基于SWAT模型的忠县虾子岭流域地表径流特征浅析

卢晓宁，韩建宁，熊东红，邓 伟，刘志红

（1.成都信息工程学院，成都 610225；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041）

基于SWAT模型的忠县虾子岭流域地表径流特征浅析

卢晓宁1，韩建宁1，熊东红2，邓 伟2，刘志红1

（1.成都信息工程学院，成都 610225；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041）

从重庆市忠县地理位置的典型性和敏感性，生态环境的脆弱性，水利设施布设的必要性和虾子岭流域研究前景的优越性出发，借助于SWAT模型，对忠县虾子岭流域地表径流特征进行时空分析，用于确定急需进行水量调控的区域，为区域径流调控体系的布设提供理论依据。研究发现，地表径流量多的东部区域已经布设了较多数量的蓄水工程，流域西部区域应成为未来调蓄水工程布设的重点考虑区域，但工程布设后调蓄水时间的选择不能仅仅依赖地表径流量的多少，而应进一步结合作物需水量的计算，最终确定合理而科学的拦蓄水时间。

SWAT模型；径流；时空规律；蓄水工程

1 概 述

忠县地处重庆市东北部，三峡库区腹地，是三峡移民搬迁的重点县，也是一个低山丘陵的农业大县和贫困县。山地丘陵是我国生态环境最为脆弱的区域类型之一［1］，加强该类型区域耕地保护，提高土地质量和土地生产力是关系到民生的问题。然而，现状是，全县呈现出严重的水土流失，流失面积高达79.7%，远高于三峡库区的总体平均水土流失比例58.2%［2］，具有问题的典型性和强度的突出性［3］。此外，占忠县耕地面积44.22%的旱地，绝大部分属中低产田，缺乏科学合理的水利灌溉设施。因地处三峡库区的典型性和敏感性，耕地保护的重要性，生态环境的脆弱性，水土流失的严重性和水利灌溉设施的必要性，使得研究忠县区域的水分循环、掌握区域水平衡规律［4］成为一个非常迫切的问题。这利于进行科学、合理的水量调控，且对提高水分利用效率，减少水土流失量和农业增产具有重要的意义。然而，因在忠县相关这方面的研究起步较晚，研究基础相对较为薄弱，相关研究成果很少，因此只能在现有数据的基础上，先从了解区域地表径流的时空分布特征入手，确定急需进行水量调控和水利设施布设的重点区域，解决主要问题，再循序渐进地通过更长期的监测和研究，解决整个区域上的水量调控和水土流失的治理问题。

虾子岭流域位于忠县的东偏北部，该流域邻近中科院成都山地所的忠县试验站，监测数据地理位置相对较好，具有非常优越的进行后续深入研究的前景，因此，选择虾子岭流域作为了解忠县地表径流时空分布特征的代表和典型流域。

SWAT（soil and water assessment tool）正是一种评估流域内不同土壤类型、土地利用和管理条件对径流、泥沙和溶质影响的分布式模型。SWAT模型具有很强的物理机制，它能够利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程，如水量、水质以及杀虫剂的输移与转化过程，尤其在面源污染、水土流失、土地利用和农业管理等研究领域得到广泛应用［5－8］。本文借助于SWAT模型，将其应用于忠县虾子岭小流域，对没有径流监测数据却又急需进行水量调控的虾子岭小流域进行地表径流时空分布特征的分析，以确定急需进行水量调控和水利设施布设的重点区域，解决流域面临的主要问题、主要矛盾。SWAT模型由3部分组成，分别是水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型，本文对忠县虾子岭流域地表径流时空分布特征的研究只应用了其水文过程子模型，通过将流域离散成自然子流域的方法来模拟流域的水文循环过程。

2 SWAT模型水文子模型原理简介

SWAT对水文循环过程的模拟包括产流、坡面汇流和河道汇流3部分。坡面汇流和河道汇流是SWAT模型的2个独立组成部分，本研究只进行坡面汇流部分分析，未作河道汇流分析。

