SWAT模型中集水面積閾值對(duì)徑流模擬的影響

趙俊鵬，趙 來(lái)，徐德榮

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239012)

SWAT模型中集水面積閾值對(duì)徑流模擬的影響

趙俊鵬，趙 來(lái)，徐德榮

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239012)

選擇滁河汊河集水文站上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，應(yīng)用適度指數(shù)法獲取最優(yōu)集水面積閾值，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定閾值序列。應(yīng)用SWAT分布式水文模型，進(jìn)行不同集水面積閾值條件下的流域徑流模擬，進(jìn)一步分析集水面積閾值對(duì)流域徑流模擬結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明:適度指數(shù)法能夠滿(mǎn)足徑流模擬中集水面積閾值的確定；徑流量對(duì)集水面積閾值的變化不敏感，最大相對(duì)偏差不超過(guò)6%，但仍存在適用范圍的上下限。

集水面積閾值；SWAT模型；徑流；流域

目前，SWAT分布式水文模型在流域水文、生態(tài)和環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,模型變量和參數(shù)具有很大的隨機(jī)性和時(shí)空變異性，且這些變量和參數(shù)的變化會(huì)造成模擬結(jié)果較大的差異[1]。其中，集水面積閾值這一參數(shù)直接決定了流域內(nèi)子流域的分割、河網(wǎng)的疏密及水文響應(yīng)單元的生成。由于模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精度很大程度上取決于輸入的空間變量對(duì)流域相關(guān)特征的描述，因此，有學(xué)者認(rèn)為集水面積的取值對(duì)模擬結(jié)果的影響大于參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)結(jié)果的影響[2]。但是，很多SWAT 模型使用者通常仍采用默認(rèn)的集水面積閾值來(lái)劃分子流域，并沒(méi)有考慮不同閾值對(duì)模擬結(jié)果的影響。因此，基于集水面積閾值對(duì)水文模擬結(jié)果的不確定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)的研究[3-7]。不過(guò)，這些研究中多采用依靠經(jīng)驗(yàn)選取的集水面積閾值序列，缺失了在集水面積最優(yōu)閾值的初步選取過(guò)程，并未解決在水文模擬中如何選取閾值這一問(wèn)題。針對(duì)集水面積閾值的選取以及這些閾值對(duì)基于SWAT模型模擬徑流結(jié)果的響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇滁河汊河集水文站(118°35′E、32°12′N(xiāo))上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，該區(qū)地處安徽滁州境內(nèi)(見(jiàn)圖1)，其地勢(shì)北高南低，源頭為江淮分水嶺南緣，流經(jīng)丘陵地帶，主要有清流河、來(lái)安新河兩條支流，流域總面積為1 952.4 km2。汊河集水文站是滁河干流重要控制站，地處滁州市來(lái)安縣汊河集鎮(zhèn)，國(guó)家重要水文站，設(shè)站目的為研究滁河產(chǎn)匯流規(guī)律，為滁河防汛、治理及汊河集閘運(yùn)行管理提供服務(wù)[8]。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

模型運(yùn)行所需的輸入數(shù)據(jù)包括氣象、地形、河道、土地利用和土壤數(shù)據(jù)等。降雨的逐日實(shí)測(cè)資料、逐日最高及最低氣溫等氣象資料為流域內(nèi)及周邊6個(gè)氣象站點(diǎn)2009—2012年的實(shí)測(cè)資料,氣象水文數(shù)據(jù)的觀測(cè)站分布見(jiàn)圖1。太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)及各觀測(cè)站點(diǎn)所缺的歷史資料通過(guò)模型自帶的天氣發(fā)生器模擬獲得。地形數(shù)據(jù)為國(guó)家1∶5萬(wàn)地形圖數(shù)字化生成的格網(wǎng)大小為25 m的DEM數(shù)據(jù)，在應(yīng)用前進(jìn)行了洼地填充處理。河道矢量數(shù)據(jù)基于2009年TM數(shù)據(jù)解譯并參照研究區(qū)水文圖制作而成，河道數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)，一方面，其可以更好地生成與實(shí)際較符合的河網(wǎng)水系，尤其在河流下游的平坦區(qū)域；另一方面，在集水面積閾值選擇過(guò)程中其作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一參與確定。土地利用數(shù)據(jù)由2009—2012年TM遙感影像的解譯獲得，將土地利用類(lèi)型合并為6 種土地利用類(lèi)型: 耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地以及未利用地。土壤數(shù)據(jù)由1∶100萬(wàn)的安徽省土壤圖數(shù)字化得到。

