SWAT模型在呼倫湖流域中的應(yīng)用探究

任波

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

SWAT模型在呼倫湖流域中的應(yīng)用探究

任波

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

對呼倫湖流域的流域植被、土壤類型、流域氣象與水文資料總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，運用SWAT模型對呼倫湖流域進行水文過程模擬，通過SWAT模型模擬不同放牧制度下的呼倫湖流域生態(tài)水文過程。研究表明，由于不合理的放牧制度，造成流域水生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重危機，進而影響整個呼倫貝爾草原的生態(tài)環(huán)境。

SWAT模型；生態(tài)環(huán)境；呼倫湖流域

1 引言

水資源是維系生態(tài)平衡、實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要資源。近年來，由于氣候變化和人類活動的影響，導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)、水環(huán)境污染加劇、季節(jié)性缺水等一系列水資源問題。目前，水資源短缺問題日益嚴(yán)重，已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，水資源的可持續(xù)利用成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題。為解決水資源問題，實現(xiàn)水資源的高效利用，選用并構(gòu)建研究區(qū)域的水文模型成為水文水資源研究領(lǐng)域的焦點。

呼倫湖是我國五大淡水湖之一，也是內(nèi)蒙古最大的湖泊，位于呼倫貝爾草原的核心地帶，對整個呼倫貝爾草原的生態(tài)環(huán)境具有巨大影響。近年來，由于不合理的放牧、氣候變化等，呼倫湖流域的生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重影響整個呼倫貝爾草原的生態(tài)環(huán)境。因此，構(gòu)建呼倫湖流域不同放牧制度下的SWAT模型對該流域的生態(tài)環(huán)境保護具有重要作用。

2 SWAT模型

SWAT模型（Soiland Water Assessment Tool）是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）JeffArnold博士開發(fā)的一種分布式水文模型。SWAT模型具有很強的物理基礎(chǔ)，能夠綜合考慮天氣、土壤、地形、植被、土地管理的作用，模擬具有不同土壤類型、不同土地利用方式和不同管理條件下的復(fù)雜大流域，并適用于資料缺乏的地區(qū)。

SWAT模型作為一個長時段的流域分布式水文模型，可以模擬和預(yù)測非點源污染、不同土地利用和覆蓋方式、不同氣候變化下的水文效應(yīng)等水文過程，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

3 呼倫湖流域概況

3.1 流域地理形態(tài)

呼倫湖又稱達賚湖，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾滿洲里市、新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗之間，坐落于呼倫貝爾大草原中部。湖面呈不規(guī)則長方形，湖水面積約2 339 km2，平均水深5.7m。呼倫湖流域地形地貌復(fù)雜多樣，除湖盆外，可劃分為濱湖平原、沖積平原、高平原、河漫灘、沙地和低山丘陵6種類型。該流域植被覆蓋率在70%以上，主要植被類型有草原植被、草甸植被、沙生植被和沼澤植被等，主要土壤類型有栗鈣土、堿土、草甸土、沼澤土和砂土等。

3.2 流域氣象

呼倫湖流域?qū)僦袦匦桶敫珊荡箨懶詺夂?，春季干旱，夏季溫涼短促，秋季降溫急劇且霜凍較早，冬季嚴(yán)寒漫長。年平均降水量約262mm，且大多集中在6—9月，年蒸發(fā)量1 400~1 700mm，年平均風(fēng)速4.0m/s，主要災(zāi)害性天氣有大風(fēng)、雷雨、暴風(fēng)雪等。

3.3 流域水文

呼倫湖屬典型的草原湖泊，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和人類活動的影響，該流域的水資源數(shù)量變得越來越有限。呼倫湖的兩條主要入湖河流為克魯倫河和烏爾遜河。據(jù)調(diào)查，烏爾遜河已基本斷流?？唆攤惡影l(fā)源于蒙古人民共和國肯特山東麓，自西向東于新巴爾虎右旗進入我國，向東南流入呼倫湖，全長1 264 km，我國境內(nèi)約206 km，我國境內(nèi)流域面積3 167 km2（90%的流域面積及產(chǎn)流區(qū)位于蒙古國）。據(jù)達賚站（呼倫湖站）2010—2013年的水文實測數(shù)據(jù)可知，呼倫湖的年平均水位為90.724m。結(jié)合阿拉坦額莫勒水文站2010—2013年的水文實測數(shù)據(jù)，繪制呼倫湖平均流量、徑流量、降水量及水面蒸發(fā)量變化趨勢圖，分別見圖1和圖2。

