基于SWAT模型的溈水流域徑流模擬

劉 婕

（長沙水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410014）

緒 論

水是自然界中是最重要的自然資源之一。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水資源的地位和作用愈加明顯。與此同時，更加突出的水供需矛盾也對社會經(jīng)濟的發(fā)展存在著不利的影響，因此，對水資源進行科學(xué)規(guī)劃，合理利用是當(dāng)今社會資源配置的重中之重[1]。開展流域徑流模擬研究，為今后區(qū)域水資源開發(fā)利用提供技術(shù)支撐也成為當(dāng)前的研究重點。

流域水文模型是研究水文變化規(guī)律，對水資源進行合理配置的一種工具。分布式水文模型是近些年來水文科學(xué)建模領(lǐng)域的重點和熱點，特別是隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以借助GIS 和RS 獲取流域的空間地理信息，同時可以考慮降水的空間分布不均勻性和流域下墊面條件的不均勻性，為模型的發(fā)展提供了技術(shù)保證，鋪平了模型發(fā)展的道路，給流域水文模型的研究注入了新的血液。作為代表性的分布式水文模型，SWAT 模型得到了廣泛應(yīng)用。作為水文科學(xué)研究的新方向，模型在流域徑流模擬、流域下墊面條件變化以及氣候變化響應(yīng)模擬、污染物的運移模擬等方面有著廣泛的應(yīng)用。

本研究選定溈水流域作為研究區(qū)域，建立溈水流域的分布式水文模型并對溈水流域進行徑流模擬，目的在于研究SWAT 模型在溈水流域的適用性，并為溈水流域水資源的開發(fā)利用提供參考。

1 研 究

SWAT 模 型 是 在SWRR B（Simulator for Water Resources in Rural Basins）模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了ARS 幾個模型的特點。模型自開發(fā)以來，已經(jīng)在北美、歐洲等地得到了廣泛的應(yīng)用驗證，并在應(yīng)用中不斷地改進。

SWAT 模型的最直接前身是SWRRB 模型。這個模型是20 個世紀(jì)70 年代由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的。SWRRB 模型最初只能夠模擬土地利用對田間水分、泥沙、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)流失的影響[2]。并且SWRRB 模型在模擬流域的尺度上局限性很大，不能模擬集水面積超過500 km2的流域。這期間研發(fā)了ROTO（Routing Output to Outlet），有效克服了SWRRB 模型子流域數(shù)量的限制，但在接受SWRRB 模型的輸出結(jié)果時需要頻繁存儲輸入輸出文件，計算存儲空間大。20 世紀(jì)90 年代，為解決上述問題，提高計算效率，在Aronld 主持下將SWRRB 與ROTO 整合在一起成為SWAT 模型，實現(xiàn)了模型的統(tǒng)一。自SWAT 模型建立后又經(jīng)歷了多次改進，從最初的引入多個水文響應(yīng)單元（Multy Hydrologic Response Units）到改進天氣生成器以及城區(qū)污染物累計和沖刷計算等模塊，整個模型都是在不斷的完善中。本研究使用的是arcgis 10.2 的對應(yīng)版本ArcSWAT 2012.10.21。該版本新增的比較好的功能有：Run SwatCheck 模塊中添加了對天氣數(shù)據(jù)文件的讀取，以及在Run SWAT 用戶界面中，改進了用戶打印輸出參數(shù)選項[3～4]。

2 流域概況

寧鄉(xiāng)市境內(nèi)主要河流為溈水河，溈水為湘江下游左岸一級支流，發(fā)源于寧鄉(xiāng)市溈山和扶王山，兩個溈水源頭河水流向大致為自西向東，干流沿途流經(jīng)龍?zhí)镦?zhèn)、沙田鄉(xiāng)、巷子口鎮(zhèn)、金洲鄉(xiāng)等17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于長沙望城區(qū)新康鄉(xiāng)匯入湘江。溈水河到湘江的入河口處控制流域面積為2 430 km2，河長144 km，平均坡降1.16%。流經(jīng)寧鄉(xiāng)市120 km，流域面積2 209 km2，占整個溈水流域面積的91%、全縣總面積的76%。本研究范圍為寧鄉(xiāng)水文站以上區(qū)域，控制流域面積為2 205 km2。圖1 為研究區(qū)域地理位置圖。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