SWAT径流模拟，首先要以DEM（Digital Elevation Model）为基础进行河网的生成和子流域的划分；然后根据土地利用、土壤类型和坡度级空间分布数据在每一个子流域内生成若干个HRU（Hydrologic Research Unit）——水文响应单元。每个HRU单独计算径流量，然后依据河流的拓扑关系汇流演算得到流域总径流量。在实际的运算中，通常需要考虑到气候、水文和植被覆盖方面的因素。每个HRU的径流模拟是基于水量平衡，表达式如下：

式中：SWt为土壤最终含水量（mm）；SW0为土壤初始含水量（mm）；t为时间步长（d）；Rday为第i天的降水量（mm）；Qsurf是第i天的地表径流量（mm）；Ea是第i天的蒸发量（mm）；Wseep是第i天存在于土壤坡面底层的渗透量和测流量（mm）；Qgw是第i天的地下水含量（mm）。

SWAT模型采用SCS（Soil Conservation Service）模型CN（Curve Number）值的方法［9］和Green＆Ampt入渗方法［10］计算地表径流。在计算蒸散发时，考虑水面蒸发、裸地蒸发和植被蒸腾，并分开模拟土壤水蒸发和植物蒸腾。潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面积指数估算。实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算。植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面积指数的线性关系式计算，并提供3种潜在蒸发计算方法：Penman Montieth［11］方法、Priestley Taylo［12］方法以及Hargreaves［13］方法供模型使用者选择，本研究选择第一种方法。壤中流的计算与重新分配同时进行，用动态存储模型（Kinematics Storage Model）预测，该模型考虑到水力传导度、坡度和土壤含水量的时空变化［14］。SWAT将地下水分为浅层地下水和深层地下水，浅层地下径流汇入流域内河流，深层地下径流汇入流域外河流。

3 虾子岭流域分布式水文模型构建

在SWAT的ArcView界面平台上，构建忠县虾子岭流域分布式水文模型，具体涉及以下内容。

3.1 模型数据收集及转化处理

水文气象数据收集：SWAT模型模拟的最小时间步长是1 d，要求输入的气象要素包括日降雨量、最高最低气温、太阳辐射、风速和相对湿地。本研究收集的是忠县试验站2008年初至2009年末共2年的每日的气象监测数据。

空间数据收集：SWAT径流模拟中，高分辨率DEM是最重要的输入数据，提供最高的DEM、土地利用、土壤分辨率能获得精确的径流估计［15］。因虾子岭流域本身很小，且前期研究较少，所有空间数据都是第一手实测资料，包括DEM、土地利用数据和土壤类型数据，它们的空间分辨率都为1.6 m。

将DEM、土地利用和土壤类型数据统一到一个坐标系统，横轴墨卡托投影系统（图1）。虾子岭小流域主要土地利用类型为旱地，占研究区面积的53.98%，且这些旱地主要分布于研究区东部，研究区西南部也有一定面积的旱地分布。旱地的需水量大，这些区域是我们分析径流规律的重点区域，也是未来进行调蓄水设施安置的重点区域。水田也是研究区非常重要的土地利用类型，占研究区总面积的17.48%，但这一土地利用类型主要分布于研究区中部的河谷低地地带，通常情况下这一土地利用类型出现缺水的情况不多。林地面积占研究区总面积的14.39%，主要分布于研究区西北和东南角，尤其是处于上游西北角的林地对地表径流起到很好的拦蓄作用。研究区内水塘的面积最少，仅占研究区总面积的2.92%，无法满足大面积旱地的需水要求，因此，对虾子岭流域进行合理而科学的调蓄水工程布设成为迫在眉睫的问题，需对虾子岭流域地表径流时空分布特征进行必要研究。

