Автоматическая калибровка стока на малом речном водосборе в программном модуле swat-cup

Abstract

Приведены результаты моделирования водного стока реки с помощью математической почвенно-гидрологической модели SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Работы по калибровке модели выполнены на примере малого водосбора р. Головесня, расположенного в зоне смешанных лесов. Гидрологические, гидрогеологические и метеорологические наблюдения, необходимые для модели SWAT, получены из материалов Придеснянской водно-балансовой станции, на территории которой находится исследуемый водосбор. Подробно описаны методы автоматической калибровки модели SWAT в программном модуле SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Procedures): SUFI-2, GLUE, ParaSol, PSO. Рассмотрены преимущества и недостатки метода обратного моделирования. Проведен сравнительный анализ полученных результатов. Эффективность моделирования оценивалась на основании следующих критериев: коэффициент Нэша—Сатклиффа (NS), коэффициент детерминации (R²), процентное отклонение (PBIAS).

Наведено результати моделювання водного стоку річки за допомогою математичної ґрунтово-гідрологічної моделі SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Роботи з калібрування моделі виконано на прикладі малого водозбору р. Головесня, розташованого в зоні мішаних лісів. Гідрологічні, гідрогеологічні та метеорологічні спостереження, необхідні для моделі SWAT, отримано з матеріалів Придеснянської водно-балансової станції, на території якої знаходиться досліджуваний водозбір. Докладно описано методи автоматичного калібрування моделі SWAT у програмному модулі SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Procedures): SUFI-2, GLUE, ParaSol, PSO. Розглянуто переваги та недоліки методу оберненого моделювання. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів. Ефективність моделювання оцінено на підставі таких критеріїв: коефіцієнт Неша-Саткліффа (NS), коефіцієнт детермінації (R²), відсоткове відхилення (PBIAS).

Purpose. The implementation of process-based SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) to simulate streamflow in the territory of Ukraine. Comparison of different auto-calibration procedures of SWAT-CUP software for SWAT input parameters calibration. Design/methodology/approach. The model was applied in a small Holovesnya catchment on the territory of the Desna water-balance station. 18 parameters were used for runoff calibration after the analysis of sensitivity. This parameter set was calibrated using four auto-calibration procedures available in SWAT-CUP: SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting), PSO (Particle Swarm Optimization), GLUE (generalized likelihood uncertainty estimation), ParaSol (Parameter Solution). The Nash-Sutcliffe coefficient (NS), coefficient of determination (R²) and percentage of bias (PBIAS) were used to assess the model performance. Findings. The model was calibrated against measured daily runoff of Holovesnya in 2007 and 2009. According to the common performance ratings of calibration efficiency, all SWAT-CUP procedures showed good close results. More detailed comparative analysis of the SWAT parameter values showed that the best results were obtained using SUFI-2 (NS = 0.68, R2 = 0.68, PBIAS = -1.6). Practical value/implications. The successful implementation of SWAT was achieved for streamflow calibration in a small river catchment. The detailed analysis of the auto-calibration procedures of SWAT-CUP was carried out. In general, all methods of calibration of process-based models, including SWAT, use inverse modeling approach, which is associated with the inability to directly measure the majority of input parameters used in the model. The main disadvantage of this approach is the non-uniqueness of solutions, i.e. the existence of different parameter sets that satisfy the specified value of the objective function. In order to minimize this problem, there is a necessity for additional measurements, such as snow melt, flow above the gauge, etc.