SWAT模型在洮兒河地表徑流模擬中的應(yīng)用研究

李成振，陳曉霞，孔慶輝，付 鵬，丁元芳

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061；2.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長(zhǎng)春 130021）

SWAT模型在洮兒河地表徑流模擬中的應(yīng)用研究

李成振1，陳曉霞1，孔慶輝2，付 鵬2，丁元芳2

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061；2.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長(zhǎng)春 130021）

本研究對(duì)SWAT模型的灌溉模塊進(jìn)行了修改，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了洮兒河流域水循環(huán)模型，利用水文站實(shí)測(cè)徑流資料對(duì)模型進(jìn)行了率定，并分別利用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)與分時(shí)段評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，SWAT模型對(duì)豐水年的模擬效果相當(dāng)好，平水年的模擬效果次之，枯水年的模擬結(jié)果不太理想，但考慮研究區(qū)的實(shí)際情況，整體模擬結(jié)果還是令人滿(mǎn)意的。

SWAT模型；灌溉模塊；洮兒河流域；綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；分時(shí)段評(píng)價(jià)指標(biāo)

洮兒河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科右前旗大興安嶺高岳山，沿程有較大的支流歸流河、蛟流河匯入，流至月亮泡注入嫩江，河道全長(zhǎng)563 km，流域面積為33 070 km2，其中山區(qū)面積占65%，丘陵、平原占35%。洮兒河流域?qū)儆诒睖貛О敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候特征是春季干旱多風(fēng)沙，夏季炎熱短暫，秋季干燥涼爽，冬季寒冷漫長(zhǎng)。流域中下游地區(qū)是東北商品糧基地的重要組成部分，自1998年以后，洮兒河流域進(jìn)入連續(xù)枯水年，干旱已成為目前制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的瓶頸。水資源量的不足及水資源年內(nèi)分配與農(nóng)作物生長(zhǎng)需求的不匹配，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量，制約了當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)。加之近年來(lái)人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度過(guò)大，該地區(qū)草原退化、濕地萎縮、土地沙化、鹽堿化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出[1]。此次研究擬應(yīng)用SWAT模型對(duì)洮兒河地表徑流過(guò)程進(jìn)行模擬，以探討該模型在半干旱地區(qū)流域水循環(huán)過(guò)程模擬的適用性，為流域水資源管理提供基礎(chǔ)依據(jù)和手段。

1 研究區(qū)SWAT模型的構(gòu)建

1.1 SWAT模型簡(jiǎn)介

SWAT模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研制開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于物理過(guò)程、用來(lái)模擬連續(xù)時(shí)間的流域分布式水文模型，適用于具有不同土壤類(lèi)型、土地利用與土地管理措施等復(fù)雜背景的大流域，主要用來(lái)預(yù)測(cè)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響，模型的運(yùn)行以年、月、日為時(shí)間單位，不適合對(duì)單一事件進(jìn)行細(xì)節(jié)模擬。SWAT模型主要的模塊有水文模塊、氣象模塊、農(nóng)業(yè)管理模塊、土壤溫度模塊、作物生長(zhǎng)模塊、泥沙模塊、農(nóng)藥/殺蟲(chóng)劑模塊、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)模塊、河道物質(zhì)演算模塊、水庫(kù)內(nèi)演算模塊。模型的開(kāi)發(fā)者將模型開(kāi)發(fā)的目標(biāo)描述為“在比較大的流域內(nèi)，模擬不同管理措施對(duì)產(chǎn)水、產(chǎn)沙以及農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的影響，能預(yù)測(cè)流域100年以?xún)?nèi)的總徑流量、泥沙流失量和營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷”。SWAT模型是目前比較先進(jìn)的流域水量、水質(zhì)綜合模型，自開(kāi)發(fā)以來(lái)已經(jīng)在美國(guó)、加拿大、歐洲、亞洲等地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用與驗(yàn)證[2-3]。

