基于AnnAGNPS模型的羅李村子流域水文模擬與評價

趙串串, 高瑞梅， 章青青

(陜西科技大學 環(huán)境科學與工程學院, 西安 710021)

基于AnnAGNPS模型的羅李村子流域水文模擬與評價

趙串串, 高瑞梅， 章青青

(陜西科技大學 環(huán)境科學與工程學院, 西安 710021)

以灞河上游羅李村子流域為研究區(qū)，基于子流域2001—2010年日尺度氣象水文數據和流域地形、土壤和土地利用數據，構建了AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution model)模型數據庫，確定了最優(yōu)子流域劃分方案，模擬了流域年、月、日尺度徑流變化。結果表明：(1) 當臨界源面積(CSA)取100 hm2，最小初始溝道長度(MSCL)取70 m時，模型將流域劃分為1 030個分室，420個溝道，能較好地概化流域下墊面特征。(2) 模型對年、月、日尺度徑流模擬Ens均大于0.51，R2均大于0.55，Re小于10%，模型能夠較好地反映羅李村子流域的徑流過程，對流域水資源的合理利用具有指導作用。

AnnAGNPS; 徑流模擬; 日尺度; 羅李村子流域

流域水文循環(huán)過程受氣候、下墊面等多種因素的影響，在空間上表現出相當大的差異性[1]，有效模擬流域水文過程對揭示流域徑流變化規(guī)律、評價流域水文環(huán)境及管理區(qū)域水資源具有重要意義。AnnAGNPS是美國農業(yè)部開發(fā)的適用于模擬評估流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮磷營養(yǎng)鹽流失的連續(xù)時段分布式水文模型，模型與GIS集成應用，揭示的水文循環(huán)物理過程更接近客觀實際，更能真實地模擬流域水文循環(huán)過程，已被國內外廣泛應用于不同尺度流域的產流、產沙及非點源污染過程模擬[2]。

國外學者Yuan等[3]采用未校正的AnnAGNPS模型對美國密西西比河的Deep Hollow Lake流域進行年、月尺度的徑流、泥沙模擬，徑流模擬結果決定系數R2為0.9。Licciardello等[4]基于月尺度和獨立事件運用AnnAGNPS模型模擬意大利西西里島的Cannata流域徑流變化，取得良好效果。此外，該模型在馬來西亞[5]、悉尼[6]等地區(qū)也有應用。國內學者李家科等[7]分析了AnnAGNPS模型在西北半干旱地區(qū)黑河流域的適用性，模擬誤差在20%以內。閆勝軍等[8]分析了AnnAGNPS模型在黃土丘陵溝壑區(qū)小流域的適用性，結果相對誤差為-21.46%～2.26%。AnnAGNPS在三峽庫區(qū)大寧河流域[9]，大沽河典型小流域[10]等地區(qū)也開展了相關研究并取得較理想的模擬效果。綜合近年來研究，AnnAGNPS模型在不同流域的徑流模擬均能取得較好的模擬效果，并且主要集中于年、月和局部降水事件模擬，而對日尺度的連續(xù)模擬相對較少[11]。

本文以灞河上游羅李村子流域為研究區(qū)，優(yōu)化最優(yōu)計算單元離散參數，構建流域AnnAGNPS日尺度徑流模型數據庫，模擬流域年、月、日尺度徑流過程并評價其模擬效果，為流域水資源的規(guī)劃管理提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

灞河屬黃河支流渭河的一級支流，位于渭河南側，發(fā)源于秦嶺北坡藍田縣灞源鎮(zhèn)麻家坡以北，全長109 km，流域面積2 581 km2。本文選取灞河羅李村水文站(109°22′E，34°8′N)為流域出口，提取水文站上游子流域作為研究區(qū)，以下簡稱羅李村子流域，流域面積743.8 km2。流域內多年年均氣溫13.47℃(2001—2010年)，年均降雨量702.65 mm(2001—2010年)，各年最大20次降雨能占全年降雨量的70%，主要集中于6月，7月，8月，9月，10月份；流域內土地利用類型以林地為主，約占流域總面積的72.89%，其次是耕地和建設用地；土壤類型有棕壤、褐土和濕潮土，棕壤面積最大，約占流域總面積77.29%，其次是褐土(16.68%)。流域地形為山地，海拔在514～2 416 m。

1.2 AnnAGNPS模型簡介

AnnAGNPS模型是基于獨立降雨事件的AGNPS模型發(fā)展而來的，能夠連續(xù)地以日為步長模擬流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮磷營養(yǎng)鹽流失的分布式模型，適用于幾hm2到3 000 km2流域[12]。模型依據流域的水文特征將流域劃分為一定的分室(Cell)，即按集水區(qū)來劃分單元，使模型更符合實際[13]，同時也實現了流域的空間離散。疊置土地利用數據和土壤數據到每一個分室，分室中的類型屬性呈現均一性，各分室的徑流、泥沙和化學物質通過溝道流入河網系統(tǒng)，并通過溝道演算到流域出口，實現對流域水文的模擬。

