SWAT模型在浙江小流域徑流計算中的應用

藍雪春，完顏晟，張真奇

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

蓄滿產(chǎn)流模型廣泛適用于濕潤與半濕潤地區(qū)，如新安江模型[1]和TANK模型[2]。此外還有BTOPMC模型、TOPMODEL模型、網(wǎng)格式的MIKE SHE模型、坡面式GBHM模型和SWAT模型等[3-5]。國內(nèi)外學者的研究表明，新安江模型、GBHM模型、BTOPMC模型、TANK模型和TOPMODEL模型在大流域的適用性較好，而MIKE SHE模型和SWAT模型則在小流域的精度較高[3，6]。TANK模型在浙江省應用廣泛，SWAT模型雖有應用，但主要在蘭江、衢江等大中型流域[7-10]，在小流域的徑流模擬中鮮有報道。

湖漫水庫是溫嶺市最大的集中式生活飲用水水源水庫，流域面積26.50 km2，庫容3 500萬m3，為城區(qū)及周邊20多萬城鎮(zhèn)人口提供生活生產(chǎn)用水。因流域范圍內(nèi)還有2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)12個行政村近1萬人未行搬遷，加之庫區(qū)內(nèi)常年耕作的7 000余畝耕地，多年來使得水庫水質(zhì)保護備受困擾?？紤]到湖漫水庫流域面積小，且SWAT模型在浙江省小流域徑流計算中尚無先例，因此以該水庫為研究對象，討論其在浙江省小流域徑流模擬中的適用性，同時也為下一步優(yōu)化水庫的調(diào)度管理、制定面源污染防治方案和提出有針對性的水質(zhì)保護措施奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

收集了湖漫水庫庫區(qū)附近溫嶺氣象站1999—2018年逐日實測氣象數(shù)據(jù)，庫區(qū)1∶10 000地形圖，2015年土地利用二調(diào)數(shù)據(jù)和浙江省第二次土壤普查成果。利用Arcgis10.2軟件加載的SWAT2012模塊，建立湖漫水庫的SWAT模型。

模型的適用性采用R2、ENS、Re3個指標進行評價。

(1)

(2)

(3)

式中R2——決定系數(shù)，反映實測值與模擬值之間的吻合程度，取值范圍為0～1，一般認為R2>0.6，數(shù)據(jù)吻合較好；ENS——Nash-Sutcliffe系數(shù)，反映模擬值與實測值之間的擬合程度，取值范圍為0～1，一般認為ENS>0.6，數(shù)據(jù)擬合較好；Re——誤差，反映模擬值與實測值之間的相對誤差，絕對值小于20%，表示模擬結(jié)果可以接受；Qs——徑流模擬值；Qm——徑流實測值；Qavgs——徑流模擬平均值；Qavgm——徑流實測平均值；n——觀測次數(shù)。

2 模型的構(gòu)建

2.1 數(shù)字高程地形(DEM)的制備

將帶有高程信息的庫區(qū)1比1萬矢量地形圖利用Arcgis10.2軟件中的創(chuàng)建TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))工具轉(zhuǎn)換成高程面，再用TIN轉(zhuǎn)柵格工具將高程面轉(zhuǎn)換成DEM柵格數(shù)據(jù)用于SWAT模型生成河網(wǎng)和研究流域，見圖1。

圖1 湖漫水庫流域數(shù)字高程地形

2.2 子流域的劃分

子流域劃分是模型構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)，劃分的數(shù)量對模型的模擬結(jié)果有一定影響[11]。子流域劃分個數(shù)過少時，模型對空間描述不夠，生成的河網(wǎng)水系不符合流域?qū)嶋H特征,導致徑流、泥沙和營養(yǎng)物的模擬不真實[12]；劃分的數(shù)目越多越能體現(xiàn)研究區(qū)域下墊面的分布情況，但個數(shù)過多時，生成的河網(wǎng)水系過于密集，亦不符合流域?qū)嶋H情況，且會增加模型輸入數(shù)據(jù)準備的工作量和影響模型的計算效率[12-13]。

