基于水文学法和SWAT模型的北川河流域生态需水量分析

为确定北川河流域生态需水量,采用线性趋势法、Mann-Kendall检验法、Spearman检验法分析了北川河流域1959—2013年径流变化趋势,并采用Pettitt检验、滑动t检验、滑动F检验和累积距平法综合诊断径流突变点,根据Tennant法和改进的年内同频率展布法确定的生态流量过程外包线计算河道内生态需水量,并基于SWAT模型计算了河道外生态需水量。结果表明:SWAT模型在研究区具有适用性,模型性能符合“好”的标准,SWAT模型模拟的降水量和蒸发量总体呈现增加趋势,产水量呈现减少趋势;北川河流域桥头水文站径流量呈现减少趋势,年平均减少率为0.104 m^(3)/s,径流突变点为1990年;北川河流域河道内生态需水量为2.95亿m^(3),河道外生态需水量为9.95亿~10.85亿m^(3),生态总需水量为12.90亿~13.80亿m^(3)。

不同降水驱动的SWAT模型参数不确定性研究

以抚河流域与黑河流域为研究区,应用4种降水产品(CMORPH CMA、CMFD、CMADS、MSWEP)驱动SWAT模型模拟日流量,评估4种降水产品在湿润区与干旱区的适用性;使用自适应降维评估法选出流域的敏感参数,并进行一致性检验。结果表明:抚河流域4种降水产品的纳什效率系数(NSE)均在0.70以上,其中CMORPH CMA和CMADS的NSE均能达到0.82;黑河流域CMORPH CMA和CMADS的NSE大于等于0.76,而CMFD和MSWEP的NSE分别为0.72和0.74。抚河流域4种降水产品具有相同的敏感参数;黑河流域CMORPH CMA和CMADS有相同的6个敏感参数,而CMFD和MSWEP则分别有5个和8个敏感参数。4种降水产品在湿润流域和干旱流域都能得到较好的应用效果,但是CMORPH CMA和CMADS的模拟效果要优于CMFD和MSWEP。不同的降水输入也会对模型参数敏感性分析的结果产生影响,当降水表现越接近时,所筛选的敏感性参数也越相似。

一种高效的SWAT模型参数自动率定方法

本文分析了SWAT模型和PSO算法的原理,将PSO算法引入SWAT模型中,构建了新的SWAT模型参数自动率定模块,通过在天津蓟运河流域实例研究,发现该方法率定精度较高,收敛速度快,运行结果稳定,整体率定效果优于模型自带的参数率定模块。如果用改进后的模块在Linux平台开展自动率定,可以使模型自动率定效率提高到当前水平的7倍,适用于大型流域或长时间系列模拟。而PSO算法作为一种通用的优化算法,可广泛用于各种水文模型的参数率定。

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%.

基于数字滤波法和SWAT模型的灞河流域基流时空变化特征研究

将国内外应用较广的数字滤波法和分布式水文模型SWAT相结合,在进行基流时间特征分析的基础上,通过修正基流退水系数α、模型效率评价、重新运行模型、GIS空间插值和趋势分析等方法,创新性地实现了基流空间特征的可视化表达。研究结果表明:1 2001~2012年灞河流域年均基流指数(BFI)为0.43,总体呈增加的趋势。年降水量与年径流、年基流均呈明显的正相关关系,与年基流指数呈明显的负相关关系;2基流年内变化较为稳定,在时间上存在秋季>春季>夏季>冬季、汛期>非汛期的关系。枯水期的基流指数高达0.78,表明基流是枯水期河流的主要补给来源;3灞河流域基流在空间上表现为自东南向西北、自上游向下游逐渐增加的趋势,这种空间分异规律是由流域的地势和河流流向决定的。

基于SWAT模型多站点不确定性评价方法的比较

分布式水文模型在拥有众多优点的同时,也面临着参数过多难以率定的问题。SWAT模型作为典型的分布式水文模型,同样存在着参数率定难的问题。基于SWAT模型,选取美国佛罗里达州中部Peace河流域为研究区,采用SUFI-2、GLUE、PARASOL和PSO共4种评价方法进行了SWAT模型参数的敏感性分析、校准、验证以及不确定性研究,通过对4种不确定性方法的模拟结果、难易程度、运行次数以及各方法的理论基础进行对比,总结了4种方法的适用情况。结果表明:4种方法具有各自的优缺点和适用性,SUFI-2方法是半自动的,可以结合分析者的主观和认知,对于较复杂的模型更具有优势;GLUE方法相对简单,要优于SUFI-2方法;PARASOL方法适用于需要找到全局最优纳什系数的模型;PSO方法既适用于较简单的模型,也适用于相对复杂的模型,与PARASOL方法相比,两者得到的纳什系数、相关系数等均差别不大,但PSO方法运行次数大大减少,故PSO方法的整体性能优于PARASOL方法的。

