因。基于此机制,论文提出了增加地下水下渗过程的模型修改方案,来间接模拟黑河中游的这一特定过程。对比模型修改前后的黑河中游的径流过程模拟结果表明,验证期的模型效率系数ENS和决定系数R²分别从0.53、0.61提高到了0.70、0.75,取得了较好的模拟结果。结果还表明,加强对黑河中游人工灌溉过程的模拟研究对于研究黑河中游水资源管理和水循环过程至关重要。     

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。     

天山中部流域尺度森林变化水文响应定量分析——以乌鲁木齐河流域为例

为了对天山中部流域尺度森林变化水文响应进行定量分析,论文以乌鲁木齐河流域为研究区,基于流域1980-2013年水文气象资料,在分析流域径流变化规律的基础上,使用SWAT模型,根据天山云杉分布的生境限制因素,设定了5种不同的云杉分布情景,据此,确定不同丰枯年份云杉林变化对径流的影响。结果表明：1）SWAT模型能较好地模拟乌鲁木齐河流域月径流过程,在林地状况恒定的前提下,影响模型模拟的最敏感的参数为地表径流参数CN2,率定期与验证期R²和Ens均高于0.85,相对误差|Re|均小于5%,模型模拟精度较高;2）在相同气象条件下,丰水年、平水年、枯水年云杉林变化与径流呈线性相关,云杉林面积每增加1%,三种年份径流深分别减少0.06、0.05、0.04 mm,且在丰水年和平水年径流增加更显著;3）随着云杉林面积的减少直至消失（林地覆盖率由17.73%到0%）,情景间径流差异的变异系数、波动范围变化逐渐增大,其波动范围扩大5.1倍。山区云杉林的分布,可有效减少地表径流及其波动范围,这对年内径流分配不均的流域水资源稳定、对森林水源涵养功能的定量研究以及林区水资源科学调控和管理都具有重要意义。     

一种基于MMS的改进降水径流模型在中国西北地区黑河上游流域的应用

以黑河流域上游为研究对象,通过对山区自然产水区的产汇流机理的研究,基于分布式水文模型集成环境的开发思想,利用MMS(modular modeling system)模型库中与降水径流相关的模块,通过综合各种产流(包括超渗、蓄满产流)机理、并且根据寒区产汇流的特点对USGS开发的流域PRMS(precipitation-runoff models)模型进行了改进,增加了土壤水运动中降雨入渗补给的多层土壤滞后效应模块以及积雪融雪和冻土面积识别模型,建立了适合于寒区流域的分布式PRMS模型。利用该模型对黑河上游出山径流过程进行了模拟与预报,模型研究结果表明:利用MMS建立的黑河上游改进的PRMS模型不仅完全可以模拟和预测黑河上游的产汇流过程,在考虑了冻土的情况下,预测年出山径流量误差小于2.7%;而且模型可以对黑河上游径流组成成分进行分析计算,对黑河上游产汇流机理做进一步阐明。利用改进的PRMS模型,预测分析了黑河上游未来气候和土地覆盖变化情景下流域出山径流变化的趋势,为黑河流域水资源合理利用和管理提供科学依据。     

基于SWAT模型定量分析自然因素与人为因素对水文系统的影响——以漳卫南运河流域为例

“干旱”是由大尺度的气候变化所引起的水分亏缺现象,“水资源短缺”则是因人类长期对水资源不可持续利用引起的水资源亏缺现象。前者无法被水资源管理系统规避,后者则受水资源管理方针政策的影响。然而,通常一个地区由干旱与水资源短缺引起的水分亏缺经常同时发生而且难以区分。因此,论文提出了一种可以定量区分自然因素（干旱）和人为因素（水资源短缺）对水文系统影响的框架,并以漳卫南运河流域为研究对象,利用SWAT模型模拟结果（无人为影响情景下）和观测数据（自然因素和人为因素共同作用结果）,对研究区1976—1995年的日径流量序列进行了初步对比和差异性分析。结果表明：1）经率定和验证的SWAT模型能够有效模拟漳卫南运河流域的径流过程;2）无论是丰水年还是枯水年,水资源短缺现象均导致了夏季径流洪峰时期的消失;3）人为因素是引起漳卫南运河流域水文系统发生变化的主要原因,并且人为因素影响造成的径流损失量是自然因素造成径流损失量的4倍。论文提出的框架可以定量化分析自然因素和人为因素对水文系统的相对影响,有助于水资源管理者制定适应干旱与水资源短缺状况的管理政策。     

