基于SWAT模型的大通河流域徑流模擬

吳恒卿，劉賽艷，黃 強，張節潭，黎云云

(1 西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048；2 深圳市西麗水庫管理處，廣東 深圳 518055；3 國家電網青海電力公司，青海 西寧810000)

基于SWAT模型的大通河流域徑流模擬

吳恒卿1,2，劉賽艷1，黃 強1，張節潭3，黎云云1

(1 西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048；2 深圳市西麗水庫管理處，廣東 深圳 518055；3 國家電網青海電力公司，青海 西寧810000)

【目的】 采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模擬大通河流域徑流，為大通河流域水資源規劃與管理提供科學依據?！痉椒ā?根據大通河氣象水文、地形、土地利用、土壤類型等基礎數據，以相對誤差(Re)、線性擬合系數(R2)以及納什效率系數(Ens)作為模型評價標準，研究SWAT模型對大通河流域徑流的模擬效果?！窘Y果】 大通河流域月徑流SWAT模擬值與實測值吻合較好，模型校準期(1978-1982年)和驗證期(1983-1986年)的線性擬合系數、月徑流相對誤差以及納什效率系數分別為：0.70，0.95%，0.69和0.69，-13.96%，0.68，表明SWAT模型能夠較好地模擬大通河流域的月流量過程?！窘Y論】 SWAT模型可用于大通河流域徑流模擬。

大通河；徑流模擬；SWAT模型

大通河發源于青海省天陵縣木里山，流經青海、甘肅兩省，不僅是青海省重點水源涵養區和天然林保護區，也是祁連山重要的牧業區；同時，還肩負著包括青海、甘肅兩省所轄的10個縣1個區的全部和部分地區總計46.7萬人(青海19.5萬人，甘肅27.2萬人)的生活、生產及生態用水的任務。近年來，由于氣候變化[1-2]以及流域上游地區水資源開發利用工程(主要是外調水工程及梯級水電站建設)的不斷增多，加之流域內水文氣象變化及生態植被被破壞等原因[3]，流域水資源量已經出現很大的變化，有逐漸減少的趨勢。研究表明，即使是在現有氣候變化和人類活動保持不變的狀況下，大通河流域徑流的遞減趨勢在未來的一段時間內仍將持續[4-6]。

為了更好地對大通河流域水資源進行開發利用與綜合管理，有必要研究其徑流變化規律，利用具有一定物理機制的分布式水文模型對大通河的徑流變化進行模擬。SWAT( Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農業部(USDA)的農業研究中心(ARS)研發的水文模型，比較適用面向水資源管理長時段的分布式水文過程模擬。與一般的統計模型不同，SWAT能夠考慮氣候和下墊面因子空間分布不均勻性，模擬流域降雨徑流形成的影響，客觀地反映氣候和下墊面因子空間分布對流域徑流和水儲量的影響。目前，SWAT模型在國內已經得到了廣泛應用[7-14]。夏志宏等[8]將SWAT模型應用于漢江流域徑流模擬，發現該模型比較適用于漢江流域的徑流模擬，但受土地利用、覆蓋、土壤數據的時空局限性以及流域集水區范圍的影響，盡管模擬精度達到了評價標準的要求，但模擬效率并不高。楊姍姍等[10]以臥虎山水庫流域為例，探討了SWAT模型對中小流域的適用性，結果表明逐月徑流量模擬值效率系數、相關系數均大于0.70，效果良好。姚蘇紅等[12]利用SWAT模型對內蒙古閃電河流域進行徑流模擬研究，發現其模擬徑流結果受參數影響很大，尤其是對融雪參數值敏感性較強。劉貴花等[13]將SWAT模型成功地引入我國東北地區三江平原沼澤性河流，結合地理信息系統(GIS)進行了撓力河上游流域的年徑流模擬，模擬效率達到0.80以上，效果較為理想。但是關于SWAT模型在海拔3 000 m左右的高原流域應用研究較少。為此，本研究在綜合考慮高原流域地形、植被、土壤和土地利用等因素的基礎上，選擇基于GIS的SWAT模型來構建大通河流域水文模型，模擬其徑流過程，探討SWAT模型在高原流域的適用性，以期為大通河流域水資源的開發利用與綜合管理提供科學依據。

