改進(jìn)的SWAT模型在遼寧中部地區(qū)洪水模擬中的運(yùn)用研究

王　東

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

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改進(jìn)的SWAT模型在遼寧中部地區(qū)洪水模擬中的運(yùn)用研究

王東

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

摘要：本文引入對融雪徑流模塊進(jìn)行改進(jìn)的SWAT模型，以遼寧中部地區(qū)湯河西支為例，結(jié)合研究流域內(nèi)實(shí)測2000—2010年水文數(shù)據(jù)，對比分析模型改進(jìn)前后水文模擬精度，此外，運(yùn)用改進(jìn)后的SWAT模型實(shí)現(xiàn)了流域水量空間模擬。研究結(jié)果表明：改進(jìn)后的SWAT模型由于考慮遼寧中部區(qū)域融雪徑流特點(diǎn)，在湯河西支流域水文模擬精度較高，改進(jìn)后的SWAT模型模擬的徑流和實(shí)測徑流之間的相對誤差相比于改進(jìn)前均值減少3.68%，流量過程的擬合系數(shù)提高近0.17。研究流域徑流呈現(xiàn)北大南小分布和降水分布一致，降水量空間分布決定區(qū)域水資源空間分布，降水較大區(qū)域，徑流深相對較大，反之，徑流深較小。研究成果可以為遼寧中部區(qū)域水文模擬提供參考。

關(guān)鍵詞：MSWAT模型；徑流模擬；擬合系數(shù)；降水量；湯河西支流域

遼寧地區(qū)寒冷期時間較長，流域冬季積雪較多，在春節(jié)積雪開始融化形成融雪徑流，在遼寧大多數(shù)流域，融雪徑流量占全年徑流量的比例較大，因此在對這些區(qū)域進(jìn)行水文模擬時，融雪徑流模擬至關(guān)重要。SWAT模型能夠考慮流域下墊面對產(chǎn)匯流的影響，并可實(shí)現(xiàn)流域的分布式水文模擬，如今在國內(nèi)運(yùn)用較為廣泛[1-4]，但是該模型在融雪徑流模擬中具有局限性，有多篇參考文獻(xiàn)[5-8]表明SWAT模型在融雪徑流模擬中存在不足，該模型未考慮流域高程變化及退水對融雪徑流的影響，因此在融雪徑流模擬中存在一定的局限性，特別是在遼寧地區(qū)，融雪徑流模擬精度高低很大程度上決定區(qū)域水文模擬精度的高低。為此在運(yùn)用SWAT模型進(jìn)行流域水文模擬時，應(yīng)對模型的融雪徑流模塊進(jìn)行改進(jìn)。王威在2015年針對遼寧地區(qū)融雪徑流的特點(diǎn)，對SWAT模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在湯河流域進(jìn)行了運(yùn)用，研究結(jié)果表明改進(jìn)后的SWAT模型相比于改進(jìn)前，對湯河流域融雪徑流模擬精度均有較大程度的改進(jìn)和提高。但是改進(jìn)后的模型只在遼寧西部區(qū)域進(jìn)行相關(guān)運(yùn)用，還未在遼寧中部區(qū)域運(yùn)用過，而西部和中部區(qū)域產(chǎn)匯流和氣候特點(diǎn)不一致，改進(jìn)后的SWAT模型在遼寧中部地區(qū)的適用性還需要分析。為此，本文引入改進(jìn)后的SWAT模型，以遼寧中部地區(qū)湯河西支流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，定量分析了改進(jìn)后的SWAT模型在遼寧中部地區(qū)的適用性，研究成果為遼寧中部地區(qū)的水文模擬提供重要的參考依據(jù)。

1改進(jìn)后的SWAT模型原理

改進(jìn)后的SWAT模型主要是對傳統(tǒng)SWAT模型的融雪徑流模塊進(jìn)行改進(jìn)，引入SRM融雪徑流模型對SWAT模型的融雪徑流模塊進(jìn)行改進(jìn)，SRM模型計(jì)算公式為

(1)

式中：Q均為每天的融雪徑流量，m3/s;CS和CR分別為方程中每天的融雪徑流系數(shù)和每天的降水產(chǎn)生的徑流系數(shù)；a為融雪徑流方程中的融雪度日因子，cm/(℃·d)，a的物理意義為每天融雪度日因子所能消耗的融雪深度；T為融雪度日因子數(shù)，℃/d，ΔT的物理意義則表示的為不同高程下溫度垂減率下溫度修正值；S為積雪覆蓋和整個流域面積的比；P為流域內(nèi)的降水量，cm；A為流域集水面積，km2；k為流域退水系數(shù)；n為計(jì)算時段數(shù)。

