SWAT模型在典型濕潤流域的應(yīng)用研究

徐蛟 李彬權(quán) 許廣東

SWAT模型在典型濕潤流域的應(yīng)用研究

徐蛟 李彬權(quán) 許廣東

SWAT模型是一個具有很強(qiáng)物理機(jī)制的、連續(xù)的、長時段的分布式流域尺度水文模型。模型能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息，模擬復(fù)雜大流域中多種不同的水文物理過程，包括水、沙、化學(xué)物質(zhì)和殺蟲劑的輸移與轉(zhuǎn)化過程。最小的模擬單位可以是一個子流域或者一個單元格。模型可采用多種方法進(jìn)行流域分割，能夠響應(yīng)降水、蒸發(fā)等氣候因素和下墊面因素的空間變化以及人類活動對流域水文循環(huán)的影響。SWAT模型在國外已經(jīng)得到推廣及應(yīng)用，如美國中西部和西南部地區(qū)以及歐洲和亞洲的許多國家。目前國內(nèi)SWAT模型的應(yīng)用范圍主要包括3個方面：產(chǎn)流/產(chǎn)沙模擬、非點源污染研究及輸入?yún)?shù)對模擬結(jié)果的影響研究。本文將SWAT模型應(yīng)用于福建晉江西溪安溪水文站以上流域，取得較好的模擬效果。

一、模型主要計算方法

SWAT模型模擬的流域水文循環(huán)過程分為兩個部分：陸面水文循環(huán)模塊（產(chǎn)流和坡面匯流部分）和匯流演算模塊（主河道和水庫匯流部分）。前者是由地表、土壤層、地下含水層流向主河道的水量、泥沙量、營養(yǎng)物和農(nóng)藥的水文循環(huán)過程；后者是水、泥沙等物質(zhì)在河網(wǎng)中向流域出口輸移的水文循環(huán)過程。

流域內(nèi)蒸發(fā)量隨植被覆蓋和土壤的不同而變化，可通過水文響應(yīng)單元HRU的劃分來反映這種變化。每個HRU都單獨計算徑流量，然后演算得到流域總徑流量。降水可被植被截留或直接降落到地面。降到地面上的水一部分下滲到土壤；一部分形成地表徑流。地表徑流快速匯入河道，對短期河流響應(yīng)起到很大貢獻(xiàn)。下滲到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸發(fā)掉，或者經(jīng)由地下路徑緩慢流入地表水系統(tǒng)。

SWAT具體計算涉及到：地表徑流、土壤水、地下水以及河道匯流。從模型結(jié)構(gòu)看，SWAT模型在每一個網(wǎng)格單元（或子流域）上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性模型來推求凈雨，再進(jìn)行匯流演算，最后求得出口斷面流量。

二、研究流域概況

以福建省泉州晉江西溪流域安溪水文站以上段為研究流域，安溪流域地處戴云山東南坡，戴云山支脈從漳平縣延伸至安溪境內(nèi)，地勢自西北向東南傾斜。由于地形特點，安溪分為兩大水系，東部屬于晉江水系，西部屬九龍江水系。安溪流域總面積3057.28km2，屬于山區(qū)性河流地區(qū)。降雨期主要集中在每年的4～8月，水位暴漲暴落，洪峰持續(xù)期短，枯水期長。安溪地處南亞熱帶，由于受地勢高低及距海遠(yuǎn)近地影響，東西部氣候截然不同；東部外安溪受南亞熱帶海洋性氣候影響，夏長而炎熱，冬短而無嚴(yán)寒；內(nèi)安溪為中亞熱帶區(qū)，四季分明。

三、應(yīng)用研究

1.模型數(shù)據(jù)庫的建立

流域內(nèi)有9個資料比較齊全的雨量站，1個有資料的水文站，流域出口控制站安溪水文站有蒸發(fā)、流量資料。氣象資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。選取了距離研究區(qū)域最近的九仙山氣象站。氣象資料包括日最高氣溫、日最低氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)。所有水文氣象資料年份為1986～1998年。太陽輻射量的計算參照龐靖鵬等提出的輻射日值估算方法。

采用美國地質(zhì)調(diào)查局USGS NLCD（National Land Cover Data Set）的1km分辨率全球土地覆蓋資料來描述研究區(qū)域的土地覆蓋分布。原數(shù)據(jù)的IGBP編碼與SWAT編碼系統(tǒng)不一致，對于一些無法對應(yīng)的土地利用分類，需要對其進(jìn)行歸類整合，因此將部分相近或相似的土地利用分類歸類為模型中所能識別的代碼（見表1）。