2.1 自然環(huán)境

2.1.1 土 壤

研究區(qū)域內(nèi)主要土壤成分有人為土和低活性強酸土，分別占研究區(qū)域內(nèi)面積的39.51%和35.43%，含量最少的土壤成分為鐵鋁性雛形土，只占總面積的8.99%，鋁鐵性雛形土占研究區(qū)域的11.13%。

2.1.2 植 被

研究區(qū)域內(nèi)主要的植被為指郁閉度>30%的天然林和人工林，占總面積的42.8%，其次是水稻田，占總面積的29.8%，林木郁閉度為10%～30%的林地占16.4%。

2.1.3 氣 候

流域內(nèi)氣候?qū)僦衼啛釒虮眮啛釒н^度的大陸性季風(fēng)濕潤氣候?；咎攸c是：四季分明、水熱充足、冬冷期短、夏熱期長、春溫多變、寒潮頻繁、回暖較早、秋溫呈階段性急降。據(jù)寧鄉(xiāng)市氣象局歷年資料統(tǒng)計：多年平均溫度為16.8℃，1 月是最冷月，平均氣溫4.5℃，7 月是最熱月，平均氣溫高至28.9℃，年平均相對濕度81%，年平均日照1 714.7 h。

2.2 水文基本情況

寧鄉(xiāng)水文站址為寧鄉(xiāng)市歷經(jīng)鋪鄉(xiāng)群星村，東經(jīng)112°37′，北緯28°17′，位于溈水河流右岸，屬溈水流域控制站，集水面積2 205 km2，距河口距離27 km，屬于二類精度站。

石壩子站位于寧鄉(xiāng)市壩塘鎮(zhèn)溈烏村，是溈水支流烏江的下游控制站，控制流域面積563 km2，1954 年1月開始觀測，屬二類精度水文站。

3 溈水流域SWAT 模型數(shù)據(jù)庫研究

3.1 數(shù)字高程數(shù)據(jù)

DEM 是描述區(qū)域地貌形態(tài)空間分布的GIS 數(shù)據(jù)，是SWAT 模型在建庫初期需要的基本數(shù)據(jù)，在之后的SWAT 模型建模的過程中，將利用DEM 數(shù)據(jù)進行流域水系生成以及子流域劃分等工作。本研究運用的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺（http://bjdl.gscloud.cn/），采用GDEMDEM 高程數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30 m，圖2 為研究區(qū)DEM 圖。

圖2 拼接后的DEM 圖

3.2 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用是SWAT 模型建立的重要數(shù)據(jù)之一，影響著降水在陸面的成流過程，對模擬結(jié)果有重要影響。SWAT 模型需要的土地利用數(shù)據(jù)包括土地利用分布圖（矢量或柵格）及土地利用類型索引表。土地利用分布圖的屬性數(shù)據(jù)中必須含有說明圖層中土地利用類型的字段，并且每種類型與SWAT2012 數(shù)據(jù)庫中的某條記錄相對應(yīng)。收集了2015 年中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是在科技部和科學(xué)院的項目支持下，2015 年中國1∶10 萬比例尺土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)集，基于landsat 8 遙感影像，通過人工目視解譯，并在2010 年數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上更新生成的2015 年數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理流程如下：首先對數(shù)據(jù)進行投影，投影坐標(biāo)系統(tǒng)和DEM 數(shù)據(jù)一致。然后根據(jù)子流域劃分過程中的Basin 文件（.shp 格式）裁剪流域的土地利用圖輸出并保存tif 柵格文件，這樣保證了土地利用跟整個流域的貼合率達到98.09%。

在模型加載土地利用類型之前要將土地利用類型進行重分類，重分類是根據(jù)模型自帶數(shù)據(jù)庫，將土地利用類型分成五大類，分別是農(nóng)田、森林、草地、水域和聚落，如表1 和圖3 所示。研究區(qū)域總面積為2 202.4 km2，其中耕地占研究區(qū)域的34.06%，面積為750.2 km2，林地的面積最大，占研究區(qū)域的61.08%，面積為1 345.1 km2，草地面積最小，占研究區(qū)域面積的0.45%，面積為9.91 km2，而城鎮(zhèn)建設(shè)用地占比為2.95%，面積為64.97 km2。

圖3 土地利用類型重分類圖

表1 溈水流域土地覆蓋分類表

3.3 土壤類型數(shù)據(jù)

