延河流域水沙参数同步率定与水土保持措施情景模拟

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流域水沙参数的有效率定与特征分析不仅直接影响模型模拟精度,而且对水土流失治理具有重要的指导意义。本文利用延河流域DEM(Digital Elevation Model)、土地利用、土壤、气象、径流以及泥沙等数据,构建了延河流域SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水沙模型,并采用NSGA2(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II)方法研究了不同目标情景下参数的率定效果,分析了水沙参数敏感性和可识别性的时变特征,模拟了不同措施情景对流域土壤侵蚀的削减效果,同时,在成本与效益的基础上初步探讨了不同敏感时期、不同关键源区的最优水土保持措施。主要结论如下:(1)相比于SUFI-2方法,基于多个目标函数的NSGA2两站点水沙参数同步率定方法不仅具有较强的适应性,还能更好地约束参数率定过程,使率定后的模型更加符合流域内的物理条件,有效提高水沙参数校准效率和效果。以延河流域为对象,率定后的SWAT模型在甘谷驿和延安集水区的月径流和月泥沙率定期的NSE(纳什效率系数)和R~2(决定系数)均达到了0.65以上,PBIAS(偏差百分比)也均小于20%。而不同验证期的模拟效果因流域下垫面状况的改变存在一定的差异。(2)延河流域SWAT模型水沙参数敏感性具有明显的时变特征,在不同年月存在较大差异,其变化反映了流域内不同时间降水、入渗、径流、蒸发、泥沙运移等关键水文过程的不同。首先,参数的敏感性对降水有一定的依赖性,在丰枯水期敏感性大小存在差异,因而合理的配置方案应当考虑降水变化;第二,在采取措施消减流域输沙量时,考虑到影响陆面产沙量的参数具有高度敏感性,应当优先关注陆面侵蚀过程;第三,流域管理者在进行泥沙调控时,不应当忽略径流过程变化。(3)延河流域SWAT水沙模拟过程中只有CN2(湿度条件Ⅱ的初始SCS径流曲线值)、CH_K2(主河道淤泥有效导水率)、ALPHA_BF(基流消退因子)、USLE_C(植被覆盖因子)、USLE_P(水土保持措施因子)、USLE_K(土壤侵蚀因子)等相对较少的参数是可识别的。另外,参数在不同的水文周期会表现出不同的可识别性。CN2、USLE_C、USLE_P、USLE_K等参数在丰水期可识别性较好,而ALPHA_BF只在枯水期才可能表现出较好的可识别性。参数可识别性与参数敏感性有较强的正相关性,两者均是参数诊断的有效方法。(4)退耕还林和保护性耕作等水土保持措施可有效控制水土流失,但应根据流域实际情况对丰水期和关键源区的水土流失进行优先合理配置。此外,还应考虑措施的成本和效益,进行综合评价优选。对于延河流域,带状耕作在不同侵蚀区的综合评价指标较高,且成本较低,削减效果良好,适合大面积推广。而残茬覆盖耕作是保护性耕作措施中综合评价最高的,建议在关键源区推广。
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