表1　安溪流域土地利用重分類表

土壤資料采用地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺的全國1∶400萬土壤類型分布圖。SWAT模型中水文部分用到的土壤數(shù)據(jù)包括土壤空間分布數(shù)據(jù)和土壤屬性數(shù)據(jù)兩類。土壤空間分布數(shù)據(jù)表示在每一個子流域中不同土壤類型的分布和面積，是通過數(shù)字土壤圖和子流域界線圖的空間疊加來實現(xiàn)的，并且土壤空間分布數(shù)據(jù)是生成HRU的基礎(chǔ)。最終的土壤物理屬性表見表2。

2.模型率定與驗證

圖1　1986年日徑流模擬實測值與模擬值對比圖

圖2　1997年日徑流模擬實測值與模擬值對比圖

表2　安溪流域土壤物理屬性表

（1）參數(shù)率定及敏感性分析

SWAT模型的參數(shù)很多，分析結(jié)果表明，最敏感的參數(shù)為CN2、ESCO、SOL_AWC、SOL_Z、CANMX、GWQMN和SOL_K。本文進(jìn)行參數(shù)率定時采用自動率定與人工調(diào)試相結(jié)合的原則，以確定性系數(shù)和相關(guān)系數(shù)為目標(biāo)準(zhǔn)則，主要調(diào)整敏感參數(shù)的取值。

本文在調(diào)整參數(shù)過程中出現(xiàn)的主要問題為峰值偏大，但其他過程偏小。該問題可能的原因及解決方案為：一是基流偏小，解決方案：①不同土地利用類型的CN值調(diào)??；②減小土壤可供水量AWC；③增加土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO。二是地表徑流偏大，解決方案：①增加深層地下水下滲率RCHRG_DP；②增加最小基流出流閾值GWQMN；③增加土壤再蒸發(fā)系數(shù)GW_REVAP。

（2）結(jié)果分析

對研究區(qū)域進(jìn)行了年模擬、月模擬和日模擬，以1986～1995年的10年作為模擬期，1996～1998年的3年作為驗證期。

①年尺度模擬

通過相關(guān)系數(shù)和確定性系數(shù)兩個指標(biāo)可以看出年模擬的結(jié)果比較好，不需要做過多的參數(shù)分析和調(diào)整。1986～1995年為率定期，相關(guān)系數(shù)R2為0.96，確定性系數(shù)Ens為0.90。1996～1998年為驗證期，相關(guān)系數(shù)R2為0.98，確定性系數(shù)Ens為0.90。

②月尺度模擬

月徑流模擬相對年徑流模擬的精度有所下降，但已經(jīng)達(dá)到模擬的精度要求，所以在月模擬中也沒有做參數(shù)分析和調(diào)整。1986～1995年為率定期，相關(guān)系數(shù)R2為0.83，確定性系數(shù)Ens為0.82。1996～1998年為驗證期，相關(guān)系數(shù)R2為0.91，確定性系數(shù)Ens為0.88。

③日尺度模擬

1986～1995年各年日徑流模擬的相關(guān)系數(shù)和確定性系數(shù)見表3。

表3　率定期模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)和確定性系數(shù)表

表4　驗證期模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)和確定性系數(shù)表

從表3看出，除了1989年和1993年的確定性系數(shù)低于0.7外，其余的都高于0.7。從精度上來講模擬結(jié)果滿足要求。整個模擬序列的線性回歸系數(shù)也較高，除1986年和1989年以外，都達(dá)到了0.85以上，說明SWAT模型擬合的水文過程線與實際的過程線還是比較吻合的。這里給出了1986年徑流實測值與模擬值的對比圖，見圖1。

1996～1998年為驗證期，各年日徑流模擬的相關(guān)系數(shù)和確定性系數(shù)見表4。結(jié)果表明，驗證期模擬效果也滿足精度要求。1997年的模擬實例見圖2。

四、結(jié)論

將SWAT模型應(yīng)用在福建晉江西溪流域，以安溪水文站作為流域出口斷面，將安溪流域劃分為20個子流域和59個水文響應(yīng)單元，采用中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集作為氣象輸入資料，以安溪站逐日實測徑流資料進(jìn)行年、月、日徑流模擬及驗證，用1986～1998年的長序列水文資料來率定和驗證模型在該地區(qū)的適應(yīng)性。從模擬結(jié)果的精度看，SWAT模型的徑流模擬精度符合要求

（作者單位：江蘇省水利工程建設(shè)局210029河海大學(xué)210098江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局223800）