SWAT模型國內(nèi)徑流模擬研究進(jìn)展

余昭里 穆秀麗

（江西省九江市水利局 九江 332000 江西省九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院 九江 332000）

SWAT模型國內(nèi)徑流模擬研究進(jìn)展

余昭里 穆秀麗

（江西省九江市水利局 九江 332000 江西省九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院 九江 332000）

隨著SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的發(fā)展與更新，其功能不斷完善，國內(nèi)應(yīng)用該模型進(jìn)行水文模擬的研究也日益增多。在簡述SWAT模型徑流模擬基本原理的基礎(chǔ)上，通過探究國內(nèi)徑流模擬研究的相關(guān)文獻(xiàn)，得出近幾年研究方向，主要包括徑流模擬的適用性研究、模擬結(jié)果影響因素研究、模型參數(shù)敏感性分析與率定研究等三個(gè)方面。最終總結(jié)了該模型在徑流模擬中存在的問題和未來的研究趨勢。

SWAT模型 徑流模擬 影響因素 研究進(jìn)展

1 徑流模擬的基本原理

1.1產(chǎn)流模擬的原理

SWAT模擬的流域水文過程分為水循環(huán)的陸面部分（產(chǎn)流和坡面匯流部分）和水循環(huán)的水面部分（河道匯流部分）。前者控制每個(gè)子流域內(nèi)主河道的水、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的輸入量；后者決定水、泥沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運(yùn)動(dòng)。

模型開始運(yùn)算時(shí)，首先根據(jù)地形將流域劃分為若干子流域，然后根據(jù)土壤、土地利用及地形特征進(jìn)一步將子流域細(xì)分為若干水文響應(yīng)單元（HRU）。HRU是SWAT模型運(yùn)算的最基本單位，通過計(jì)算各個(gè)HRU內(nèi)的徑流量，模型提供徑流曲線數(shù)法（SCS法）Green-Ampt模型用于計(jì)算地表徑流，最后采用變動(dòng)存儲系數(shù)模型或馬斯京根法演算得到流域總徑流量。這些計(jì)算基于降水、地表徑流、蒸散、壤中流、滲透、地下水回流和河道運(yùn)移損失等水平衡過程。

1.2產(chǎn)流模擬所需輸入數(shù)據(jù)

模擬過程需要輸入的數(shù)據(jù)總體分為圖數(shù)據(jù)和表數(shù)據(jù)兩大類，其中圖數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)據(jù)、土地利用/土地覆蓋圖和土壤類型圖。SWAT通常采用將整個(gè)流域離散的方式，首先利用DEM數(shù)據(jù)將研究流域細(xì)分為若干子流域，然后根據(jù)不同的土壤類型和土地利用圖將子流域進(jìn)一步劃分為水文響應(yīng)單元（Hydrological Response Unit HRU）。表數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)（包括最高最低氣溫、日降雨量、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速等）和水文數(shù)據(jù)表格（日流量、月流量等），在產(chǎn)流模擬過程中可不用考慮施肥時(shí)間和數(shù)量等信息。

2 徑流模擬的應(yīng)用研究

徑流模擬在國內(nèi)已取得了一定的研究成果，總結(jié)近幾年相關(guān)文獻(xiàn)可知，國內(nèi)關(guān)于SWAT模型徑流模型方面的研究主要分為三類：（1）不同流域的徑流模擬的適用性研究；（2）不同影響因素對SWAT模型徑流模擬結(jié)果的影響研究，主要包括如下幾個(gè)方面：不同DEM分辨率、不同土地利用/覆被變化、不同子流域劃分方法和氣候變化的水文響應(yīng)研究；（3）模型參數(shù)的率定與驗(yàn)證研究。

2.1不同流域SWAT模型徑流模擬的適用性研究

SWAT的徑流模擬已應(yīng)用于不同國家、不同流域，而徑流模擬結(jié)果的精度和可用性也不盡相同，但總體趨勢表明，SWAT模型在徑流模擬中適用性普遍滿足要求；國內(nèi)研究進(jìn)展主要集中于中小型流域，而模型的開發(fā)者開發(fā)時(shí)主要是基于大、中型流域。目前，國內(nèi)王中根等（2008）在大流域海河流域構(gòu)建SWAT模型，為SWAT在大流域應(yīng)用提供范例；而中型流域研究較多，何磊磊等以我國淮河上游各支流組成的流域?yàn)檠芯繉ο?，發(fā)現(xiàn)在半濕潤地區(qū)SWAT模型能很好地模擬出徑流的年內(nèi)、年際變化；尹竹峰等構(gòu)建了渾河流域分布式水文模型，模擬結(jié)果較好，表明SWAT模型在整個(gè)渾河流域內(nèi)的徑流模擬中具有良好的適用性。已有作者對環(huán)江和漢江流域進(jìn)行了SWAT模擬徑流的研究，結(jié)果表明無論是驗(yàn)證期還是率定期R2和ENS的值均高于評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（ENS＞0.5，R2＞0.6），評價(jià)精度較高?？梢娢覈拇笾行土饔騍WAT模型徑流模擬的適用性較強(qiáng)。而對于我國一些偏小的流域，比如三峽地區(qū)張家沖流域、昆明松華壩流域等的徑流模擬研究結(jié)果表明，在較小流域的徑流模擬中，SWAT模型也發(fā)揮著良好的水文評價(jià)效果。