1.2 模擬范圍

由于洮兒河黑帝廟水文站以下地區(qū)地勢(shì)平坦，區(qū)內(nèi)泡沼星羅棋布，不利于流域邊界的提取，且區(qū)內(nèi)地表產(chǎn)流量不大，故此次研究模擬范圍選擇黑帝廟水文站以上的匯流區(qū)域，總面積約3.06萬(wàn)km2。

1.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

模型運(yùn)行需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括DEM、土地利用、土壤類(lèi)型、水文氣象等數(shù)據(jù)。此次研究使用的DEM數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)NASA網(wǎng)站免費(fèi)提供的STRM90m分辨率的數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所根據(jù)TM／ETM影像解譯的1∶10萬(wàn)土地利用圖；土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤所做的1∶100萬(wàn)的空間分布圖，土壤屬性通過(guò)查閱《吉林土壤》、《白城土壤》、《內(nèi)蒙古土壤》等相關(guān)資料確定；水文氣象數(shù)據(jù)包括流域內(nèi)1992—2003年16個(gè)雨量站日觀測(cè)數(shù)據(jù)、5個(gè)水文站日流量數(shù)據(jù)，以及7個(gè)氣象站的降水量、最高最低氣溫、平均相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等日觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.4 農(nóng)業(yè)灌溉模塊的改進(jìn)

研究區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的85%左右，準(zhǔn)確模擬農(nóng)業(yè)灌溉用水過(guò)程是流域水循環(huán)模擬成敗的關(guān)鍵。針對(duì)SWAT模型在灌區(qū)水循環(huán)模擬方面存在的一些缺陷[4]，對(duì)灌溉模塊進(jìn)行了如下修改：

1）根據(jù)文獻(xiàn)［4］的方法構(gòu)建了多水源灌溉模塊。該方法要求確定一個(gè)主要灌溉水源及其他水源取水順序，先利用主要水源灌溉，當(dāng)時(shí)段內(nèi)水源可滿(mǎn)足灌溉需水時(shí)，此時(shí)多水源可轉(zhuǎn)化為單一水源灌溉，若該水源不滿(mǎn)足灌溉需水時(shí)，按水源取水順序依次取用其他水源補(bǔ)充灌溉。

2）將水田部分的模擬分為生育期和非生育期兩段：非生育期內(nèi)，水田與旱地的水文過(guò)程相同，直接采用模型中的水循環(huán)過(guò)程；生育期內(nèi)，根據(jù)水田水量平衡來(lái)計(jì)算。模型中設(shè)定生育期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，以及不同時(shí)期的水稻最低和最高允許水深。當(dāng)降水使田面水深高于最高允許水深時(shí)產(chǎn)生地表徑流；當(dāng)田面水深低于最低允許水深時(shí)進(jìn)行灌溉；水田蒸散發(fā)按蒸發(fā)能力計(jì)算；水田滲漏采用穩(wěn)定下滲處理；生育期結(jié)束排光水田水量。

1.5 子流域與HRU的劃分

由于洮兒河流域下游地區(qū)地勢(shì)平坦，基于DEM提取數(shù)字河網(wǎng)難度較大。針對(duì)這一難題，將SHP格式的數(shù)字化水系導(dǎo)入SWAT中，使用“Burn In”方法提取河網(wǎng)。在閘壩斷面及水文站控制斷面設(shè)置子流域出口，選擇黑帝廟水文站為流域總出口，采用模型推薦的子流域劃分閾值劃分子流域，結(jié)果共劃分子流域35個(gè)。

采用一個(gè)子流域劃分為多個(gè)HRU的方式劃分HRU，土地利用、土壤面積及流域坡度的最小閾值比均定為10%。流域內(nèi)水田為農(nóng)業(yè)用水大戶(hù)，故在“Land Use Threshold Exemption”選項(xiàng)卡中添加“Rice”，這樣水田面積便不會(huì)因低于設(shè)定的土地利用閾值而被忽略。采用上述方法，研究區(qū)共劃分390個(gè)HRU。

