基于CN05. 1 數(shù)據(jù)集驅(qū)動SWAT 模型的基于CN05. 1 數(shù)據(jù)集驅(qū)動SWAT 模型的

摘 要：為探究CN05. 1數(shù)據(jù)集驅(qū)動下的SWAT模型在氣象站稀缺地區(qū)模擬效果以及流域徑流對氣候變化的響應(yīng)，選取玉龍喀什河流域為研究區(qū)，利用上述數(shù)據(jù)集驅(qū)動SWAT模型對該流域1991—2020年進行逐月徑流模擬，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了25種氣候情景模式，通過模型導入25種氣候情景下氣象數(shù)據(jù)模擬徑流。結(jié)果表明：CN05. 1+SWAT模型適用于玉龍喀什河流域的徑流模擬，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，率定期和驗證期的決定系數(shù)（R2）、納什系數(shù)（CNS）和百分比偏差（σP）均達到模型評價標準，率定期（1991—2005）CNS、R2、σP分別為0. 85、0. 86、-10. 35%，驗證期（2006—2020）CNS、R2、σP分別為0. 76、0. 79、-14. 75%；CN05. 1數(shù)據(jù)集可以為無氣象資料的玉龍喀什河流域水文模擬提供時間連續(xù)、時間序列長、高分辨的氣象數(shù)據(jù)，可用作后續(xù)的研究與應(yīng)用；CN05. 1數(shù)據(jù)集能夠準確反映玉河流域的下墊面和地表大氣特征；玉龍喀什河流域年徑流量與溫度和降水皆呈正相關(guān)，2個因子中溫度變化對徑流的影響更為顯著，降水-溫度-徑流量之間基本可以用平面函數(shù)表達，決定系數(shù)為0. 995 7，方差為0. 000 2，均方根誤差為0. 012 3。

關(guān)鍵詞：徑流模擬；SWAT；CN05. 1數(shù)據(jù)集；氣候變化；玉龍喀什河流域

中圖分類號：TV121；P333 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）09-0019-08

SWAT 模型已成為徑流模擬［1-2］和評估氣候變化［3-4］對流域水文過程影響的重要工具。氣象數(shù)據(jù)是水文模型準確模擬流域水文過程所必須的關(guān)鍵輸入，相關(guān)研究已經(jīng)表明，氣象數(shù)據(jù)的不確定性對模擬結(jié)果影響較大［5］。對一些流域而言，氣象水文資料易獲取，但在中國西北干旱地區(qū)，由于氣候、地形等因素以及觀測設(shè)施的限制，導致氣象站點稀缺且分布不均，數(shù)據(jù)獲取困難［6］，時間序列的連續(xù)性也受到了影響，這給當?shù)氐臍夂蛩难芯繋砹司薮筇魬?zhàn)。為克服這一問題，許多學者采用一些再分析氣象數(shù)據(jù)集運用到水文模型中，如CMADS、CFSR、ERA-5等。胡勝等［7］將CFSR數(shù)據(jù)運用到灞河流域的水文模擬中，得到模擬結(jié)果往往比實測值大；張利敏等［8］將CMADS、CFSR 與實測氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動SWAT模型在渾河流域做了適用性分析，結(jié)果表明CMADS再分析數(shù)據(jù)在渾河流域水文模擬的適用性更強；駱成彥等［9］利用CMADS數(shù)據(jù)集驅(qū)動SWAT模型對玉龍喀什河流域徑流模擬得到了較好的效果，說明該數(shù)據(jù)集能很好地反映該流域的下墊面特征。但CMADS數(shù)據(jù)集僅提供2008—2016年氣象數(shù)據(jù)，使得模型參數(shù)的率定、驗證時間較短，難免會對模型徑流模擬效果產(chǎn)生一定的影響，且無法滿足長序列水文氣象研究。CN05. 1 數(shù)據(jù)集時間序列長（1961—2020年），分辨率高，該數(shù)據(jù)集是氣象場格點化數(shù)據(jù)中精度最高的數(shù)據(jù)集［10-11］。該數(shù)據(jù)集目前主要用于氣候變化分析［12-13］，在水文模擬方面運用還相對較少，開發(fā)其應(yīng)用潛力巨大。

