基于水文模型對比建立SWAT模型數(shù)據(jù)庫

楊娟 郭青霞

摘要：21世紀(jì)以來，水文模型在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但模型參數(shù)眾多且數(shù)據(jù)庫建立復(fù)雜，基于模型對比分析探究AnnAGNPS模型與SWAT模型結(jié)構(gòu)算法、輸入?yún)?shù)的相似性，在此基礎(chǔ)上，選擇黃土丘陵溝壑區(qū)岔口流域為研究區(qū)，以AnnAGNPS模型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫，并驗證其適用性，為高效建庫提供依據(jù)，實現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)共享性。結(jié)果表明：（1）在水文部分，2個模型模擬徑流與蒸發(fā)使用相同算法，泥沙侵蝕模擬時，2個模型采用以USLE基礎(chǔ)的改進(jìn)方程，模型氣象、土壤和管理等數(shù)據(jù)庫的輸入?yún)?shù)大多相同;（2）建立SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫時，AnnAGNPS模型的空間數(shù)據(jù)可直接利用，屬性數(shù)據(jù)庫中相同或相似參數(shù)可直接繼承，其他參數(shù)可重置或采取默認(rèn)值;（3）使用水文模型對比建立的SWAT模型數(shù)據(jù)庫模擬，其率定期月徑流量相關(guān)系數(shù)（R2）=0.67，納什效率（NSE）=0.61，驗證期月徑流量R2=0.63，NSE=0.59，模型在岔口流域具有較好的適用性。因此，對比分析水文模型并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫利用，能有效提高建庫效率，在基于多模型研究岔口流域水土流失奠定基礎(chǔ)的同時，也可為其他相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：SWAT模型;AnnAGNPS模型;數(shù)據(jù)庫;岔口流域

中圖分類號： S157.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0251-09

根據(jù)全國第二次遙感調(diào)查，黃河流域仍是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，水土流失面積高達(dá)46.5萬km2[1-2]。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記曾多次考察黃河流域生態(tài)保護(hù)和發(fā)展情況，并將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提升為重大國家戰(zhàn)略，他強(qiáng)調(diào)要把黃河生態(tài)系統(tǒng)作為一個有機(jī)整體來謀劃，對水土流失嚴(yán)重的黃河中游，要抓好水土保持和污染治理。分布式水文模型是量化和治理水土流失的重要工具，SWAT（soil and water assessment tool）與AnnAGNPS模型則是眾多模型中應(yīng)用最為廣泛的模型，2個模型均可預(yù)測土地管理措施對流域水、泥沙和養(yǎng)分的貢獻(xiàn)及其影響，均與GIS接口，使數(shù)據(jù)可視化且易處理[3]。在國內(nèi)2個模型應(yīng)用廣泛，具有較好的實用性和較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，表現(xiàn)在流域水資源管理與評價[4-5]、水土保持[6-7]、面源污染[8-9]、管理措施預(yù)測[10-11]以及氣候變化、土地利用變化[11-13]的影響等方面，在黃土丘陵溝壑區(qū)，趙傳普采用SWAT模型在延河流域研究土地利用對徑流的影響，研究表明相同氣象條件下，有效的生態(tài)治理措施使流域內(nèi)徑流與基流量減少[14];李娟在涇河流域應(yīng)用SWAT模型研究梯田對河道徑流、泥沙的影響，結(jié)果表明，梯田能夠滯洪補(bǔ)枯，減小河道輸沙量[15];閆勝軍基于場次降雨利用AnnAGNPS模型在岔口流域研究坡改梯工程對徑流、泥沙、氮磷負(fù)荷量的影響，得出隨著坡改梯坡度的降低，其徑流量、泥沙量及氮磷負(fù)荷量也隨之降低[16]。2個模型運(yùn)行需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)庫建立復(fù)雜、費(fèi)時，且基于模型對比，利用2個模型異同優(yōu)勢來提高模擬流域水土流失的能力仍有欠缺。本研究以黃土丘陵溝壑區(qū)岔口流域為研究區(qū)，首先深入對比2個模型的結(jié)構(gòu)算法、輸入?yún)?shù)和應(yīng)用等方面。其次在前述工作基礎(chǔ)上，以AnnAGNPS模型數(shù)據(jù)庫為參考，繼承和調(diào)整參數(shù)，建立岔口流域的SWAT模型數(shù)據(jù)庫，并驗證其適用性，為高效建庫、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以及提升黃土丘陵溝壑區(qū)相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

