SWAT模型参数不确定性分析及动态性评估

发布时间：2020-10-26 16:01

　　 水文模型是模拟流域水文过程和认识水文规律的重要工具,模型参数作为水文模型进行流域水文过程概化的关键因子,是反映流域产汇流过程的重要指标。定量分析不同特征阶段模型参数对流域产汇流的影响,对深度认知模型结构、提高模型模拟精度、科学评估流域水资源变化特征具有重要的科学意义与应用价值。故此,本文以黄河流域具有水塔之称的黄河源区为例,首先,研究了流域水文气象要素变化规律;其次,从降雨与潜在蒸发角度评估了流域未来水资源时空变化特征,分析了气候变化与人类活动对源区水资源的影响程度。在此基础上,构建了用于模拟源区径流变化过程的SWAT模型,采用析因分析方法定量评估了不同特征时期参数独立及交互作用对径流模拟的影响;最后,诊断出不同时期参数组合对水资源模拟的影响。主要研究内容和成果如下:(1)利用降水和蒸发资料,采用Mann-Kendall趋势检验方法和R/S非参数检验方法对流域降水和蒸发数据进行趋势性和持续性分析,通过耦合这两种方法,基于设定的流域未来气象要素变化特征指标集,预测流域未来水资源时空变化特征。结果表明:时间上,春季和冬季流域未来水资源供给矛盾得到缓解,夏季和秋季流域未来水资源供需矛盾愈加尖锐;空间上,春季和冬季流域南部未来水资源供给形式有利,春季、夏季以及秋季流域东部未来水资源供给形式不利。(2)为了对黄河源区的水文和气象要素一致性进行诊断,采用Mann-Kendall突变检验方法和累积距平检验方法,分析降水、径流序列的趋势性和变异性。运用5种Budyko假设公式量化气候变化和人类活动对径流改变量的影响,并以傅抱璞公式为例,探求参数ω的改变对气候变化和人类活动贡献率的影响。结果表明,傅抱璞、张橹、Mezentsev、Truc-Pike和Budyko等5种公式计算出的结果高度一致;气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为59.02%～71.39%和28.61%～40.98%;;评估参数ω的不确定性对径流的影响发现,参数ω增大,人类活动对径流改变量的贡献率逐渐增加,相反,气候变化对径流改变量的贡献率逐渐减少。(3)基于上述一致性分析结果,利用CMADS气象数据集和遥感空间数据集成功构建黄河源区 SWAT模型。采用人机结合的方式对模型参数进行率定和验证,其中,率定期和验证期分别为2010-2013年和2014-2015年。结果表明,唐乃亥水文站日径流模拟流量与实测流量拟合较好,率定期和验证期NSE分别为0.73和0.81,R2分别为0.82和0.87,|Re|均小于10%,结果表明SWAT模型在黄河源区能够成功构建。(4)基于构建的黄河源区SWAT模型,采用LH-OAT法、析因分析方法定量评估了不同时段模型参数独立及交互作用对径流模拟的影响。结果表明,不同时段模型参数不确定性影响差异显著;非汛期、汛前、汛期和汛后对模型模拟径流不确定性最显著的参数分别为 SOL_BD、SOL_BD、CN2 和 SOL_BD,占比分别为 0.99、0.26、0.60 和 0.98;该结论可归因于不同时段土壤容重和径流曲线数受降水、气温、蒸发等因素影响显著,这说明土壤容重蓄水量和超渗产流地表径流量为黄河源区水文系统的重要水输入;同时,土壤蒸发补偿系数(ESCO)和河道水力传导度(CH_K2)对水文响应也有显著影响,这表明蒸发过程和渗透过程对该流域的水文过程也产生影响;汛期参数AD和CD的交互作用显著,进一步说明土壤容重会影响地表径流和河流补给地下水产生的损失量。(5)分析模型不同参数组合对模型模拟精度的影响发现,参数组合的改变在年际尺度日径流模拟影响中差异显著。参数组合的改变对径流模拟影响最大的年份为2011年,2010年次之,2012年最小;通过对年内连续3日、5日、7日和9日降水和干旱发生频次分析发现,降水和干旱事件时间上的不均匀性是导致径流模拟精度差异显著的主要原因。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P333
【部分图文】：

西安理工大学硕士学位论文spispideeppumpspaqaqWW,,1, （1-6）式中：spiaq,代表第i天土壤土壤含水层存储的水量，mm；sp, i 1aq 代表第 i 1天土壤含水层存储的水量，mm；deepW 代表第 i 天由浅层含水层流入深层含水层水量，mm；pumpspW,代表第i天上层含水层所吸收深层含水层的水量，mm。1.3.2 SWAT 分布式水文模型结构SWAT 模型依据划分的子流域进行流域和产汇流计算，并依据河网、水库等特征模拟流域水文过程。 SWAT 模型水文过程包括：壤中流、地表产流、地下产流以及河道产流，产汇流部分的结构示意图如图 1-1 所示：

2 黄河源区概况及数据来源概况及数据来源地理位置概况4-45]地处 32 N 36 N，96 E 103 E 之间，位于青藏高原东北部为 2533m~6236m，平均海拔为 4025m。域面积辽阔，东西跨度藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原 4 个地貌单元，为 12.19 万 km2，占黄河流域总面积的 16.2%左右。流域常年水和气温自西北至东南呈逐渐递增趋势，年平均气温为 5℃左水量集中在 320mm 750mm 之间。流域季节降水差异明显，季节多集中降水，经常出现超渗产流，年潜在蒸散发m 范围内，年日照时数为 2400h 2800h。流域地理位置空间分

（e）年图 3-1 黄河源区年、四季降水量变化趋势Fig.3-1 Change trend of annual and four seasons precipitation in the source region of the Yellow Ri.2 降水量变化持续性采用 R/S 检验方法计算流域 12 个气象站降水量统计量H 值，基于 Arcgis 平台，金（Kriging）插值方法进行流域降水量H 值空间插值，其结果如图 3-2 所示。
【参考文献】

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本文编号：2857203