氣候變化導致全球水循環(huán)受到巨大影響，極端水文事件發(fā)生概率增大。在西北干旱地區(qū)，徑流受氣候變化和人類活動的影響最顯著，但是相比而言，氣候變化對徑流影響更大［14］。玉龍喀什河（簡稱玉河）流域水資源的主要來源是冰川融雪水和降水［15］，該流域徑流量直接影響到和田綠洲及新疆塔里木河流域的用水穩(wěn)定性，因此，對氣候變化對徑流的影響進行量化評估至關(guān)重要。

玉河流域內(nèi)氣象資料有限，目前只有出山口同古孜洛克水文站的氣象數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)有缺失，不足以代表整個流域的氣象情況。因此，本文以玉河流域為研究對象，利用CN05. 1 數(shù)據(jù)集驅(qū)動SWAT 模型，分析其在玉河流域徑流模擬的適用性，為后續(xù)研究提供參考；在此基礎(chǔ)上，通過定量溫度和降水變化設(shè)置25種氣候情景，分析不同情景下該流域徑流量的變化，為當?shù)卦u估洪澇和山洪災(zāi)害的潛在風險提供依據(jù)，促進地區(qū)可持續(xù)性發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

玉河發(fā)源于昆侖山脈北麓的冰川和雪峰之間，流經(jīng)塔什庫爾干塔吉克自治縣，是和田河的重要支流之一。玉河流域地理坐標為北緯38°15'～35°25' 、東經(jīng)81°41' ～ 79°22'（ 圖1），流域面積14 581. 90 km2，河長504 km，海拔為1 367～6 901 m。玉河流域?qū)儆诟珊禋夂?，夏季炎熱干燥，冬季寒冷。年降水量較少，主要集中在夏季，冬季幾乎無降水，玉河流域在出山口水文站處日均氣溫12. 7 °C，年均降水94. 2 mm［16］，多年平均徑流量為22. 66億m3。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2. 1 研究方法

2. 1. 1 SWAT模型

SWAT模型的基本原理是綜合考慮流域內(nèi)的空間分布、植被覆蓋、氣溫和地形等因素。它通過將流域劃分為多個水文響應(yīng)單元（HRUs）來進行模擬，包括降水輸入、蒸發(fā)蒸騰、土壤水分運動和地表徑流等。同時，SWAT考慮了植被生長對土壤水分的影響以及土壤侵蝕過程，使得模型能夠更準確地評估流域的水資源管理和土壤侵蝕控制效果。其基本原理見式（1）：

式中：SWt 為土壤最終含水率；SW0 為第i 天的土壤初始含水率；Rday 為第i 天的降水量；Qsurf 為第i 天的累積地表徑流量；Ea 為第i 天的蒸散發(fā)量；Wseep 為第i天從土壤剖面進入包氣帶的水量；Qgw 為第i 天的回歸流的水量。

2. 1. 2 模型評估指標

本文將模型預熱期設(shè)置為1989—1990年，率定期設(shè)置為1991—2005年，驗證期設(shè)置為2006—2020年，采用σP、CNS 和R2 進行評價，當指標-25%≤σP≤+25%，CNS>0. 7，R2>0. 7 則認為模擬結(jié)果是滿意的［17］，見式（2）—（4）：

式中：Qm，i、Qs，i 分別為實測與模擬的流量值；Qm，a、Qs，a 分別為實測與模擬的多年平均流量值；n 為實測時間序列長度。

2. 1. 3 SWAT-CUP0

SWAT-CUP 是一個與SWAT 模型配合使用的參數(shù)優(yōu)化工具，通過比較模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)，自動調(diào)整參數(shù)來提升模擬結(jié)果的準確度，包括參數(shù)優(yōu)化、觀測數(shù)據(jù)準備、參數(shù)優(yōu)化算法、模型評估和結(jié)果分析等步驟。

2. 2 數(shù)據(jù)處理

2. 2. 1 DEM數(shù)據(jù)

DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，分辨率為30 m 的GDEMV2 高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用于劃分子流域、生成河網(wǎng)、提取地形參數(shù)等。

2. 2. 2 土地利用數(shù)據(jù)

