基于SWAT的径流模拟参数优化方案及不确定性分析

SWAT模型在水科学领域应用极为广泛,顺序不确定拟合算法（SUFI-2算法）是SWAT校准优化的首选工具,提高SUFI-2算法的率定效率对SWAT的应用十分重要。在SUFI-2算法中设立NS、R2和PBIAS 3种目标函数,在此基础上,分析14种水文相关参数敏感性,基于95PPU不确定性的限制原则（P-factor>0.7且R-factor<1）率定参数范围,结合模拟性能评价的分级准则遴选最佳模拟,最后采用出山店水库1980～2018年水文资料进行验证。结果表明：3个目标函数中,PBIAS对参数变化的响应程度最强,利用PBIAS确定的敏感参数有CN2,CANMX,SOL＿BD,GW＿DELAY,GWQMN, GW＿REVAP,ESCO,RCHRG＿DP和SOL＿AWC;率定期和验证期模拟不确定性与降水分布相关;遴选的最佳模拟在不同时期表现出的性能稳定高效,证明遴选方法可行。研究成果对于提高水文模型优化效率具有借鉴意义。     

SWAT模型径流模拟的校正与不确定性分析

为比较SUFI-2和GLUE两种常用的SWAT模型校正与不确定性分析方法的优劣,以三峡库区大宁河流域为研究对象,应用Arc SWAT 2012对大宁河流域进行径流模拟,并分别基于SUFI-2和GLUE方法进行校正和不确定性分析,进而从模型模拟结果的不确定性、拟合效果、运算效率和参数不确定性分析等方面对SUFI-2和GLUE进行比较。结果表明:SUFI-2和GLUE都可以较好地应用于大宁河流域SWAT模型的校正和不确定性分析,但SUFI-2方法能通过较少的模拟次数获得更小的模拟不确定性带以及更佳的拟合效果,而GLUE方法在参数不确定性分析方面的表现更佳。对于SWAT模型径流模拟,建议用SUFI-2方法进行校正和模拟结果不确定性分析,用GLUE方法进行参数不确定性分析。     

基于SWAT模型的干旱绿洲灌区径流模拟研究

为研究干旱绿洲灌区的径流变化规律,采用1955—2017年的中国大气同化数据集(CMADS)、传统水文气象站数据、土地利用数据、土壤数据、数字高程数据,构建了基于SWAT的焉耆盆地分布式水文模型。并应用SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting)算法分析参数的敏感性,使用SWAT-CUP(SWAT Calibration Uncertainty Procedures)软件对影响径流模拟结果的几个重要参数进率定,利用1991—2017年的实测径流量进行模型验证。结果表明:新疆焉耆盆地长时间尺度下径流的模拟值与实测值吻合良好,模型率定期和验证期的纳什系数NES均在0.82以上,皮尔逊相关系数R~2分别为0.86和0.90,相对误差■小于10,由此表明该SWAT模型在焉耆盆地的适应性良好。基于此,模拟了RCP4.5和RCP8.5情景下焉耆盆地从现状年到2100年的径流变化,结果表明开都河流域的降水量变化对焉耆盆地的径流量影响显著,即在降水量增加20%,温度升高2℃时,径流量较现状年增加了26.53%。     

基于SWAT模型的北江飞来峡流域径流模拟

为满足北江飞来峡流域非点源污染负荷核算需要,利用SWAT模型对研究区1969-2011年日径流过程进行模拟。基于飞来峡流域水文、气象、地形、土地利用和土壤类型等资料构建SWAT径流模型,并运用SWAT-CUP中的SUFI-2方法对模型中的14个径流参数进行敏感性分析及参数率定,再进行径流模拟效果定量评价。结果表明:对径流过程有显著影响的参数主要为SCS径流曲线系数、主河道曼宁系数、地下水滞后系数以及地表径流滞后时间等;日径流率定期和验证期的效率系数均为0.83,相对误差分别为1.40%和0.58%,且大部分模拟数据落在不确定性区间内,模拟结果的不确定性较小,表明所构建的SWAT径流模型具有较高的精度,在北江飞来峡流域适用性良好。     

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。     

浊漳河流域SWAT模型构建及径流敏感性分析

以浊漳河流域为研究对象,基于研究区1980-2005年的实测径流资料,利用SWAT模型模拟该流域径流,利用SWAT-CUP自带的SUFI-2算法进行径流敏感性分析及参数率定.率定结果表明影响研究区域地表径流的主要参数是CN2、CANMX、REVAPMN;模型率定期和验证期的R2值分别为0.83与0.79,NS分别达到0...     