DEM分辨率对SWAT模型水文模拟的影响研究

以灞河流域为研究区,以DEM的分辨率（30~500 m）作为变量,进行了DEM空间分辨率对SWAT模型水文模拟的敏感性研究。首先,不同分辨率DEM作为输入数据构建SWAT模型并进行模拟,其后将模拟结果与灞河流域马渡王、罗李村水文站的实测流量比对进行相对偏差计算,最终采用均值变点统计方法,以模拟结果的相对偏差为研究对象,探讨分析了DEM尺度效应的最佳尺度拐点。结果表明,DEM分辨率的变化深刻影响着水文模型流域特征的提取,其分辨率的降低会导致流域的最大坡度、平均坡度、河道长度均发生衰减,同时流域形状、子流域数量也会发生不同程度的改变;随着DEM分辨率的逐渐降低（30~150 m）,径流模拟的结果与实际流量的相对偏差逐渐增大,但增长幅度不超过11%。当DEM空间分辨率低于150 m时,相对偏差变化并不显著。均值变点法能够很好地识别拟合曲线发生明显变化的拐点,通过统计分析发现DEM分辨率为150 m时即为模拟结果相对偏差变化趋势逐渐由陡变缓的变化最佳拐点。

基于SWAT模型的城市水资源评价方法研究

为掌握城市水资源情况,提出无人机遥感技术和基于SWAT模型的地理信息技术与水文模型相结合的水资源评价方法,通过户外作业获取地表水分布信息,结合下垫面数据资料,应用SWAT模型对水资源环境中的重复水量进行计算,以保障水资源总量的精确性。为确保方法的可靠性,选取某处平原区域作为研究对象,利用调查结果判断评价方法的合理性和可靠性。结果表明,该方法比传统方法考虑的因素更全面,降低了不确定影响概率,能够为城市水资源评价提供方法依据。

SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分——以濂水流域为例

本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.

基于SWAT模型的无资料地区径流模拟及生态流量计算——以杨溪河为例

利用SWAT(Soiland Water Assessment Tool)模型对武江流域2008~2013年的月径流量进行模拟,并根据犁市(二)站的实测径流资料对模型参数进行率定和验证;以武江支流杨溪河上的横溪、钓鱼台与银溪水电站3座梯级电站坝址为流域出口模拟得到其径流量,并以此为依据运用Tennant法计算各控制断面的生态流量.结果表明:SWAT模型对武江流域的径流模拟整体适应性较好,犁市(二)站率定期月径流模拟值和实测值的R2和NS分别为0.77和0.91,验证期的R2和NS分别为0.75和0.92;杨溪河上的横溪、钓鱼台和银溪3座水电站坝址处的多年平均流量分别为10.2m^3/s、11.7m^3/s和12.0m^3/s;根据模拟径流量和Tennant法,计算得到横溪水电站的最小、适中和最佳生态流量分别为1.02m^3/s、3.37m^3/s和5.40m^3/s;钓鱼台水电站的最小、适中和最佳生态流量分别为1.17m^3/s、3.82m^3/s和6.15m^3/s;银溪水电站的最小、适中和最佳生态流量分别为1.20m^3/s、3.91m^3/s和6.31m^3/s.

基于SWAT模型的平原河湖水网区小流域径流过程模拟

模拟湖北省松滋市小南海流域径流过程,为未来运用SWAT模型诊断小南海流域面源污染问题提供技术支撑。小南海流域地处洞庭湖生态经济区最上游,是洞庭湖上游重要的生态涵养地。流域处于山地丘陵地区与平原河湖地区的交界地段,上游地区为山地丘陵区,下游地区为平原河湖区,水系结构和产流汇流过程较为复杂。该流域内无水文站点,水文资料缺失。选择了洞庭湖流域、鄱阳湖流域与梁子湖流域3个相似流域运用SWAT模型时所采用的水文参数,运用参数移植法确定了小南海流域的水文参数;对比基于DEM直接定义水系、使用Burn In功能对河网进行修正和Pre-defined streams预定义水系3种水系定义方法,选择最适合的Pre-defined streams方法按照现状进行水文模拟。模型划分了25个子流域,验证结果表明确定系数R^2与Nash-Sutcliffe效率系数E_(ns)均大于0.85,表明使用水系预定义法及参数移植法的SWAT模型模拟小南海流域径流过程是可行的。

SWAT模型数据库的构建——以赵王河流域为例

近年来,SWAT模型被广泛应用于水文、水利、面源污染等方面的研究,但是由于SWAT模型是美国农业部研究中心研制开发的,其基础数据也是以美国本土的数据为标准的,因此,为了提高模拟的准确性,需要建立研究区域的数据库。SWAT模型数据库非常庞大且对数据格式的要求也很严格,因此,其构建过程就成了很多研究人员的难题,针对这个问题,结合已有的数据库构建研究和赵王河流域SWAT模型的构建过程,提出了比较全面的SWAT模型数据库的构建方法。