岔口小流域?qū)儆邳S土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，位于山西省臨汾市的永和縣、隰縣與石樓縣接壤地帶，流域總面積131.91 km2，流域內(nèi)溝壑縱橫，地表起伏較大，平均海拔高度為1 184 m。研究區(qū)屬于典型的暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫 8.6 ℃，多年平均降水量530.9 mm，年內(nèi)降水多集中在7—9月，約占全年降水量的62.25%。流域土壤質(zhì)地以粉沙質(zhì)壤土為主，結(jié)構(gòu)疏松、孔隙度大，黏粒含量較低，濕陷性較大。由于流域的特殊地理位置、氣候和土壤質(zhì)地，使流域在汛期時易形成歷時很短的洪水徑流，并且洪水徑流內(nèi)攜帶大量泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致流域水土流失嚴(yán)重，流域水質(zhì)也受到一定程度的影響。

2 水文模型對比分析

將SWAT模型與AnnAGNPS模型在結(jié)構(gòu)、算法和輸入?yún)?shù)等方面進(jìn)行對比，探究2個模型的相似性，其相似性表現(xiàn)在含義、單位及影響參數(shù)因素等方面，為SWAT模型接下來在流域的研究提供一定的依據(jù)，此外，在流域特征、時間尺度和模擬精度等方面對2個模型的應(yīng)用進(jìn)行對比，為初學(xué)者在選擇適用流域模型時提供參考。

2.1 模型結(jié)構(gòu)及算法對比

SWAT模型是由701個方程和1 013個中間變量組合而成，主要分為3個子模型，分別為水文子模型、泥沙侵蝕子模型與污染負(fù)荷子模型，可以準(zhǔn)確模擬流域水平衡、泥沙侵蝕輸移與污染物遷移等各個過程[17-18]。水文子模型考慮了地表徑流、壤中流和地下水，模擬步長為日的地表徑流采用SCS曲線法，Green & Ampt下滲法模擬日以下步長的地表徑流;此外，模型還充分考慮到土壤水的其他路徑運(yùn)動，包括下滲和蒸散發(fā)，模型提供Priestley-Taylor、Penman/Monteith和Hargreaves 3種計算蒸散發(fā)方法供用戶選擇;使用動力蓄水庫模型模擬壤中流，模型計算洪峰流量時采用與地表徑流量、匯流時間相關(guān)的修正推理模型[19-20]。泥沙侵蝕與產(chǎn)沙量通過MUSLE方程來模擬，MUSLE方程是以USLE為基礎(chǔ)的改進(jìn)方程，不僅能預(yù)測長期降雨產(chǎn)沙量，還可預(yù)測單次暴雨產(chǎn)沙量，河道泥沙則采用改進(jìn)的Bagnold運(yùn)移方程演算，模型還可模擬氮、磷化學(xué)過程和作物吸收的生物過程[21-22]。模型模擬時，首先根據(jù)集水面積閾值將流域DEM劃分為一定數(shù)目的子流域，疊加土地利用與土壤圖將子流域進(jìn)一步劃分為水文響應(yīng)單元（hydrologic response unit，HRU），模型是以水文響應(yīng)單元為基礎(chǔ)計算單元，并假定每個HRU相互獨(dú)立。模型首先計算出每個HRU的徑流、泥沙及污染物負(fù)荷，然后將計算結(jié)果累加得到該子流域的相關(guān)量，最終演算出流域出口的總量[23]。SWAT模型在建模上采用先進(jìn)的模塊化設(shè)計思路，每一個環(huán)節(jié)對應(yīng)一個子模塊，方便模型的擴(kuò)展和應(yīng)用，而且對于不同流域、不同研究目的，并非要輸入所有子模塊的相關(guān)參數(shù)，要根據(jù)研究目的設(shè)置符合流域的參數(shù)，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