2 流域水循環(huán)模擬

選擇大石寨、鎮(zhèn)西、務(wù)本、洮南4個(gè)水文站的實(shí)測(cè)流量過(guò)程進(jìn)行模型校準(zhǔn)，采用各站1994—1997年觀測(cè)資料進(jìn)行模型校準(zhǔn)，1998—2001年資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，1993年資料用于模型預(yù)熱。模型校準(zhǔn)之前，先進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)敏感性分析的結(jié)果，選擇較為敏感的參數(shù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)。首先采用自動(dòng)校準(zhǔn)法進(jìn)行模型校準(zhǔn)，自動(dòng)校準(zhǔn)后的模型參數(shù)往往仍不能滿(mǎn)足要求或不是最優(yōu)參數(shù)組合，這時(shí)需在此基礎(chǔ)上再對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，使模型輸出滿(mǎn)足預(yù)期的要求。在模型校準(zhǔn)的時(shí)間尺度上，首先對(duì)年均值做校準(zhǔn)，再擴(kuò)展至月、日；在空間尺度上，從流域上游測(cè)站開(kāi)始校準(zhǔn)，向下游逐步展開(kāi)，當(dāng)校準(zhǔn)下游測(cè)站時(shí)，將不再修改已經(jīng)校準(zhǔn)好的上游測(cè)站集水區(qū)域的相關(guān)參數(shù)。在模擬方法上，地表產(chǎn)流計(jì)算選用SCS曲線法，蒸散發(fā)計(jì)算采用Penman-Monteith法，河道匯流采用馬斯京根法。

2.1 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)運(yùn)行SWAT敏感性分析模塊，得到對(duì)研究區(qū)徑流過(guò)程最為敏感的11個(gè)參數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表1。表1所示的參數(shù)排序及敏感值是基于對(duì)洮南站日徑流過(guò)程模擬得出的，其它站點(diǎn)的敏感性分析選出的最為敏感的參數(shù)與此有所不同，在此不做贅述。

表1 洮南站日徑流模擬參數(shù)敏感性分析結(jié)果

2.2 模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證結(jié)果

通常采用Nash-suttcliffe系數(shù)ENS與相對(duì)誤差RE來(lái)評(píng)價(jià)模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合度[2]，ENS與RE的計(jì)算表達(dá)式分別為：

式中：Qmi為實(shí)測(cè)值，m3/s；Qsi為模擬值，m3/s為實(shí)測(cè)值平均值，m3/s；n為樣本數(shù)。當(dāng)ENS=l時(shí)，表示模擬值與實(shí)測(cè)值完全一致。通常ENS在0～1之間，ENS越大，計(jì)算值與觀測(cè)值匹配程度越好。若ENS為負(fù)值，說(shuō)明模型模擬平均值比直接使用實(shí)測(cè)平均值的可信度更低。一般情況下，對(duì)大流域、長(zhǎng)時(shí)間的模擬，當(dāng)ENS＞0.50且RE＜20%時(shí)，模擬結(jié)果是可以接受的[2]。文中將根據(jù)式（1）、式（2）建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及分時(shí)段評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)是指對(duì)模擬時(shí)間內(nèi)所有樣本統(tǒng)一進(jìn)行評(píng)價(jià)，它反映了長(zhǎng)時(shí)間模擬結(jié)果的整體水平。目前，針對(duì)SWAT的研究基本采用該評(píng)價(jià)方法。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，各水文測(cè)站各模擬期內(nèi)徑流模擬的ENS系數(shù)及平均相對(duì)誤差RE見(jiàn)表2，月模擬的ENS系數(shù)均在0.85以上，日模擬的結(jié)果雖然稍差，但ENS系數(shù)也多在0.70以上；相對(duì)誤差除大石寨與洮南站驗(yàn)證期大于10%以外，其他均小于5%。據(jù)此判斷，模型模擬效果較好，篇幅所限，文中僅給出下游洮南水文站的月徑流模擬曲線，見(jiàn)圖1、圖2所示。

表2 各水文站模型校準(zhǔn)期及驗(yàn)證期徑流模擬綜合評(píng)價(jià)表

2）分時(shí)段評(píng)價(jià)

