李成振，陳曉霞，孔慶輝，付 鵬，丁元芳

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061；2.松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 130021）

SWAT模型在洮兒河地表徑流模擬中的應用研究

李成振1，陳曉霞1，孔慶輝2，付 鵬2，丁元芳2

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061；2.松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 130021）

本研究對SWAT模型的灌溉模塊進行了修改，在此基礎上，構(gòu)建了洮兒河流域水循環(huán)模型，利用水文站實測徑流資料對模型進行了率定，并分別利用綜合評價指標與分時段評價指標，對模擬結(jié)果進行了評價。結(jié)果表明，SWAT模型對豐水年的模擬效果相當好，平水年的模擬效果次之，枯水年的模擬結(jié)果不太理想，但考慮研究區(qū)的實際情況，整體模擬結(jié)果還是令人滿意的。

SWAT模型；灌溉模塊；洮兒河流域；綜合評價指標；分時段評價指標

洮兒河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科右前旗大興安嶺高岳山，沿程有較大的支流歸流河、蛟流河匯入，流至月亮泡注入嫩江，河道全長563 km，流域面積為33 070 km2，其中山區(qū)面積占65%，丘陵、平原占35%。洮兒河流域?qū)儆诒睖貛О敫珊导撅L氣候區(qū)，氣候特征是春季干旱多風沙，夏季炎熱短暫，秋季干燥涼爽，冬季寒冷漫長。流域中下游地區(qū)是東北商品糧基地的重要組成部分，自1998年以后，洮兒河流域進入連續(xù)枯水年，干旱已成為目前制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的瓶頸。水資源量的不足及水資源年內(nèi)分配與農(nóng)作物生長需求的不匹配，嚴重影響作物產(chǎn)量，制約了當?shù)丶Z食生產(chǎn)。加之近年來人類開發(fā)利用強度過大，該地區(qū)草原退化、濕地萎縮、土地沙化、鹽堿化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出[1]。此次研究擬應用SWAT模型對洮兒河地表徑流過程進行模擬，以探討該模型在半干旱地區(qū)流域水循環(huán)過程模擬的適用性，為流域水資源管理提供基礎依據(jù)和手段。

1 研究區(qū)SWAT模型的構(gòu)建

1.1 SWAT模型簡介

SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研制開發(fā)的一個基于物理過程、用來模擬連續(xù)時間的流域分布式水文模型，適用于具有不同土壤類型、土地利用與土地管理措施等復雜背景的大流域，主要用來預測人類活動對水、沙、農(nóng)業(yè)、化學物質(zhì)的長期影響，模型的運行以年、月、日為時間單位，不適合對單一事件進行細節(jié)模擬。SWAT模型主要的模塊有水文模塊、氣象模塊、農(nóng)業(yè)管理模塊、土壤溫度模塊、作物生長模塊、泥沙模塊、農(nóng)藥/殺蟲劑模塊、營養(yǎng)物質(zhì)模塊、河道物質(zhì)演算模塊、水庫內(nèi)演算模塊。模型的開發(fā)者將模型開發(fā)的目標描述為“在比較大的流域內(nèi)，模擬不同管理措施對產(chǎn)水、產(chǎn)沙以及農(nóng)業(yè)化學物質(zhì)產(chǎn)生的影響，能預測流域100年以內(nèi)的總徑流量、泥沙流失量和營養(yǎng)物負荷”。SWAT模型是目前比較先進的流域水量、水質(zhì)綜合模型，自開發(fā)以來已經(jīng)在美國、加拿大、歐洲、亞洲等地區(qū)得到廣泛的應用與驗證[2-3]。

1.2 模擬范圍

由于洮兒河黑帝廟水文站以下地區(qū)地勢平坦，區(qū)內(nèi)泡沼星羅棋布，不利于流域邊界的提取，且區(qū)內(nèi)地表產(chǎn)流量不大，故此次研究模擬范圍選擇黑帝廟水文站以上的匯流區(qū)域，總面積約3.06萬km2。

1.3 基礎數(shù)據(jù)

模型運行需要的基礎數(shù)據(jù)包括DEM、土地利用、土壤類型、水文氣象等數(shù)據(jù)。此次研究使用的DEM數(shù)據(jù)來自美國NASA網(wǎng)站免費提供的STRM90m分辨率的數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來自于中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所根據(jù)TM／ETM影像解譯的1∶10萬土地利用圖；土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學院南京土壤所做的1∶100萬的空間分布圖，土壤屬性通過查閱《吉林土壤》、《白城土壤》、《內(nèi)蒙古土壤》等相關資料確定；水文氣象數(shù)據(jù)包括流域內(nèi)1992—2003年16個雨量站日觀測數(shù)據(jù)、5個水文站日流量數(shù)據(jù)，以及7個氣象站的降水量、最高最低氣溫、平均相對濕度、風速、日照時數(shù)等日觀測數(shù)據(jù)。