AnnAGNPS模型克服了AGNPS只能模擬單次降雨的局限性，能夠模擬連續(xù)時間內(nèi)流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物負(fù)荷。與SWAT模型一致，AnnAGNPS模型可分為水文子模型、泥沙侵蝕子模型和污染負(fù)荷子模型，模型參數(shù)可分為8大類、31小類，共500多個[24]。水文模擬過程中，AnnAGNPS模型采用與SWAT模型相同的SCS參數(shù)法和Penman 方程計算流域徑流與蒸散發(fā)，運(yùn)用Brooks-Corey方程和達(dá)西定律分別模擬下滲與壤中流，流量峰值計算則采用了TR55模型，與SWAT模型最大的不同是，AnnAGNPS模型并不考慮地下水的影響[25]。泥沙模擬部分，模型采用修正的RUSLE方程替換原來的USLE模型，使泥沙的轉(zhuǎn)化遷移過程更為具體，包括片蝕、溝蝕的計算、侵蝕量向溝道的輸移率以及沉積物進(jìn)入溝道后的遷移量[26]。除去生物過程的氮、磷，模型采用CREAM計算氮、磷吸附態(tài)與溶解態(tài)濃度[27]。集水單元（Cell）是AnnAGNPS模型的基本單元，根據(jù)臨界源面積（CSA）和最小溝道長度（MSCL）來劃分，而CSA和MSCL由流域內(nèi)土地利用類型和地形確定[28]，模型認(rèn)為每個Cell對流域出口徑流、泥沙及污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)是相互獨(dú)立的，且由河網(wǎng)連接。模型模擬時，首先計算出每個集水單元的徑流、泥沙及污染物負(fù)荷、遷移演算，最終累計得到流域出口的總量[29]。模型由數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)輸入編輯、AnnAGNPS模型和數(shù)據(jù)輸出組成，能夠與ArcView、GIS的緊密結(jié)合。表1為模型不同算法比較結(jié)果。

2.2 模型輸入?yún)?shù)比較

SWAT模型與AnnAGNPS模型模擬時，需建立空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫，2個模型所需的空間數(shù)據(jù)一致，包括流域數(shù)字高程模型（DEM）、土地利用圖與土壤圖。因研究目的不同，屬性數(shù)據(jù)庫所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫也不同，在研究水土流失時，2個模型屬性數(shù)據(jù)庫都要建立氣象、土地利用、植物、管理措施和土壤等數(shù)據(jù)庫，因此要獲得相關(guān)參數(shù)。2個模型氣象數(shù)據(jù)庫均包括降水、最高和最低溫度、風(fēng)速、輻射等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于SWAT模型地表徑流的算法不同，在降雨數(shù)據(jù)制備時，有步長為日和日以下步長2種表達(dá)方式。此外，AnnAGNPS模型氣象數(shù)據(jù)還需云覆蓋、露點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)，且模型還要輸入暴雨類型及年降雨侵蝕力等。SWAT模型當(dāng)中土地利用與植被為一個數(shù)據(jù)庫，更多側(cè)重于植被參數(shù)，而AnnAGNPS模型土地利用與植物數(shù)據(jù)為2個單獨(dú)數(shù)據(jù)庫。2個模型作物數(shù)據(jù)庫具有一定相似含義的參數(shù)，比如都涉及植物不同生長階段對于氮、磷的攝取需求和殘留物分解等。SWAT模型作物數(shù)據(jù)庫更注重溫度、水分、輻射等對植物的影響數(shù)據(jù)，包括最適宜溫度、最大氣孔傳導(dǎo)度分?jǐn)?shù)以及輻射利用效率等參數(shù)，數(shù)據(jù)可由實測或參考模型附表獲得。相比之下，AnnAGNPS模型作物數(shù)據(jù)庫更注重收獲前后碳氮比、碳磷比和關(guān)于殘留物的相關(guān)參數(shù)，土地利用數(shù)據(jù)庫則描述田塊平均年USLE P因子、隨機(jī)糙率、梯田水平距離和坡度等參數(shù)。在管理數(shù)據(jù)庫中，2個模型均闡述了對作物的管理操作類型、時間和瓦溝排水等信息，但SWAT模型對城鎮(zhèn)相關(guān)信息描述更詳盡。SWAT模型管理操作信息有2種表達(dá)方式，一種是時間表示，另一種是作物成熟時所需的總熱單位表示，管理數(shù)據(jù)庫還包含模型重要參數(shù)CN2（徑流曲線數(shù)），而AnnAGNPS模型中的CN2為單獨(dú)數(shù)據(jù)庫，與管理數(shù)據(jù)庫相鏈接。2個模型的土壤數(shù)據(jù)庫均包含描述土壤物理性質(zhì)與化學(xué)物質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，如土壤容重、土壤有效含水量、黏沙比率、土層中有機(jī)氮、磷初始濃度等參數(shù)，模型的土壤粒級劃分與水文性質(zhì)分組均采用美國農(nóng)業(yè)部的美制標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 模型應(yīng)用比較