1 研究區概況

大通河位于東經98°30′-103°15′、北緯36°30′-38°25′，是黃河最大的二級支流，湟水的一級支流，發源于青海省天陵縣木里山，流經青海省的天峻、祁連、剛察、海晏、門源、互助、樂都、民和以及甘肅省的天祝、永登、紅古等11個縣(區)，在民和縣享堂鎮匯入湟水，全流域面積15 130 km2。大通河流域干流全長560.7 km，其中青海省境內河流長464.42 km，主河道平均坡降4.65%。流域地形西北高、東南低，兩側依山傍嶺，干流峽谷與盆地相間。流域內山巒起伏、地勢高聳，主要山脈有托勒山、冷龍嶺、大通山、大坂山，其峰脊海拔大都在4 500 m左右，其中冷龍嶺雄居群山之首，海拔達5 254 m。流域80%以上的集水面積分布在海拔3 000 m以上。

大通河流域深居西北內陸，氣候特點是冬長夏短，冰凍期長，氣候嚴寒，多年平均氣溫-0.3～8.0 ℃，年降水量為300～600 mm，并呈現從東南向西北遞減的態勢。全流域多年平均蒸發量為765 mm，蒸發量隨海拔升高而呈減少趨勢。上游地區年蒸發量為700～800 mm，下游地區年蒸發量為900～1 000 mm。由于地處高原，流域上游徑流以降水、冰川融雪和沼澤補給為主，工、農業和生活用水多集中在流域中、下游。土地利用類型包括農田、灌木林、樹林、草地、沼澤、城市用地及裸地。土壤類型包括石灰褐土、栗鈣土、淡灰鈣土、新積土、草甸土、泥炭土、草氈土等。受海拔和光照的影響，上游以高山草原為主；中游以森林和生長期較短的農作物為主；下游光熱資源充足，以生長期較長的農作物為主。流域內的地貌類型主要有冰蝕構造高山、侵蝕構造中山、構造剝蝕低山丘陵、冰川冰水堆積臺地及堆積平原。

2 數據來源及SWAT模型參數

2.1 數據來源

SWAT模型要求所有輸入的數據必須是統一的地理坐標和投影，因此本研究中統一使用WGS-1984-PDC-Mercator 投影，地理坐標選擇WGS-1984。

2.1.1 數字高程模型(DEM) 大通河流域數字高程模型(DEM)數據來源于地理空間數據云平臺，精度為90 m×90 m。首先，在地理空間數據云平臺中找到大通河流域的位置。然后，選擇所需要的數據集，點擊下載即得到所需的DEM數據。在GIS中通過對DEM數據進行投影變換、拼接及裁剪，最終得到大通河流域DEM數據及水文站、氣象站分布，結果如圖1所示。

圖1 大通河流域DEM及水文站、氣象站分布

2.1.2 土地利用類型圖 大通河流域土地利用類型圖來源于中國科學院東北地理與農業生態所遙感與信息中心，比例尺為1∶10萬。SWAT模型中建議土地利用類型最好不超過10種，若土地利用類型超過10種，則需要對其進行重分類以減少模型最后生成的水文單元(HRU)的數量。大通河流域土地利用類型達到了12種，在GIS中通過重新分類操作將其最終分為9類，并建立土地利用類型索引表，最終得到土地利用類型圖，結果見圖2。

圖2 大通河流域不同土地利用類型的分布

2.1.3 土壤分布圖 土壤分布圖來源于中國科學院南京土壤研究所，比例尺為1∶100萬，以大通河流域邊界為掩膜進行裁剪得所需土壤分布圖。將流域土壤類型圖以土壤類型代碼字段轉化為shape格式，對其進行重分類，建立土壤索引表，最終確定土壤類型為13類，土壤分布見圖3。

