AnnAGNPS与SWAT模型在黄土丘陵沟壑区的应用比较 ——以岔口流域为例

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黄土丘陵沟壑区水土流失仍处于严峻形势,水土流失的持续发生使得当地生态环境变得极为脆弱,甚至制约着当地社会经济的正常发展,而水文是泥沙的重要载体,因此对流域水文的监测管理显得尤为重要。借助模型模拟是研究水文泥沙的重要手段之一,其中AnnAGNPS模型与SWAT模型应用最为广泛,两个模型在模拟流域水文及泥沙侵蚀方面具有较高的适用性。但两个模型结构、算法以及参数等内部机理较为复杂,且在黄土丘陵沟壑区小流域的径流预测方面,很少有研究将AnnAGNPS模型与SWAT模型进行比较。因此本文以岔口流域为研究区,构建适用于岔口流域的AnnAGNPS模型与SWAT模型数据库,结合模型构建与模拟将两个模型在结构、算法、输入参数以及应用效果等方面进行对比。在此基础上,更进一步探究两个模型中相同参数改变对径流的模拟影响,为流域多模型应用奠定基础。主要研究成果如下:(1)利用岔口流域空间信息与各相关属性信息成功构建并运行AnnAGNPS模型与SWAT模型,研究结果表明,AnnAGNPS模型日模拟精度较高,其验证期内R2和NSE均为0.99,SWAT模型基于月径流模拟,其率定期R2和NSE分别为0.74和0.66,验证期R2和NSE分别为0.72和0.65,表明AnnAGNPS模型与SWAT模型在岔口流域适用性较好。(2)结合流域水文模型的构建与模拟,对比分析AnnAGNPS模型与SWAT模型,结果表明,两个模型在结构、算法、输入参数等方面均具有相似之处,但也具有各自独特的部分。通过对两个模型在岔口流域应用研究发现,AnnAGNPS模型对于降雨量较为集中时段模拟优于SWAT模型,SWAT模型在枯水期高估径流流量。(3)基于相似度较高的水文子模型,选择相同参数,将参数以±5%、±15%进行变化,运用析因分析法进一步定量对比两个模型中相同参数改变对径流的模拟影响。研究结果表明,在参数单效应中,AnnAGNPS模型中仅径流曲线数为显著性,其影响程度高达0.65,而SWAT模型中径流曲线数与土壤饱和导水率对径流模拟影响为显著性,对径流影响程度分别为0.26和0.42;在参数交互作用中,两个模型的参数间交互作用对径流模拟影响均表现为不显著,基于此可降低模型参数的不确定性,提高模型精度。(4)参数不同变化水平可能引起参数与径流的相关性变化,当AnnAGNPS模型中参数分别以±5%、±15%变化时,参数与径流模拟值的相关性不变,径流模拟值与径流曲线数呈正相关,与土壤饱和导水率、田间持水量呈负相关;SWAT模型参数以±5%变化时,径流模拟值与径流曲线数呈正相关,与土壤饱和导水率、土壤有效含水量呈负相关,但参数以±15%变化时,径流模拟值与土壤含水量的相关性发生变化,随着参数的增加,径流模拟值先降低后增加。
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