基于SWAT模型的水文模擬參數(shù)區(qū)域差異研究

劉 倩

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

基于SWAT模型的水文模擬參數(shù)區(qū)域差異研究

劉 倩

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

基于SWAT模型對區(qū)域水文參數(shù)值及參數(shù)敏感區(qū)域差異進(jìn)行研究，有利于減少水文過程模擬的不確定性，從而提高SWAT模型在不同區(qū)域水文過程參數(shù)區(qū)域差異模擬中的應(yīng)用水平?；诖耍恼轮饕槍WAT模型，對該研究區(qū)流域進(jìn)行合理劃分，采用定性分析法對該研究區(qū)水文過程參數(shù)差異及空間分布敏感性和相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，土壤可利用量及徑流曲線系數(shù)和研究區(qū)地表水文過程，在各個不同區(qū)域都較為敏感。在此研究過程中發(fā)現(xiàn)，由于研究區(qū)植被及土壤和氣候等條件存在差異，因此該流域水文過程模擬的參數(shù)存在一定的區(qū)別。故各地區(qū)在社會實(shí)踐過程中，應(yīng)充分考慮不同氣象因素及地理因素，盡量減少不同氣象因素對人類生產(chǎn)實(shí)踐活動的影響，結(jié)合區(qū)域水文過程模擬差異，因地制宜展開業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

SWAT模型；水文模擬參數(shù)；區(qū)域差異；研究

隨著自然科學(xué)和地質(zhì)科學(xué)不斷發(fā)展進(jìn)步，在對人類社會活動及氣候變化、流域內(nèi)產(chǎn)匯流、水資源時空演變等自然和社會規(guī)律進(jìn)行研究時，通常采用分布式水文模型進(jìn)行分析模擬。由于這一方法具有時空差異性，因此能夠較為準(zhǔn)確反映區(qū)域土壤及地形和降水、蒸發(fā)等因素的空間變化差異對流域水循環(huán)過程產(chǎn)生的影響[1]。但基于DEM的分布式水文模型在區(qū)域水文特征參數(shù)差異分析時，綜合考慮了區(qū)域水文氣象要素的時空變異性及流域下墊面的異質(zhì)性。因此，該模型在分析評估時涉及的參數(shù)較多，建模過程較為復(fù)雜，提高了模型分析的主觀性，同時對參數(shù)驗(yàn)證和率定也造成了影響。針對這一情況，文章基于Soil and Water Assessment Tool模型，對遼寧省某研究區(qū)水文過程及區(qū)域差異性和敏感性進(jìn)行研究，以期通過參數(shù)模擬，找到區(qū)域自然氣象要素時空演變規(guī)律，以此為該地區(qū)社會實(shí)踐活動提供建議和參考。

1 SWAT模型簡介及其相關(guān)應(yīng)用背景

Soil and Water Assessment Tool模型通常簡稱SWAT模型。這一數(shù)值模擬分析法在本質(zhì)上是一種基于DEM分布式水文模型的半分布式水文模型。實(shí)踐研究表明，這一方法能對區(qū)域內(nèi)地下水及地表水的水質(zhì)和水量進(jìn)行分析評估，以此結(jié)合不同土壤類型，對土地管理措施進(jìn)行可行性評估。由于在不同土地管理、利用條件下和不同土地利用方式下，泥沙及農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)、水文等相關(guān)因素會對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大影響[2]。

基于此，文章試圖采用SWAT模型將該研究區(qū)劃分為不同流域，然后選取土壤面積閥值及土地利用情況等指標(biāo)，將流域劃分為若干子水文響應(yīng)單元。在此基礎(chǔ)上，通過概念性模型，對研究區(qū)子流域內(nèi)的泥沙及產(chǎn)流量、污染物的具體產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算分析，最終經(jīng)過匯流演算，對該研究區(qū)水庫和河網(wǎng)的匯流過程進(jìn)行模擬分析，從而計(jì)算出流域內(nèi)污染負(fù)荷及泥沙和斷面流量參數(shù)值?；赟WAT模型的國內(nèi)水文模擬參數(shù)區(qū)域差異研究應(yīng)用情況見圖1：

圖1 基于SWAT模型的國內(nèi)水文模擬參數(shù)區(qū)域差異研究應(yīng)用示意圖

從圖1不同顏色的區(qū)域劃分圖示可知，SWAT模型能夠?qū)θ珖煌瑓^(qū)域內(nèi)的降水過程進(jìn)行模擬，且這一模型在模擬分析中可對水文循環(huán)過程受凍土和融雪的影響程度進(jìn)行評估。因此，在中國北方地區(qū)水文模擬參數(shù)區(qū)域差異研究中得到了廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用實(shí)踐中，基于SWAT模型還可針對區(qū)域淺層地下水資源的綜合利用情況及水文預(yù)報(bào)、氣候條件變化、土地利用變化等進(jìn)行分析。針對這一方法的諸多應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，文章將著重以遼寧某區(qū)為研究區(qū)域，基于SWAT模型對該研究區(qū)水文模擬參數(shù)的區(qū)域差異及區(qū)域敏感性進(jìn)行分析[3]。

