SWAT模型在我国八类不同河流类型中的径流模拟研究进展

何泽锋 朱海彬

(贵州师范大学 a．地理与环境科学环学院; b．中国南方喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001)

随着我国社会经济的快速发展和工农业用水需求的不断加大，加之近年来气候的变化以及我国水利工程建设的滞后，致使水资源短缺在一定程度上已经成为制约我国社会经济发展的一个十分重要的因素。加强中小流域水资源开发利用与水资源综合管理是应对水资源紧缺的重要途径，研究中小尺度流域的水文循环过程、模拟流域的水资源变化是水资源管理的基础工作［1］。

利用水文模型对流域水文过程的模拟是目前研究流域水资源时空分布的重要方法之一。近年来随着我国对水资源开发和管理的日益重视，SWAT 模型作为一种从国外引进的先进的水文模拟软件，被广范应用于我国不同流域的径流模拟中。

SWAT 模型是一种具有很强物理机制的分布式水文模型，该模型由美国农业研究中心开发，以日为研究时间步长、以流域为研究尺度［2］。SWAT 模型充分考虑了气候和下垫面等多种影响因子在空间分布中的不均匀现象，真实地模拟现实世界流域降雨径流形成的影响，客观地反映气候和下垫面等多种因子的空间分布对流域径流和水储量变化的影响［3］。

由于我国幅员广阔，河流众多，伍光和等(2006)根据河流径流的年内动态差异将我国的河流分为八大类型:东北型、华北型、华南型、西南型、西北型、青藏型、内蒙古型、阿尔泰型［4］。

1 SWAT 模拟在我国不同类型河流流域径流模拟的应用情况

1．1 东北型河流

东北型河流主要位于我国纬度较高、气温低、蒸发弱、地表径流较丰富的东北地区，这类河流主要以积雪、地下水、降水为补给方式。河流通常在4月开始形成春汛，春汛的延续时间较长。这类河流主要以松花江、黑龙江等为代表。

目前SWAT 模型在这类河流流域径流的应用还较少。尹雄锐等(2011)对洮儿河流域径流进行模拟，结果表明干流水文站月流量过程率定期Nash 效率系数平均值为0．87，验证期为0．72，相关系数都达到0．86以上，模型对于该河流的日径流模拟的精度也较高，但是对于枯水年的模拟结果较差［5］。刘贵花等(2014)以三江原沼泽性河流为研究区，模拟结果得出:年径流模拟校准期和验证期的Nash 效率系数、相关系数R2、相对误差PBIAS 值分别为0．84、0．94、－5．70和0．91、0．93、－6．46，表明SWAT 模型在三江原沼泽性河流径流的模拟效果较好［6］。

1．2 华北型河流

华北型河流包括辽河、海河、黄河以北及淮河北侧各支流。该类河流每年有两次汛峰，两次枯水，3—4月间因上游积雪消融和河冰解冻形成春汛，径流系数5% ～20%，夏汛与春汛间有明显枯水期，有些河流甚至断流，造成春季严重缺水现象。雨季多暴雨，洪水猛烈而径流变化幅度大。

目前SWAT 模型在这类河流流域的径流模拟较多。张凯等(2013)以汾河上游为例，得出模拟与实测径流的Nash效率系数分别为0．78和0．79，相对误差为5．8%和8．7%，均小于10%，模型在该流域的模拟效果较好，有较强的实用性［7］。董国强等(2013)等利用SWAT 模型对滦河流域径流模拟得出:滦县水文站率定期与验证期月径流模拟值与实测值的相关系数、确定性效率系数均在0．90以上，相对误差控制在5．00%左右，表明模型具有较高的模拟精度［8］。

1．3 华南型河流

华南型河流包括淮河南侧支流，长江中下游干支流，浙、闽、粤沿岸及台湾省各河，以及除西江上游以外的珠江流域大部分。这类河流在我国分布最广。该类河流主要以降雨为补给方式，河流径流系数超过50%，具有汛期早、流量大等特征。

林凯荣等(2013)用该模型对东江流域的径流模拟，研究表明，SWAT 模型在东江流域3 个子流域的适用性较好，校准期日径流模拟和月径流模拟的相对误差Re 均在10%以内，日径流模拟的决定系数R2均在70%以上，月径流模拟的决定系数均在80%以上，Nash 效率系数基本达到70%;验证期月径流模拟的决定系数R2和Nash 效率系数均在70%以上。相对误差基本在±20%以内，可以满足该流域的水资源评价与规划的要求［9］。陈小凤(2009)利用SWAT 模型对白莲河流域径流模拟研究。模拟结果表明:SWAT 模型基本能反映白莲河流域的日径流水文过程，具有一定的适用性［10］。