圖3 大通河流域不同類型土壤的分布

2.2 屬性數據庫的建立

1)土壤屬性數據庫。SWAT模型提供的土壤類型都是基于美國本土的統計，應用時難以找到對應的類型，因此需要根據大通河流域具體情況建立土壤屬性數據庫。首先，對照土壤類型代碼表核對并確認大通河流域土壤類型；其次，利用中國土壤數據庫獲取各種土壤的初始信息，包括土壤名稱、土壤分層數目、土壤表層到底層的深度、土壤質地、土壤剖面厚度、有機質含量、電導率等；然后進行土壤質地的轉換；最后，借助SPAW(Soil-Plant-Atmosphere-Water)軟件[15]獲取土壤可利用的有效水、飽和水力傳導系數。每層土壤物理屬性參數計算確定后，將其輸入模型的user-soil中即建立土壤屬性數據庫。

2)氣象數據。建模需要的徑流數據來源于中國水文年鑒黃河流域水文資料，包括尕日得、尕大灘、天堂、連城、享堂共5個水文站多年平均月徑流數據。氣象數據來源于中國氣象數據共享服務網，包括降水、氣溫、濕度、氣壓、風速、日照時間、相對濕度等。由于研究區地處高山區，氣象站點和雨量站稀少，選取流域周邊的剛察、門源、祁連、烏鞘嶺、野牛溝等共7個氣象站點1960-2013年的氣象數據，建立天氣發生器及模型所需降水、氣溫數據。

2.3 SWAT模型的運行

建立模型需要的基礎數據庫之后，開始運行模型，本研究中模型的主要運行步驟及結果如下。

1)子流域提取。首先加載流域DEM數據，確認所采用的投影信息無誤后計算水流流向和流量累積柵格，設定最終的最小水道集水面積閥值為 45 000 hm2，模型自動生成流域河網。最后將享堂水文站設為流域總出口，模型自動將流域劃分為13個子流域(圖4)。

2)水文響應單元(HRU)的劃分。HRU是指同一個子流域內有著相同土地利用類型、土壤類型和坡度等級的區域，是SWAT模型運行的最小單元。在對土地利用類型圖、土壤圖及坡度重分類和疊加分析后，根據大通河流域實際情況，設置土地利用閥值為11%，土壤面積為12%，坡度等級為11%，將大通河流域劃分為94個HRU。

3)氣象數據的導入及模型運行。HRU劃分完成之后，將整理好的氣象數據及氣象站點位置加載進模型，然后運行模型。模擬時間段選為月，預熱期選擇3年。本研究選擇大通河流域享堂水文站1978-1982年的月平均徑流數據進行參數率定，1983-1986年的月平均徑流數據進行驗證。

圖4 大通河流域13個子流域的分布因覆蓋區域過小，子流域10在圖中未顯示
Fig.4 Division of 13 sub-basins of Datong river in SWAT modelSubbasin 10 is nto shown due to its small size

3 SWAT模型運行結果分析

3.1 模型評價指標

一般選擇納什效率系數[14](確定性系數，Ens)、實測值與模擬值的相對誤差(Re)及線性擬合系數(R2)3個參數來評價模型的模擬效果[16-18]。通常，Ens和R2越大，實測值(Q實測，i)與模擬值(Q模擬，i)的相對誤差(Re)越小，模擬效果越好。如果Ens=1，則Q實測，i=Q模擬，i；如果Ens<0，說明模型模擬值比實測值可信度更低，不具有代表性，通常取Ens≥0.5作為徑流模擬效率合格的評價標準。R2越接近1，說明模擬徑流量與實測徑流量越接近(模擬徑流對實測徑流的解釋度越高)，通常取R2≥0.6作為模擬擬合度的評價標準。而Re通常要控制在±20%以內。

3.2 模型運行結果

采用享堂水文站1978-1986年的實測徑流數據進行模型校準和驗證。用1978-1982年的實測數據進行模型校準，校準期內月徑流模擬值與實測值對比見圖5-A，散點圖見圖5-B。