2.2不同影響因素對SWAT模型徑流模擬結(jié)果的影響研究

不同影響因素對徑流模擬產(chǎn)生的影響結(jié)論不一，影響程度也有所不同。在國內(nèi)，關(guān)于影響因素的分析研究主要有如下幾個(gè)方面：

（1）不同DEM分辨率和不同子流域劃分下的水文響應(yīng)研究：王艷君等以秦淮河流域?yàn)檠芯繉ο?，結(jié)果表明，產(chǎn)流量隨著子流域劃分?jǐn)?shù)的增加幾乎沒有變化，最大相對誤差不超過5%；DEM分辨率的變化對徑流的模擬影響也不大，尤其在DEM格網(wǎng)單元100m時(shí)，各種格網(wǎng)單元模擬結(jié)果的相對偏差最大約為1%。吳軍等認(rèn)為不同分辨率DEM流域地形分析計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取得到的最長河道相差較小，但河道總長、坡度等

相差較大，進(jìn)而影響了分布式水文模型徑流模擬的效率。邱臨靜等對黃土丘陵溝壑區(qū)杏子河流域進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DEM柵格分辨率在20～150m之間時(shí)，SWAT能有效地模擬年河川徑流、地表徑流、基流及產(chǎn)沙量，各水文要素模擬結(jié)果的R2和Ens分別在0.93和0.51以上，而當(dāng)柵格分辨率大于150m時(shí)，各水文要素的模擬效果存在差異；而子流域劃分對流域產(chǎn)流模擬影響較小。李曼曼等為了明確洱海流域最佳的子流域劃分方案，得到的結(jié)論為隨著子流域的增加，年均徑流深增加但敏感性較小，相對偏差僅0.89%。同時(shí)胡連伍等也得到類似的結(jié)論，表明不同的子流域劃分層次在閾值范圍內(nèi)對徑流過程的影響較小。綜合上述研究不難看出，DEM分辨率和不同子流域劃分方法對徑流模擬的結(jié)果影響不大，所以模擬結(jié)果對該因素的敏感性不高。

（2）不同土地利用/覆被變化下的水文響應(yīng)研究：陳軍鋒等應(yīng)用SWAT模型模擬了長江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水徑流關(guān)系，得知隨著土地覆被狀況由無植被到全是有林地覆被，徑流深減小，蒸發(fā)量增加，枯季徑流深減小幅度明顯小于雨季的減小幅度，而且雨季初期徑流深減小的幅度大于雨季后期。歐春平等發(fā)現(xiàn)土地利用/覆被變化對SWAT模型水循環(huán)模擬結(jié)果的影響很大。李昱等以遜畢拉河雙河屯測站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū)，定量分析土地利用變化對徑流量的影響，發(fā)現(xiàn)增加耕地面積會(huì)增大總徑流、直接徑流，減小基流；減小林地面積會(huì)增大直接徑流，減小基流；森林涵養(yǎng)水源能力大于耕地。15°以上坡度的耕地退耕還林還草可以增大基流，減小直接徑流，有利于水土保持。羅巧等研究證明增加林地和草地面積將減少徑流而耕地和建設(shè)用地的增加導(dǎo)致徑流的增加。李佳等對長江源土地利用/覆被情景變化對徑流影響研究也表現(xiàn)出類似的結(jié)果。王學(xué)對白馬河流域設(shè)定了四種不同的土地利用/覆被情景計(jì)算流域四種主要的土地利用類型對徑流量的貢獻(xiàn)系數(shù)，得到的有林地、灌木林地和疏林地、居民點(diǎn)及建設(shè)用地的貢獻(xiàn)系數(shù)均為正值，說明三者均有促進(jìn)產(chǎn)流的作用，而有林地對流域產(chǎn)流的貢獻(xiàn)最大；耕地的貢獻(xiàn)系數(shù)為負(fù)，說明耕地具有抑制徑流產(chǎn)生的作用。總體來說，隨著近幾年國內(nèi)關(guān)于土地利用/覆被變化對徑流影響研究的發(fā)展，更加確定該因素對徑流模擬的影響顯著，只是在不同的流域影響方式稍有不同，所以這一敏感因素對不同地區(qū)土地利用管理起著不可忽視的作用，研究意義重大。