由表2可知，在大、中、小流域均可使用SWAT模型與AnnAGNPS模型，一般大、中流域多采用SWAT模型，中、小尺度流域多采用AnnAGNPS模型，原因在于設(shè)計SWAT模型時，便針對大尺度復(fù)雜流域進(jìn)行長期模擬， 且與AnnAGNPS模型數(shù)據(jù)庫相比，制備SWAT模型數(shù)據(jù)庫較為方便。在時間尺度上，模型精度結(jié)果顯示為年尺度>月尺度>日尺度;泥沙與污染物的運(yùn)移以徑流為基礎(chǔ)，模擬誤差會依次累加，且影響泥沙、污染物模擬的因素眾多，因此，在模擬內(nèi)容上，其模擬精度通常表現(xiàn)為徑 流> 泥沙>污染物負(fù)荷[30-32]。

同一地區(qū)采用SWAT模型和AnnAGNPS模型的研究并不多，高揚(yáng)等以紫色土典型流域為例模擬流域徑流、泥沙與污染物負(fù)荷發(fā)現(xiàn)，AnnAGNPS模型和SWAT模型對徑流模擬最佳，由于流域氣候因素的影響，模型對降雨侵蝕因子與土壤侵蝕因子考慮不充分，使得2個模型對泥沙模擬效果均不理想，但AnnAGNPS模型對污染物模擬效果優(yōu)于SWAT模型[33];Kliment等對捷克北部Blanka river流域模擬發(fā)現(xiàn)，驗證期間AnnAGNPS模型徑流模擬值低于實測值，而SWAT模型徑流模擬值卻高于實測值，泥沙模擬結(jié)果顯示，2個模型模擬值均高于實測值，這是由于Blanka river流域地下徑流占比較大，導(dǎo)致2個模型模擬精度均不理想，但SWAT模型的先進(jìn)模塊設(shè)計允許用戶適當(dāng)更改，因此在Blanka river流域使用SWAT模型更合適[34];Parajuli等在Cheney Lake流域研究流域水質(zhì)量及模型適用性時，在Red Rock Creek子流域內(nèi)率定模型，模型驗證在Goose Creek內(nèi)進(jìn)行，結(jié)果顯示，2個模型對徑流和泥沙具有良好的模擬效果，但SWAT模型對總磷模擬效果優(yōu)于AnnAGNPS模型，可能與流域生物過程相關(guān)[35];Abdelwahaba等在Carapelle流域比較SWAT模型和AnnAGNPS模型模擬效果，研究發(fā)現(xiàn)，模型對徑流、泥沙的模擬效果相當(dāng)，但AnnAGNPS模型并沒有模擬基流量，當(dāng)一段時間內(nèi)沒有降水時，該模型輸出的模擬值可能低于實測值，而SWAT模型對徑流和蒸散提供了不同選擇，模型率定時需具備一定的校準(zhǔn)知識[36]。表2為模型應(yīng)用比較結(jié)果。