1.3 數據來源

本文構建AnnAGNPS水文模型需要地形、土地利用類型、土壤類型和氣象空間數據和氣象、水文屬性數據。具體數據及其來源見表1。

表1 模型數據庫數據及其來源

1.4 模型精度檢驗

本文選用Nash-Sutcliffe效率系數(Ens)、決定系數(R2)和相對誤差(Re)三個指標評價模型模擬精度[15]。其中Ens，R2取值在0～1范圍內，數值越大，說明模擬值與實測值越接近；普遍認為Ens大于0.5模擬效果較好，大于0.65表示模型模擬精度很高[12]；Re為正值，則模擬值大于實測值，Re為負值，則模擬值小于實測值，Re為零，則說明模擬值與實測值正好吻合。

2 模型模擬應用

2.1 流域離散化

流域離散程度是由臨界源面積(CSA)和最小初始溝道長度(MSCL)共同決定的，CSA，MSCL取值越小，河網越密集，劃分的分室(Cell)數量越多，對地表特征概化程度越詳細，但是過小的分室劃分會造成虛假溝道和分室數量的增加，導致模型運行出錯。根據羅李村子流域實際地形情況，經過反復試驗，發(fā)現當CSA=100 hm2時模型運行已經達到上限，此時，MSCL取值70 m，繼續(xù)將MSCL減小，模型可運行，但分室和溝道數量保持不變。為此，本流域的最優(yōu)離散化參數為CSA=100 hm2，MSCL=70 m，將流域劃分為1 030個集水單元和420個溝道(圖1)。

2.2 數據庫構建

AnnAGNPS模型輸入參數數量龐大，包括31種類型，約500多個，目前有33個參數沒被利用。參數分別用來描述流域的地形特征、土地利用狀況、土壤特征、氣候特征和農作物管理等。需要創(chuàng)建的兩大模型數據庫文件為AnnAGNPS.inp和DayClim.inp。

本文基于數字高程模型(DEM)，由模型地形處理模塊TopAGNPS自動提取流域河網、劃分匯水區(qū)計算單元和地表溝道，生成ann_cell.csv和ann_reach.csv文件，以此構建地形數據庫。

圖1羅李村子流域最優(yōu)分室劃分及流域河網

基于2010年度陜西省森林資源調查提供的灞河流域數字化土壤數據作為模型土壤數據庫輸入數據。按照指數函數擬合法[16]將國際制土壤質地轉換為模型要求的美國制土壤質地，參考美國農業(yè)手冊AH-703[17]和《陜西土壤》確定研究區(qū)土壤水文組，棕壤為B類，濕潮土和褐土為C類。模型水文模塊采用徑流曲線方程(SCS—CN)[18]，參照模型自帶資料TR55[18]和相關研究結果[19-21]，確定流域土地利用類型的初始CN值，參數校驗確定最優(yōu)化CN值(表2)。

表2 羅李村子流域土地利用類型CN值

注：*模型系統(tǒng)預置的CN值，**參數校正優(yōu)化后的CN值。

構建模型氣象數據庫涉及的參數有逐日最高溫、最低溫、降水量、露點溫度、太陽輻射量、風速，其中，露點溫度由相對濕度和日均溫計算而得[22]，太陽輻

射量采用Box-Jenkins模型計算[23]，其他均為羅李村水文站2001—2010年實測數據。嚴格按照模型輸入文件的格式要求，在輸入編輯器中手動編輯氣象數據生成DayClim.inp文件。

2.3 參數率定和驗證

鐘科元等[24]采用DSA(Differential Sensitivity Analysis)參數敏感性分析發(fā)現AnnAGNPS模型徑流敏感性參數主要有CN值和溝道曼寧系數，其中，CN值主要影響徑流量，溝道曼寧系數主要影響徑流過程。Sarangi[25]也得出相似結論。因此本文選取CN值和溝道曼寧系數作為模型率定參數。在模型率定過程中，首先使用試錯法和圖示法調整CN值[26]，保證流量總量平衡，然后調整溝道曼寧系數，使徑流過程與實際相吻合。

本文參數率定選取2001—2005年日徑流數據，模型精度驗證選取2006—2010年日徑流數據，模擬結果見表3。由表3可知模型對月、日尺度在率定期和驗證期模擬結果Ens和R2分別大于0.51，0.55，平均相對誤差Re均小于10%。率定期模擬結果好于驗證期。

表3 羅李村子流域不同時間尺度徑流模擬結果

3 結果與分析

3.1 日尺度徑流模擬

選取率定期2005年和驗證期2006年的日徑流模擬值與實測值進行制圖，由圖2可知，模擬值與實測值變化趨勢一致。在率定期和驗證期，決定系數R2分別為0.72，0.55，Ens大于0.51(表3)，表明模型對流域日尺度徑流有良好的模擬效果。

圖22005-2006年日徑流實測值與模擬值對比

3.2 月尺度徑流模擬結果

選取2007—2010年豐水期(6—10月)月徑流實測值和模擬值進行對比分析(表4)，由表4可知，各月徑流模擬值和實測值變化一致，且月徑流量和降雨量極值出現時期一致，決定系數R2大于0.69，模型能夠較好地反映豐水期徑流過程，可為預估流域豐水期水情變化提供參考。