圖1 年徑流量和年平均流量趨勢圖

圖2 降雨量和蒸發(fā)量趨勢圖

從圖1和圖2可以看出，呼倫湖年徑流量、年平均流量及降雨量呈上升趨勢，而蒸發(fā)量和湖面平均水位呈下降趨勢，水位下降主要是由于入湖水量的不斷減少造成的。年徑流量和年降水量的增加可能是由于2010—2013年呼倫湖流域冬季降雪增加，造成年平均氣溫降低，從而導(dǎo)致蒸發(fā)量降低。

4 SWAT模型在呼倫湖流域中的應(yīng)用

近年來，由于不合理的放牧制度，呼倫湖補給河流水量減少，導(dǎo)致呼倫湖流域水位下降、水面減小、草原植被退化等，使呼倫湖流域正面臨巨大的生態(tài)危機。為解決這些水資源和生態(tài)問題，建立呼倫湖流域不同放牧制度下的SWAT模型十分必要。通過查閱相關(guān)文獻，對比與呼倫湖類似的流域，確定SWAT模型在我國北方草原寒旱區(qū)的適用性和可靠性，同時可以在呼倫湖流域建立SWAT模型。選取代表性的部分草原流域，不同的放牧制度確定為以下3種放牧制度：不放牧，是牧民的休養(yǎng)草場，無牲畜；中度放牧，是牧民家庭承包的劃區(qū)輪牧；重度放牧，是牲畜集中的一些公共草場，是自由放牧區(qū)。這三種放牧制度會通過影響草場牧草來改變土壤的理化性質(zhì)，從而導(dǎo)致降雨徑流的不同。

在SWAT模型建模過程中，需大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如數(shù)字高程模型（DEM）、土地利用類型（Landuse）、土壤空間分布圖（Soil）及氣象水文實測數(shù)據(jù)等。根據(jù)模型需要，對收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行整理。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺90m分辨率原始高程數(shù)據(jù)，在ArcGIS 9.3中對該數(shù)據(jù)進行拼接、投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。SWAT模型中建議土地利用類型不超過10類，通過查閱大量資料，呼倫湖流域的土地利用類型有沼澤地、鹽堿地、草地等7種類型，因此不需要進行土地利用再分類。呼倫湖流域附近有阿拉坦額莫勒、達賚湖、坤都冷、甘珠花4個水文站，除阿拉坦額莫勒水文站外，其他3個水文站均離研究區(qū)較近，綜合考慮選擇阿拉坦額莫勒、坤都冷和甘珠花3個水文站的實測數(shù)據(jù)作為模型模擬依據(jù)。氣象數(shù)據(jù)選擇滿洲里市、新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗3個氣象站的實測數(shù)據(jù)作為模擬依據(jù)。天氣發(fā)生器與土壤數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建采用龐靖鵬給出的方法，為模型的建立奠定了基礎(chǔ)。因此，可建立三種放牧制度下的SWAT模型模擬呼倫湖流域的徑流變化，同時也可建立模型模擬不同土地利用方式和氣候變化下的徑流特征。

通過建立不同放牧制度下呼倫湖流域的SWAT模型，不斷進行參數(shù)率定和模型校準(zhǔn)，最后得到率定期和驗證期的相關(guān)系數(shù)R2和納什系數(shù)Ens均達到0.5以上，確定模型在呼倫湖流域的適用性。模擬結(jié)果表明：在所有模擬的年份中，三種放牧制度下的徑流量均小于日平均降水量的15%。不放牧、中度放牧和重度放牧下的地表徑流分別為中度放牧＜重度放牧＜不放牧，說明不合理的放牧制度會影響地表徑流，進而影響呼倫湖流域的生態(tài)環(huán)境。因此，合理的放牧制度對呼倫湖流域的生態(tài)環(huán)境保護具有重要作用。

5 結(jié)語

SWAT模型以其獨特的功能被廣泛應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域，如水文數(shù)值模擬、徑流模擬研究、非點源污染研究等。呼倫湖作為我國北方寒旱區(qū)典型的草原湖泊，應(yīng)用SWAT模型模擬該流域水文過程，從而構(gòu)建呼倫湖流域適用性分布式水文模型，對該模型在呼倫湖流域開展分布式生態(tài)水文過程模擬具有重要的參考價值。通過對呼倫湖流域基本資料的收集和整理，對長序列水文氣象數(shù)據(jù)的分析，初步確定SWAT模型在呼倫湖流域徑流模擬中的適用性和可靠性，為進一步開展生態(tài)水文過程模擬提供可靠的模型基礎(chǔ)。

P641.69

B

1004-7042（2016）03-0025-02

任波（1981-），男，2008年畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水文學(xué)及水資源專業(yè)，工程師。

2016-01-24；

2016-02-29