鑒于湖漫水庫集雨面積較小，模型將研究區(qū)劃分為26個子流域(圖2)，平均匯水面積約1 km2，這樣既能保證模型的精度，又盡可能反映流域的特征。

2.3 HRUs的劃分

水文響應單元(HRUs)是SWAT模型流域產(chǎn)流計算的基本單元，是子流域內(nèi)基于不同土地利用類型和土壤類型以及地形坡度的組合，不同組合決定了給定降雨條件下產(chǎn)流量的大小。

SWAT 模型定義 HRUs 有4種方式：第1種方式是為每個子流域創(chuàng)建一個HRU，根據(jù)子流域中的主要土地利用、土壤和坡度類型選定組合；第2種方式也是為每個子流域創(chuàng)建一個HRU，區(qū)別之處在于對流域中的主要土地利用、土壤和坡度組合進行排序，選擇面積最大的；第3種方式是直接確定子流域的HRU個數(shù)；第4種方式通過設(shè)置土地利用、土壤類型和坡度的選擇條件(閾值)，小于該閾值的土地利用、土壤和坡度類型的面積按權(quán)重分配到大于該閾值的其他土地利用、土壤和坡度類型的面積中。為了確保模型精度，本研究采用第4種方式進行HRUs的劃分，設(shè)置土地利用、土壤、坡度的閾值分別為5%、5%、5%，最終將湖漫水庫集雨區(qū)劃分為356個水文響應單元(圖3—5)。

2.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象因子是驅(qū)動SWAT模型運行最主要的因素。SWAT模型所需的氣象因子包括日降水量、日氣溫數(shù)據(jù)(最高、最低氣溫)、日相對濕度、日太陽輻射、日平均風速以及以上數(shù)據(jù)缺失時所需的天氣發(fā)生器數(shù)據(jù)。本研究采用距庫區(qū)約3 km的溫嶺氣象站1999—2018年逐日實測氣象數(shù)據(jù)作為SWAT模型輸入數(shù)據(jù)。

2.5 率定方法及參數(shù)選取

根據(jù)前人的研究成果，在SWAT模型眾多的參數(shù)中選擇了與地表產(chǎn)匯流關(guān)系密切的CN2.mgt等11個參數(shù)進行率定，率定期為1999—2008年，驗證期為2009—2018年，其中1999—2000年為模型預熱期，通過SWAT-CUP2012的SUFI-2優(yōu)化算法反復迭代試算。

圖4 湖漫水庫流域土壤類型

圖5 湖漫水庫流域坡度

3 結(jié)果與討論

徑流率定見圖6，率定期的p-factor(95%置信區(qū)間包含實測值比例)、r-factor(95%不確定性區(qū)間平均寬度)、R2、ENS、Re見表1。p-factor>0.5且r-factor<1.5，說明模型的不確定性可以接受；R2=0.89、ENS=0.88，均大于0.6，說明模型的精度較好，率定期的平均徑流量為0.85 m3/s，與觀測值0.80 m3/s接近，Re=6.25%，絕對值小于20%，率定結(jié)果可以接受。

圖6 徑流率定結(jié)果

表1 模型計算及驗證結(jié)果

將率定好的參數(shù)重新輸入SWAT模型，采用2009—2018年的實測徑流進行驗證(圖7)，驗證期的R2=0.93、ENS=0.91，平均徑流量為0.74 m3/s，觀測值0.78 m3/s，Re=-5.13%，見表1。率定期和驗證期平均徑流量為0.80 m3/s，觀測值0.79 m3/s，Re=1.3%，精度與李藝婷等[14]采用新安江模型模擬的結(jié)果相近。由此說明構(gòu)建的SWAT模型較好地反映了湖漫水庫流域產(chǎn)匯流規(guī)律，可以用于湖漫水庫徑流過程的計算及預測。浙江省水利水電勘測設(shè)計院用TANK模型計算的平均流量為0.75 m3/s[2]，誤差Re=-5.1%，其計算精度低于本次構(gòu)建的SWAT模型。TANK模型是基于新安江模型的蓄滿產(chǎn)流理論計算徑流，當流域面積較小時，采用集總式進行產(chǎn)匯流計算，當流域面積較大時才會把全流域分為多個單元流域進行分塊計算后匯總。對于小流域來說，受流域降雨分布不均的影響較小，因此采用集總式計算的誤差較小，但隨著流域面積的增大，誤差會變得越來越大。SWAT模型不論流域大小，均把流域劃分成下墊面相似的子流域進行分塊計算，這就保證了模型具有較高的計算精度。

