基于SWAT模型的寒旱區(qū)積雪與融雪期徑流模擬應(yīng)用研究
——以錫林河流域上游為例

段超宇，司建寧

(1.寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，銀川 750021；2.寧夏水文水資源勘測局，銀川 750000)

錫林河是我國北方錫林郭勒大草原上最重要的草原河流之一，每到冬季，草原上季節(jié)性凍土的出現(xiàn)，使錫林河在春季與夏季表現(xiàn)出明顯的雙峰型地表徑流特點。本文運用SWAT2012模型對錫林河流域開展積雪與融雪期徑流模擬，從而揭示寒旱區(qū)特有的地表水文循環(huán)過程[1，2]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林河屬查干諾爾水系，發(fā)源于赤峰市克什克騰旗，自東向西流經(jīng)錫林郭勒盟阿巴嘎旗，在貝爾克牧場轉(zhuǎn)向西北經(jīng)過錫林浩特市，最終注入查干諾爾沼澤地自然消失，全長175 km，流域面積約105 452 km2，地理坐標(biāo)為43°26′-44°39′N，115°32′-117°12′E[3]。本文以錫林河水文站為界，研究模擬范圍為錫林河水庫上游，總面積3 852 km2。圖1為錫林河流域地理位置圖。

根據(jù)國家氣象信息中心錫林浩特站(54102)1971-2000年日值降水?dāng)?shù)據(jù)顯示：錫林河流域多年平均降水量為292.6 mm，其中5-9月為主要降雨期(7-8月降雨量占全年降水54.8%)；10月到次年4月為主要積雪期。根據(jù)錫林河水文站1971-2000年日值徑流數(shù)據(jù)顯示：錫林河流域多年平均徑流深5.08 mm，其中4月份融雪產(chǎn)生的春汛占全年32.5%，7-8月產(chǎn)生的洪水占全年56%。錫林河呈現(xiàn)出明顯的雙峰型地表徑流特征，見圖2。

圖1 錫林河流域地理位置Fig.1 Xilin river basin

圖2 錫林河流域降水～徑流分布Fig.2 The precipitation and runoff allocation in Xilin river basin

1.2 模型適用性與建立

1.2.1 SWAT2012模型的適用性

SWAT2012(Soil and Water Assessment Tool 2012)是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的流域尺度模型，通過建立具有物理機制的水文模型，削弱模型對資料的依賴性。SWAT模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮到了融雪和凍土對水文循環(huán)的影響，并在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[4,5]。目前，SWAT模型在我國模擬融雪徑流方的面研究多應(yīng)用于西北寒區(qū)，北方寒旱區(qū)草原徑流模擬應(yīng)用尚不多見[6-10]。因此，開展基于SWAT模型的寒旱區(qū)積雪與融雪徑流模擬研究，將對拓展SWAT模型應(yīng)用區(qū)域和研究領(lǐng)域有著重要的研究價值。

1.2.2 模型的建立

(1)DEM數(shù)據(jù)庫。文中DEM(Digital Elevation Model)取自中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)字服務(wù)平臺SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)90 m分辨率數(shù)據(jù)。通過Arcgis平臺，進行Select a coordinate system(選擇坐標(biāo)系統(tǒng))/Predefined(預(yù)定義坐標(biāo)系統(tǒng))/Projected coordinate system(平面坐標(biāo)系統(tǒng))/Gauss Kruger(高斯克里格)投影變換，最終將WGS84地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為模型所需要的Beijing 1954坐標(biāo)系統(tǒng)，見圖3。

圖3 錫林河流域DEM圖Fig.3 DEM of Xilin river basin

(2)Landuse數(shù)據(jù)庫。Landuse數(shù)據(jù)決定了模型中降水在陸面的產(chǎn)流過程，是構(gòu)建SWAT模型的重要數(shù)據(jù)之一。Landuse數(shù)據(jù)包括：土地利用矢量(柵格)分布圖、土地利用屬性數(shù)據(jù)和各土地利用類型索引表。Landuse矢量(柵格)分布圖源于內(nèi)蒙古師范大學(xué)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點實驗室的錫林河流域土地利用類型重分類解譯數(shù)據(jù)結(jié)果。結(jié)合野外觀察結(jié)果進行驗證補充，最終確定了錫林河流域Landuse類型為草地(占89.6%)、耕地(占4.2%)、林地(占2.6%)、水域(占1.8%)、濕地(占1.2%)和城鎮(zhèn)景觀用地(占0.6%)。圖4為錫林河流域Landuse類型圖。