2.3模型參數(shù)敏感性分析與率定驗(yàn)證

參數(shù)的敏感性分析是SWAT模型至關(guān)重要的一步，直接影響著模型模擬的精度，隨著不同版本的更新，該模塊也在不斷地更新與改進(jìn)。對此，國內(nèi)外已有不少研究者進(jìn)行了研究。尤其是國內(nèi)對該方面的研究在近幾年增加的比較明顯。

相關(guān)文獻(xiàn)顯示國內(nèi)對參數(shù)敏感性分析最常用的方法是LH-OAT敏感性分析法。LH-OAT方法是由Morris于1991年提出的，結(jié)合了LH抽樣法和OAT敏感度分析，同時(shí)兼?zhèn)溥@兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。尹雄銳等發(fā)現(xiàn)部分參數(shù)敏感性存在空間變異性，分析主要原因在于氣候和下墊面的空間異質(zhì)性導(dǎo)致了流域上下游產(chǎn)流模式存在差異；所以即使是同一流域的不同子流域，或干流的不同區(qū)域都有可能得到不一樣的參數(shù)敏感性分析結(jié)果。白薇等證明了在進(jìn)行參數(shù)敏感性分析、參數(shù)率定時(shí)，計(jì)算耗費(fèi)的時(shí)間隨著子流域個(gè)數(shù)的增加而增加；若只對部分子流域進(jìn)行模擬可以有效地加快率定的速率，而且結(jié)果顯示精度較高。還有研究表明，相對于LH-OAT法，SWAT-CUP敏感性分析方法的速度較快，但其精度稍弱。

總體來說，參數(shù)的敏感性分析和率定的精度高低直接影響徑流模擬的精度，它可以減少模型模擬結(jié)果的不確定性。但無論運(yùn)用何種方法進(jìn)行分析，結(jié)果都會(huì)存在一定的差異。特別是在不同下墊面等外因的作用下，差異都較為明顯，因此，該方面有待進(jìn)一步的研究。

3 問題探討

盡管SWAT模型在不斷的更新與改進(jìn)，但仍存在一些實(shí)質(zhì)性問題有待解決與提高。其突出不足之處包括以下幾個(gè)方面：

（1）徑流模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，難以收集整理。SWAT模型模擬徑流所需數(shù)據(jù)涉及氣象、水文、土壤分布、土地利用等多個(gè)方面，為了更好地滿足模擬精度要求，所涉及的數(shù)量也日益增多，建立模型的數(shù)據(jù)庫工作量也日益增大。正因如此，這些數(shù)據(jù)往往不全，由于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建不完善會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果不理想，不同地區(qū)的資料全面程度也各有不同，許多地區(qū)資料匱乏甚至無資料，導(dǎo)致徑流模擬研究無法進(jìn)行，這一現(xiàn)象在國內(nèi)尤為突出。并且由于該模型是由美國研發(fā)的，很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化為美國制才能使用，其轉(zhuǎn)化過程增加了模擬的難度，同時(shí)對精度也有一定的影響。加強(qiáng)對無資料地區(qū)進(jìn)行徑流模擬研究，已成為一個(gè)重要研究趨勢。

（2）徑流模擬的不確定性。物理系統(tǒng)接受實(shí)際的數(shù)據(jù)，并對這些實(shí)際的輸入作出反應(yīng)，然而這種反應(yīng)本身就包含不確定性。由于氣象數(shù)據(jù)，包括降雨、溫度、蒸發(fā)等監(jiān)測數(shù)據(jù)，還有土壤的物理屬性等數(shù)據(jù)都存在一定的時(shí)空差異性，這些輸入數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和系統(tǒng)誤差是導(dǎo)致模型不確定性的主要因素之一。同時(shí)，通常用來與模擬結(jié)果作比較的徑流量和地下水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)，也存在很大的隨機(jī)和系統(tǒng)誤差。最后參數(shù)值的不確定性大，存在非最優(yōu)參數(shù)值所導(dǎo)致的誤差；這些不確定性因素都是模擬結(jié)果精度誤差的主要來源。如何進(jìn)一步提高模型精確度仍然是研究的熱點(diǎn)。

（3）考慮徑流模擬影響因素比較局限。主要只包括氣候變化和土地利用/覆被變化（LUCC）等方面，結(jié)合考慮水利工程比如水庫以及城市化對水文的影響還很少。大部分研究都是基于自然下墊面狀況進(jìn)行模擬，而在SWAT模型中加入城市模塊研究較少，在國內(nèi)幾乎為空白，鑒于這些影響因素對水文循環(huán)產(chǎn)生著重要影響，該方面的研究將是一個(gè)明顯的趨勢■