基于CMADS驱动下SWAT模型的敖江流域径流模拟

目前针对气象、水文资料不足的小尺度流域进行径流模拟的研究相对较少。选取敖江流域为研究区,利用中国大气同化驱动数据集(CMADS)驱动SWAT模型对该流域2008—2016年进行逐月径流模拟,并使用水文比拟法结合邻近的2个传统气象站计算出模拟时段的观测数据以完成模型参数的率定与验证。结果表明:模拟结果与观测值较吻合,率定期(2010—2013年)评价指标决定系数R2和Nash-Suttcliffe系数NS分别为0.84和0.76,验证期(2014—2016年)两者分别为0.85和0.74,均达到了模型的评价要求。研究成果表明CMADS驱动下的SWAT模型适用敖江流域的径流模拟,采用水文比拟法适合在水文资料不足的地区进行径流计算,可为缺少气象与水文资料的小尺度流域进行径流模拟提供参考。

SWAT模拟耕作方式与盐分对区域土壤氮运移及作物产量影响

耕作方式与土壤盐渍化是影响河套灌区氮素流失及作物产量的重要因素。明确不同耕作方式与盐渍化水平下硝态氮运移量及作物产量的变化,可为制定合理的灌区耕作措施及盐渍化治理方案提供理论依据,对于揭示灌区氮素流失控制及不同作物增产潜力具有重要意义。该研究基于验证后的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,以河套灌区2种主要土壤类型为研究对象,设置不耕作(指不添加耕作管理,CK)、免耕(T1)、少耕(T2)、常规春耕(T3)和模板犁(T4)5种耕作处理,非盐化土(S1)、轻度(S2)、中度(S3)、重度(S4)4种盐分水平,研究耕作方式与土壤盐分对灌区产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量及运移量、作物产量的影响。结果表明:耕作方式与土壤盐分对区域总产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量、硝态氮运移及作物产量均有显著影响(P<0.05)。其中,区域产水量、硝态氮淋溶量、不同水文路径(地表、侧向和地下径流)硝态氮运移量及小麦产量均随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐减少;作物吸氮量、玉米与葵花产量均随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐增加。与CK相比,模板犁耕作作物吸氮量平均增加11.78%,硝态氮淋溶量平均减少16.5%,有效降低了土壤养分流失和地下水污染。增加土壤盐分通过降低土壤层有效持水量,显著增加了区域总产水量、硝态氮淋溶量(草甸盐土除外)及硝态氮地下运移量,减少了作物吸氮量和作物产量。与非盐化土相比,重度盐化土处理小麦、玉米、葵花产量平均显著减少19.15%、27.31%、26%(P<0.05)。增加土壤盐分相比转变耕作方式更能影响区域产水量、土壤养分和作物产量。因此,为更好解决灌区污染严重和作物产量下降等问题,仍需将区域土壤盐渍化防控与治理放在首要位置。

基于EnKF法的径流数据同化对SWAT模型参数优化效果评估

基于集合卡尔曼滤波(EnKF)法,在合理量化模型模拟和径流观测误差、有效处理模型参数演变及过拟合问题的基础上,以淮河上游淮滨水文站以上流域为研究区,构建了基于径流数据同化的SWAT分布式水文模型参数优化方案,就站点实测径流数据同化对模型参数的优化效果进行了评估。结果显示,数据同化过程中,被更新的模型参数集合逐渐收敛并趋于稳定,基于稳定后的参数获得的模拟径流与实测径流过程接近,流域出口径流模拟的纳什效率系数可达0.88,说明基于EnKF法的径流数据同化对SWAT模型参数具有一定的优化估计能力,且采用数据同化方式进行模型参数率定具有一定的可行性。

基于分项调查法和SWAT模型的水资源评价方法

现状下垫面条件下长系列天然径流资料是水资源评价的基础,但下垫面变化以及人类活动常常改变了水文循环过程,给水资源评价带来系统性偏差与较大的不确定性。以浠水流域为实例,提出将分项调查法和SWAT模型相结合的水资源评价方法,即根据水文站与水库位置关系建立不同水量平衡方程进行径流还原,利用与现状下垫面条件相近年份的还原后的径流数据进行参数率定与验证,并将构建的模型应用于长系列天然径流过程模拟计算。结果表明:仅采用分项调查法还原后的水文站降水-径流关系的一致性存在明显偏差;而通过构建基于现状下垫面条件下的SWAT模型,各水文站径流模拟值的降水-径流相关性优于还原值,且不同时期降水-径流关系一致性得到显著改善,表明该方法能够有效修正下垫面变化对径流的影响,有助于进一步开展水资源规划、水旱灾害风险评估等工作。

