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SWAT 调参方法思路整理【3】

SWAT 调参方法思路整理【3】

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书接上文1

书接上文2

时隔一个月,回来继续整理编程思路。

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大体思路

在确定工作路径没有异常后存储参数和观测数据。根据样本参数生成样本,将每一个样本视为一个对象,完成拷贝,替换参数,执行,计算精度指标操作后汇总至Excel中。

模块

check()

check模块除了正常初始化外还要负责两个工作:测试运行模型以确保RawModel内的模型和Exes内部的文件可以正常运行,通过Parameters.txt和传递软件参数。

Parameters.txt具有一定的格式,名称行下一行为参数值,通过if判断所在行内容和参数,如遇多行内容则以-或=为中止符。如遇到土壤参数则查找对应土壤参数对应的csv。观测值文件在Parameters.txt内有定义,遵循原有格式进行扫描输入。这部分模块存在简易确定软件参数合理性功能。

测试运行方法为通过临时创建一个文件夹,并将原始模型和SWAT模型可执行文件复制到文件夹内。通过检测SWAT模拟完成文件`fin.fin`状态确定模拟是否成功。

sampleGeneration()

sampleGeneration为软件参数提供的参数进行模拟,根据上文2,可划归HRU参数,子流域参数,流域参数和土壤参数。土壤参数为一组,而其他三个参数则各有其尺度,方法可根据不同尺度和不同范围进行生成样本。

采用pyDOE2的内置方法进行拉丁超立方采样,使用两个参数,维度和每个维度内的样本数,得出应为m*n个样本。该方法返回值为0-1,因此还需要进行处理。将上下边界相减,乘以采样值加上下边界即可。

$Var_{tar}=Var_{sample}*(B_{upper}-B_{lower})+B_{lower}$

此处输出为一多维list,每条为一个样本,内部有多种参数。

ProcessSWAT()类

ProcessSWAT()是包括传递参数,模拟和计算的模块。其中传入参数主要为sampleGeneration()生成的参数。初始化模块过程包括创建实例文件夹,将参数输入至类中,同时创建变量记录各个尺度下参数数量以备使用。

修改参数模块为核心内容。出于模型物理意义考虑,将土壤参数单独剥离出来。在另一方面,土壤参数格式与其他格式也略有不同。

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.Sol file Watershed HRU:2 Subbasin:1 HRU:2 Luse:FRST Soil: Haplic Luvisols2 Slope: 15-25 2022/5/7 0:00:00 ArcSWAT 2012.10_2.19
Soil Name: Haplic Luvisols2
Soil Hydrologic Group: C
Maximum rooting depth(mm) : 1000.00
Porosity fraction from which anions are excluded: 0.500
Crack volume potential of soil: 0.500
Texture 1 : L-GR--SL-GR--SL-FSL
Depth [mm]: 300.00 1000.00
Bulk Density Moist [g/cc]: 1.51 1.52
Ave. AW Incl. Rock Frag : 0.17 0.13
Ksat. (est.) [mm/hr]: 15.62 4.04
Organic Carbon [weight %]: 0.74 0.36
Clay [weight %]: 22.00 29.00
Silt [weight %]: 37.00 34.00
Sand [weight %]: 41.00 37.00
Rock Fragments [vol. %]: 4.00 3.00
Soil Albedo (Moist) : 0.01 0.01
Erosion K : 0.17 0.17
Salinity (EC, Form 5) : 0.10 0.10
Soil pH : 6.50 6.70
Soil CACO3 : 0.00 0.00

土壤名称在第一行中即出现,可作为索引进行查找。土壤参数具有多层属性,由土壤数据库进行定义,需要根据现实情况进行修改。土壤参数本身不应使用v方法进行修改,因此在采用r方法修改时可以每一层都进行修改。参数名字与土壤数据库中略有不同,但可根据官方文档确定。

其他参数文件格式则相对统一,具有相似的格式。

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.gw file Watershed HRU:1 Subbasin:1 HRU:1 Luse:FRST Soil: Dystric Podzoluvisols2 Slope: 5-15 2022/5/7 0:00:00 ArcSWAT 2012.10_2.19
1000.0000 SHALLST : Initial depth of water in the shallow aquifer [mm]
2000.0000 DEEPST : Initial depth of water in the deep aquifer [mm]
61.500000 GW_DELAY : Groundwater delay [days]
0.885000 ALPHA_BF : Baseflow alpha factor [days]
0.763333 GWQMN : Threshold depth of water in the shallow aquifer required for return flow to occur [mm]
0.025000 GW_REVAP : Groundwater "revap" coefficient
45.916670 REVAPMN: Threshold depth of water in the shallow aquifer for "revap" to occur [mm]
0.516281 RCHRG_DP : Deep aquifer percolation fraction
1.0000 GWHT : Initial groundwater height [m]
0.0030 GW_SPYLD : Specific yield of the shallow aquifer [m3/m3]
0.0000 SHALLST_N : Initial concentration of nitrate in shallow aquifer [mg N/l]
0.0000 GWSOLP : Concentration of soluble phosphorus in groundwater contribution to streamflow from subbasin [mg P/l]
0.0000 HLIFE_NGW : Half-life of nitrate in the shallow aquifer [days]
0.0000 LAT_ORGN : Organic N in the base flow [mg/L]
0.0000 LAT_ORGP : Organic P in the base flow [mg/L]
0.0100 ALPHA_BF_D : Baseflow alpha factor for deep aquifer [days]

gw文件,为HRU内地下水参数文件,可见其参数格式统一,各参数所占字符长度基本一致。对此可直接采用右侧说明进行查找。为排除说明中的参数引用导致的索引混乱,将:作为分隔符确保仅采用名称部分作为参数索引。

不同尺度下的修改方式也不同,采用初始化时的HRU结构建立目录结构。根据目录结构和修改尺度进行处理。最终得到修改后的模型。

执行模型方法和check()方法一致,不再赘述。

执行后提取结果文件,进行R^2和NSE计算,将结果输出。

printRes(results)方法

方法为输出结果到文件中,基本采用输出到文件的方法。

改进空间

  1. 正则表达式的使用可有效提高输入输出操作;
  2. 提高模型计算速度,参照SWAT-CUP,魔改了输入输出文件调用方法。

值得注意的事情

  1. 不同SWAT版本计算结果偏差较大,且不同版本SWAT参数敏感性分析结果可能也不同;
  2. 不同HRU大小下敏感性分析结果不同;
  3. 讨论一种新的多区域调参方法,即:用子流域观测站控制调参该子流域后,在上一级子流域调参时该子流域参数不作改动。

本文作者:SatyrLee
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