基于SWAT模型的黃河流域(河南段)徑流模擬研究

摘 要：【目的】水土資源不平衡嚴(yán)重制約著河南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，開展徑流模擬是進(jìn)行水土資源合理調(diào)控的前提，對(duì)于流域水土資源高效管理具有重要意義?！痉椒ā炕贕IS構(gòu)建黃河流域（河南段）的SWAT模型，建立流域模型的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，采用SUFI-2算法對(duì)影響模擬徑流結(jié)果的重要參數(shù)進(jìn)行分析，選擇花園口站和艾山站作為出口進(jìn)行校準(zhǔn)，模擬黃河流域（河南段）的徑流過程?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，參數(shù)中SFTMP、SOL_AWC對(duì)的徑流模擬結(jié)果的影響最為顯著；花園口站和艾山站的R2和NSE均大于0.8，SWAT模型在黃河流域（河南段）具有較好的適用性?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為黃河流域（河南段）水資源量模擬提供參考，建立的模型為花園口站和艾山站未來徑流變化模擬提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：SWAT模型；徑流模擬；花園口站；艾山站；黃河流域（河南段）

中圖分類號(hào)：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）19-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.009

Runoff Simulation Study of the Yellow River Basin （Henan Section） Based on the SWAT Model

YAO Wenpeng1 SUN Xinhua1 ZHOU Jialong2 ZHANG Yuxiao1

（1.Henan Academy of Geology， Zhengzhou 450016， China; 2. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] The imbalance of water and soil resources seriously restricts the high-quality development of economy and society in Henan Province.Runoff simulation is the premise of reasonable regulation of water and soil resources， which is of great significance for the efficient management of water and soil resources in the basin. [Methods] The SWAT model of the Yellow River basin （Henan section） was constructed based on GIS， the spatial database and attribute database of the basin model were established， SUFI-2 algorithm was used to analyze the important parameters affecting the simulated runoff results， and Huayuankou station and Aishan station were selected as the exits for calibration to simulate the runoff process of the Yellow River basin （Henan section）. [Findings] The results show that among the parameters， SFTMP and SOL _ AWC have the most significant influence on the runoff simulation results. R2 and NSE of Huayuankou and Aishan stations are greater than 0.8， and SWAT model has good applicability in the Yellow River basin （Henan section）. [Conclusions] The results have some reference for the simulation of water resources in the Yellow River basin （Henan section）， and the model provides a reference for the simulation of future runoff change at Huayuankou station and Aishan station.

Keywords：SWAT model; runoff simulation; Huayuankou Station; Aishan Station; Yellow River Basin （Henan section）

0 引言

2019年9月，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上作出部署，將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，指出“治理黃河，重在保護(hù)，要在治理”［1-2］。隨著黃河流域內(nèi)人口的增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種用水問題逐漸凸顯出來。當(dāng)前，人地矛盾尖銳、耕地質(zhì)量偏低、耕地退化等問題導(dǎo)致水土資源匹配較差，水資源過度開發(fā)利用、洪旱事件頻發(fā)、農(nóng)田面源污染加劇等水資源問題十分突出，嚴(yán)重制約著河南省高質(zhì)量發(fā)展［3］。為了遵循黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的國家戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)水土資源的合理調(diào)控，開展黃河流域（河南段）水資源模擬研究具有重要意義。

分布式水文模型能夠有效探究復(fù)雜水文循環(huán)過程和機(jī)理，可真實(shí)地模擬水文循環(huán)過程，利用水文模型開展流域水資源研究，對(duì)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義［4］。在眾多水文模型中，SWAT模型能有效模擬流域的水循環(huán)、土壤侵蝕和泥沙輸移過程［5］，可通過建立不同的情景來評(píng)估水文過程［6］，是研究水資源變化使用較多的模型［7］。

以往采用SWAT模型進(jìn)行水資源模擬的研究，大多采用單獨(dú)流域或流域內(nèi)某一區(qū)域（上下游、支流等）為研究單元，本研究結(jié)合研究區(qū)行政區(qū)劃，選擇黃河（河南段）為統(tǒng)一整體，包括黃河流域中游和下游部分區(qū)域，探索SWAT模型在分段區(qū)域間的適宜性，豐富了SWAT模型的應(yīng)用實(shí)例，研究結(jié)果也可對(duì)河南省沿黃城市的水資源合理開發(fā)利用提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河在流經(jīng)黃土高原后進(jìn)入河南省，黃河流域（河南段）（E110°21′～E116°6′，N33°41′～N36°6′）包含黃河流域的中下游區(qū)域，主要流經(jīng)城市包括三門峽、洛陽、濟(jì)源、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封和濮陽等8個(gè)市。以鄭州市花園口為分界點(diǎn)，花園口以西為中游，花園口以東為下游。模型以流域?yàn)榛A(chǔ)建立，建?？臻g數(shù)據(jù)庫邊界包含了山西省部分支流區(qū)域，研究區(qū)如圖1所示。研究區(qū)多年平均水資源量為197.05億m3，年均氣溫為12～16 ℃，降雨量為500～900 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源。本研究建立模型所需的數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程圖DEM（圖1）、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象和徑流。模型所用到數(shù)據(jù)的描述和來源見表1。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫建立。氣象數(shù)據(jù)庫采用天氣發(fā)生器模擬，土壤屬性數(shù)據(jù)庫采用SPAW計(jì)算，并將計(jì)算好的數(shù)據(jù)屬性導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)庫中。

