SWAT模型在黃河上游寧蒙河段的應(yīng)用研究

蘇小娟

（山西水利職業(yè)技術(shù)學院）

1 SWAT模型介紹

SWAT（soil and water assessment tool）模型，是20世紀90年代美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)的時間連續(xù)、基于過程的物理機制分布式水文模型。目前，該模型是最具有代表性、使用最廣泛、應(yīng)用前景最廣闊的水文模型。模型在DEM數(shù)據(jù)生成的空間信息基礎(chǔ)上，在水文響應(yīng)單元的空間尺度上，可以模擬多種水文物理過程，模擬徑流、泥沙是其最主要的兩大功能。SWAT可從https://swat.tamu.edu下載得到，它是一個開放性的共享模型。在ArcGIS軟件的基礎(chǔ)上安裝，成為一個拓展模塊，具有非常友好的用戶界面，容易上手，操作方便。模型運行時，以日為計算時段，輸出模擬結(jié)果時，可以選擇年、月、日為時間單位。

SWAT的結(jié)構(gòu)是模塊化的，水文、泥沙是其中2個主要功能模塊。SWAT以DEM數(shù)據(jù)生成的圖件為基礎(chǔ)，可劃分出多個子流域同時計算子流域參數(shù)，確定出河網(wǎng)結(jié)構(gòu)；再根據(jù)土地利用圖、土壤類型、相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，在子流域劃分的基礎(chǔ)上，劃分出水文響應(yīng)單元HRU（山坡流域）。在每個水文響應(yīng)單元內(nèi)，利用產(chǎn)流公式：

（式中：Rsuf是地表產(chǎn)流量；P為降雨量；CN是一個綜合參數(shù)，根據(jù)土地利用方式和土壤類型，查CN值表可以得到）分別計算產(chǎn)流量，疊加求出子流域產(chǎn)流量，然后利用公式：

（式中：Qsuf，i為當前計算時段地面徑流注入河網(wǎng)的流量；Qsuf，i-1為前一計算時段注入河網(wǎng)的流量；Rsuf，i為當前時段的地表產(chǎn)流量；k為坡地匯流時間；τsuf為地表徑流延遲系數(shù)）集中該子流域所有的水文響應(yīng)單元進行坡面匯流，匯流進子流域的干流，最后所有的子流域通過河網(wǎng)匯流計算得到流域總徑流量[1]。

運行SWAT模型需要輸入地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，這些都是進行物理過程分析的基礎(chǔ)，是驅(qū)動模型運行的重要動力。其中：

（1）地形數(shù)據(jù)。由ArcGIS根據(jù)研究區(qū)的DEM提取，可提取出子流域面積、平均坡長、平均坡度、河道長度等。

（2）氣象數(shù)據(jù)。包括研究區(qū)內(nèi)逐日氣溫、降水、風速、相對濕度等觀測數(shù)據(jù)。

（3）土地利用數(shù)據(jù)。需要根據(jù)現(xiàn)有的土地利用圖和SWAT模型自帶的土地利用數(shù)據(jù)庫，進行編碼轉(zhuǎn)換連接。

（4）土壤類型和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。包括土壤容重、土壤飽和導水率、機械組成、緊實度、植物根系深度等[2]。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

以黃河上游寧蒙河段為研究區(qū)。黃河是我國西北地區(qū)、華北地區(qū)最大的供水水源，豐富的水能、水資源，支撐了黃河流域的供水、灌溉及社會經(jīng)濟發(fā)展。黃河上游寧蒙河段，起始寧夏下河沿至內(nèi)蒙古頭道拐，是黃河最靠北的河段，穿越騰格里沙漠、河東沙地、烏蘭布和沙漠和庫布齊沙漠，全長約990 km，相對高差246 m，流域面積約13萬km2，峽谷河段和平原河段相間出現(xiàn)，兩岸分布廣闊的風沙地貌，河道泥沙淤積嚴重。研究區(qū)屬于暖溫帶半干旱草原氣候帶，降水年際變化大，年內(nèi)分布不均。該區(qū)是黃河上游河道演變劇烈、風沙水沙活動強烈的關(guān)鍵河段，也是上游大型水庫聯(lián)合調(diào)度影響顯著的河段，同時也是上游產(chǎn)水區(qū)與中下游河段水沙關(guān)系的調(diào)節(jié)河段，亦是我國西北地區(qū)重要的能源基地和糧食產(chǎn)區(qū)。寧蒙河段內(nèi)有8座水文站：下河沿（寧夏河段的入口站）、青銅峽、石嘴山（寧夏河段的出口站，內(nèi)蒙古河段的入口站）、磴口、巴彥高勒、三湖河口、昭君墳和頭道拐（內(nèi)蒙河段的出口站）[3]。

圖1 黃河上游寧蒙河段流域邊界圖

利用SWAT對黃河上游寧蒙河段進行水文模擬，需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地形、水文、氣象、土地利用、土壤類型和屬性等多種數(shù)據(jù)類型，其描述和來源如圖1、圖2和表1所示。

圖2 黃河上游寧蒙河段DEM

表1 黃河上游寧蒙河段基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)描述

3 SWAT模型參數(shù)率定

按照SWAT模型的操作手冊，選取對徑流量模擬產(chǎn)生較大影響的參數(shù)進行敏感性分析，并篩選出對徑流影響最敏感的CN2、Sol-K、Esco、Sol-Awc等4個參數(shù)（涵義見表2）進行率定。通過比較模擬和實測的徑流量，進行手動率定（參數(shù)率定取值范圍依據(jù)參考文獻2），結(jié)果如圖3所示。

4 運行和模擬

打開ArcGIS，建立一個新的圖層。在自定義菜單的擴展模塊中，勾選SWAT HRU Delineator，SWAT Project Manager和SWAT Watershed delineator。在自定義菜單的工具條中，調(diào)出ArcSWAT工具條，建立新的SWAT任務(wù)。在Watershed delineator菜單下加載DEM數(shù)據(jù)，高程圖就會顯示在視圖中。接下來，設(shè)置高程單位為m，利用mask功能用柵格覆蓋當前視圖，此時STREAM定義區(qū)被激活，利用DEM based功能自動劃分河網(wǎng)和流域，計算子流域參數(shù)和河流參數(shù)。再利用Follow direction and accumulation按鈕對DEM進行填洼，計算流向和水流累積量。然后進行流域出口點選擇，SWAT將會自動劃分子流域和水文響應(yīng)單元。再進行其他數(shù)據(jù)輸入后運行，在輸出選項中選擇以年為時間單位，得出圖3結(jié)果。圖3為黃河上游寧蒙河段由SWAT模擬得出的2001-2010年的年徑流量和2001-2010年的實測年徑流量（實測數(shù)據(jù)來自于研究區(qū)頭道拐水文站）。通常用年徑流變差系數(shù)來表示徑流的年際變化，根據(jù)公式：

表2 率定的參數(shù)及其取值范圍

分別計算得出：2001-2010年實測年徑流量Cv=0.199，2001-2010年模擬年徑流量Cv=0.210。由此得出，模擬結(jié)果和實測值極為接近。

5 結(jié)論

水文模擬是水資源研究的基礎(chǔ)，基于過程的水文模型是定量研究區(qū)域水資源的有效工具。研究表明，SWAT模型能夠較好地模擬黃河上游寧蒙河段出口2001-2010年自然狀態(tài)下的年徑流量，比較簡單實用，可為有關(guān)流域河段的水資源開發(fā)利用和管理提供技術(shù)支持。

圖3 黃河上游寧蒙河段出口SWAT模擬年徑流量和實測年徑流量對比圖