采用2020年的土地利用數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型，數(shù)據(jù)選自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)處理主要涉及3個步驟：將研究區(qū)內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)標準分類系統(tǒng)進行重分類；將重分類的土地利用數(shù)據(jù)投影成DEM相同的坐標系；建立土地利用類型索引表。基于研究區(qū)的實際情況，將玉河流域土地利用類型重分類為草地、耕地、冰川及未利用土地4種（圖2）。

2. 2. 3 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)選世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），空間分辨率為1 km，根據(jù)流域內(nèi)的土壤類型建立了土壤物理屬性數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫能夠反映流域內(nèi)土壤類別、各種物理屬性信息以及空間分布。一些基礎(chǔ)物理屬性信息需要使用SPAW軟件計算土壤水分特性。對玉河流域土壤類型進行重新分類，最終得到9種土壤類型，分別為黏化鈣積土、石化石膏土、黑色石灰薄層土、飽和薄層土、人為土、永凍雛形土、飽和潛育土、永凍薄層土、冰川。

2. 2. 4 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)使用CN05. 1 數(shù)據(jù)集，它是通過對2 400多個中國地面氣象臺站的觀測數(shù)據(jù)進行插值處理而建立的。該數(shù)據(jù)集時間序列長（1961—2020年），分辨率高，已在新疆開都河流域得到驗證和應(yīng)用［18］。在本研究區(qū)內(nèi)，共有107 個格點分布，利用Python軟件提取格點的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整理成模型兼容的格式。在為子流域分配降雨站點時，模型通常會使用一些算法和規(guī)則來自動識別并排除無效站點，最終采用48個CN05. 1格點（圖1）。

2. 2. 5 徑流數(shù)據(jù)

玉河流域的徑流數(shù)據(jù)由和田地區(qū)水利局提供，為出山口處同古孜洛克水文站的逐月觀測資料，時段為1991—2020年。

3 結(jié)果與分析

3. 1 SWAT模型構(gòu)建

3. 1. 1 提取水系和劃分流域?qū)胍烟幚淼腄EM數(shù)據(jù)，根據(jù)已有的研究，設(shè)置提取子流域閾值為25 000 hm2，利用流向算法確定水流路徑并識別河流網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)累積流量和設(shè)定的閾值提取河網(wǎng)，然后根據(jù)出水口點將研究區(qū)域劃分為多個子流域，實現(xiàn)水系和流域的自動提取和劃分，玉河流域共劃分了53個子流域。

3. 1. 2 水文響應(yīng)單元劃分

SWAT模型基于流域內(nèi)的空間變化，考慮到土地利用、土壤類型、坡度等因素的異質(zhì)性，將流域劃分成多個水文響應(yīng)單元，即不同土地利用和土壤類型的空間單元，以模擬流域內(nèi)的水文過程。這種劃分使模型能夠考慮到流域內(nèi)各區(qū)域的水文特征差異，從而更準確地評估水資源量。玉河流域共劃分了588個HRUs。

3. 1. 3 數(shù)據(jù)寫入與運行

將1961—2020年CN05. 1氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)寫入模型，設(shè)置模型預熱期為2 a（1989—1990年），率定期為1991—2005年，驗證期為2006—2020年，完成流域水文模型的構(gòu)建。

3. 2 模型參數(shù)率定

利用SWAT-CUP 內(nèi)置的SUFI-2 算法［19-20］，參照已有的研究對模型中17個參數(shù)進行參數(shù)表率定，參數(shù)結(jié)果見表1。

同古孜洛克站的月徑流率定及驗證結(jié)果見表2，在率定期，玉河流域的模擬結(jié)果顯示，納什效率系數(shù)為0. 85，決定系數(shù)為0. 86，相對誤差為-10. 35%。在驗證期，玉河流域的模擬結(jié)果顯示，納什系數(shù)為0. 76，決定系數(shù)為0. 79，相對誤差為-14. 75%。3個指標均在模型的可接受范圍內(nèi)，這說明在玉河流域進行徑流過程模擬研究時，CN05. 1+SWAT模型是適用的。

