[发明专利]基于SWAT模型的流域天然径流计算方法

摘要

本发明公开了一种基于SWAT模型的流域天然径流计算方法，包括以下步骤：建立流域SWAT模型；基于SUFI‑2方法对天然子流域确定参数值并验证其正确性；建立各子流域参数与天然子流域参数相关关系；输入参数，通过SWAT模型计算流域天然水资源量。本发明充分利用了能反映流域天然径流情况的天然子流域的径流资料，建立典型子流域参数与下垫面变化剧烈的子流域参数的相关关系，进而将不确定性较低的参数展布到其他地区，提高整个目标流域天然径流模拟值的可靠性。同时，本发明也为天然径流的计算提供了新方法、新思路。

主权项

1.一种基于SWAT模型的流域天然径流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立流域SWAT模型和基础数据库；所述基础数据库中的数据包括空间数据资料、土地利用资料、土壤空间分布资料、气象资料和水文资料；上述数据经数据清理、格式统一化处理和投影变换后添加到模型中；其中，空间数据资料、土地利用资料和土壤空间分布资料需要将其图层本身的地理坐标系统转换为投影坐标系统；基础数据库建立完成后，利用DEM图提取流域水系；根据设定的子流域面积范围与子流域进出口的位置进行子流域的划分；根据不同的下垫面情况，进一步划分水文响应单元HRUs；完成水文响应单元HRUs的划分后，将气象数据加载进模型，利用模型进行水文模拟；在模型的运行中，需要对径流模拟、气象模拟、潜在蒸发量模拟和河道演算的方法作出选择；利用以日降水观察为基础的SCS径流曲线法模拟径流；利用Hargreaves法模拟潜在蒸散发；利用变动存储系数法或马斯京根法进行河道演算；步骤2，基于SUFI‑2方法对天然子流域确定参数值并验证其正确性；模型参数确定是指调整模型参数值、初始边界条件以及限制条件的过程，目的是使模型的模拟计算结果与历史实测数据相吻合；利用SWAT模型模拟天然径流，需要历史实测天然径流数据；在确定模型参数前，先选取流域内下垫面改变小于预期值、受人类活动影响小于预定值、能反映流域天然径流情况以及有部分历史径流资料的子流域作为天然子流域，基于SUFI‑2方法确定天然子流域的参数并验证其合理性；在SUFI‑2方法中，首先给参数一个相对较大的范围，使实测数据尽量多的被包含在95％不确定性范围内，然后逐步地缩小不确定性的区间范围，同时改变参数值的范围；每一次参数范围的改变，都将重新进行敏感性矩阵和协方差矩阵的计算；更新参数，再进行下一步模拟，使模拟值逐渐接近实测值；其中，敏感性矩阵和协方差矩阵的计算方程如下：j＝1，2，3，...，m    (3)式中，J为敏感性矩阵；J_i，j为敏感性矩阵元素；i为组数；j为列数；Δb_j为第j个要率定的参数；Δg_i为参数的敏感度；为敏感性矩阵的行数；C为协方差矩阵；为目标函数计算结果的偏差，m为自然数；在SWAT模型中关于径流的参数有26个，先利用SUFI‑2算法率定天然子流域的26个参数；率定时选定预热期、率定期和验证期，利用SUFI‑2算法对典型子流域进行参数值的确定，调整参数，使得模拟值与实测值吻合，最终确定参数最佳适应值；确定天然子流域参数值后利用历史实测径流数据进行验证，为了评价参数值是否可靠，选取纳什效率系数ENS和相关系数R2作为评价指标；ENS取值范围是0～1，取值越接近1代表整个模拟径流过程和实测径流数据的拟合程度越好；相关系数R2的取值范围是0～1，取值越接近1，模拟值与实测值的线性相关程度越高；ENS和R2的计算公式如下：其中：Qp为实测值；Q0为模拟值；Qavg为实测平均值；n为实测数据个数；其中：Q_0i为实测流量；为实测流量平均值；Q_si为模拟流量；为模拟流量平均值；当ENS＜0.6，R2＜0.6时，认为模拟值接近实测值，参数率定合理；若ENS和R2的值不在合理范围内，利用SUFI‑2方法重新确定参数值；步骤3，建立其余各子流域参数与天然子流域参数相关关系受人类活动影响大于预期值或缺少历史实测径流资料的子流域模拟的径流无法代表天然径流，因此建立天然子流域参数与其他子流域参数的相关关系，将天然子流域参数移植或倍比移植到其余的子流域；步骤3具体包括如下子步骤：步骤31，将其他子流域分为两部分，与天然子流域接壤的其他子流域为一部分，与各天然子流域都不接壤的其他子流域为另一部分；步骤32，与天然子流域接壤的其他子流域直接沿用与之接壤的天然子流域的参数，如果一个子流域与多个天然子流域接壤，计算此子流域与各天然子流域接壤长度占比，将各天然子流域参数值按占比分配给此子流域，具体公式如下：其中：Ea，，是a号子流域第j个参数的参数值；n是与a号子流域接壤的天然子流域数；Xi是第i个天然子流域与a号子流域的接壤长度；Ei，j是与a号子流域接壤的第i个天然子流域第j个参数的参数值；步骤33，与各天然子流域都不接壤的子流域先将其土地利用和土壤分布情况指标化；具体做法是：计算子流域不同土地利用类型面积占比和不同土壤分布面积占比，然后将土地利用数据和土壤分布数据做归一化处理，归一化公式如下：其中：Ti，j是第i个子流域第j个土地利用类型/土壤类型的归一化数据；Gi，j是第i个子流域第j个土地利用类型/土壤类型的面积占比；Gi，min是第i个子流域中土地利用类型/土壤类型面积占比的最小值；Gi，max是第i个子流域中土地利用类型/土壤类型面积占比的最大值；计算与各天然子流域都不接壤的其他子流域的土地利用和土壤分布归一化数据与各天然子流域土地利用和土壤分布归一化数据的欧式距离；计算其他子流域与各天然子流域欧氏距离占比，将各天然子流域参数值按占比分配给其他子流域，公式如下：其中：Ea，j是a号子流域第j个参数的参数值；n是天然子流域数；Oi是第i个天然子流域与a号子流域的欧式距离；Ei，j是第i个天然子流域第j个参数的参数值；步骤4，输入参数，通过SWAT模型计算流域天然水资源量天然子流域和其余子流域的参数都确定后，将参数输入SWAT模型，以月尺度模拟目标流域在选定时间段内的径流，并根据流域边界上事先添加的控制点，用流出目标流域的水量减去流入该流域的水量，即得目标流域天然径流系列。