圖5 大通河流域校準期(1978-1982年)SWAT模型模擬徑流與實測徑流的對比(A)和散點圖(B)

由圖5可以看出，模型模擬的徑流過程線與實測結果整體上吻合較好。校準期內月徑流模擬值與實測值之間的Re為0.95%，且R2=0.70≥0.6、Ens=0.69≥0.50。校準完成后，采用1983-1986年的數據進行模型驗證，驗證期內月徑流模擬值與實測值的對比圖見6-A，模擬徑流與實測徑流的散點圖見圖6-B。驗證期內的Re為-13.96%，R2、Ens分別為0.69和0.68，表明SWAT模型在驗證期內亦符合要求。由此可見，SWAT模型對流域適用性良好，可準確描述流域的水文過程。因此，可以用SWAT模型對大通河流域的水文變化進行模擬。

圖6 大通河流域驗證期(1983-1986年)SWAT模型模擬徑流與實測徑流的對比(A)和散點圖(B)

4 結 論

本研究將SWAT分布式水文模型應用于大通河高原流域，在收集了流域內大量基礎資料的基礎上，構建了大通河流域的空間數據庫和屬性數據庫。利用流域范圍內1978-1986年水文氣象資料以及下墊面空間分布信息，建立大通河流域徑流的SWAT模型，模擬了月平均流量的變化過程，探討SWAT模型在高原流域的適用性，為大通河流域徑流模擬提供了模型基礎。

根據流域的DEM、土地利用、土壤分布等數據，由SWAT模型自動將整個研究區分為13個子流域、94個水文單元，結合流域1978-1982年實測徑流數據進行參數的率定，并通過1983-1986年實測徑流數據進行驗證。模擬結果表明，SWAT模型校準期(1978-1982年)的線性擬合系數、月平均流量相對誤差以及納什效率系數分別0.70，0.95%和 0.69；驗證期(1983-1986年)的線性擬合系數、月平均流量相對誤差以及納什效率系數分別為0.69，-13.96%和0.68。說明SWAT模型對大通河流域徑流的模擬效果較好，可以應用于高原流域的徑流模擬，這為大通河流域水資源綜合管理、可持續發展提供了科學依據。

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SWAT model based runoff simulation of Datong river basin

WU Heng-qing1,2,LIU Sai-yan1,HUANG Qiang1,ZHANG Jie-tan3,LI Yun-yun1

(1StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2ShenzhenXiliReservoirManagementDepartment,Shenzhen,Guangdong518055,China;3StateGridinQinghaiElectricPowerCompany,Xining,Qinghai810000,China)

【Objective】 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model was used to simulate flow of Datong river basin to provide scientific basis for water resources planning and management.【Method】 Based on meteorology and hydrology information,terrain,land use and soil type of Datong river,SWAT model was established and relative errorRe,linear degreeR2and Nash efficiency coefficientEnswere used to evaluate simulation results.【Result】 The linear degreeR2,relative errorReand Nash efficiency coefficientEnsof calibration (from 1978 to 1982) and validation period (from 1983 to 1986) were 0.70,0.95% and 0.69 and 0.69,-13.96% and 0.68,respectively,indicating that SWAT model was suitable for simulating flow of Datong river basin.【Conclusion】 SWAT model was suitable for Datong river basin.

Datong river;runoff simulation;SWAT model

時間:2015-08-05 08:57

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.030

2014-12-10

國家自然科學基金項目(51190093，51309188，51179149)；陜西省重點科技創新團隊項目(2012KCT-10)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20116118110009)；陜西省教育廳重點實驗室項目(13JS069)

吳恒卿(1976-)，男，廣東雷州人，博士，主要從事水文學與水資源系統工程研究。 E-mail：waterwu2004@126.com

黃 強(1958-)，男，四川梓潼人，教授，博士生導師，主要從事水文學與水資源系統工程研究。 E-mail：sy-sj@xaut.edu.cn

TV213.4

A

1671-9387(2015)09-0210-07

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0857.060.html