基于SWAT模型的盤(pán)龍江流域徑流模擬

楊麗萍,鄒進(jìn),潘鋒

(昆明理工大學(xué)電力學(xué)院,云南 昆明650500)

摘要：為了給日后的滇池治理和昆明市水資源保護(hù)利用提供依據(jù),以昆明市區(qū)的盤(pán)龍江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,采用SWAT模型對(duì)該流域的徑流進(jìn)行模擬研究,通過(guò)加載流域的DEM、土地利用、土壤類(lèi)型等數(shù)據(jù)到SWAT模型,選定1999—2004年為模型參數(shù)率定期,2005—2007年為模型驗(yàn)證期,對(duì)松華壩以上流域和以下流域分別進(jìn)行模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:松華壩以上區(qū)間流域的模擬相關(guān)系數(shù)R`2在0.83以上,Ens在0.80以上;松華壩以下區(qū)域的模擬相關(guān)系數(shù)R`2在0.70以上,Ens在0.58以上。即該模型對(duì)盤(pán)龍江流域具有良好的適應(yīng)性,可以為盤(pán)龍江流域在不同土地利用的條件下對(duì)流域的水量、水質(zhì)、泥沙進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：徑流模擬；SWAT模型;盤(pán)龍江流域

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(41061053) 唐山市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(14130204a) 國(guó)家青年自然科學(xué)基金(51308537);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201303094);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)

作者簡(jiǎn)介:楊麗萍(1989—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗Y源系統(tǒng)分析和管理。E-mail:ylpcherry@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2015)05-0019-05

Abstract：In order to provide basis for the management of Dianchi Lake and for the conservation and utilization of water resource of Kunming in the coming days,taking Panlong River basin in the downtown of Kunming,Yunnan Province as the study area,adopting the SWAT model to simulate the runoff of this basin and uploading the data including DEM of the basin,earth utilization and the type of the earth to it,choosing the years from 1999 to 2004 as the model’s parameter calibration period and the years from 2005 to 2007 as the model’s validation period,the upstream and the downstream are simulated respectively and the results of the simulation are compared and evaluated. The results show that the R`2 and Ens of upstream drainage basin are above 0.83 and 0.80 respectively,and the R`2 and Ens of lower drainage basin are above 0.70 and 0.58 respectively,which means the model is of good adaptability to Panlong River basin and is able to simulate and predict the water volume,water quality,silt of the drainage basin under different land utilization circumstances.

收稿日期：(2015-01-05編輯：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.016 10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.005

Runoff simulation of Panlong River Basin based on SWAT model

YANG Liping,ZOU Jin,PAN Feng

(CollegeofElectricalPowerEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China)

Key words： runoff simulation; SWAT model; Panlong River Basin

滇池是國(guó)家正在努力改善的四大內(nèi)地淡水湖泊之一,而盤(pán)龍江流域則是滇池一個(gè)不可忽視的入水口。隨著滇池流域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、水資源開(kāi)發(fā)利用加大、水污染加劇以及近幾年的連續(xù)干旱,水資源的利用難度持續(xù)增加。盤(pán)龍江流域?yàn)榈岢氐囊粋€(gè)主要入水口,了解盤(pán)龍江流域的徑流過(guò)程,對(duì)滇池的治理和發(fā)展具有重要的作用。