2實(shí)例分析

2.1區(qū)域概況

湯河西支為湯河左岸一級支流，發(fā)源于遼寧省遼陽縣吉洞峪滿族鄉(xiāng)禮備溝村，流經(jīng)遼陽縣、遼陽市弓長嶺區(qū)，在遼陽弓長嶺區(qū)湯河鎮(zhèn)柳河湯村注入湯河。流域面積562 km2，河流長度59 km，河流平均比降2.93‰，多年平均年降水量756.5 mm，多年平均年徑流深214.7 mm，流域平均寬度為9.6 km，河道彎曲系數(shù)為1.3，河流形狀系數(shù)為0.16，河網(wǎng)密度為0.4。

2.2研究資料準(zhǔn)備

SWAT需要輸入的數(shù)據(jù)：①流域數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載于中科院地理研究所提供的數(shù)據(jù)共享平臺上全國1 km×1 km的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界獲得研究區(qū)域的數(shù)字高程數(shù)據(jù),SWAT模型在數(shù)字高程的基礎(chǔ)上，將整個流域離散成獨(dú)立的計(jì)算單元，數(shù)字高程信息數(shù)據(jù)的下載源可見文獻(xiàn)[9]；②土壤類型信息數(shù)據(jù)，收集流域內(nèi)1∶4 000 000土壤類型數(shù)據(jù)，并建立流域土壤信息數(shù)據(jù)庫;③土地利用/覆被數(shù)據(jù)是分布式水文模型計(jì)算流域蒸散發(fā)和植物截留計(jì)算的關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，中科院地理所在數(shù)據(jù)共享平臺上提供了全國分辨率為1 km×1 km的土地利用/覆被數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)下載源見文獻(xiàn)[10]，結(jié)合流域邊界運(yùn)用相關(guān)軟件提取研究流域的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，對于SWAT模型而言，還應(yīng)該對數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，以滿足SWAT模型的數(shù)據(jù)格式要求，具體分類方法可詳見文獻(xiàn)[11]；④水文數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)主要為降水?dāng)?shù)據(jù)、流量以及含沙量數(shù)據(jù)，收集了流域內(nèi)郝家店水文站2000—2010年流量、含沙量數(shù)據(jù)，主要用來進(jìn)行模型的精度分析，并收集流域內(nèi)4個降雨站點(diǎn)2000—2010年降水?dāng)?shù)據(jù)；⑤氣象數(shù)據(jù)：收集流域內(nèi)遼陽氣象站2000—2010年氣象要素?cái)?shù)據(jù)，氣象要素?cái)?shù)據(jù)主要用來計(jì)算流域的潛在蒸散發(fā)。

2.3計(jì)算結(jié)果對比分析

為分析改進(jìn)后的SWAT模型對流域模擬精度的改進(jìn)，結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)水文站2000—2010年實(shí)測水文數(shù)據(jù)，對比改進(jìn)前和改進(jìn)后的SWAT模型模擬的相對誤差和流量過程的擬合系數(shù)，對比分析結(jié)果見表1。