圖7 徑流驗證結(jié)果

率定參數(shù)的物理意義及敏感性見表2。借助統(tǒng)計學方法中常用的t值檢驗對選用的率定參數(shù)進行敏感性檢驗，參數(shù)的t值絕對值越大，選用的參數(shù)越敏感，該參數(shù)對徑流模擬結(jié)果的影響程度越大；參數(shù)的P值越小，選用的參數(shù)敏感性越顯著，該參數(shù)對模型的影響越大。通常認為P≤0.05，該參數(shù)對計算結(jié)果有顯著影響[15]。表中數(shù)據(jù)顯示，SOL_AWC.sol(土層有效含水量)和CN2.mgt(初始的SCS徑流曲線數(shù))的t值分別排在第一、二位，P值小于0.05，說明土壤的有效含水量及不同地類的徑流系數(shù)對湖漫水庫徑流的影響非常顯著。其他參數(shù)P值均大于0.05，說明改變這些參數(shù)對模型的計算結(jié)果影響很小。

土層有效含水量是田間持水量與永久凋萎系數(shù)的差值，主要反映的是不同土壤所能維持的可被植物利用的最大含水量，當降雨使得土層有效含水量達到最大值時流域開始產(chǎn)流，是地表產(chǎn)流的最主要因子，這也是該參數(shù)敏感性最高的原因。初始的SCS徑流曲線數(shù)反映的是降雨前流域特征的一個綜合參數(shù)，與土壤滲透性、坡度、土地利用和前期土壤水分條件等相關(guān)，其物理意義等同于水文學中常用的徑流系數(shù)。SWAT模型充分考慮了流域內(nèi)土地利用、坡度和土壤類型等不同下墊面情形對徑流的影響，從而進一步提高了其計算精度。

表2 率定參數(shù)及敏感性

從徑流率定和驗證的結(jié)果來看，徑流模擬值的變化趨勢與觀測值的變化趨勢基本一致，兩者峰值的吻合程度也較好。因此，如果采用每小時甚至是每半小時的降雨數(shù)據(jù)，則可基本實現(xiàn)同步實時的徑流量預測，這就為利用構(gòu)建的SWAT模型進行洪水過程及洪峰流量預報提供了可能性。對于匯流時間短的小流域，精度可能較高，但對于匯流時間長的大流域，誤差可能會很大，這還需要實例進一步驗證。

除了利用短期氣象預報數(shù)據(jù)進行洪水預報外，SWAT模型還可利用中長期的氣象預報數(shù)據(jù)進行水量預測，這也為優(yōu)化水庫的調(diào)度和減少棄水、合理調(diào)配水資源、供水量預警創(chuàng)造了條件，借此最大限度地發(fā)揮湖漫水庫的供水能力。

利用SWAT模型的徑流模擬成果還可與湖漫水庫流域內(nèi)的土壤化學調(diào)查數(shù)據(jù)、土地利用及耕作調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合，進一步模擬湖漫水庫面源污染產(chǎn)生過程及其對水庫水質(zhì)的影響，為水庫制定水源地保護規(guī)劃，確定最佳水質(zhì)保護措施提供參考依據(jù)。

4 結(jié)語

構(gòu)建的湖漫水庫SWAT模型可以很好地模擬其徑流產(chǎn)生的過程及峰值，模型計算的多年平均流量為0.80 m3/s，多年平均流量觀測值為0.79 m3/s，兩者相差僅0.01 m3/s。參數(shù)敏感性分析表明，對徑流模擬結(jié)果影響最主要的參數(shù)是SOL_AWC.sol和CN2.mgt。SWAT模型與氣象預報數(shù)據(jù)相結(jié)合，可進行湖漫水庫洪水過程及洪峰流量預報，為水庫調(diào)度優(yōu)化方案制定和供水預警創(chuàng)造條件；同時進一步結(jié)合土壤化學和土地利用及耕作調(diào)查數(shù)據(jù)，可為水源地保護規(guī)劃的制定和確定最佳水質(zhì)保護措施提供支撐。