但是過(guò)去幾年來(lái)對(duì)于盤(pán)龍江流域的水文變化過(guò)程研究,僅局限于位于上游的松華壩流域(比如，對(duì)松華壩水源保護(hù)區(qū)土地利用/土地覆被變化的研究[1-2];松華壩水源區(qū)不同林分土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[3],SWAT模型對(duì)松華壩流域水文過(guò)程和泥沙情況的模擬[4]等),對(duì)于靠近滇池及城區(qū)流域的水文過(guò)程情況幾乎沒(méi)有研究。筆者對(duì)SHE[5]、VIC[6]、TOPMODEL[7]、SWAT[8]等4個(gè)主要分布式水文模型進(jìn)行對(duì)比,選定在北美、西歐等國(guó)家以及我國(guó)一些流域均取得很好應(yīng)用效果的SWAT模型[9]。SWAT(soil and water assessment tool)模型是流域分布式水文模型的一種,由美國(guó)農(nóng)業(yè)部研究中心研發(fā)[10]。它可以在無(wú)觀測(cè)數(shù)據(jù)或者觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失的條件下,對(duì)大尺度復(fù)雜流域下的地表水、地下水水質(zhì)及水量進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)不同土地利用方式和管理?xiàng)l件對(duì)流域水文、泥沙、水質(zhì)對(duì)農(nóng)業(yè)、社會(huì)發(fā)展的不同影響。借助GIS和RS的強(qiáng)大功能,SWAT 模型可以應(yīng)用在流域內(nèi)部土地利用/覆被和土壤類(lèi)型條件不同的復(fù)雜流域,模擬流域內(nèi)復(fù)雜的水文物理過(guò)程;反映不同氣候條件(降水量、蒸發(fā)量、氣溫等)和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度下地表水文響應(yīng)過(guò)程的影響[11]。

基于SWAT模型的各種模擬優(yōu)勢(shì),筆者利用ArcGIS界面的SWAT分布式水文模型建立盤(pán)龍江流域的徑流數(shù)據(jù)庫(kù),模擬出盤(pán)龍江流域的徑流過(guò)程,在探討SWAT模型對(duì)盤(pán)龍江流域的適應(yīng)性的同時(shí),亦為日后的盤(pán)龍江流域的水質(zhì)模擬奠定基礎(chǔ),為盤(pán)龍江流域的水資源利用提供理論支撐。

1研究區(qū)概況

盤(pán)龍江被譽(yù)為“昆明的母親河”,全長(zhǎng)105km,流域匯水面積735km2,是昆明市入滇河道中最大、最長(zhǎng)的主要河道。地理區(qū)位于北緯25°3′～25°27′,東經(jīng)102°40′～102°57′之間。它東流穿蟠龍橋、三家村至松華壩水庫(kù),出庫(kù)后經(jīng)上壩、落索坡、浪口、北倉(cāng)等村,穿霖雨橋,經(jīng)張家營(yíng)等村進(jìn)入昆明市區(qū),過(guò)敷潤(rùn)、寶尚、得勝、雙龍橋至螺獅灣村出市區(qū),經(jīng)官渡區(qū)流入氳岢。

松華壩水庫(kù)位于盤(pán)龍江流域的中上游,是一座將發(fā)電、灌溉、城市供水和市政景觀供水功能結(jié)合為一體的大(2)型水利樞紐工程。另外,松華壩水庫(kù)以上流域基本屬于自然狀態(tài),植被覆蓋率較高,人為活動(dòng)影響比較少;而以下流域至滇池入口處,流域都處在昆明市區(qū)中,植被覆蓋率相對(duì)較低,人為活動(dòng)影響明顯。

基于研究區(qū)域內(nèi)的水文站點(diǎn)分布,研究選取最靠近滇池的水文站點(diǎn)——敷潤(rùn)橋水文站(昆明水文站)以上的流域作為研究流域(圖1)。又基于自然狀態(tài)與城市狀態(tài)的不同,將流域分成自然狀態(tài)下松華壩以上流域和城市狀態(tài)下松華壩以下流域兩部分分別進(jìn)行模擬研究。

圖1　盤(pán)龍江流域區(qū)域類(lèi)型

2模型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

2.1空間數(shù)據(jù)

使用Albers等積圓錐投影進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理,盤(pán)龍江流域空間數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　盤(pán)龍江流域空間數(shù)據(jù)

a. 數(shù)字高程模型(DEM)。通過(guò)所獲取的數(shù)字高程數(shù)據(jù),在GIS 里加載精度為25m盤(pán)龍江流域的地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換、掩膜裁剪后處理得DEM數(shù)據(jù)圖(圖2)。