表1　改進(jìn)后的SWAT模型和傳統(tǒng)SWAT模型模擬對比結(jié)果

圖1　模擬流量和實(shí)測流量過程對比

表1為改進(jìn)前后的SWAT模型在湯河西支流域水文模擬精度的對比分析，從表中可以看出，改進(jìn)后的SWAT模型模擬的徑流深和實(shí)測的徑流之間各年份的相對誤差在3.10%~5.39%之間，徑流深的相對誤差均值為4.14%，而未改進(jìn)后的SWAT模型在湯河西支流域2000—2010年模擬的各年份徑流深和實(shí)測徑流深之間的相對誤差在4.48%~9.86%之間，模擬的各年份相對誤差的均值為7.82%，相比于傳統(tǒng)的SWAT模型，改進(jìn)后的SWAT模型將模擬徑流深和實(shí)測徑流深相對誤差的均值縮減3.68%。從模擬的流量過程和實(shí)測的流量過程擬合系數(shù)可以看出，改進(jìn)后的SWAT模型在2000—2010年各年份的流量擬合系數(shù)在0.837~0.892之間，擬合系數(shù)的均值為0.881，而傳統(tǒng)的SWAT模型在同樣的年份其模擬的流量和實(shí)測流量過程的擬合系數(shù)在0.702~0.734之間，擬合系數(shù)的均值為0.712，可見，改進(jìn)后的SWAT模型模擬的流量和實(shí)測流量擬合系數(shù)相比于傳統(tǒng)SWAT模型，擬合系數(shù)提高將近0.17。從圖1不同年份改進(jìn)前后的SWAT模型模擬的流量過程和實(shí)測的流量過程對比圖可以看出，改進(jìn)后的SWAT模型模擬流量過程和實(shí)測流量過程的吻合度明顯好于傳統(tǒng)SWAT模型模擬的流量過程。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)SWAT模型的融雪徑流模塊只考慮溫度對融雪徑流的影響，而未考慮高程帶變化以及退水對融雪徑流的影響，而湯河西支流域春季融雪徑流占據(jù)全年徑流大約40%以上，因此融雪徑流量模擬的好壞直接影響到全年徑流量的模擬，而改進(jìn)后的SWAT模型引入SRM融雪徑流模擬，對傳統(tǒng)SWAT模型的融雪徑流模塊進(jìn)行改進(jìn)，該模型能同時考慮氣溫、高程帶變化以及退水對融雪徑流影響，相比于傳統(tǒng)SWAT模型，融雪徑流模擬效果更好，使得改進(jìn)后的SWAT模型模擬的精度要好于傳統(tǒng)的SWAT模型。

2.4徑流深空間模擬成果

運(yùn)用SWAT模型模擬了湯河西支流域2000—2010年年平均徑流深的空間分布，見圖2。

從圖2中可以看出，流域徑流深空間分布具有一定的不均勻性，這主要是由流域降水空間分布不均勻性決定的，流域降水量較大的區(qū)域，徑流深相對較大，降水量較小的區(qū)域，徑流深相對較小，從圖中可以看出，徑流深在200~260 mm的區(qū)域主要集中在南北區(qū)域，主要是這一區(qū)域年降水量較大。

3結(jié)論

本文引入針對遼寧融雪徑流特點(diǎn)進(jìn)行融雪徑流模塊改進(jìn)的MSWAT模型，以遼寧中部區(qū)域湯河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于區(qū)域內(nèi)的實(shí)測水文數(shù)據(jù)，對比改進(jìn)后的SWAT模型在湯河流域水文模擬的精度，研究取得以下結(jié)論：

改進(jìn)后的SWAT模型能夠考慮高程變化及流域退水對區(qū)域融雪徑流的影響，改變傳統(tǒng)SWAT模型只考慮溫度對融雪徑流影響的缺陷，水文模擬中可使得模擬的徑流深相對誤差和流量過程擬合系數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)均得到大幅度提高和改進(jìn)。

圖2　2000—2010年徑流深空間分布成果

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The use of the improved SWAT model on the flood simulation in the Central Region of the Liaoning Province

WANG Dong

(HydrologyBureauoftheLiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper,the SWAT model which improved the snowmelt runoff model of the traditional SWAT model was used to simulate the runoff in the central region of the Liaoning province,the west Brach of the Tanghe River was selected as the case area.Based on the observed hydrological data during 2000-2010,the simulation accuracy of the improved model and traditional model was compared,and using the improved SWAT model to realize the simulation of basin water quantity.The result shows that:the improved model has higher runoff simulation accuracy than the traditional SWAT model due to considering the characteristics of snowmelt runoff in central Liaoning,compared to the traditional SWAT model,the relative error of between the observed and simulated runoff by the SWAT model was reduced by 3.68%,and the fitting coefficient of the process flow was increased by nearly 0.17.The unbalanced distribution of the runoff was agreement with the distribution of the precipitation,the spatial distribution of rainfall determined the spatial distribution of water resources in the region,a large area of precipitation,the runoff depth is relatively large, on the contrary, less runoff.Research provides a referenceto the hydrological simulation in the central region of the Liaoning province.

Key words：improved SWAT model;runoff simulation;fitting coefficient;rainfall;the west Brach of the Tanghe river

中圖分類號：P331.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)01-0038-05

作者簡介：王東(1983-)，男，工程師，主要從事水利自動化與信息化方面的工作。E-mail:la5983@tom.com