图1 虾子岭流域土地利用和土壤类型图Fig.1 Maps of land use and soil type in Zhongxian County of Xiaziling watershed

虾子岭流域的2种主要土壤类型是中性紫色土和水稻土。水稻土主要分布于研究区中部河谷地带，与水田的分布非常吻合，面积相对而言较少，仅占研究区面积的17.87%；而大面积发育的是四周坡耕地上的中性紫色土，面积占研究区总面积的82.13%。模型中用到土层厚度、土壤重度、有效可利用水量、土壤饱和传导率、土壤粒径等土壤参数数据决定土壤剖面中水和气的运动状况，并对HRUS中的水循环起着重要作用，通过野外实测和室内下渗试验取得这些数据。

将虾子岭流域的5种土地利用类型数据的代码转换为SWAT模型能识别的4位土地利用／土地覆被代码，并建立研究区土地利用／土地覆被再分类的索引表（表1）；实测的研究区2种土壤类型的物理属性数据还要输入到SWAT模型的用户土壤数据库中，亦为每种土壤类型赋予SWAT模型可以识别的类型代码，并建立土壤属性信息索引表（表2）。

表1 土地利用／土地覆被索引表Table 1 Indexes of land use and land coverage

表2 土壤类型索引表Table 2 Index of Soil type

3.2 子流域划分

根据DEM数据，SWAT模型能够自动、快速地提取子流域，子流域的面积和数量可以影响模型输出结果，这里存在一个子流域划分的合理水平，超过这个水平的子流域划分对模型模拟结果的影响很小。在SWAT模型支持下，我们将虾子岭流域划分为50个子流域，见图2。最大子流域为44号子流域，面积为6 663 m2，占流域总面积的5.66%，位于流域东南部。最小子流域为35号子流域，面积只有6 m2，仅占流域总面积的0.01%，在研究中通常将其忽略不计。研究区子流域的平均面积有2 356 m2，面积超过3 000 m2的子流域有17个，面积低于平均值的子流域有26个，我们关注的重点是面积大的子流域，这些子流域才是未来调蓄水设施安置的重点考虑区域。

3.3 HRU（水文响应单元）生成

将土地利用图、土壤类型图、以及坡度的重分类图进行叠加分析，SWAT模型会根据不同的土壤类型、土地利用类型和坡度类型将流域划分成多个水文响应单元。每个水文响应单元都有其唯一的土地利用类型、土壤类型和坡度类型组合，同一个水文响应单元内的产流机制相似，反之则不同。在SWAT模型下，虾子岭流域被划分成261个水文响应单元（图3），最小水文响应单元的面积只有2.75 m2，最大水文响应单元面积有6 109.41m2，水文响应单元的平均面积有450.98 m2。

图2 忠县虾子岭流域水系及子流域划分图Fig.2 Stream system and subbasin dividing map of Xiaziling watershed in Zhongxian county

图3 虾子岭流域水文响应单元划分图Fig.3 Hydrologic response unit dividingmap of Xiaziling watershed

加载DBF格式的研究区气象数据文件，应用ARCSWAT的Write All功能，读入SWAT模型所需要的数据，即可进行地表径流模拟。我们这里模拟只精确到月尺度，足以用于分析区域地表径流的时空分布特征。因无法获取研究区实测径流数据，不能依据实测径流量数据对模型输入的参数进行率定和验证。但是，通过将SWAT模拟得到的虾子岭小流域总出口的径流系数约为0.09，与忠县试验站人工降雨试验小区测得径流系数做比较，二者比较接近，这在一定程度上可以说明应用SWAT模型对该区域进行模拟所得结果具有可信度，这一地表径流模拟结果在一定程度上可以应用于指导忠县虾子岭流域确定水量调控的重点区域，进行调蓄水工程的安置。