圖2　盤(pán)龍江流域DEM數(shù)據(jù)

b. 土地利用圖(landuse)。在2008年流域土地利用類(lèi)型圖的基礎(chǔ)上,建立SWAT模型所需的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。在模型模擬之前,根據(jù)土地利用類(lèi)型原有分類(lèi)情況,結(jié)合模型要求對(duì)土地利用類(lèi)型重新分類(lèi),最終劃分為6類(lèi),建立landuse查詢(xún)表文件(表2)和模型所用土地利用類(lèi)型圖(圖3)。

表2　盤(pán)龍江流域土地利用類(lèi)型查詢(xún)表及各類(lèi)型面積

圖3　盤(pán)龍江流域土地利用

2.2屬性數(shù)據(jù)庫(kù)

2.2.1土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

因主要針對(duì)盤(pán)龍江流域的徑流進(jìn)行模擬,故只需考慮土壤的物理屬性數(shù)據(jù)。利用Matlab對(duì)土壤進(jìn)行質(zhì)地轉(zhuǎn)換至SWAT模型所需的美國(guó)制后,根據(jù)土壤的滲透性將土壤劃分為A、B、C、D4類(lèi),并利用SPAW(soil plant air)軟件估算出土壤可利用有效水量、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)。最后將相關(guān)的每層土壤參數(shù)輸入usersoil中,建立土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。采用土壤類(lèi)型圖的Shape格式加載,并對(duì)其進(jìn)行重新分類(lèi),總共劃分為5類(lèi)土壤(圖4),依次為水稻土(ATc)、紅壤(CMx1)、亞熱帶山地紅壤(CMx2)、棕壤(LVh)和城市不透水層(UR)。

圖4　盤(pán)龍江流域土壤

2.2.2氣象數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

SWAT模型的氣象數(shù)據(jù)均以DBF文件格式存儲(chǔ)。為了使模型模擬更貼近實(shí)際,需要輸入至少連續(xù)20 a的逐日氣象資料。而且根據(jù)相關(guān)研究可知,使用SWAT模型自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)比使用不連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的模擬結(jié)果更好[12]。SWAT模型所需氣象數(shù)據(jù)包括氣象站平均氣壓、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、平均日風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、月平均最高氣溫、最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)差、月平均最低氣溫、最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差等約160個(gè)參數(shù)。

本文主要采用昆明站為研究流域的氣象站,缺失的氣象數(shù)據(jù)采用模型自帶的“天氣發(fā)生器”推算欠缺的氣象參數(shù)。對(duì)于天氣發(fā)生器中的一些參數(shù)采用pcpSTAT、dew02等來(lái)計(jì)算得出。

2.3流域劃分

SWAT模型在進(jìn)行過(guò)程模擬時(shí),根據(jù)DEM圖結(jié)合流域閾值將流域劃分成一定數(shù)目的子流域。再將每一個(gè)子流域劃分為多個(gè)不同土地利用和土壤類(lèi)型的組合(Multiple HRUs),即生成多個(gè)水文響應(yīng)單元HRUs(hydrologic response unit)。在本研究中,依據(jù)模型的實(shí)際運(yùn)行情況以后,最后確定土地利用和土壤面積的最小閾值均為0%,坡度的最小閾值為10%較為適宜,確保整個(gè)子流域的面積可以得到100%的模擬。最后研究確定盤(pán)龍江流域共獲得30個(gè)子流域,790個(gè)HRUs。

2.4模擬時(shí)段的選取

由于水文資料收集受限,故本研究在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上依據(jù)作為流域的2個(gè)控制出水口——松華壩、敷潤(rùn)橋1999—2007年每年的實(shí)際月徑流數(shù)據(jù),確定模擬的時(shí)段為1999—2007年。

3參數(shù)率定和模型校準(zhǔn)