大部分的降水都是通過滲透到儲存的土壤中，有一些水通過植物的蒸騰作用返回到大氣中，蒸發(fā)或被引導(dǎo)到較低的水平和地面下，還有一部分水滲透到地下成為地下水。因此，現(xiàn)代模擬和分析水文過程在很大程度上依賴于對土壤水分保持和土壤剖面的滲透特性的研究。SWAT 模型中土壤數(shù)據(jù)文件主要包括土壤類型分布圖、土壤類型索引表及土壤物理屬性文件（即土壤數(shù)據(jù)庫參數(shù)）。土壤的物理屬性決定了土壤剖面中水和氣的運動情況，并且對HRU 中的水循環(huán)起著重要的作用，是SWAT 建模前期處理過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。模型中包含的土壤物理屬性參數(shù)有土壤名稱、水文分組、土壤層厚度、土壤濕密度、土壤層有效持水量、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等，具體土壤物理屬性如表2 所示。

表2 土壤物理屬性數(shù)據(jù)參數(shù)表

要讓土壤數(shù)據(jù)運用到溈水流域中，數(shù)據(jù)處理流程如下：首先對數(shù)據(jù)進行投影，投影坐標(biāo)系統(tǒng)和DEM 數(shù)據(jù)一致，然后根據(jù)子流域劃分過程中的Basin 文件（.shp 格式）裁剪流域的土地利用圖輸出并保存tif 柵格文件，土壤類型跟整個流域的貼合率達到98.08%，通過查看所裁剪研究區(qū)域內(nèi)的土壤類型的數(shù)據(jù)表可以發(fā)現(xiàn)，有一部分土壤的屬性是相同的，再進行重分類，將屬性相同的數(shù)據(jù)合成一類，最后剩下9 種土地類型如圖4 所示。

圖4 土壤重分類圖

根據(jù)SYMBOL 查找到對應(yīng)土壤的中文名稱以及土組如表3 所示。

表3 土壤對應(yīng)的中文名稱表

3.4 氣象數(shù)據(jù)

SWAT 模型氣象數(shù)據(jù)庫包括降水?dāng)?shù)據(jù)、氣溫數(shù)據(jù)、相對濕度數(shù)據(jù)、太陽輻射數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)。本研究所采用的雨量站密集地分布在整個流域的各支流和主干流旁，分別是八石頭、檀木橋、東湖塘、石壩子、寧鄉(xiāng)、青山橋、流沙河、石螺山、巷子口、溈山和雙鳧鋪，位置為圖5 所示，使用的雨量資料均為每日降雨量。本研究所采用的氣溫、相對濕度、太陽輻射以及風(fēng)速數(shù)據(jù)從2000—2016 年都是使用的CMADS（The China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model），2017—2018 的最新數(shù)據(jù)則是來源于氣象局的實測數(shù)據(jù)。溫度資料為逐日最高溫度和逐日最低溫度，濕度為逐日平均濕度，風(fēng)速為逐日平均風(fēng)速，太陽輻射為逐日平均太陽輻射。

圖5 寧鄉(xiāng)市水文站及雨量站分布圖

4 SWAT 模型參數(shù)校準(zhǔn)與驗證

SWAT 模型參數(shù)眾多，而在建模的過程中模型本身自帶的參數(shù)以及收集的參數(shù)都存在一定的不確定性，為了模型的準(zhǔn)確性，使模型能夠應(yīng)用于研究區(qū)域，本研究將利用SWAT-CUP 軟件對模型進行校準(zhǔn)和驗證，探索在氣溫變化以及降雨量變化下對徑流的影響以及非點源污染的分布特征。SWAT-CUP 系統(tǒng)中共有五種算法，分別是Sufi2、GLUE、ParaSol、McMc 和PSO，對這五種算法中最適合做流域模型分析的Sufi2 算法進行率定分析。