1．4 西南型河流

西南型河流包括中、下游干支流以外的长江、汉水、西江上游及云贵高原的河流。该类河流径流一般不受降雪和冰冻的影响。径流与降水变化规律一致，7—8月洪峰最高，流量最大，2月份流量最小。河谷深切，洪水危害不大。目前对于该类型河流流域的模拟还较少，卢晓宁等(2010)利用SWAT 模型对忠县虾子岭流域地表径流进行了模拟，认为SWAT 模型在该地区具有一定的实用性［11］。

1．5 西北型河流

该类河流主要包括新疆和甘肃河西地区发源于高山的河流。该类河流主要依靠高山冰雪补给。10月—次年4月为枯水期，3—4月有不明显的春汛，7—8月间出现洪峰。产流区主要在高山区，出山口后河水水量渗漏，愈向下游水量愈少，大多数河流消失于下游沙漠中，少数汇入内陆湖泊。

白淑英等(2013)应用SWAT 模型对开都河流径流进行模拟，结果表明:模拟结果与实测径流较吻合，校准期效率系数为0．58，平均相对误差为－5．7%，线性拟合度为0．8，验证期的结果与校准期接近，均达到了模型的评价标准，结果具有较好的可信度［3］。赖正清等(2013)以黑河中上游为例，对河流径流模拟后得出验证期的模型效率系数ENS 和决定系数R2分别为0．70、0．75，取得了较好的模拟结果［12］。

1．6 青藏型河流

青藏型河流主要位于我国青藏高原地区，青藏高原内部河流以冰雪补给为主，东南边缘的河流主要为雨水补给，7—8月降雨最多，冰川消融量最大，故流量也最大。

SWAT 模型在这类河流流域中的模拟还非常少，慕星(2014)利用SWAT 模型对宝库河流域日径流进行了模拟，结果表明:模拟的相对误差为16．9%，Nash 效率系数Ens 为0．76，相关系数R2为0．72，模拟结果具有一定的实用性［13］。

1．7 内蒙古型河流

内蒙古型河流主要位于我国内蒙古及宁夏地区，该类河流以地下水补给为主，或兼有雨水补给。夏季径流明显集中，水位随暴雨来去而急速涨落，雨季的几个月中都可以出现最大流量，冰冻期可长达半年。

SWAT 模型在这类河流流域中的模拟也还相对较少，有部分学者对这类流域进行了模拟，姚苏红等(2013)对内蒙古闪电河流域径流进行了模拟研究，结果表明:实测与模拟的逐月流量总体较为接近，率定期和验证期的Nash 效率系数均大于0．60，实测与模拟的月流量之间的相关系数在0．65以上，率定期的多年平均相对误差小于5%。模型参数经多次率定之后，能够较好地模拟干旱半干旱地区的径流过程，在同类地区具有一定的适用性［14］。

1．8 阿尔泰型河流

阿尔泰型河流位于我国阿尔泰山地区，我国境内属于此型的河流为数很少，以积雪补给为主，春汛明显，汛期一般出现在5—6月。目前还没有学者对这类河流流域利用SWAT模拟对其进行模拟。

2 SWAT 模型在我国流域径流模拟中存在的问题

SWAT 模型应用我国流域径流的模拟起步相对较晚，但发展较快，特别是近年来SWAT 模拟对河流径流模拟的研究逐渐增多，但SWAT 模型在我国的八类河流径流模拟中也还存在一些问题。

(1)SWAT 模型是美国农业部开发的软件，模型自带的土壤、植被等基础数据及模型的许多基础模块都是根据美国的自然环境研究的，模型在我国的许多河流流域的径流模拟效果并不太理想;由于模型所需要的基础数据较多，而模拟结果的精度往往跟所收集的数据的多少与数据的精度有很大的关系，数据的精度往往直接影响模拟结果的好坏，但我国许多地区缺乏相应的气象、水文等监测站点，致使气象、水文等数据的收集不是很全面，许多地区由于数据的缺乏而难以将模型应用在这些地区。对于模型所需要的数字高程、土壤、植被等数据我国目前还没有统一的规范，大多数学者研究所用的数据精度差异很大，这就导致不同学者对同一流域径流的模拟得出完全不同的结果。