根據(jù)對比分析，SWAT模型與AnnAGNPS模型具有相同結(jié)構(gòu)，均能連續(xù)地按日特征模擬評估流域地表徑流、泥沙侵蝕以及次生生態(tài)影響;還具有相同或相似算法，模型徑流、蒸發(fā)采用相同算法，泥沙侵蝕算法都基于通用土壤流失方程（USLE），二者算法相似，河道泥沙遷移也采用相同算法，更進(jìn)一步，模型也具有相同或相似的輸入?yún)?shù)。因此，2個模型數(shù)據(jù)庫具有可參考性，結(jié)合流域?qū)嶋H情況，本研究首次采用以AnnAGNPS模型為參考，對SWAT模型建庫進(jìn)行詳細(xì)描述。2個模型建庫所需空間的數(shù)據(jù)一致，可直接利用。在氣象、土壤和管理措施等屬性數(shù)據(jù)庫中，SWAT模型與AnnAGNPS模型具有大量相似性參數(shù)，該參數(shù)可繼承，其他不相似參數(shù)可采用默認(rèn)值或重置。另外，本研究只是對參數(shù)共享性進(jìn)行探討，具體不同參數(shù)的不同模擬特征，還需具體實驗?zāi)M驗證。

3 SWAT模型數(shù)據(jù)庫建立及模型驗證

SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫的建立直接采用AnnAGNPS模型空間數(shù)據(jù)，以AnnAGNPS模型屬性數(shù)據(jù)庫為參考，SWAT模型屬性數(shù)據(jù)庫繼承相似參數(shù)，其余參數(shù)使用默認(rèn)值或重置，建立岔口流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫。

3.1 空間數(shù)據(jù)庫

流域采用1 ∶ 1萬，分辨率為10 m DEM數(shù)據(jù)圖;流域土地利用現(xiàn)狀圖以2013年QuickBird影像為底圖對流域?qū)嵉卣{(diào)查生成;土壤數(shù)據(jù)由永和縣土壤1 ∶ 5萬地圖矢量化獲得。SWAT模型要求空間數(shù)據(jù)具有相同投影坐標(biāo)系，流域空間數(shù)據(jù)均為Gauss-Kruger投影，土地利用和土壤圖都轉(zhuǎn)為與DEM同樣?xùn)鸥翊笮〉腅SRI Grid格式，具體如圖1所示。

3.2 屬性數(shù)據(jù)庫

3.2.1 氣象數(shù)據(jù)庫 SWAT模型和AnnAGNPS模型的氣象數(shù)據(jù)都以日為基礎(chǔ)，并為驅(qū)動模型模擬提供水分和能量。SWAT模型氣象數(shù)據(jù)由氣象站獲得或天氣發(fā)生器模擬生成，只有模型指定模擬天氣狀況或缺少實測數(shù)據(jù)時，才會使用天氣發(fā)生器。為了模型模擬精度，實測數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能從流域內(nèi)或附近氣象站獲取。由模型對比分析可知，SWAT模型氣象數(shù)據(jù)中日降水、日最高和日最低氣溫、日太陽輻射值、日風(fēng)速值等可直接繼承AnnAGNPS模型的數(shù)據(jù)，AnnAGNPS模型氣象數(shù)據(jù)通過永和縣氣象局與岔口小流域內(nèi)設(shè)立的3個雨量站實測資料獲得。SWAT模型日相對濕度為永和縣氣象局10年實測數(shù)據(jù)。由于我國只有少數(shù)氣象臺才能進(jìn)行逐日太陽輻射的觀測，若用鄰近站點(diǎn)的輻射觀測值代替，往往誤差很大，因此，根據(jù)曹雯等的經(jīng)驗公式[42]計算逐日太陽輻射值。