1.4 農(nóng)業(yè)灌溉模塊的改進

研究區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的85%左右，準確模擬農(nóng)業(yè)灌溉用水過程是流域水循環(huán)模擬成敗的關鍵。針對SWAT模型在灌區(qū)水循環(huán)模擬方面存在的一些缺陷[4]，對灌溉模塊進行了如下修改：

1）根據(jù)文獻［4］的方法構(gòu)建了多水源灌溉模塊。該方法要求確定一個主要灌溉水源及其他水源取水順序，先利用主要水源灌溉，當時段內(nèi)水源可滿足灌溉需水時，此時多水源可轉(zhuǎn)化為單一水源灌溉，若該水源不滿足灌溉需水時，按水源取水順序依次取用其他水源補充灌溉。

2）將水田部分的模擬分為生育期和非生育期兩段：非生育期內(nèi)，水田與旱地的水文過程相同，直接采用模型中的水循環(huán)過程；生育期內(nèi)，根據(jù)水田水量平衡來計算。模型中設定生育期的開始和結(jié)束時間，以及不同時期的水稻最低和最高允許水深。當降水使田面水深高于最高允許水深時產(chǎn)生地表徑流；當田面水深低于最低允許水深時進行灌溉；水田蒸散發(fā)按蒸發(fā)能力計算；水田滲漏采用穩(wěn)定下滲處理；生育期結(jié)束排光水田水量。

1.5 子流域與HRU的劃分

由于洮兒河流域下游地區(qū)地勢平坦，基于DEM提取數(shù)字河網(wǎng)難度較大。針對這一難題，將SHP格式的數(shù)字化水系導入SWAT中，使用“Burn In”方法提取河網(wǎng)。在閘壩斷面及水文站控制斷面設置子流域出口，選擇黑帝廟水文站為流域總出口，采用模型推薦的子流域劃分閾值劃分子流域，結(jié)果共劃分子流域35個。

采用一個子流域劃分為多個HRU的方式劃分HRU，土地利用、土壤面積及流域坡度的最小閾值比均定為10%。流域內(nèi)水田為農(nóng)業(yè)用水大戶，故在“Land Use Threshold Exemption”選項卡中添加“Rice”，這樣水田面積便不會因低于設定的土地利用閾值而被忽略。采用上述方法，研究區(qū)共劃分390個HRU。

2 流域水循環(huán)模擬

選擇大石寨、鎮(zhèn)西、務本、洮南4個水文站的實測流量過程進行模型校準，采用各站1994—1997年觀測資料進行模型校準，1998—2001年資料進行模型驗證，1993年資料用于模型預熱。模型校準之前，先進行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)敏感性分析的結(jié)果，選擇較為敏感的參數(shù)進行模型校準。首先采用自動校準法進行模型校準，自動校準后的模型參數(shù)往往仍不能滿足要求或不是最優(yōu)參數(shù)組合，這時需在此基礎上再對部分參數(shù)進行手動調(diào)整，使模型輸出滿足預期的要求。在模型校準的時間尺度上，首先對年均值做校準，再擴展至月、日；在空間尺度上，從流域上游測站開始校準，向下游逐步展開，當校準下游測站時，將不再修改已經(jīng)校準好的上游測站集水區(qū)域的相關參數(shù)。在模擬方法上，地表產(chǎn)流計算選用SCS曲線法，蒸散發(fā)計算采用Penman-Monteith法，河道匯流采用馬斯京根法。

2.1 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

經(jīng)過運行SWAT敏感性分析模塊，得到對研究區(qū)徑流過程最為敏感的11個參數(shù)，其結(jié)果見表1。表1所示的參數(shù)排序及敏感值是基于對洮南站日徑流過程模擬得出的，其它站點的敏感性分析選出的最為敏感的參數(shù)與此有所不同，在此不做贅述。

表1 洮南站日徑流模擬參數(shù)敏感性分析結(jié)果

2.2 模型校準及驗證結(jié)果

通常采用Nash-suttcliffe系數(shù)ENS與相對誤差RE來評價模型模擬值與實測值之間的擬合度[2]，ENS與RE的計算表達式分別為：

式中：Qmi為實測值，m3/s；Qsi為模擬值，m3/s為實測值平均值，m3/s；n為樣本數(shù)。當ENS=l時，表示模擬值與實測值完全一致。通常ENS在0～1之間，ENS越大，計算值與觀測值匹配程度越好。若ENS為負值，說明模型模擬平均值比直接使用實測平均值的可信度更低。一般情況下，對大流域、長時間的模擬，當ENS＞0.50且RE＜20%時，模擬結(jié)果是可以接受的[2]。文中將根據(jù)式（1）、式（2）建立綜合評價指標及分時段評價指標對模擬結(jié)果進行評價。

