【论文精选】157:五大湖流域对气候变化的水文响应:SWAT 模型的案例研究

文摘   2024-09-14 17:17   陕西  
摘要

  基于过程的水文模型在应用之前通常要进行校核,以确保模型与实际情况密切吻合。然而,不同气候条件下的不同水文响应可能会影响模型校准和验证。我们对密歇根州北部的一个 901 公里流域进行了案例研究,比较了使用代表干旱(1948-1949 年)和平均(1969-1970 年)条件的不同气候数据集校准SWAT流域模型的效果。评估了不同气候条件对参数响应和灵敏度的影响,并使用 1950-1965 年这一共同验证期对两个校准版本的性能进行了比较。在干旱校核期和平均校核期,模型校核效果良好,Nash-Sutcliffe系数较高(E = 0.8 0.9),排水值偏差较小(D = 2.9% 3.4%)。两组气候条件下的蒸散参数有所不同。植物吸水补偿系数(EPCO)恰当地反映了不同气候条件下植物的吸水模式。两种情景下的融雪参数有所不同。将 SWAT 模拟的基流值与水文图分离法计算的基流值进行比较后发现,SWAT 方法将大部分融雪视为地表径流,而水文图分离法则将大部分融雪视为基流。在验证期(1950-1965 年),干旱校准模型(E = 0.8D = 2.6%)比平均校准模型(E = 0.4D = 41.4%)的性能要好得多。

研究方法

1.参数选取

  通过将SWAT 模拟数据与 USGS 每月04039500观测的排放量进行比较来进行模型校准。根据以前的研究,选择了 7 SWAT 参数进行模型校准和验证,其中包括三个融雪相关参数(SMFMXSMFMN TIMP)、三个蒸散相关参数(EPCOESCO CANMX)和一个与基流相关的参数(ALPHA-BF)。

2.评估

  除了将模拟排水量与实测排水量进行图形比较外,还使用了两个数字标准来评估建模结果:排水量偏差和模型效率系数。计算公式如下:

排水量偏差 

模型效率系数

研究结论

  1. 1.蒸散参数

  我们比较了 SWAT 模型(Priestley-Taylor方法)计算的PETPenman-Monteith方法计算的 PET 与密歇根州 Ironwood 气象站的数据进行了比较(图 5)。结果表明,这两种方法在长期月度 PET 估算方面的一致性很好、表明 Priestley-Taylor 方法在研究地点的准确性。

     ESCO EPCO 这两个参数的组合通过对模拟蒸散发的影响(图 6)决定了 SWAT 模型中蒸散和渗滤之间的水量分配,最终影响流域内不同气候条件下的水流状态和波动。在干旱年份,SWAT 模拟的生长季节(5 月至 8 月)蒸散发比平均年份低。

  敏感性分析用于评估两种气候情景下 EPCO ESCO 对排水量 (D) 值偏差的影响(图 7)。当 EPCO 值从 1 变为 0.01 时,干旱条件下对 D 值的影响(从 0.4% 降至 25.9%,降幅为 25.5%)大于平均条件下对 D 值的影响(从 42% 降至 55.2%,降幅为 19.3%)。在干旱条件下,EPCO 的影响更大,这表明植物用水量与溪流之间的关系密切,当植物用水量增加时(即 EPCO 接近 1 时),溪流会减少,因此偏差会增大。

  1.  2.融雪及其他参数

  基流衰退常数(ALPHA_BF)为 0.0046 天(该参数描述了地下水进入溪流的速度),与常用值(通常为 0.3-1.0 天)相比非常小,这表明研究地点的排水缓慢,浅含水层储水量巨大。2.5 毫米的 CANMX 值属于先前研究发现的森林冠层蓄水能力值范围:针叶林为 0.3-6.6 毫米,灌木林为 0.03-2.0 毫米。针叶林为 0.3-6.6 毫米,硬木为 0.03-2.0 毫米。湿地和湖泊分别占流域面积的 17.6% 5.9%(表 3)。

表 4 和表 5 汇总了湿地和湖泊的参数值。

3.验证期间的水文响应
     SWAT 的平均和干旱校准版本都应用于 1950-1965 年的验证期,干旱校准版本的性能远优于平均校准版本,如较低的偏差值和较高的效率系数(表6)

总结

Branch Ontonagon河南支流的水文受气候敏感的融雪现象影响很大。校准结果表明,积雪融化参数会因干旱条件而改变,从而增加积雪融化速率并迫使峰值流量趋于早春。

Branch Ontonagon河南支流的水文还受到对气候敏感的蒸散现象的影响。结果表明,EPCO 变量适当地反映了森林流域不同气候条件下的植物水分吸收策略。然而,溪流对 ESCO 变量的修改不敏感。

这些结果表明,利用在与验证期气候条件相当的条件下收集的数据对 SWAT 模型进行校准非常重要。考虑到 1950-1965 年验证期大部分时间内的普遍干旱状况,将干旱参数化版本的模型应用于 1950-1965 年验证期所获得的出色验证结果是有道理的。


陆域水文生态
本公众号由西北农林科技大学水建学院高飞课题组创建,旨在分享陆域水文过程相关研究成果,推送优秀学术论文。希望大家能共同进步,有所裨益。
 最新文章