4 忠县虾子岭流域SWAT模拟结果分析

4.1 虾子岭流域地表径流空间分布特征

SWAT模型模拟到50个子流域2008至2009年的年地表径流量，对2年的数据取平均值，作为各子流域年均地表径流量数据，在ARCGIS9.2软件平台下，将其空间化，得到图4。研究区各子流域地表径流量平均为196.58 mm，为年均降雨量的18.70%。年径流最大值为648.37 mm，占年均降雨量的40.41%，出现在49号子流域，该子流域面积相对较小，只有1 926 m2，位于研究区南部。年径流量最小值出现在35号和7号子流域，35号子流域径流量小的原因是流域面积太小，不在考虑范围之内；而7号子流域的面积却很大，达到3 381 m2，但地表径流量却只有53.73 mm，只占各子流域地表径流量均值的5.11%，这是因为该子流域上部有较大面积的林地分布，起到很好的水土保持功效，此外，该子流域坡度相对较为和缓，坡度最小值为0.60°，最大值只有60.43°，平均坡度只有19.31°，这在一定程度上也增强了入渗量，使得地表径流量减少。就整个流域看，年均径流量超过300 mm的流域有4个，它们的子流域编号分别为49，40，43，39，在空间上集中于研究区的东南角；而年均径流量＞200 mm，＜300 mm的子流域有18个，空间上集中于研究区的东部；年均地表径流量＜200 mm的子流域有28个，占研究区流域总面积的58.66%，且在空间上遍布于流域西部。因此，可以确定地表径流量多的流域东部是流域缺水较为严重的区域，加之该区域的主要土地利用类型是耕地，因此应在该区域加强蓄水调水的工程措施的布设。目前，流域东部已经修建了有效容积为100 m3的标准蓄水池2个，此外，很多农户也在自己田地内修建了大小不一、形状各异、质地不等的山坪塘，用于缺水季节向耕地供水，这说明农户在这一区域自发布设的调蓄水工程具有一定的科学性。但是，对该区域仍需要进一步根据作物需水情况，确定是否还应在某些特需水区域进行调蓄水设施的布设。流域西部地表径流量小，应加强蓄水和调水工程的布设，尤其是偏南部区域，因为该区域有较大的旱地用水需求，调蓄水工程除拦蓄地表径流外，更应该拦蓄壤中流。然而，现状是流域西部目前没有任何一个标准蓄水池，且农户在该区域修建的山坪塘也很少。因此，该区域应成未来蓄调水工程布设的重点区域。

图4 虾子岭流域年径流量的空间分异Fig.4 Spatial variation of annual runoff in Xiaziling watershed

4.2 忠县虾子岭流域地表径流时间分布特征

因只对流域进行了2年的降雨监测，SWAT模拟的结果只能简单分析地表径流的年内分配特征，无法分析年际分布特征。根据研究区2008至2009年的逐日降雨量数据推算得到区域在这一研究时期内的月平均降雨量，结合SWAT模型模拟得到的流域总出口和各子流域的月地表径流量数据，绘制了流域面积大于1 000 m2的子流域及流域总出口的地表径流年内变化曲线图（图5），用以分析虾子岭流域地表径流的年内分配特征。对比图5中的（a）、（b）、（c）和（d）图，可以发现各子流域所表现出的地表径流年内变化曲线图的特征与流域总出口的变化特征具有很强的相似性，表观上都表现为在6月份出现地表径流的小峰值，而到8月份达到地表径流量的大峰值，地表径流主要集中于6，8，9，10月份，因此我们这里只分析流域总出口的月径流量数据来研究虾子岭流域地表径流的年内分配规律。