1）綜合評價

綜合評價是指對模擬時間內(nèi)所有樣本統(tǒng)一進行評價，它反映了長時間模擬結(jié)果的整體水平。目前，針對SWAT的研究基本采用該評價方法。經(jīng)統(tǒng)計分析，各水文測站各模擬期內(nèi)徑流模擬的ENS系數(shù)及平均相對誤差RE見表2，月模擬的ENS系數(shù)均在0.85以上，日模擬的結(jié)果雖然稍差，但ENS系數(shù)也多在0.70以上；相對誤差除大石寨與洮南站驗證期大于10%以外，其他均小于5%。據(jù)此判斷，模型模擬效果較好，篇幅所限，文中僅給出下游洮南水文站的月徑流模擬曲線，見圖1、圖2所示。

表2 各水文站模型校準期及驗證期徑流模擬綜合評價表

2）分時段評價

分時段評價定義為：根據(jù)研究需要，將一個模擬期分成若干個時段對模擬結(jié)果分別進行評價。本文將1年作為一個時段，即式（1）、（2）中的n取值為一個年度內(nèi)的樣本數(shù)。綜合評價指標在模擬期各年度洪水量級相當時，是比較有效的，但當洪水量級相差懸殊時，往往會“以偏概全”，過高地估計了模型的性能。由表2、表3可知，驗證期的ENS系數(shù)均高于相應校準期，這是因為1998年洪水量級遠大于模擬期其他年份，只要對1998年洪水過程進行了較好的模擬，ENS系數(shù)就會很高，但這并不能說明模型在其他年份的模擬效果也較好，利用分時段評價指標可以揭露這一事實。由表3可知，對豐水年1994，1998，1999年模型模擬效果均相當好，平水年1995，1996年的模擬效果次之，枯水年1997，2000，2001年的模擬結(jié)果較差，大多達不到精度要求。分析其原因主要有：一是在枯水年，校準測站的徑流量太小甚至出現(xiàn)斷流；二是由于模擬范圍較大，各年份水利用情況難以準確掌握，其影響在徑流量本不大的枯水年顯得格外敏感。這也是SWAT模型及其他水文模型在干旱或半干旱地區(qū)應用的困難所在?？紤]研究區(qū)實際情況，整體模擬結(jié)果還是令人滿意的。

表3 各水文站月徑流模擬分時段評價表

3 結(jié)語

1）在SWAT灌溉模塊中，引進了多水源灌溉模塊，并對水田灌溉模塊進行了改進，使農(nóng)業(yè)灌溉過程更接近實際。

2）一般常用的綜合評價指標可能會過高地估計模型性能，分時段評價結(jié)果顯示，SWAT模型對豐水年的模擬效果相當好，平水年的模擬效果次之，枯水期的模擬結(jié)果不太理想，但考慮研究區(qū)的實際情況，整體模擬結(jié)果還是令人滿意的。

3）SWAT模型在干旱或半干旱地區(qū)應用時，應盡量選擇豐水或平水期進行模型率定，枯水年特別是連續(xù)枯水年的模擬結(jié)果應慎重采納。

［1］張艷紅.洮兒河沿岸地區(qū)水利工程建設的生態(tài)水文影響初探［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20(4)：133—137.

［2］徐宗學，等.水文模型［M］.北京:科學出版社，2009：378—384.

［3］龐靖鵬.非點源污染分布式模擬—以密云水庫水源地保護為例［D］.北京：北京師范大學，2007.

［4］代俊峰，崔遠來.基于SWAT的灌區(qū)分布式水文模型［J］.水利學報，2009，40（2）：145—152.

Application of SWAT model in surface runoff simulation of Taoerhe river

LI Cheng-zhen,CHEN Xiao-xia,KONG Qing-hui,FU Peng,DING Yuan-fang

The paper modifies the irrigation module of SWAT model.Based on the modification,the paper establishes the hydrological cycle model of Taoerhe basin,calibrates parameters with measured runoff data,and evaluates the simulation results separately with comprehensive evaluation index and divided period evaluation index.The results show that the simulation effect of SWAT model is better in wet year and good in normal year,but is bad in low water year.The whole result is satisfied considering with actual conditions.

SWAT model;irrigation module;Taoerhe river basin;comprehensive evaluation index;divided period evaluation index

TV121+.2；TV139.16

A

1002－0624（2012）06－0035－03

國家公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目（200901037）

2011-12-07