分時(shí)段評(píng)價(jià)定義為：根據(jù)研究需要，將一個(gè)模擬期分成若干個(gè)時(shí)段對(duì)模擬結(jié)果分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文將1年作為一個(gè)時(shí)段，即式（1）、（2）中的n取值為一個(gè)年度內(nèi)的樣本數(shù)。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)在模擬期各年度洪水量級(jí)相當(dāng)時(shí)，是比較有效的，但當(dāng)洪水量級(jí)相差懸殊時(shí)，往往會(huì)“以偏概全”，過(guò)高地估計(jì)了模型的性能。由表2、表3可知，驗(yàn)證期的ENS系數(shù)均高于相應(yīng)校準(zhǔn)期，這是因?yàn)?998年洪水量級(jí)遠(yuǎn)大于模擬期其他年份，只要對(duì)1998年洪水過(guò)程進(jìn)行了較好的模擬，ENS系數(shù)就會(huì)很高，但這并不能說(shuō)明模型在其他年份的模擬效果也較好，利用分時(shí)段評(píng)價(jià)指標(biāo)可以揭露這一事實(shí)。由表3可知，對(duì)豐水年1994，1998，1999年模型模擬效果均相當(dāng)好，平水年1995，1996年的模擬效果次之，枯水年1997，2000，2001年的模擬結(jié)果較差，大多達(dá)不到精度要求。分析其原因主要有：一是在枯水年，校準(zhǔn)測(cè)站的徑流量太小甚至出現(xiàn)斷流；二是由于模擬范圍較大，各年份水利用情況難以準(zhǔn)確掌握，其影響在徑流量本不大的枯水年顯得格外敏感。這也是SWAT模型及其他水文模型在干旱或半干旱地區(qū)應(yīng)用的困難所在?？紤]研究區(qū)實(shí)際情況，整體模擬結(jié)果還是令人滿(mǎn)意的。

表3 各水文站月徑流模擬分時(shí)段評(píng)價(jià)表

3 結(jié)語(yǔ)

1）在SWAT灌溉模塊中，引進(jìn)了多水源灌溉模塊，并對(duì)水田灌溉模塊進(jìn)行了改進(jìn)，使農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程更接近實(shí)際。

2）一般常用的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可能會(huì)過(guò)高地估計(jì)模型性能，分時(shí)段評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，SWAT模型對(duì)豐水年的模擬效果相當(dāng)好，平水年的模擬效果次之，枯水期的模擬結(jié)果不太理想，但考慮研究區(qū)的實(shí)際情況，整體模擬結(jié)果還是令人滿(mǎn)意的。

3）SWAT模型在干旱或半干旱地區(qū)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量選擇豐水或平水期進(jìn)行模型率定，枯水年特別是連續(xù)枯水年的模擬結(jié)果應(yīng)慎重采納。

［1］張艷紅.洮兒河沿岸地區(qū)水利工程建設(shè)的生態(tài)水文影響初探［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20(4)：133—137.

［2］徐宗學(xué)，等.水文模型［M］.北京:科學(xué)出版社，2009：378—384.

［3］龐靖鵬.非點(diǎn)源污染分布式模擬—以密云水庫(kù)水源地保護(hù)為例［D］.北京：北京師范大學(xué)，2007.

［4］代俊峰，崔遠(yuǎn)來(lái).基于SWAT的灌區(qū)分布式水文模型［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40（2）：145—152.

Application of SWAT model in surface runoff simulation of Taoerhe river

LI Cheng-zhen,CHEN Xiao-xia,KONG Qing-hui,FU Peng,DING Yuan-fang

The paper modifies the irrigation module of SWAT model.Based on the modification,the paper establishes the hydrological cycle model of Taoerhe basin,calibrates parameters with measured runoff data,and evaluates the simulation results separately with comprehensive evaluation index and divided period evaluation index.The results show that the simulation effect of SWAT model is better in wet year and good in normal year,but is bad in low water year.The whole result is satisfied considering with actual conditions.

SWAT model;irrigation module;Taoerhe river basin;comprehensive evaluation index;divided period evaluation index

TV121+.2；TV139.16

A

1002－0624（2012）06－0035－03

國(guó)家公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（200901037）

2011-12-07