1.3 集水面積閾值序列的選擇

集水面積是指流入某網(wǎng)格單元的水流流經(jīng)區(qū)域的面積之和。只有某格網(wǎng)單元上游集水面積達(dá)到某一個(gè)閾值，才能形成河網(wǎng)。隨著集水面積閾值的變化，提取的水文特征也有很大差異。在本研究中集水面積閾值序列數(shù)值的選擇要具有代表性，因此，先通過(guò)集水面積閾值確定的方法確定最優(yōu)閾值，再在該閾值基礎(chǔ)上進(jìn)行增和減的操作，獲取最終的閾值序列?，F(xiàn)行的流域分割中集水面積閾值確定的常用方法主要有恒定閾值法和適度指數(shù)法。恒定閾值法即依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或與精確的水系圖反復(fù)比對(duì)而獲得閾值，這種人工確定的閾值具有很大的不確定性[9]。采用適度指數(shù)法[10]，即通過(guò)計(jì)算流域水系流向起點(diǎn)的觀測(cè)值和計(jì)算值之間的長(zhǎng)度誤差來(lái)設(shè)置合理的閾值。適度指數(shù)法是近年來(lái)針對(duì)確定合理的集水面積閾值而提出的一種新方法，在該方法確定閾值的基礎(chǔ)上獲得的水系與藍(lán)線河網(wǎng)(從地圖數(shù)字化得到的河網(wǎng))擬合程度好[11]。適度指數(shù)法的公式為

(1)

式中:Li為不足的水流長(zhǎng)度，Lr為多余的水流長(zhǎng)度，LT為河流水系總長(zhǎng)度，s為多余或不足的水流長(zhǎng)度的河段，n為多余或不足的水流長(zhǎng)度的河段總數(shù)。當(dāng)F值最小時(shí)，認(rèn)為其對(duì)應(yīng)的流域閾值最合理。

藍(lán)線河網(wǎng)數(shù)據(jù)基于2009年TM數(shù)據(jù)解譯并參照研究區(qū)水文圖制作而成為本研究尺度下該研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)的真實(shí)表達(dá)。根據(jù)適度指數(shù)法，通過(guò)對(duì)比和計(jì)算不同的閾值基礎(chǔ)上獲取的河網(wǎng)和藍(lán)線河網(wǎng)之間的差異表明，本研究區(qū)所用25 m格網(wǎng)大小DEM劃分子流域集水面積閾值設(shè)置為12 km2較適宜，將該閾值提取的河網(wǎng)與該研究區(qū)域的尺度水平下獲取的數(shù)字水系圖進(jìn)行疊加分析基本吻合，以此閾值為基準(zhǔn)，依照實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將集水面積閾值向河網(wǎng)概化和河網(wǎng)細(xì)部表達(dá)兩個(gè)方向進(jìn)行適度變換，確定集水面積閾值序列：1，2，4，8，12，20，40，60，80，100，150，200。

1.4 參數(shù)確定與模型模擬

選用ArcSWAT 2.1.4版本，其對(duì)產(chǎn)流的模擬采用徑流曲線數(shù)法(SCS-CN)[12]。建模時(shí)，首先導(dǎo)入DEM數(shù)據(jù)，輸入選定的集水面積最優(yōu)閾值，并添加汊河集水文站為流域出口，由此實(shí)現(xiàn)流域的分割，獲取到子流域；通過(guò)土地利用類(lèi)型面積閾值為10%和土壤類(lèi)型面積閾值為20%來(lái)確定水文響應(yīng)單元( HRU)的數(shù)量；最后輸入氣象數(shù)據(jù)文件進(jìn)行模擬。以2009—2010年滁河汊河集水文站的日徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析；并且應(yīng)用2011—2012年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)解確定。模型達(dá)到滿(mǎn)意后，依次輸入不同的集水面積閾值重復(fù)以上模型運(yùn)行過(guò)程，得到序列徑流模擬結(jié)果，應(yīng)用相對(duì)偏差表示序列集水面積閾值下所引起的模擬結(jié)果的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域特征

在不同的集水面積閾值下對(duì)研究區(qū)進(jìn)行子流域劃分時(shí),得到不同的子流域劃分結(jié)果,如圖2所示；將土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型的面積閾值分別設(shè)為10%和20%，產(chǎn)生系列水文響應(yīng)單元( HRU)的數(shù)量，不同集水面積閾值劃分的特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖2 不同集水面積閾值下提取的河網(wǎng)

表1 不同集水面積閾值劃分的流域特征參數(shù)

2.2 徑流

在不同集水面積閾值進(jìn)行的流域劃分的基礎(chǔ)上，保持其它參數(shù)以模型默認(rèn)值不變，模擬流域出口滁河汊河集水文站2009—2012年多年平均徑流量，應(yīng)用相對(duì)偏差表示序列集水面積閾值下所引起的模擬結(jié)果的變化，其計(jì)算式為

RE=(Vi-Vs)/Vs×100%.