有限资料条件下基于SWAT模型的泗合水流域非点源污染模拟

基于8场降雨事件的水量、污染物同步监测资料,根据平均浓度法计算流域出口断面各污染物负荷,并用于模型参数率定及验证,分析了流域泥沙、总氮、总磷流失的时空分布特征。结果表明:该模型在南方湿润地区适用性较高。流域内全年非点源污染负荷分布不均,绝大部分集中在汛期的4—9月;流域总氮、总磷污染负荷空间分布较相似,流域上游东北部区域村落富集以及耕地比例较大,污染负荷较大,流域下游受人类活动的影响产污量较大;因土地利用类型不同,单位面积污染物负荷输出差异显著,各类土地利用类型中泥沙、有机氮、有机磷、无机磷污染物流失强度由小到大依次为林地、建设用地、草地、耕地;耕地是非点源污染流失的主要源区,实行退耕还林措施,流域泥沙、TN和TP负荷依次减少35.8%,46.1%和35.8%;减少氮肥和磷肥施用量50%,TN和TP负荷分别减少18.1%和8.9%。因此,降低施肥量和实行退耕还林措施是控制泗合水流域非点源污染的关键,本研究可为流域生态环境治理提供一定理论依据。

基于EnKS和SWAT模型的闽江流域径流数据同化

地表水文过程中观测变量对状态变量的响应存在时间滞后性,为提高径流数据同化的精度,以闽江流域为研究区,基于集合卡尔曼平滑器(EnKS)和SWAT模型,构建径流数据同化方案,并与集合卡尔曼滤波(EnKF)方法进行对比,评价不同同化模型的精度,分析数据同化对不同径流分量的影响。结果表明:EnKS最优时间窗口长度在不同水文周期、流域存在差异;考虑水文模型的时间滞后性可以有效提高模型的同化精度,对比EnKF方法,EnKS方法的纳什效率系数(NSE)在七里街、沙县、竹岐3个站点上分别提升了0.03、0.12、0.03,均方根误差(RMSE)分别减小了7.43%、26.81%、4.25%;数据同化方法对不同径流分量的改进程度存在空间异质性和时间异质性,在高渗透率土壤和陡坡区域EnKS方法能使壤中流获得更显著的改进,丰水期EnKS方法对地表径流的改进较枯水期更明显。

基于PNPI与SWAT模型的非点源污染风险空间分布

为了明确流域非点源氮(N)、磷(P)营养物质污染风险空间分布特征,识别流域非点源关键污染源区,以伊洛河流域为例,采用输出系数法量化流域不同土地利用类型、居民生活和禽畜养殖所产生的N、P污染负荷,借助改进后的潜在非点源污染指数(PNPI)模型和SWAT模型,阐述流域非点源N、P污染风险空间分布特征,识别N、P污染关键源区;采用皮尔逊相关系数法计算两模型模拟结果的相关性,评价改进后的PNPI模型模拟结果的可靠性。结果表明:2020年伊洛河流域N、P非点源污染风险空间分布较为相似,均呈现出伊河、洛河两支流上游污染风险较低,中下游污染风险较高的空间分布特征,N和P的极低、低、中、高、极高风险区面积分别占伊洛河总面积的48.85%、14.61%、9.68%、14.64%、12.22%和55.48%、8.76%、11.14%、13.25%、11.38%;土地利用输出是流域产生N、P污染的主要源头,负荷量分别为20 643.62、3 033.31 t/a,不同的土地利用类型中耕地输出的N、P负荷量最大,分别为13 000.07、1 956.44 t/a,草地输出产生的N负荷量最小,为1 322.99 t/a,居民用地产生的P负荷量最小,为113.61 t/a;改进后的PNPI模型与SWAT模型模拟的N、P污染负荷间的皮尔逊相关系数均达到0.6,表明改进后的PNPI模型适用于该研究区。

基于SWAT模型与Copula修正的融雪径流模拟

应用分布式SWAT模型,研究黑龙江省三江平原挠力河流域融雪径流模拟及变化特征。结合遥感技术获取研究区土地利用数据、DEM数据及土壤数据,建立SWAT模型地理信息数据库。基于流域内水文站及气象站2004~2014年融雪期内(3~5月)日气象和日径流观测数据,采用分布式SWAT模型模拟流域融雪径流。为提高径流模拟精度,利用二维Copula函数揭示模拟值与其误差间相关性,描述径流模拟结果及其误差联合概率分布,修正模拟径流值。结果表明,率定期及验证期纳什效率系数(NSE)均大于0.7,构建SWAT模型适合于研究区融雪径流模拟,而经Copula函数修正后纳什效率系数(NSE)提高至0.8以上,对修正径流值作滑动平均法平滑数据处理后,精度提高。