基于改进的SWAT模型时空尺度对洪水模拟影响研究

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时空属性解译是分布式水文模拟的核心,无论是模型的输入还是输出,显然都涉及到了时间和空间尺度的问题。本文以淮河王家坝站以上流域为研究对象,研究了基于改进的 SWAT模型时空尺度对洪水模拟的影响。首先,对模型原来的土壤数据库和气象数据库进行修改,构建适应研究区的SWAT模型。其次,在SWAT模型开源代码的基础上修改了模型的产汇流模块,使其可以进行日以下时段模拟,同时验证了修改后的模型在研究区洪水模拟中的适应性。最后,在保证修改后的模型精度基础上,探讨了DEM空间分辨率和降雨时空分辨率对洪水模拟的影响。  1)对获取的空间数据和属性数据进行处理,构建研究区的土壤数据库和气象数据库,从而建立了淮河王家坝以上流域SWAT分布式模型。在模型开源代码的基础上,主要对模型的坡面汇流模块以及模拟方式等进行了修改,使其可以进行连续场次的日以下时间步长的径流模拟,同时从洪水预报和洪水模拟两个角度对修改后的模型在研究区的适应性进行了评估,结果表明:修改后的模型其模拟精度可以满足连续场次的日以下时段步长的洪水模拟,且模拟结果比较理想。若将改进后的模型用于高精度的洪水预报,则还需要对模型相应模块作进一步的改进。  2)将研究区90×90m2分辨率DEM数据集聚合成其他5种不同空间分辨率的数据。采用MR(multi-resolution)和MC(multi-calibration)两种测试方法来研究不同栅格分辨率对径流模拟的影响。研究显示,DEM栅格尺寸主要影响流域的高程、面积以及流域坡度;只要在某一分辨率下进行参数率定,采用较低分辨率的空间输入数据进行研究区的洪水模拟也是可行的;参数Alpha_Bf、Canmx、Sol_K和Surlag对分辨率变化的敏感程度最高,Cn2、Sol_Z、Ch_N、Gw_Delay和 Sol_Awc次之,Esco最差;DEM数据的分辨率变化对于淮河王家坝流域的径流模拟结果带来的不确定性较低;大洪水模拟比小洪水模拟更加需要考虑DEM空间输入数据的分辨率问题。  3)将基础1h降雨数据聚集成2h、3h、6h、12h时间步长的降雨数据,1h流量数据采用面积包围法聚合成2h、3h、6h、12h时间间隔的流量资料。采用MT(multi-timestep)、MC(multi-calibration)和PE(parameter exchange)三种测试方法研究降雨分辨率变化对径流模拟的影响。研究结果表明:累积降雨的时间步长对洪峰流量影响较大;另外从水文过程线形状来看,随着降雨累计时间的增加,过程线越来越平滑;通过重新调整参数,各时间步长情景的模拟结果均能满足洪水模拟的精度要求,然而随着时间步长的增加,模拟精度有降低的趋势;参数的移植符合就近法则,时间尺度越接近移植的效果越好。  4)采用遍历抽样法结合SWAT模型的方法,研究了降雨空间分辨率变化对研究径流模拟的影响,结果显示:模型模拟精度随着雨量站数量的增加先有大幅度的波动增加,然后呈现微小波动增加到精度最大值,而后又小幅波动减小,最后随着雨量站数量的增加模型精度几乎不再发生变化;雨量站数量在60时率定期的NS最大,为0.868,并得到对应的雨量站分布。
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