(2)

式中：Vi為不同的子流域劃分所模擬得到的徑流量；Vs為以最優(yōu)集水區(qū)面積閾值12模擬得到的徑流值。

不同集水面積閾值下模擬得出的年均徑流量變化見(jiàn)表2。由表2可知：隨集水面積閾值的增加，模擬徑流值整體呈增加趨勢(shì)，集水面積閾值分別為1、2、150、200時(shí)，模擬結(jié)果相對(duì)誤差較大，分別為4.05%、2.70%、-4.78%、-5.65%；當(dāng)集水面積閾值為4時(shí)，徑流量增幅較大，在4～80的區(qū)間內(nèi)時(shí)，徑流量模擬值有波動(dòng)，但總體穩(wěn)定；當(dāng)達(dá)到和超過(guò)100時(shí)，徑流量呈下降趨勢(shì)。在集水面積閾值較小時(shí)，子流域分割數(shù)量的增加，產(chǎn)生了較多不合理的子流域和偽河網(wǎng)，出現(xiàn)與實(shí)際水文過(guò)程情況不符的虛假模擬。不同集水面積閾值下得出的子流域劃分結(jié)果改變了徑流曲線數(shù)CN值的空間集總程度[6]，因而隨集水面積閾值增大和減少向兩端變化時(shí)，模擬的徑流量的變化波動(dòng)也隨之增加這一結(jié)論得到了驗(yàn)證。

表2 不同集水面積閾值劃分的徑流模擬結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

以滁河汊河集水文站上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，應(yīng)用SWAT 模型在不同的集水面積閾值條件下，進(jìn)行了流域徑流的模擬與分析，得到如下結(jié)論：

1)在不同集水面積閾值條件下其模擬結(jié)果存在閾值適用范圍的上下限，當(dāng)閾值在4～100 km2之間時(shí)，均可達(dá)到滿(mǎn)意的模擬效果，且模擬結(jié)果基本保持不變，但當(dāng)閾值過(guò)小或過(guò)大，模型會(huì)過(guò)高估計(jì)或過(guò)低估計(jì)徑流量。

2)從集水面積閾值序列的模擬結(jié)果可以得出，預(yù)先選取的最優(yōu)閾值處于模擬結(jié)果較穩(wěn)定的數(shù)值區(qū)間之內(nèi)，通過(guò)適度指數(shù)法預(yù)先確定集水面積最優(yōu)閾值，有助于合理地實(shí)現(xiàn)區(qū)域徑流的模擬。

3)本研究區(qū)域?qū)俚蜕胶推鸱淮蟮奈⑶饏^(qū)域，集水面積閾值的合理適用區(qū)間是否具有區(qū)域性，是否隨著地形的差異而出現(xiàn)較大的變化，仍需要進(jìn)一步研究。

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Influence of different catchment area threshold on SWAT runoff simulation

ZHAO Jun-peng,ZHAO Lai,XU De-rong

(College of Geographic Information and Tourism,Chuzhou University,Chuzhou 239012,China)

It takes the area which is within upper watershed of Chaheji hydrological network in Chuzhou as the study area.The fitness index methods are used for the optimal catchment area threshold.A threshold sequence is set up based on the optimal threshold.By using SWAT distributed hydrological model,the runoff of the study area is simulated under different catchment area threshold.The results show that the fitness index methods can satisfy the calibration of the catchment area threshold for runoff simulated.The runoff yield hardly changes with the variation of catchment area threshold,with the maximal relative deviation less than 6%,but the threshold should be within the scope of application.

drainage area threshold; SWAT model; runoff; watershed

2013-12-07

滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201210377013)；滁州學(xué)院科研資助項(xiàng)目(2010kj024B)

趙俊鵬(1992-)，男，本科生，研究方向：地理信息系統(tǒng).

F291.1

A

1671-4679(2014)03-0010-05

郝麗英]