1991—2005 年率定期實測值與模擬值對比結(jié)果見圖3，2006—2020年驗證期實測值與模擬值對比結(jié)果見圖4。由圖3、4可以知，玉河流域的徑流量呈現(xiàn)冬季極小，春季過后大幅度增加的季節(jié)性特點，5—8月徑流量增加趨勢最為顯著，7、8月徑流量達到峰值，這是由于5—8月為玉河流域的降雨期；在率定期和驗證期內(nèi)，玉河流域的月徑流模擬值與實測值的變化趨勢總體上是一致的，但存在一些月份模擬峰值比實測峰值低的情況，造成該結(jié)果的原因可能是：玉河流域是一個典型的冰雪融水和降水混合補給型河流，冰川融水補給量占年平均徑流40%以上［21］，在溫度升高的情況下，冰雪和冰川融水的增加導致了河流徑流量的增加，但由于本研究所采用的模型沒有冰川板塊，無法對冰川變化過程進行模擬，故而模擬出月徑流低于實際值；玉河流域海拔為1 367～6 901 m，屬于高山區(qū)，地形復雜、高程變化較大，地形會對徑流的模擬產(chǎn)生一定的影響；模型通常是基于物理方程和參數(shù)化過程來模擬大氣、海洋、陸地等系統(tǒng)的復雜互動，模型本身存在一定程度的不確定性以及實測數(shù)據(jù)本身可能存在誤差和不確定性，導致模擬值與實測值之間的差異。

3. 3 氣候變化條件下徑流響應(yīng)分析

為探究氣候變化對徑流量的影響，參照學者［22］已有的研究設(shè)定25種氣候變化情景，利用已經(jīng)率定好的SWAT模型來模擬徑流，分析在氣候變化下玉河流域徑流的變化趨勢。氣候因素主要考慮溫度和降水情況，情景設(shè)置及結(jié)果見表3。由表3及圖5可知，單一氣候因子影響下：保持降水不變，通過設(shè)定不同的氣溫梯度（±1℃、±2℃），年徑流變化率范圍為-14. 29%～17. 59%，徑流量隨著氣溫升高而增大，反之則減小，表明兩者呈正相關(guān)；保持溫度不變，通過設(shè)定不同的降雨梯度（±10℃、±20℃），年徑流變化率范圍為-21. 71%～20. 54%，降水增大徑流也增大，反之則減小，表明兩者呈正相關(guān)。

為了進一步探討降水和溫度對徑流的影響，用Python繪制降水-溫度-徑流關(guān)系（圖6）并建立平面回歸方程，決定系數(shù)為0. 995 7，方差為0. 000 2，均方根誤差為0. 012 3，擬合較好，三者之間的關(guān)系基本可以用平面方程表示：

ΔQ = 0.0104ΔP + 0.0801ΔT + 0.0043 （5）

式中：ΔQ 為年徑流變化率，%；ΔP 為降水量增值，%；ΔT 為溫度增量，℃?？芍?個氣候因子共同影響下，溫度變化導致的表面斜率更陡，這意味著溫度變化對徑流的影響更為顯著。上述結(jié)論與張勇等［23］研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

a）建立玉河流域的月均徑流CN05. 1+SWAT模型，率定期和驗證期模擬結(jié)果相較于實測值一些月份有偏高也有偏低，但總體上與實測數(shù)據(jù)徑流趨勢保持一致，模型在該流域適用性較好，率定期（1991—2005年），評價指標納什效率系數(shù)、決定系數(shù)、相對誤差分別為0. 85、0. 86、-10. 35%，驗證期（2006—2020年），評價指標納什效率系數(shù)、決定系數(shù)、相對誤差分別為0. 76、0. 79、-14. 75%，這表明CN05. 1數(shù)據(jù)集能夠準確反映玉河流域的下墊面和地表大氣特征。

b）基于CN05. 1數(shù)據(jù)集構(gòu)建了玉河流域SWAT模型并對其月徑流進行模擬，結(jié)果顯示，CN05. 1+SWAT模型在缺乏氣象觀測站的玉河流域成功得到應(yīng)用，可為后續(xù)研究提供參考。

c）玉河流域年徑流量與溫度和降水皆呈正相關(guān)，2個因子中溫度變化對徑流的影響更為顯著，降水-溫度-徑流量之間基本可以用平面函數(shù)表達，決定系數(shù)為0. 995 7，方差為0. 000 2，均方根誤差為0. 012 3。

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（責任編輯：向飛）

基金項目：國家自然科學基金項目（52179024）