1.3 研究方法

1.3.1 SWAT模型概述。SWAT模型是研究水循環(huán)使用最多的模型之一，基于SWAT模型模擬流域水文要素主要包括陸地、水面兩部分，流域水量平衡方程［8］計(jì)算見式（1）。

[SWt=SW0+j=1sPday，j-Qsurf，j-Ea，j-Wseep，j-Qgw，j] （1）

式中：SWt表示土壤含水量；SW0表示初始時(shí)段的土壤含水量；Pday，j表示第j天的降水量；Qsurf，j表示第j天的地表徑流量；Ea，j表示第j天的蒸散發(fā)量；Wseep，j表示第j天離開土壤剖面底部的滲透量和側(cè)流量；Qgw，j表示第j天的地下水徑流量，mm。

1.3.2 模型評(píng)價(jià)。依據(jù)SWAT-CUP工具中的SUFI-2算法對(duì)SWAT模型輸出結(jié)果進(jìn)行不確定性分析、敏感性分析、校準(zhǔn)和驗(yàn)證。選擇決定系數(shù)（R2）和納什效率系數(shù)（NSE）評(píng)價(jià)SWAT模型的模擬效果。當(dāng)R2＞0.6、NSE＞0.5時(shí)［9］，表明模擬效果可以被接受。R2和NSE計(jì)算分別見式（2）和式（3）。

[R2=i=1nQm，i-Qm，avgQs，i-Qs，avg2i=1nQm，i-Qm，avg2Qs，i-Qs，avg2] （2）

[NSE=1-i=1nQm，i-Qs，i2i=1nQm，i-Qm，avg2] （3）

2 SWAT模型在黃河流域（河南段）的應(yīng)用

2.1 模型建立及運(yùn)行

許多研究表明，SWAT子流域劃分對(duì)徑流的影響較小，對(duì)泥沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)模擬的結(jié)果影63Jhwy+ou28XIQSdkyHNiA==響較大。根據(jù)地形和最小集水面積，本流域被劃分成282個(gè)子流域。最大的子流域面積為1 084.65 km2；最小的子流域面積僅為0.03 km2。

在完成所有數(shù)據(jù)輸入后，設(shè)定本次模擬的時(shí)間尺度為2015—2020年，選2015年作為SWAT模型的預(yù)熱期。

2.2 參數(shù)分析

本研究利用SWAT-CUP來進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，其包含兩種分析類型：全局敏感性（Global Sensitivity）和一次1個(gè)（One-at-a-time）敏感性分析。參數(shù)敏感性分析的作用是找到影響模型輸出結(jié)果的幾個(gè)最關(guān)鍵參數(shù)，用T-stat和P-value來衡量參數(shù)的敏感性，其中T-stat代表敏感性程度，絕對(duì)值越大越敏感；P-value代表參數(shù)敏感性的顯著性，越接近于0越顯著。

本研究主要目的是進(jìn)行水量模擬，因此只需對(duì)水文模擬參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，根據(jù)對(duì)已有文獻(xiàn)的整理及專家建議，選取了12個(gè)參數(shù)對(duì)本次模擬進(jìn)行敏感性分析。主要參數(shù)見表2。

2.3 模擬結(jié)果分析

月徑流模擬過程評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果顯示，花園口站R2和NSE的結(jié)果分別為0.93、0.92，艾山站R2和NSE的結(jié)果分別0.94、0.89，模擬過程曲線如圖2所示。SWAT模型符合精度要求，模擬計(jì)算出的蒸發(fā)、降雨、土壤水含量變化等過程與實(shí)際或已有研究成果一致，模擬結(jié)果能較好地反映流域降水和徑流量的年內(nèi)、年際變化。流量過程線模擬結(jié)果表明，SWAT模型在黃河流域（河南段）的應(yīng)用效果非常好，模擬結(jié)果能較好地反映流域降水和徑流量的年分布，該模型適用于流域自然水循環(huán)的模擬。

3 討論

該模型所需的流域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)輸入是流域內(nèi)其他過程模擬的驅(qū)動(dòng)力，也是重要的數(shù)據(jù)之一，降雨量、氣溫和太陽輻射等參數(shù)對(duì)水文過程、作物生長(zhǎng)和養(yǎng)分的降解、轉(zhuǎn)化等都具有重要影響。該模型數(shù)據(jù)獲取具有局限性，因?yàn)闅庀笳镜姆植紩?huì)帶來一定的誤差，本流域選擇的氣象站點(diǎn)分布不均可能導(dǎo)致氣候信息不充分，給SWAT模擬帶來不確定性。

本研究將DEM數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)作為長(zhǎng)期不變的數(shù)據(jù)源輸入SWAT模型，但實(shí)際上地形可能一直處于微小的變化。DEM的這種宏觀變化難以被遙感數(shù)據(jù)探測(cè)或發(fā)現(xiàn)，對(duì)結(jié)果可靠性存在一定的影響。假設(shè)土壤性質(zhì)也不變，將土壤數(shù)據(jù)作為常量，對(duì)研究結(jié)果也有一定影響。

參數(shù)的選擇取決于分析者的主觀認(rèn)知，本次模擬選取的參數(shù)參考了相關(guān)研究者的結(jié)論，但由于研究時(shí)段的差異、研究范圍的不同，以及迭代方法的計(jì)算，所得到的結(jié)果也不能完全相同，這也是造成誤差的原因之一。

4 結(jié)論

①參數(shù)敏感性分析結(jié)果表明，在所選取的12個(gè)與徑流相關(guān)的參數(shù)中，SFTMP、SOL_AWC最為敏感，對(duì)徑流影響最為顯著。

②本研究建立了黃河流域（河南段）SWAT模型，模擬可以取得較滿意的結(jié)果，花園口站和艾山站的R2和NSE均大于0.8，表明SWAT模型在黃河流域（河南段）具有較好的適用性。

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