3.2.2 土地覆蓋/植物生長數(shù)據(jù)庫 土地覆蓋/植物生長數(shù)據(jù)庫的變化會影響流域的蒸散發(fā)性能、土壤入滲能力和植物生長模擬過程，從而對產(chǎn)流產(chǎn)沙等水文過程產(chǎn)生一定的影響，土地覆蓋/植物生長

數(shù)據(jù)庫主要涉及植物的生長參數(shù)。根據(jù)SWAT模型的運(yùn)行要求，將研究區(qū)內(nèi)的梯田、坡耕地、喬木林等主要土地利用類型歸類;流域內(nèi)耕地種植玉米、大豆和馬鈴薯等作物，其中玉米種植面積約占耕地面積的87.3%，因此不考慮大豆、馬鈴薯的影響;種植核桃面積約占果園面積的59.5%，暫不考慮其他果樹的影響。經(jīng)過對流域土地利用和種植作物歸類，最終確定符合流域的覆蓋作物類型、代碼和相應(yīng)生長參數(shù)，具體如表3所示。

3.2.3 管理數(shù)據(jù)庫 不適當(dāng)?shù)墓芾聿僮鲿?dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，甚至由此引發(fā)次生生態(tài)環(huán)境問題。SWAT模型根據(jù)操作日期或者占潛在熱單位的分?jǐn)?shù)方法確定植物的生長狀況，岔口流域SWAT模型采用操作日期來確定植物的生長狀況。經(jīng)過對岔口流域內(nèi)每種作物的管理操作的調(diào)查，根據(jù)土地利用類型、作物類型、操作管理等不同進(jìn)行歸類，發(fā)現(xiàn)所有不同操作數(shù)達(dá)到93個，對流域內(nèi)不同操作數(shù)進(jìn)行適當(dāng)取舍，最終確定SWAT模型作物的管理操作為種植、施肥、收割、耕作、收獲和火燒等7種操作方式，操作時間如表4所示。其中對于森林和草地操作方式及操作日期的確定，發(fā)芽期作為生長季開始，植物種子成熟為結(jié)束，故流域內(nèi)林地和草地的操作時間為發(fā)芽期和植物種子成熟日期。2個模型徑流量計算采用SCS曲線法，徑流曲線數(shù)（CN）是影響模型產(chǎn)流計算的重要參數(shù)。CN值與土壤質(zhì)地、土地利用方式和降雨前的土壤濕潤狀況有關(guān)，在具體考慮CN取值時，也應(yīng)考慮不同的覆蓋條件、管理措施及地表的粗糙度對徑流產(chǎn)生的影響。流域CN值根據(jù)AnnAGNPS模型參數(shù)值和研究區(qū)實際情況進(jìn)行設(shè)置。

3.2.4 土壤數(shù)據(jù)庫 SWAT模型中土壤數(shù)據(jù)分為物理特征數(shù)據(jù)和化學(xué)特征數(shù)據(jù)2種，物理特征數(shù)據(jù)控制水和氣在土壤剖面中的運(yùn)動，主要影響HRU的水循環(huán)，因此，需輸入與流域相符合的物理特征數(shù)據(jù)。化學(xué)特征數(shù)據(jù)指土壤所含有的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的初始含量，一般情況下對此數(shù)據(jù)不必進(jìn)行更改，只有特殊情況時需針對流域?qū)嶋H情況輸入與之相符的化學(xué)特征數(shù)據(jù)[43]，而岔口流域無城鎮(zhèn)分布、無大型養(yǎng)殖場和工業(yè)企業(yè)，所以并不考慮流域土壤的化學(xué)特征，更注重土壤的物理特征數(shù)據(jù)。SWAT模型與AnnAGNPS模型的土壤粒級劃分都采用美國農(nóng)業(yè)部的美制標(biāo)準(zhǔn);SWAT模型的水文性質(zhì)分組采用美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局1996年的劃分標(biāo)準(zhǔn)，AnnAGNPS模型水文性質(zhì)分組采用美國農(nóng)業(yè)部1986年的劃分標(biāo)準(zhǔn)，雖然2個模型采用的水文性質(zhì)分組劃分標(biāo)準(zhǔn)年份不同，但區(qū)別不大?；?個模型基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)一致，SWAT模型土壤數(shù)據(jù)可根據(jù)AnnAGNPS模型進(jìn)行建立。黏粒含量、粉粒含量、沙粒含量直接參考AnnAGNPS模型的相應(yīng)參數(shù)，有效含水量與飽和滲透系數(shù)根據(jù)粒徑含量和SPAW軟件獲得，濕土的反照率與USLE-K因子由經(jīng)驗公式獲得。流域土壤數(shù)據(jù)如表5所示。