圖4 錫林河流域土地利用類型Fig.4 Landuse classification

(3)Soil數(shù)據(jù)庫。Soil數(shù)據(jù)的物理化學(xué)屬性決定決定了流域內(nèi)HRU中的水循環(huán)過程，參數(shù)信息質(zhì)量的好壞直接影響著模擬效果。Soil數(shù)據(jù)包括：土壤類型分布圖、土壤數(shù)據(jù)庫參數(shù)文件和各土壤類型索引表。Soil類型分布圖取自中國科學(xué)院南京土壤所1∶100萬中國土壤矢量圖結(jié)果，數(shù)據(jù)庫各參數(shù)為2012年8月野外試驗獲取。圖5為Soil類型圖。

圖5 錫林河流域土壤類型Fig.5 Soil taxon

(4)Weather數(shù)據(jù)庫。Weather數(shù)據(jù)庫中降水量、氣溫、相對濕度、太陽輻射和風(fēng)速數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心錫林浩特站(54102)1971-2000年日值資料，各氣象參數(shù)通過氣象發(fā)生器計算算得。

2 結(jié)果與分析

2.1 敏感性參數(shù)

本研究以年為單位，在劃分不同水文年型的基礎(chǔ)上，開展不同水文年型積雪與融雪期徑流模擬。預(yù)熱期為1971-1973年，率定期為1974-1987年，驗證期為1988-2000年。通過手動調(diào)參，確定主要敏感性參數(shù)如下：①植被蒸發(fā)參數(shù)ESCO、IPET、CANMX、CNOP；②土壤水參數(shù)SOL_AWC；③地表水分配參數(shù)CN2；④地下水參數(shù)ALPHA_BF、GW_REVAP、GWQMN、RCHRG、REVAPMN；⑤融雪參數(shù)SMTMP、SFTMP、SMFMN、SMFMX、SNOCOVMX、TIMP。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 豐水年積雪融雪期徑流模擬

(1)豐水年。積雪融雪期徑流豐水年模擬結(jié)果顯示：率定期中，Ens=0.98，R2=0.99；驗證期中，Ens=-0.01，R2=0.31。驗證期中 偏低，原因來自1998年特大暴雨。圖6為豐水年模擬結(jié)果。

圖6 豐水年SWAT 2012模型融雪徑流模擬結(jié)果Fig.6 Flow simulation result of SWAT 2012 model in wet year

(2)偏豐水年。積雪融雪期徑流偏豐水年模擬結(jié)果顯示：率定期中，Ens=0.77，R2=0.86；驗證期中，Ens=0.70，R2=0.72。偏豐水年模擬顯示了出較好的模擬結(jié)果，如圖7所示。

圖7 偏豐水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結(jié)果Fig.7 Flow simulation result of SWAT 2012 model in partial wet year

2.2.2 平水年積雪融雪期徑流模擬

根據(jù)不同水文年型的劃分結(jié)果可知，研究期30 a內(nèi)，只有1972年、1991年及1997年為平水年，由于年份出現(xiàn)的特殊性，只對平水年進行驗證模擬。積雪融雪期徑流平水年模擬結(jié)果顯示：驗證期中，Ens=0.90，R2=0.95。模擬結(jié)果見圖8。

圖8 平水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結(jié)果Fig.8 Flow simulation result of SWAT 2012 model in normal year

2.2.3 枯水年積雪融雪期徑流模擬

(1)枯水年。積雪融雪期徑流枯水年模擬結(jié)果顯示：率定期中，Ens=0.66，R2=0.79；驗證期中，Ens=0.54，R2=0.98。圖9為枯水年模擬結(jié)果。

圖9 枯水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結(jié)果Fig.9 Flow simulation result of SWAT 2012 model in dry year

(2)偏枯水年。積雪融雪期徑流偏枯水年模擬結(jié)果顯示：率定期中，Ens=0.59，R2=0.62；驗證期中，Ens=0.72，R2=0.77。圖10為偏枯水年模擬結(jié)果。

圖10 偏枯水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結(jié)果Fig.10 Flow simulation result of SWAT 2012 model in partial dry year