2 SWAT模型下水文模擬參數(shù)區(qū)域差異分析

2.1 區(qū)域敏感性分析

通常情況下，流域內(nèi)水文過程受土壤及氣候和植被覆蓋類型、地質(zhì)、地形等多種因素影響，而水熱條件可綜合反映區(qū)域內(nèi)土壤及植被和氣溫以及降水等諸多因素的綜合特征[4]。同時，采用區(qū)域干燥指數(shù)可對研究區(qū)植被覆蓋地段的降水量以及最大蒸發(fā)量等時空變化特征進(jìn)行反映。故文章結(jié)合干燥指數(shù)這一指標(biāo)對該研究區(qū)進(jìn)行合理分區(qū)，以此對模擬參數(shù)的區(qū)域敏感性差異進(jìn)行分析，區(qū)域劃分依據(jù)如下表所示：

表1 基于SWAT模型的區(qū)域劃分依據(jù)

表2 SWAT模型下區(qū)域水文模擬參數(shù)敏感性差異

從表2中不同區(qū)域敏感性分析排序結(jié)果可知，在四大不同研究區(qū)，CN2作為區(qū)域地表水文過程參數(shù)之一，其敏感性都較強(qiáng)。由于這一參數(shù)指標(biāo)能夠?qū)^(qū)域內(nèi)降水前流域特征進(jìn)行準(zhǔn)確反映。因此，該地區(qū)土壤前期濕度及利用方式、土壤具體類型和植被類型等相關(guān)因素都可能對CN2這一指標(biāo)造成影響。通過相關(guān)性分析可知，該研究區(qū)地表徑流對CN2具有一定的敏感性，CN2值越大，意味著當(dāng)?shù)禺a(chǎn)流量就越大；其次，通過上表分析結(jié)果還可得知，SOL_AWC在各個不同研究區(qū)的敏感性也較強(qiáng)，這一參數(shù)主要指土壤的有效持水量，是指土壤從田間持水量降低到植物永久凋萎點(diǎn)所釋放的水分。因此，SOL_AWC參數(shù)值越大，表明該研究區(qū)流域內(nèi)徑流量越小，土壤的蓄水能力就越強(qiáng)[5]。

從影響機(jī)理來看，ESCO可對區(qū)域內(nèi)土壤深度分布狀況進(jìn)行合理調(diào)整。因此，該指標(biāo)系數(shù)越大，土壤深層蒸發(fā)量就越小，產(chǎn)流量就會不斷增大。從該研究區(qū)整體敏感性差異變化情況來看，濕潤區(qū)及干旱區(qū)的地下水敏感性要比半濕潤及半干旱區(qū)強(qiáng)。因此，從這一分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，干旱區(qū)及濕潤區(qū)的地下徑流對該研究區(qū)內(nèi)的總體貢獻(xiàn)率要>半濕潤及干旱區(qū)。由于濕潤區(qū)降雨較為集中，因此土壤植被發(fā)育良好，從而為地下水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源提供了重要條件。對于干旱區(qū)及半干旱區(qū)而言，由于降雨較少，因此地下水資源非常有限，難以為深層地下水提供補(bǔ)給水源。除此之外，干旱區(qū)融雪氣溫及降雪氣溫兩大指標(biāo)對于融雪補(bǔ)給流域具有敏感性。由于高寒區(qū)常年冰雪覆蓋，因此氣溫較低，蒸發(fā)困難，融雪會對地下水徑流量變化產(chǎn)生重要影響[6]。

2.2 區(qū)域差異性分析

在采用SWAT模型對區(qū)域水文過程參數(shù)進(jìn)行模擬時，經(jīng)常會遇到參數(shù)率定這一問題。文章為了準(zhǔn)確、定量描述該研究區(qū)的水文過程，在上述區(qū)域指標(biāo)敏感性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合以上四大不同區(qū)域的下墊面因子[7]，對CN2、ESCO、SOL_AWC以及ALPHA_BF和GW_DELAY這幾大主要指標(biāo)的具體數(shù)值在不同區(qū)域的差異和相關(guān)影響因素進(jìn)行定量分析，具體見表3參數(shù)所示：