3.3 模型模擬及驗證

模型將岔口流域劃分為31個子流域、546個HRU，率定和驗證分別采用2011—2015年和2016—2017年岔口把口站實測月徑流數(shù)據(jù)。本研究利用SWAT-CUP對徑流較敏感的參數(shù)進(jìn)行率定，最終確定其參數(shù)范圍，并進(jìn)行驗證（圖2），敏感參數(shù)包括徑流曲線數(shù)（CN2）、土壤有效含水量（SOL-AWC）、平均坡長（SLSUBBSN）、基流消退系數(shù)（ALPHA-BF）等。模型用相對誤差（Re）、相關(guān)系數(shù)（R2）和納什系數(shù)（NSE）來評價模型的模擬精度，一般認(rèn)為地表徑流相對誤差在15%內(nèi)，R2>0.6，NSE>0.5則可接受模型模擬結(jié)果。

圖2反映了SWAT模型在岔口流域的模擬效果，在率定期間內(nèi)曲線多數(shù)擬合較好，實測與模擬的月徑流量變化趨勢基本一致，其Re、R2和NSE分別為-1.6%、0.67和0.61，但模型在降雨較集中期間，會出現(xiàn)低估徑流峰值的情況;與率定期相比，驗證期曲線擬合效果相對較差，但變化趨勢相對一致，其Re、R2和NSE分別為14.4%、0.63和0.59，模型驗證期情況與率定期相同，會低估徑流峰值?？傮w而言，岔口流域率定期與驗證期的R2和NSE均大于0.5，且月徑流量變化趨勢相對一致，因此SWAT模型滿足了岔口流域模擬產(chǎn)流運(yùn)用要求。

4 結(jié)論

SWAT模型與AnnAGNPS模型具有相同或相似的結(jié)構(gòu)算法及輸入?yún)?shù)。模型均可模擬評估流域水文、泥沙與次生生態(tài)影響，其中水文與泥沙具有部分相同或相似算法。模型氣象、土壤和管理措施等具有大量相似輸入?yún)?shù)，包括降水、土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)參數(shù)、CN2等。

建立SWAT模型數(shù)據(jù)庫時，空間數(shù)據(jù)可直接使用AnnAGNPS模型的空間數(shù)據(jù);屬性數(shù)據(jù)庫包含的大量相似參數(shù)也可直接利用，其余參數(shù)可取默認(rèn)值或結(jié)合流域、參考附表信息設(shè)置。

SWAT模型模擬月徑流量，其率定期和驗證期月徑流量相關(guān)系數(shù)（R2）和納什效率（NSE）均大于0.5，符合模擬標(biāo)準(zhǔn)且具有較好的適用性。由此可知，AnnAGNPS模型數(shù)據(jù)庫可為SWAT模型數(shù)據(jù)庫提供參考，大大節(jié)省了時間和工作量，有利于減少不必要的重復(fù)研究，實現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)共享，從而獲取更加合理、科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為流域之后的研究奠定基礎(chǔ)。

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