4.1 模型參數(shù)敏感性分析

模型的敏感性參數(shù)，首先SWAT-CUP 給出4 個，分別是SCS 徑流曲線數(shù)（CN2）、基流α 因子（ALPHA_BF）、地下水延遲系數(shù)（GW_DELAY）和淺層地下水徑流系數(shù)（GWQMN），這4 個參數(shù)在大多數(shù)的模擬中都是比較敏感的，其中SCS 徑流曲線數(shù)是屬于土地管理類.mgt，它是濕度條件Ⅱ的初始SCS 徑流曲線值。SCS 曲線值是土壤滲透性，土地利用和先決土壤含水量的函數(shù)。典型的濕度條件Ⅱ的曲線值列于表4，其隨土地植被和土壤類型的改變而改變，這些值適用5%的坡度。曲線值在種植、耕作和收獲/死亡操作中進行更新。如果CNOP 沒在這些操作中定義，設(shè)定的CN2 值將用于整個模擬過程中，如果其中一個操作的CNOP 被定義，設(shè)定的CN2 值用到第一個CNOP 值操作開始為止。根據(jù)這些，模型僅使用CNOP 值來定義濕度條件Ⅱ的曲線值。CN2 值和CNOP 值必須作為先決條件輸入。在有城鎮(zhèn)土地利用的HRU 中，模型會調(diào)整曲線值來反映不受影響區(qū)域?qū)φw的影響，因此無論是徑流還是面源污染受它的影響都很大，同時多次迭代也證明了它的敏感性是最強的。除了以上4 個參數(shù)，SWAT 還有眾多參數(shù)，本研究總共選取了與徑流模擬有關(guān)的12 個參數(shù)，用SUFI-2 算法尋求最優(yōu)參數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 溈水流域徑流參數(shù)敏感性分析結(jié)果表

4.2 模型率定和驗證

4.2.1 模型校準(zhǔn)驗證評判標(biāo)準(zhǔn)

本文采用以下3 個系數(shù)來評價模型的模擬效果，即Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)Ens、實測值和模擬值的相對誤差（Re）以及確定性系數(shù)（R2），這3 個系數(shù)可以表征模型模擬的精度，并評價SWAT 模型是否適合本研究區(qū)域，各系數(shù)公式如下：

1）效率系數(shù)Ens：是一個用來表征整個徑流模擬過程的好壞程度的綜合指標(biāo)，取值一般在0～1 之間，值越小，表明模型的模擬精度不高，值越大，模擬值可信度越高。計算公式如下：

其中，n 為實測數(shù)據(jù)的個數(shù)，Qm為實測值，Qp為模擬值，Qa為實測平均值。

2）相對誤差Re：用于表征模擬值和實測值之間的差距，值為正，代表模擬值偏大，值為負，代表模擬值偏小。相對誤差的計算公式為：

其中，Pi是模擬值，Qi是實測值。這是為了表征模擬值是否大于實測值的公式，如果Pi>Qi則表明模擬值大于實測值，否則相反。

3）確定系數(shù)R2：用來表征模擬值與實測值曲線的擬合程度，Si為實測數(shù)據(jù)；S 為實測數(shù)據(jù)的平均值；Mi為模擬值；M 為模擬值的平均值，若R2=1，說明相關(guān)性很高；且越接近于0 說明相關(guān)性越小，越接近1 則相關(guān)性越大。

一般而言，R2≥0.6 且Ens≥0.5 時，模擬準(zhǔn)確性較好，模擬結(jié)果可以接受模型的校準(zhǔn)及驗證。

4.2.2 年徑流量的模擬與驗證

本研究年徑流模擬開始時間為2000 年，結(jié)束時間為2018 年，總共19 年，模型選定2000—2001 為預(yù)熱期，2002—2013 年為率定期，2014—2018 年為模型的驗證期。選取本研究區(qū)域出口控制站寧鄉(xiāng)站以及烏江控制站石壩子站做流量率定和驗證。以下是年尺度作了徑流量的模擬，表5 是寧鄉(xiāng)站計算年徑流模擬確定系數(shù)與效率系數(shù)的表，圖6 是寧鄉(xiāng)水文站率定期和驗證期年實測徑流量與模擬徑流量的對比圖。從圖6 上來看，陰影區(qū)域是95 PPU 的取值范圍，從2002—2006年，模擬的值都低于該區(qū)間，率定期的決定性系數(shù)R2比較好，但納什效率系數(shù)Ens只有0.7，應(yīng)該是這一部分原因?qū)е碌?，可能原因是因為所使用的土地利用類型?015 版，數(shù)據(jù)形成時間是2013 年左右，因此越是相隔時間久越可能存在偏差，而驗證期的R2與Ens分別為0.98 和0.96，說明模擬精度高，能夠很好地運用于年模擬中。