表4 2007-2010年豐水期月均徑流實測值與模擬值

表5 2006-2010年年徑流深實測值與模擬值

3.3 年尺度徑流模擬結果

從2006—2010年流域年徑流深實測值與模擬值的對比(表5)，可以看出，驗證期R2為0.81，Re平均值小于10%。由于2008年、2010年降雨量的變化導

致模擬結果較差，影響驗證期整體的模擬效果，Ens為0.64。綜合年尺度模擬結果，模型能夠較好地模擬流域年徑流總量。

通過分析流域分室年徑流深的分布，可以進一步揭示流域徑流量的空間分布特征。選取年尺度模擬結果最佳年份2006年的數據，按照流域年徑流深不同將其劃分為5個等級(表6和圖3)。(1) 流域內年徑流深低于50 mm的區(qū)域集中于流域上游的喬木林，共567個分室，范圍最廣，約占流域面積的60.9%，土壤為棕壤，喬木林具有較好的涵養(yǎng)水源作用；(2) 年徑流深介于50～100 mm的區(qū)域主要分布在流域上游灌木林和未成林地區(qū)，共178個分室，面積12 619.7 hm2，約占流域面積的17%，主要土壤為棕壤，產流量大于喬木林區(qū)；(3) 年徑流深在100～300 mm的區(qū)域零星分布于流域中上游，土地利用類型主要為耕地和建設用地，土壤類型主要為棕壤、濕潮土，面積約為流域面積的4.1%；(4) 流域下游的耕地地區(qū)年徑流深較大，在300～600 mm之間，分室數190，面積13 255.3 hm2，約占流域面積的17.8%，褐土為區(qū)域土壤；(5) 水域地區(qū)，由于降雨后雨水直接進入了水體，沒有其他損耗，因此年徑流深最大(大于600 mm)，但面積僅占流域面積的0.2%，土壤為濕潮土。綜上所述，流域耕地年徑流深很大，產流多，而喬木林年徑流深最少，產流最少。在滿足城市發(fā)展的基礎上，可適當退耕還林，增加林地覆蓋面積，增加流域內的水源涵養(yǎng)，保障流域內水資源供應。

圖3 流域年徑流深空間分布

等級年徑流深/mm分室數量總面積/hm2平均徑流深/mm土地類型土壤類型面積最大分室ID最大分室面積/hm2最大分室徑流深/mm1<5056745320.949.2喬木林棕壤1033479.249.4250—10017812619.772.2灌木林、未成林棕壤1112329.765.53100—300803037.4239.4耕地、建設用地棕壤、濕潮土2682298.3277.94300—60019013255.3313.9耕地褐土142603.2311.65>60015136.1657.3水域濕潮土15343.7657.5

4 結 論

(1) 當臨界源面積(CSA)取100 hm2，最小初始溝道長度(MSCL)取70 m，模型將流域劃分為1 030個分室和420個溝道，能較好地概化流域下墊面特征。

(2) 模型對年、月、日尺度徑流模擬Ens均大于0.51和R2均大于0.55，其中月尺度徑流模擬效果最佳，Ens和R2均大于0.78，Re小于10%。模型能夠較好地反映羅李村子流域的水文過程。

(3) 分室單元中年徑流深小于100 mm的區(qū)域占流域面積的77.9%，主要分布在林地類，與流域實際情況非常符合。模擬結果中各分室單元徑流量的空間分布規(guī)律，為后續(xù)非點源污染模擬與流域水資源的優(yōu)化管理提供定量參考。

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SimulationandEvaluationoftheHydrologicProcessBasedonAnnAGNPSModelinLuolicunSubwatershed

ZHAO Chuanchuan, GAO Ruimei， ZHANG Qingqing

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710021,China)

Distributed hydrological model has become effective approach to simulate hydrologic process and soil erosion. The Luolicun subwatershed was located in the upper reaches of Bahe River in the northwest of China, and was selected as study area. Based on the daily meteorological hydrological data, topography， soil and land use data, the Annualized Agricultural Non-point Source Pollution model (AnnAGNPS) database was built. The best cell was analyzed, and the yearly-monthly-daily runoff of Luolicun subwatershed was simulated. The results showed that: (1) when the critical source area and minimum source channel length were 100 hm2and 70 m, respectively, the subwatershed was divided into 1030 cells and 420 gullies, and the model can well describe the underlying surface in the watershed; (2) AnnAGNPS model can simulate the runoff process in the study area. The relative error of runoff is less than 10% (Ens=0.51，R2=0.55).

AnnAGNPS; runoff simulation; daily scale; Luolicun subwatershed

2016-08-26

：2016-09-12

青海公益林監(jiān)測橫向項目

趙串串(1976—),女,陜西西安人,碩士,副教授,主要從事流域水環(huán)境模擬與生態(tài)環(huán)境保護方面的研究。E-mail:sxkjdxzcc@126.com

S157;P333

：A

：1005-3409(2017)02-0137-05