3.1敏感參數(shù)的確定

采用敏感性指數(shù)來(lái)估算模型參數(shù)的敏感性[13],選取松華壩水庫(kù)以上區(qū)域的松華壩站和以下區(qū)域的敷潤(rùn)橋站1999—2007年的資料,采用LAT-OH法對(duì)相關(guān)的SWAT模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,確定出對(duì)該流域徑流模擬影響最大的參數(shù)。該敏感性參數(shù)主要包括徑流曲線(xiàn)系數(shù)(CN2)、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)(ESCO)、淺層地下水再蒸發(fā)系數(shù)(REVAPMN)、淺層地下水回歸流閾值(GWQMN)、土壤可利用水量(SOL_AWC)、基流退水系數(shù)(ALPHA_BF)等。確定完敏感性參數(shù),緊接著對(duì)敏感性參數(shù)進(jìn)行率定。參數(shù)的率定即是尋找能使模擬值與觀測(cè)值最一致的參數(shù)[14]。參數(shù)率定遵循先上游后下游，先調(diào)整水量平衡再調(diào)整過(guò)程，先調(diào)整地表徑流再調(diào)整土壤水、蒸發(fā)和地下徑流的原則[15]。

基于松華壩站及敷潤(rùn)橋站1999—2007年資料對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)參和率定,最終獲得適合盤(pán)龍江流域的參數(shù)值。

3.2模型結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于SWAT模型的模擬結(jié)果評(píng)價(jià)采用對(duì)徑流峰值流量敏感且常見(jiàn)的指標(biāo):Nash—Sutcliffe效率系數(shù)Ens[16]、相關(guān)系數(shù)R2[9]。

(1)

式中:Qsi為第i個(gè)實(shí)測(cè)徑流量，i=1,2,…,n;Qmi為第i個(gè)模擬徑流量，Qa為平均實(shí)測(cè)徑流量;n為實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

a. 當(dāng)Ens小于0時(shí),說(shuō)明模型模擬值比實(shí)測(cè)值可行度低;當(dāng)Ens在0～1之間時(shí),Ens值越大,表明模擬值與實(shí)測(cè)值的匹配程度越好(Ens大于0.5,表示模擬值在可接受范圍之內(nèi),而Ens在0.5～0.7之間,模擬標(biāo)準(zhǔn)為丙級(jí);在0.7～0.9之間,模擬標(biāo)準(zhǔn)為乙級(jí);在0.9～1之間模擬標(biāo)準(zhǔn)為甲級(jí))[11];若Qsi=Qmi,則Ens=1。

b. 相關(guān)系數(shù)R2可在EXCEL中應(yīng)用線(xiàn)性回歸求得,進(jìn)一步用該系數(shù)評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)值與模擬值之間的吻合程度。若R2=1,表明非常吻合:R2<1,該值越低,表明模型的模擬值和實(shí)測(cè)值吻合度越低。

3.3月徑流模擬

3.3.1自然流域

松華壩以上流域?yàn)樽匀粭l件狀態(tài)下的流域。選定松華壩站為流域校準(zhǔn)點(diǎn),1999—2004年為模型的率定期,2005—2007年為模型驗(yàn)證期。由圖5可見(jiàn)，該流域的模擬值和實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)擬合程度較好,模擬的徑流曲線(xiàn)基本可以反映出真實(shí)的水文過(guò)程,對(duì)于幾個(gè)降雨高峰值都可以捕捉到,并且在流量圖上顯現(xiàn)出來(lái)。率定期72個(gè)樣本,模擬相關(guān)系數(shù)R2=0.85,Ens=0.81,屬于乙等;驗(yàn)證期36個(gè)樣本,模擬相關(guān)系數(shù)R2=0.83,Ens=0.80,屬于乙等。

圖5　松華壩站的徑流率定與校準(zhǔn)

該模擬結(jié)果中,1999—2007年平均降雨量為978.44mm，與實(shí)測(cè)的年平均降雨量912.5mm相比偏大；徑流深為147.28mm,地下滲流為110.45mm,蒸散發(fā)為549.90mm,后三者合計(jì)807.63mm,與978.44mm相差170.81mm。由于水庫(kù)對(duì)該流域有調(diào)蓄作用,可認(rèn)為水量基本符合平衡狀態(tài)。但是有模擬的地表徑流值有略高于實(shí)際值的現(xiàn)象發(fā)生。這主要是由于該部分的自然流域絕大部分位于山林地區(qū),坡度變化比較大,而植被亂砍濫伐現(xiàn)象又比較嚴(yán)重,故植被覆蓋面出現(xiàn)稀缺導(dǎo)致土地的蓄水保水能力降低,使地表水下滲量下降。另外,流域內(nèi)降水空間分布不均,在雨季雖然降水強(qiáng)度大,但一般持續(xù)時(shí)間都不會(huì)很長(zhǎng),松華壩水庫(kù)調(diào)洪蓄水,在一定程度上使模擬值在雨季徑流量高峰期高于實(shí)測(cè)值,符合實(shí)際情況。