(2)SWAT 模拟在我国流域径流中模拟越来越多，模型在我国的应用得到了很好的推广，但将SWAT 模型应用于我国不同类型的河流的模拟存在很大的差异。在我国八大类河流中，SWAT 模型应用得较多的是东北型河流、华北型河流、西北型河流所在的流域，而对于华南型河流、青藏型河流、内蒙古型河流、阿尔泰型河流等河流所在的流域的研究则较少。由于不同类型河流的水文特征存在很大的差异，河流所在地区的地理环境往往存在很大的差异，模型在某些地方的模拟效果较好，在另外的一些地区模拟的结果不一定会很好。

(3)目前虽然有部分学者提出了SWAT 模型在我国一些流域中模拟存在的一些问题，如SWAT 模型对于流域在枯水期的径流模拟精度相对较差，对于出现大的暴雨的年份的模拟效果也不太理想。相应学者也对出现的问题对模型进行了一定的改进与完善。但对于模型在我国不同流域模拟中存在的问题缺乏系统的总结，也没有对SWAT 模型进行相应模块的完善，致使SWAT 模型很难按照不同类型河流流域的特征进行推广。

3 展望

SWAT 模型在我国流域中的应用旨在对流域水文过程的重现以及对于流域水文过程的预测，模拟结果可为我国流域水资源管理、水资源开发等提供依据。我国虽然应用SWAT 模型对许多流域进行了研究，在模型应用方面积累了一定的经验，但对于模型模拟精度的提高、模型的推广应用，有许多方面还有待进一步改进与完善。

(1)对模型所需要的相关基础数据进一步完善。由于数据对模型模拟结果的好坏起到很关键的作用，虽然SWAT 模型对于缺少部分气象数据仍可以模拟出结果，但模拟出的结果精度往往较差，因此，有必要对模型所需要的土壤、植被、数字高程、气象、水文等基础数据进一步完善并进行统一的规范。

(2)针对我国不同类型河流对模型进行改进与完善。目前对于我国不同类型河流流域的研究并不均匀，对于不同流域所存在的问题缺乏必要的总结等情况，有必要按照不同类型河流流域对其进行相应的总结并对模型进一步完善，因为同一类河流在水文特征、河流所在地的气候等方面具有很大的相似性。对模型相应模块的完善，对于后继对类似河流流域的研究具有很重要的意义。

(3)与其他水文模型结合应用。任何模拟都有其优缺点。在对SWAT 模型本身的改进完善的同时可以结合其他水文模型对流域的模拟，这样可以提高模拟的精度。总之，对于SWAT 模型的改进与完善是一个循序渐进的过程，这需要相关学者后继的研究与不断完善。

［1］陈小凤． 基于SWAT 模型的白莲河流域径流模拟研究［J］．水电能源科学，2009，27(1) :21 ～23．

［2］陈军锋．SWAT 模型的水量平衡及其在梭磨河流域的应用［J］．北京大学学报: 自然科学版，2004，40(2) :265 ～270．

［3］白淑英，王莉． 基于SWAT 模型的开都河流域径流模拟［J］．干旱区资源与环境，2013，27(9) :79 ～84．

［4］伍光和，田连怒，胡双熙，等．自然地理学［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［5］尹雄锐，章光新． 东北半干旱地区流域分布式水文模拟——以洮儿河流域为例［J］．吉林大学学报:地球科学版，2011，41(1) :137 ～144．

［6］刘贵花，栾兆擎，阎百兴，等．基于SWAT 模型的三江平原沼泽性河流的径流模拟［J］．水文，2014，34(1) :46 ～51．

［7］张凯，吴斌，秦作栋，等．基于SWAT 模型的汾河上游径流过程模拟研究［J］．山西大学学报: 自然科学版，2013，36(3) :491 ～496．

［8］董国强，杨志勇． 基于SWAT 模型的滦河流域径流模拟［J］．人民黄河，2013，15(6) :46 ～49．

［9］林凯荣，魏新平．SWAT 模型在东江流域的应用研究［J］．水文，2013，33(4) ;32 ～36．

［10］陈小凤． 基于SWAT 模型的白莲河流域径流模拟研究［J］．水电能源科学，2009，27(1) :21 ～23．

［11］卢晓宁，韩建宁，熊东红，等．基于SWAT 模型的忠县虾子岭流域地表径流特征浅析［J］． 长江科学院院报，2010，27(11) :15 ～20．

［12］赖正清，李硕，李呈罡，等． SWAT 模型在黑河中上游流域的改进与应用［J］．自然资源学报，2013，28(8) :1 404～1 413．

［13］慕星．基于SWAT 模型的宝库河流域日径流模拟［J］．水利水电技术，2014，45(1) :32 ～35．

［14］姚苏红，朱仲元，张圣微，等．基于SWAT 模型的内蒙古闪电河流域径流模拟研究［J］． 干旱区资源与环境，2013，27(1) :175 ～180．