气候变化及人类活动影响下的潮白河月水量平衡模拟

尽管分布式水文模型已有30多年的发展历史,但是迄今的应用还只是其潜力的很少一部分。Freeze-Harlan蓝图中由于理论上的深化带来了应用上的困难,同时也指出模型并不是越复杂越好。按照科学的建模原则,建立了一个简单的分布式月水量平衡模型(DTVGM);其中通过引入土壤湿度因子,改进后的Bagrov模型同时考虑了前期土壤湿度与降水对蒸散(发)的贡献;通过设置人类活动影响背景参数集,表述人类活动对水文过程的影响。将DTVGM月模型应用于华北地区密云水库以上潮白河流域,识别出白河流域气候变化对径流减少的贡献为44%,人类活动导致下垫面变化对径流减少的影响达54%;潮河流域气候变化的贡献率为24%,而人类活动的贡献率高达74%,是导致径流减少的主要原因。     

全球增温1.5℃和2.0℃对淮河中上游径流影响预估

论文应用第5次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)中5个全球气候模式(Global Climate Models,GCMs)和3种典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCPs)在全球增温1.5℃和2.0℃下的预估结果,分析了淮河中上游地区未来的气候变化特征。进一步基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水文模型定量预估了气候变化对该区域径流量的影响,并量化了预估结果的不确定性。结果表明:SWAT模型在淮河中上游对月径流量具有较好的模拟能力。在全球增温1.5℃和2.0℃下,淮河中上游年平均气温分别较基准期(1986—2005年)增加1.1℃和1.7℃;年降水量较基准期分别相应增加4%和7%;基于SWAT模型预估的年径流量较基准期分别增加5%和8%。未来气候变化不会改变月径流分布特征,年内径流仍集中在盛夏和初秋(6—9月)。预估的月丰水流量明显增加,尤其当全球增温达到2.0℃后,出现洪涝的风险明显增大。未来降水量和径流量预估都存在较大的不确定性,不确定性主要来源于GCMs,在全球增温2.0℃下预估的不确定性更大。     

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.      

输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响

以潮河流域为研究区域,利用潮河流域1990~2013年监测数据,构建SWAT模型,在模型结构和参数不改变的情况下,探究输入数据精度（DEM分辨率）与准确性（降水插值）对径流和总氮模拟结果影响.结果显示：DEM分辨率变化（30~300m）对径流及总氮模拟效果不同,对径流模拟影响不明显,纳什系数（ENS）和R²可达到0.87以上;对总氮模拟结果影响较大,分辨率越精细,模拟效果越好.不同水文年,DEM分辨率变化对总氮负荷模拟表现不同.丰水年对总氮负荷影响较大,负荷量差异较为明显,枯水年影响相对较小;不同DEM分辨率下,年均（1993~2002年）总氮负荷强度空间分布相似,高负荷区均位于潮河中游,潮河上游及下游的负荷强度相对较低.不同降水输入数据站点分布、站网密度和准确性不同,流域内降水空间分布差异显著.总体上,基于站点较少的气象站插值数据与雨量站实测降水数据,径流和总氮模拟效果较为接近;基于SWAT官方雨量站插值数据,径流和总氮模拟效果较差.不同降水数据输入情景下,模拟的总氮负荷强度模拟的空间分布差异明显;降水量分布较高的区域,负荷量也较高;不同水文年下,不同降水输入对总氮负荷模拟表现不同.丰水年和枯水年,基于气象站插值数据的总氮模拟结果与基于雨量站实测数据的模拟结果较为接近,而基于SWAT官方雨量站插值的模拟误差较大;平水年,基于SWAT官方雨量站插值的模拟结果较气象站插值数据的模拟结果更好.该研究可为流域开展模型构建提供科学参考和借鉴.