表3 基于SWAT模型的區(qū)域差異性性分析

結(jié)合上表2可知，CN2、ESCO、SOL_AWC以及ALPHA_BF和GW_DELAY這幾大主要指標(biāo)的具體數(shù)值，在不同區(qū)域內(nèi)所占比重最大的是GW_DELAY和CN2。由于區(qū)域土地利用類型和水文類型兩大指標(biāo)共同決定CN2值的大小。因此，當(dāng)土地實(shí)際利用類型相同，CN2值越小，表明區(qū)域滲透率越大。文章經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同類型的土地，其實(shí)際降水截留效益存在很大差異，按照從小到大順序進(jìn)行排序，依次為建設(shè)用地<耕地<草地<林地；如果土地利用類型相同，則植被覆蓋率越低，土壤降水截留效益越低，此時CN2值就越大。從上表具體數(shù)據(jù)可以看出，濕潤區(qū)與其它三個區(qū)域相比，CN2值較大，而通過土地利用類型分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刈钪饕耐恋乩妙愋蜑楦?，由于這一類型的土地對地表徑流的截留能力不強(qiáng)，因此導(dǎo)致CN2值較高。

另外，SOL_AWC作為該研究區(qū)土壤有效持水量指標(biāo)，其參數(shù)值的變化受土壤質(zhì)地及有效持水量兩大因素影響。除此之外，其還與流域內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。從上表中的參數(shù)可以看出，該地區(qū)四個不同區(qū)域SOL_AWC較小，土壤持水能力也較弱；而濕潤區(qū)域、半干旱區(qū)的ESCO值普遍較高，說明當(dāng)?shù)亓饔騼?nèi)植被覆蓋率較高，水分蒸發(fā)量較少[8]。

3 結(jié) 語

綜上所述，文章通過采用SWAT模型對遼寧省某區(qū)4個不同類型的地質(zhì)區(qū)域 進(jìn)行分析對比，最終發(fā)現(xiàn)在劃分的4個區(qū)域中，水文過程參數(shù)敏感變化及水文過程數(shù)值變化存在較大差異。其中，在濕潤與半濕潤區(qū)，ESCO這一指標(biāo)對水文過程較為敏感，CN2與區(qū)域內(nèi)土地利用類型、土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地有關(guān)，SOL_AWC取值較低，從中可以發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)植被覆蓋率較高，土壤中的水分蒸發(fā)量較少。因此，結(jié)合這一不同變化差異，在區(qū)域間展開農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐時，應(yīng)因地制宜，針對具體因素指標(biāo)的影響及敏感度合理進(jìn)行功能分區(qū)，展開具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動，充分發(fā)揮不同類型土地的最大利用效率。

[1]王莉,尚佰曉,張爽,等.鐵嶺市水資源對糧食安全的影響及對策淺析[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(06):100-102+122.

[2]袁劍軍.土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應(yīng)用初探[J].水利建設(shè)與管理,2013(02):33-35.

[3]徐飛.沈陽地區(qū)水資源短缺原因分析及對策研究[J].水資源開發(fā)與管理，2015(01)：24-26.

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[5]柴雅麗，霍延昭.朝陽市水資源供需矛盾分析及解決途徑[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2015(03)：44-45.

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[7]黃翠霞.鐵嶺市水資源可持續(xù)利用初探[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2009,29(02):77-80.

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Study on Regional Difference of Hydrological Simulation Parameters based on SWAT Model

LIU Qian

(Jinzhou Hydrology Bureau，Jinzhou 121000，China)

The research of SWAT model on regional hydrological parameters and the sensitivity of parameters based on regional differences helps to reduce the uncertainty of hydrological processes，so as to improve the level of application of SWAT model in different areas of regional differences in parameters in the simulation of hydrological process. Based on this，this paper focuses on the SWAT model，a reasonable division of the basin in the study area，the distribution of sensitivity and related differences in the study area hydrological process parameters and spatial factors were analyzed using the method of qualitative analysis. The results show that the soil available capacity and runoff curve coefficient and surface hydrological process in the study area are sensitive to different regions. In the course of the study，it is found that there are some differences between the vegetation and soil and climate，so there are some differences in the parameters of hydrological process simulation. Therefore，all regions in the process of social practice，should fully consider the different meteorological factors and geographic factors，minimize the impact of different meteorological factors on the production of human practice，combined with the regional hydrological process simulation to show differences，business practice.

SWAT model; hydrological simulation parameters; regional difference；research

1007-7596(2016)12-0008-04

2016-11-22

劉倩(1985-)，女，遼寧錦州人，水利工程師，研究方向?yàn)樗摹⑺Y源、水情預(yù)報(bào)分析等。

P333

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