妫水河流域水文模拟及参数不确定性分析

以北京市延庆区妫水河为例,使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型对妫水河流域进行月尺度水文模拟,使用SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting)算法分析参数的敏感性,依据SWAT-CUP自动率定得到P因子和R因子分析模型的不确定性,从而完成本流域分布式水文模型的构建。率定结果显示,率定期确定系数R 2为0.65,效率系数NSE为0.61;验证期确定系数R 2为0.89,效率系数NSE为0.88;不确定性分析结果中P-factor均大于0.5,R-factor均小于0.3。通过以上分析可得该模型对妫水河流域的水文模拟有良好的效果。     

目标函数对滦河流域SWAT模型径流模拟不确定性的影响

针对水文模型参数和径流模拟结果不确定性问题,选取2Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)、改进的决定系数(R_m²)、相对误差(PBIAS)、Kling-Gupta效率系数(KGE)4种目标函数,对构建的滦河流域潘家口水库上游SWAT模型进行参数率定及验证,分析了不同目标函数下模型参数的敏感性差异及径流模拟的不确定性。结果表明：参数敏感性会随迭代次数增加和抽样范围变化发生改变,不同目标函数下率定的参数范围和最优值显著不同;NSE和KGE作为目标函数在各站点径流模拟中更稳健,分别表现出较高的模拟精度和较低的模拟不确定性。     

基于分布式水文模型SWAT的流域径流模拟

SWAT模型是一个集遥感、地理信息系统和数字高程模型技术的基于水文过程的物理性的分布式水文模型。为了进一步研究流域尺度内水文过程的时空变化规律,该文选取太湖流域,运用SWAT模型中的自带水文模块SCS模型对该流域2003年的月径流量进行模拟,采用Nash-Suttcliffe效率系数(NS)法评价模型的模拟精度,在此基础上模拟计算2003年和2004年的月径流量,并以模拟结果作为模型的输入,得出流域径流的空间分布,为流域的水资源管理提供依据。     

图们江流域SWAT模型的构建及其参数敏感性分析

为科学评估与合理优化图们江流域水资源，以图们江流域(中国一侧)1995年～2019实测气象水文数据为基础，应用ArcGIS 10.2建立了SWAT水文模型，对流域2000年～2019年月径流过程进行模拟。基于SWAT-CUP中的SUFI-2算法对模型输入的参数进行敏感性分析和率定校准，并探讨了模型在图们江流域的适用性。结果表明，对所构建模型模拟效果影响最大的参数为CN2、ALPHA＿BF、SLSUBBSN;率定期的确定系数R²=0.88,效率系数NSE=0.74;验证期的确定系数R²=0.83,效率系数NSE=0.66,两个时期的百分比偏差PBIAS<25%,均方根差与标准偏差的比值RSR均小于0.6。     

基于SWAT模型的多尺度径流模拟与对比分析

国际上对水文尺度转换的研究目前还处于初级阶段,由于空间异质性与变异性的存在,水文过程变得更加复杂和非线性,这对水文尺度转换的研究提出了更高的挑战。许多学者认为,实现水文尺度转换的关键是找出水文模型在不同尺度上的影响因素,从而确定不同尺度上的关联性。以杜陵流域为基础,以SWAT水文模型为研究对象,采用多尺度径流模拟方法,探讨水文模型的应用精度以及流域径流系数等在不同时间尺度下的变化规律,可为不同时间尺度上水文模型的选择提供支持,对水文尺度转换的研究也具有一定价值。     

基于SUFI-2优化算法和SWAT模型的汾河流域月径流模拟

以黄河中游的汾河流域为研究区域,构建汾河流域SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2优化算法进行参数敏感性分析、率定与不确定性分析,模拟了流域控制站河津水文站的月径流过程。结果表明:12个水文参数对径流的模拟均有不同程度的影响,对径流影响量最大的为土壤层有效含水量、其次为径流曲线数,影响最小的为主河道河床曼宁系数;率定期和验证期E_ns值均达到了0.80以上,相对误差R_e均小于20％,且确定性系数R²均大于0.85。汾河流域SWAT模型的月径流模拟效果较好,验证期较率定期落在不确定性区间的数量有所增加,表明验证期的径流模拟比率定期的径流模拟不确定性程度大。     

基于SWAT模型的青海省主要流域径流模拟

通过划分青海省主要流域并构建相应SWAT模型,模拟流域日、月平均径流变化过程,根据模型径流模拟值与实测值对比及对模型模拟结果进行评价,从而探讨所构建模型的模拟精度及其适用性。结果表明:SWAT模型不适用于柴达木盆地,而对高寒区或高原区内以降水、冰川、融雪为主要补给的流域的径流模拟效果良好,且具有较好的适用性。     

SWAT 模型国内径流模拟研究进展

随着SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的发展与更新,其功能不断完善,国内应用该模型进行水文模拟的研究也日益增多。在简述SWAT模型径流模拟基本原理的基础上,通过探究国内径流模拟研究的相关文献,得出近几年研究方向,主要包括径流模拟的适用性研究、模拟结果影响因素研究、模型参数敏感性分析与率定研究等三个方面。最终总结了该模型在径流模拟中存在的问题和未来的研究趋势。     