由2008至2010年重庆忠县试验站的监测数据知，虾子岭流域年总径流量为102.67 mm，平均月径流量只有8.56 mm，径流量主要集中于6，8，9，10月份，这4个月的地表径流量都超过区域的平均值。最大地表径流量出现在8月份，为37.11 mm，占流域年地表径流总量的36.14%，该时期也是区域降雨量最大的时期；9月份和6月份次之，地表径流量分别为23.65和16.77 mm，分别占区域年地表径流总量的23.04%和16.33%；10月份的地表径流总量为9.87 mm，占区域年地表径流总量的9.87%。从流域地表径流量的年内分配看，6，8，9，10月份是拦蓄地表径流的理想时期，但该时期降雨量亦较多，因此不能盲目地根据地表径流量的多少来决定是否应进行地表径流拦蓄，否则可能会造成更为严重的洪灾；而是应该根据流域作物生长季需水情况，结合对应时期的降雨情况，确定应该进行地表径流拦蓄的最适时期。

图5 虾子岭流域典型子流域及流域总出口年内变化曲线图Fig.5 Annual variation of earth’s surface runoff in typical sub-basins and basin total outlet

5 结 论

一监测数据相对较好，研究前景优越的子流域，进行地表径流模拟，用以浅析忠县虾子岭流域地表径流的时空分布特征，确定急需进行水量调控的区域，以指导科学而合理的调蓄水工程的布设。

文章简单介绍了SWAT模型的水文子模块的原理，需输入到SWAT中的数据，并对SWAT模拟结果进行分析，浅析了忠县虾子岭流域的地表径流时空分布特征。研究分析发现，虾子岭子流域东部地表径流量大于西部地表径流量，结合区域调蓄水工程现状，未来流域西部区域应成为调蓄水工程布设的重点考虑区域，东部区域应根据作物需水情况进一步确定是否需增设蓄水工程。就时间上看，虾子岭流域地表径流主要集中于6，8，9，10月份，因此该时期是拦蓄地表径流的理想时期，但因同期降雨量亦多，不能仅依靠地表径流的大小来决定蓄水工程拦蓄水的时间，否则造成更为严重灾害。

本文从忠县进行水量调控和水利设施布设的必要性出发，在忠县研究基础薄弱、相关研究成果较少现状的基础上，将SWAT模型引入到忠县虾子岭这

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（编辑：王 慰）

Brief Analysis of Earth’s Surface Runoff Characteristic of Xiaziling W atershed in Zhongxian County Based on SWAT M odel

LU Xiao-ning1，HAN Jian-ning1，XIONG Dong-hong2，DENGWei2，LIU Zhi-hong1
（1.Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Institue of Mountain Hazards and Environment，CAS，Chengdu 610041，China）

The reasonable allocation of a farm land water project，is an importantmethod in improving thewater resources use efficiency and fighting down natural disaster in lower hill regions.Grasping the temporal and spatial distribution of regionalwater resources，and identifying the regionalwater balance between supply and demand are the key point of the development of regionalwater project allocation scientifically and effectively，and the enhancement of regionalwater resources utilization.Considering the Zhongxian County’s representative and sensitivity of location，its vulnerability of ecological environment，its necessity ofwater conservancy facilities，and the superiority of study prospect in Xiaziling watershed，the spatial and temporal variation of Xiaziling watershed in Zhongxian County is studied with the SWATmodel to confirm the regions for urgentwater resource allocation，and then itwill provide theoretical foundation in allocation of regional runoff control system.It is found that the earth’s surface runoff in the eastern region ismuchmore than that in the western region.Since there are a greater number ofwater storage projects in eastern regions，the western region should be the focus of the next tune to consider the regionalwater storage project layout.But，the selection ofwater storage time can not simply depend on the amount of surface runoff，it should be further combined with the calculation of crop water demand，so thata reasonable and sciontific impounding timemay be ultimately determined.

SWATmodel；runoff；spatial and temporal variation；water storage project

P333；TV121

A

1001－5485（2010）11－0015－06

2010-09-10

国家科技支撑计划课题（2008BAD98B02）；成都信息工程学院发展基金（KYTZ200807）

卢晓宁（1980-），女，山东青岛人，博士，副教授，主要从事资源环境遥感方面的研究，（电话）028-85966919（电子信箱）lxn＠cuit.edu.cn。