根據(jù)對錫林河流域不同水文年型積雪融雪徑流(10月到次年4月)模擬結(jié)果可以看出：SWAT2012模型對不同水文年型的積雪融雪期徑流模擬表現(xiàn)為：平水年>偏豐水年>豐水年>枯水年>偏枯水年，且Ens均大于0.5，R2均大于0.6。同時，從圖11可以看出，若不進行不同水文年型的劃分，率定期中，Ens=0.76，R2=0.79；驗證期中，Ens=0.53，R2=0.61，模型在整體水平上仍然滿足精度要求，SWAT2012在模擬北方寒旱區(qū)積雪融雪過程中表現(xiàn)出了較好的適用性。

圖11 SWAT2012模型融雪徑流模擬結(jié)果Fig.11 Snowmelt simulation result of SWAT 2012 model

3 結(jié) 論

通過開展錫林河流域不同水文年型積雪融雪期徑流模擬，可以得出結(jié)論：平水年>偏豐水年>豐水年>枯水年>偏枯水年，各水文年型Ens均大于0.5，R2均大于0.6，一致性較好，反映出SWAT2012模型能夠用于我國北方河流草原，并具有以下特點。

(1)模型對模擬積雪融雪期徑流整體擬合程度較好。SWAT2012模型模擬所得到的模擬徑流深過程線除1972年、1991年、1997年個別年份外，基本與實測徑流深過程線變化過程一致，說明該模型對積雪融雪期內(nèi)模擬的雪量較符合實際。

(2)模型模擬結(jié)果可以為春汛做預(yù)測。從錫林河洪峰峰值出現(xiàn)的時間上看，實測融雪期峰值與模型模擬融雪高峰期一致，模型模擬融雪時間準(zhǔn)確，能夠為春汛提供可靠的預(yù)測。

(3)模型對典型洪水具有較好的模擬結(jié)果。SWAT模型在模擬1987年典型洪水時表現(xiàn)出較高的精度，優(yōu)于對非典型洪水的模擬效果，相對誤差12.8%。

(4)模型中土壤的下滲速率是影響模擬精度的關(guān)鍵因素。從氣象資料與1982年、1989年融雪模擬結(jié)果可以看出，融雪偏前的原因主要受到氣溫的影響，因凍土形成時間早，阻止了融雪水下滲到土壤中，從而改變了局部地區(qū)水循環(huán)。此外，模擬出現(xiàn)融雪期相鄰月份落差較大，因流域匯流平均滯留時間一致，融雪期蒸發(fā)量幾乎為零，可以得出下滲速率是影響模型模擬精度的關(guān)鍵因素。

□

[1] William Kepner, Maliha S Nash, Michael Jackson, et al. Assessing impacts of landuse and landcover changes on hydrology for the upper San Pedro watershed[J]. Journal of Hydrology, 2011,407:105-114.

[2] AHL R S, WOODS S W, ZUURING H R. Hydrologic calibration and validation of SWAT in a snow-dominated Rocky Mountain watershed, Montana, USA.[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2008,44(6):1 411-1 430.

[3] 李 楊. 融雪的水量平衡模型在內(nèi)蒙古錫林河流域水文模擬中的應(yīng)用[J]. 水資源與水工程學(xué)報, 2003,22(1):79-86.

[4] 孫 瑞, 張雪芹. 基于SWAT模型的流域徑流模擬研究進展[J]. 水文, 2010,30(3): 28-32.

[5] 王 立,馬 放,謝 乾,等. SWAT 模型在我國的發(fā)展歷程及其在寒地應(yīng)用展望[J]. 中國給水排水,2013,29(18):33-37.

[6] 李 慧. 基于SWAT模型的山區(qū)日徑流模擬在瑪納斯河流域的應(yīng)用[J]. 干旱區(qū)研究, 2010,27(5):686-690.

[7] 陸志翔. SWAT模型在伊犁河上游缺資料區(qū)的應(yīng)用[J]. 干旱區(qū)地理, 2012,35(3):399-407.

[8] 白淑英. 基于SWAT模型的開都河流域徑流模擬[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2013,27(9):79-84.

[9] 李 慧, 雷曉云, 靳 晟. 基于SWAT模型的山區(qū)冰雪融水河流的日徑流模擬研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2010,29(3):105-108.

[10] 郝振純. 黃河源區(qū)水文模擬中地形和融雪影響[J]. 水科學(xué)進展, 2013,24(3):311-318.