圖6 寧鄉(xiāng)站率定期年實測和模擬徑流量比較圖

表5 寧鄉(xiāng)年徑流模擬確定系數(shù)與效率系數(shù)的表

表6 是石壩子站計算確定系數(shù)與效率系數(shù)的表，圖7 是石壩子水文站率定期和驗證期年實測徑流量與模擬徑流量過程線的對比圖。從圖7 上來看，陰影區(qū)域是95 PPU 的取值范圍，在整個率定期間，率定期的決定性系數(shù)R2和納什效率系數(shù)Ens都非常好，平均大于0.92，石壩子站烏江流域以上主要流經(jīng)的地區(qū)為農(nóng)村，這里的土地利用變化不如主干流控制站寧鄉(xiāng)站變化多，寧鄉(xiāng)站上游3 km 處開始便是寧鄉(xiāng)城區(qū)，由于2021年以來城市化進程的快速發(fā)展，寧鄉(xiāng)站徑流受土地利用變化的影響明顯要大于石壩子站，因此得出結(jié)論，土地利用是造成差異的主要原因，決定性系數(shù)R2和納什效率系數(shù)Ens分別為0.95 和0.94，說明該模擬在溈水子流域烏江流域的年模擬非常精確，該模型能夠很好地運用與整個流域的徑流模擬。

表6 石壩子站計算確定系數(shù)與效率系數(shù)表

4.2.3 月模擬的校準(zhǔn)與驗證

本研究月徑流模擬開始時間為2000 年，結(jié)束時間為2018 年，總共19 年，模型選定2000—2002 為預(yù)熱期，2003—2013 年為率定期，以2014—2018 年為模型的驗證期。表7 是寧鄉(xiāng)站計算月徑流模擬確定系數(shù)與效率系數(shù)的表，圖8 是寧鄉(xiāng)水文站率定期和驗證期年實測徑流量與模擬徑流量的對比圖。從圖8 上來看，陰影區(qū)域是95 PPU 的取值范圍明顯變窄。從整體上來看，率定期內(nèi)模擬流量與實測流量過程線比較吻合。決定性系數(shù)和納什系數(shù)均大于0.8，說明模型模擬精度達到要求，能比較好地模擬月徑流量，得到的模擬值是可信的。說明模型模擬精度在小子流范圍內(nèi)的精度更高，得到的月模擬值可以運用于小子流域的徑流模擬，得到的模擬值是可信的。

圖8 寧鄉(xiāng)站率定期月實測和模擬徑流量比較圖

表7 寧鄉(xiāng)站計算月徑流模擬確定系數(shù)與效率系數(shù)表

圖9 石壩子站率定期月實測和模擬徑流量比較圖

表8 石壩子站計算月徑流模擬確定系數(shù)與效率系數(shù)的表

5 結(jié) 論

本研究選定溈水流域作為研究區(qū)域，利用SWAT分布式水文模型對寧鄉(xiāng)水文站上游的年、月尺度的徑流量進行了模擬。通過對模型參數(shù)的校準(zhǔn)和驗證，對模型的適用性進行了評價，并計算出了適用于溈水流域的參數(shù)，對比分析了率定期和驗證期的徑流模擬值與實測值的結(jié)果。在研究了SWAT 模型在溈水流域可用性的基礎(chǔ)上，本文的研究成果主要有以下幾點：

1）收集了研究區(qū)的DEM 圖、土壤類型圖、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及實測徑流資料，并利用ArcGIS 對這些數(shù)據(jù)進行了投影變換、剪裁與拼接以及重分類處理。根據(jù)研究區(qū)的DEM 圖提取了流域水系、邊界、面積等信息，并對流域進行了子流域劃分。

2）根據(jù)收集的土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，運用ArcGIS 軟件建立了模型需要的土地利用和土壤類型空間數(shù)據(jù)庫。通過SPAW 軟件計算了研究區(qū)的部分土壤物理屬性參數(shù)，根據(jù)CMADS1.1 大氣同化數(shù)據(jù)集構(gòu)建了模型氣象數(shù)據(jù)庫。

3）通過對寧鄉(xiāng)水文站和石壩子水文站年、月尺度的徑流進行率定和驗證，SWAT 模型在溈水流域上的年徑流模擬確定系數(shù)R2在0.93～0.98 之間，效率系數(shù)Ens在0.7～0.96 之間。月徑流模擬確定系數(shù)R2在0.90～0.96之間，效率系數(shù)Ens在0.87～0.95 之間。評價指標(biāo)值均滿足應(yīng)用要求，表明模型能較好地對溈水流域進行月尺度徑流模擬，模型在溈水流域具有適用性。分析了SWAT模型在本研究區(qū)域內(nèi)各種時間尺度的徑流模擬，得出本研究區(qū)域內(nèi)SWAT 模型用于月尺度精度最高的結(jié)論。