基于SWAT模型的盘龙江流域径流模拟

为了给日后的滇池治理和昆明市水资源保护利用提供依据,以昆明市区的盘龙江流域为研究区域,采用SWAT模型对该流域的径流进行模拟研究,通过加载流域的DEM、土地利用、土壤类型等数据到SWAT模型,选定1999—2004年为模型参数率定期,2005—2007年为模型验证期,对松华坝以上流域和以下流域分别进行模拟,并对模拟结果进行比较和评价。结果表明:松华坝以上区间流域的模拟相关系数R2在0.83以上,Ens在0.80以上;松华坝以下区域的模拟相关系数R2在0.70以上,Ens在0.58以上。即该模型对盘龙江流域具有良好的适应性,可以为盘龙江流域在不同土地利用的条件下对流域的水量、水质、泥沙进行模拟预测。     

基于SWAT模型的滦河流域径流模拟

应用SWAT模型对滦河流域进行了天然径流模拟,以承德、三道河子和滦县3个水文站的还原径流量对模型进行了参数率定与模型验证,基于模型模拟结果分析了下垫面变化对径流的影响。结果表明:滦县水文站率定期与验证期月径流模拟值与实测值的相关系数、确定性效率系数均在0.90以上,相对误差控制在5.00%左右,表明模型具有较高的模拟精度;与1985年相比,2000年土地利用的变化主要是林地面积减少与耕地、草地面积增加,导致径流量增加了2.91%,而年内降水量的增加则强化了下垫面变化对径流的影响程度。     

基于UQ-PyL的SWAT模型参数不确定性分析综合评估

为解决SWAT (soil and water assessment tool)模型在复杂情形下的参数不确定性分析问题,引入参数不确定性分析平台UQ-PyL(Uncertainty Quantification Python Laboratory),开发UQ-PyL与SWAT模型的耦合模块,使得UQ-PyL中的各种算法能够方便快捷地应用于SWAT模型的参数不确定性分析。为验证UQ-PyL用于SWAT模型参数不确定性分析的效果,在我国不同气候条件下的4个流域构建SWAT模型,综合对比评估UQ-PyL与SWAT-CUP对模型参数的不确定性分析结果。结果表明：UQ-PyL多种敏感性分析方法筛选出的敏感参数比SWAT-CUP单一方法筛选的结果更加合理;使用UQ-PyL率定的参数在4个流域应用中都表现良好,优化后模拟结果的纳什效率系数均在0.55以上,收敛次数在550次以内;在4个流域的模拟中,UQ-PyL能提供计算效率更高的算法ASMO,也能提供模拟结果更准确的算法SCE。综上,与SWAT模型相耦合的UQ-PyL能够支持SWAT模型用户在不同系统下对模型参数进行更高效的不确定性分析研究。     

基于SWAT模型的寒区小流域径流模拟及径流成分研究

由于冻土、降雪及融雪入渗等影响因素的特殊性,寒区流域产汇流特性都有别于非冻区,使寒区径流模拟研究较为困难,已有的研究内容对寒区小流域的径流模拟研究以及径流成分分析还比较少。为探讨寒区小流域径流模拟方法并分析流域内径流成分组成,以永翠河流域为研究区域,选取1994—2015年共22年的水文气象资料,构建SWAT模型,以决定系数（R2）和效率系数Nash-Sutcliffe (NSE)评价SWAT模型的适用性,并基于构建的SWAT模型分析永翠河流域径流成分组成。结果表明,SWAT模型能够较好的模拟寒区小流域的径流过程,各径流成分中壤中流占比最大,地表径流次之,地下水占比最小,且三种径流成分产水量总体都呈现上升趋势。     

基于SWAT模型的中尺度流域径流变化过程模拟

采用黄土丘陵沟壑区耤河流域1962—2008年逐日水文气象数据,基于GIS空间分析功能建立空间和属性数据库,利用SWAT模型对该流域过去47 a的径流变化过程进行了模拟与验证。结果表明:对于年、月尺度径流的校准与验证,模拟值和实测值变化趋势保持一致,但模拟值总体上均偏大;校准期年均流量模拟值的相对误差、与实测值的复相关系数、效率系数分别为15.3%、0.638、0.720,验证期分别为26.0%、0.569、0.511,可见验证期的模拟效果不如校准期的;月均流量也有类似的模拟效果,但不如年均流量模拟效果好。     

基于 SWAT 模型的北山水库流域地表径流模拟

为评价北山水库流域地表水资源,选用SWAT软件构建了该流域的分布式水文模型。基于2016-2018年实测水文数据以及高程、土地利用类型、土壤类型等数据,完成了对北山水库流域的SWAT模型构建,利用SWATCUP软件对参数进行率定及敏感性分析,选取决定系数(R~2)、纳什效率系数(NSE)、平均相对误差绝对值(MARE)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标。结果表明:北山水库月蓄水量模拟值与实测值吻合良好,模型率定期和验证期的R~2均达到0.89,NSE分别达到0.88与0.85,MARE分别为5.04%与4.23%,RMSE分别为1.15×10~6 m~3与0.90×10~6 m~3,由此表明该模型能近似反映研究区的径流变化特征,展示了SWAT模型在该流域的适用性。此外,基于验证的水文模型对主要参数进行敏感性分析,表明影响该区径流模拟最为显著的两个参数是浅层地下水回归流阈值和径流曲线数。