3.3.2城市流域

松華壩以下流域?yàn)槿藶榛顒?dòng)影響比較明顯的流域。選定敷潤(rùn)橋站為流域校準(zhǔn)點(diǎn),1999—2004年為模型的率定期,2005—2007年為模型驗(yàn)證期。由圖6可見(jiàn)，該流域的模擬值和實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)基本擬合,模擬出來(lái)的徑流曲線(xiàn)基本可以反映出真實(shí)的水文過(guò)程線(xiàn),幾個(gè)降雨高峰值都可以捕捉到,并且在流量圖上顯現(xiàn)出來(lái)。率定期72個(gè)樣本,模擬相關(guān)系數(shù)R2=0.75,Ens=0.65,屬于丙等;驗(yàn)證期36個(gè)樣本,模擬相關(guān)系數(shù)R2=0.68,Ens=0.58,屬于丙等。

圖6　敷潤(rùn)橋站的徑流率定與校準(zhǔn)

該模擬結(jié)果中,1999—2007年平均降雨量為1005.3mm,與實(shí)測(cè)的年平均降雨量930.8mm相比偏大；徑流深為151.67mm,地下滲流為90.69mm,蒸散發(fā)為589.7mm,后三者合計(jì)832.06mm,與1005.3mm相差173.24mm,可認(rèn)為該部分流域的水量基本保持收支平衡。對(duì)于出現(xiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)明顯偏差的情況,很大程度上都是城市化發(fā)展造成的。該區(qū)域處于昆明市區(qū),地勢(shì)比較平坦,坡度變化不大,不透水地面面積增多,植被覆蓋面積遠(yuǎn)小于城市建筑面積,使部分壤中流變成了地表徑流。再者降水空間分布不均,市區(qū)行洪通道、排水管網(wǎng)與自然狀況相比,坡面匯流時(shí)間縮短,減少河道的調(diào)蓄水能力,特別是盤(pán)龍江內(nèi)取水點(diǎn)和排水點(diǎn)都比較繁雜,取水量和排水量的具體情況不明朗,則相比率定期的模擬效果,處于城市快速發(fā)展期間校準(zhǔn)期模擬的吻合程度有所降低。

4結(jié)論

基于ArcGIS界面對(duì)ArcSWAT模塊的支持,對(duì)盤(pán)龍江流域的徑流過(guò)程進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明,雖然沒(méi)有對(duì)模型相應(yīng)的城市模塊進(jìn)行改進(jìn),但是該模型對(duì)于率定期和校準(zhǔn)期所模擬出來(lái)的徑流曲線(xiàn)基本可以反映出真實(shí)的水文過(guò)程線(xiàn),幾個(gè)降雨高峰值都可以捕捉到,并且在流量圖上顯現(xiàn)出來(lái)。從相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)看出,松華壩以上區(qū)間流域的模擬相關(guān)系數(shù)R2在0.83以上,Ens在0.80以上,模擬結(jié)果可以評(píng)為乙級(jí):松華壩以下區(qū)域的模擬相關(guān)系數(shù)R2在0.68以上,Ens在0.58以上,模擬結(jié)果可以評(píng)價(jià)為丙級(jí)，表明該模型對(duì)盤(pán)龍江流域具有良好的適應(yīng)性。松華壩以下流域主要就是昆明市區(qū),受人類(lèi)活動(dòng)影響比較大,為了提高模型對(duì)該流域的模擬精度,需要對(duì)該模型相關(guān)的城市模塊進(jìn)行改進(jìn),使模型更加適應(yīng)流域的模擬,以便對(duì)日后盤(pán)龍江流域的水資源合理利用和水質(zhì)控制提供支持。

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