SWAT 模型在药乡小流域的径流模拟研究

孟令超,颜宏亮*,李浩宇,刘鸿敏,付延凯,刘汝学

1.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018 2.绥化学院农业与水利工程学院,吉林绥化152061

SWAT 模型在药乡小流域的径流模拟研究

孟令超1,颜宏亮1*,李浩宇2,刘鸿敏1,付延凯1,刘汝学1

1.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018 2.绥化学院农业与水利工程学院,吉林绥化152061

SWAT模型是由美国农业部(USDA)农业研究中心1994年开发的具有很强物理机制的流域水文模型，能够准确地对不同气候、下垫面等情景的水文要素变化进行模拟及预测。本文以泰山药乡小流域为研究对象，使用SWAT模型对2012年逐日径流量进行了模拟研究。结果表明，校准期和验证期的相对误差Re分别为4.5%和7.0%；相关系数R2分别为0.72和0.85；Nash Suttcliff效率系数分别为0.78和0.87。模型模拟精度高于其评价标准（Ens＞0.5，R2＞0.6），说明SWAT模型适用于该小流域，且模拟效果较好，可以应用于与该小流域径流相关的各种模拟分析，研究该区域的生态健康状态。

SWAT模型;参数敏感性分析;径流模拟;药乡小流域

SWAT模型(Soil and WaterAssessment Tool)是由美国农业部(USDA)的农业研究中心1994年开发的一个具有很强物理机制的流域水文模型。可以模拟较大范围复杂流域内的水文过程和多种非点源污染负荷（如泥沙、杀虫剂、营养物质等）随时间、空间的迁移变化情况，以及预测气候、土地利用、管理措施等的变化对流域产水、产沙、水环境污染等过程的长期影响。该模型结合了地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等新技术，是集数据库管理、数学计算、空间数据处理、结果可视化表达等功能于一身的先进的大型分布式流域水文模型。本研究利用SWAT模型，以药乡小流域数字高程图、土地利用图、土壤图以及气象数据、水文数据等数据资料，根据研究区的气候、水文、土壤、植被等区域特点，对模型在该小流域径流模拟研究中所涉及的参数进行率定，并对黄尖山测流站日径流量进行模拟与验证，构建了适合该小流域的SWAT水文模型。目前SWAT模型在我国的径流模拟：李星等[1]以2002～2008年逐月径流量对黄土丘陵区燕沟流域进行了模拟。王杰等[2]模拟昆明市松华坝水源区。张小咏等[3]构建了用以模拟长江源区的SWAT水文模型。李曼曼[4]将洱海流域划分成85个子流域和943个水文响应单元，并利用2004～2008年的月、日实测径流资料进行SWAT模型模拟。石岚等[5]构建了以黄河万家寨水库流域河口镇至万家寨坝址区间为研究区域的SWAT模型。罗睿等[6]利用黄河中游干旱半干旱区三川河流域资料，模拟了该流域的月平均流量过程，分析了月径流量的变化特征。林桂英[7]以泉州南安市石壁水库流域为研究对象建立SWAT模型。王鹏[8]模拟了岔路河星星哨水库以上流域1995～2000年的月径流量。谢淼等[9]收集了石头口门水库流域的数据，构建了SWAT模型。吴军等[10]选取汉江上游马道流域，率定出运用SWAT月模拟效果最佳时的各参数值。杨巍等[11]模拟了大伙房水库汇水区径流变化。胡雅杰[12]以马莲河上游环江流域为研究对象进行径流模拟研究。李星[13]模拟研究了黄土高原丘陵区燕沟流域水量平衡、沟道径流量及其土地利用变化下的水文响应状况。

1 研究区域概况

1.1 地理位置

药乡小流域位于山东省泰安市城市水源地黄前流域，行政上属泰安市大津口乡，地理坐标E117°05＇39″～117°09＇26″，N36°17＇58″～36°20＇30″，总面积9.45 km2。地处北方土石山区鲁中南山地丘陵区西北部，所属一级流域为黄河流域，支流为大汶河。

1.2 水文气象

该流域属暖温带大陆性亚湿润季风气候，多年平均气温为18.5℃，≥10℃的活动积温3821℃，无霜期196 d，多年平均降水量758 mm，实测最大年降水量1303 mm（1964年），最小年降水量334.4 mm（1989年），75%的降水集中在6～9月。多年平均日照时数2648 h。由于降雨集中，常出现冬干、春旱、初夏旱、盛夏暴雨等自然灾害。

1.3 地形土壤

流域地形东、北、西三面环山，海拔280 m～950 m，平均海拔高度530 m。侵蚀剥蚀岩溶构造地貌，沟壑密度6.67 km/km2，主沟比降18.23‰。流域内出露岩石主要为花岗片麻岩风化层，也有零星火成岩和变质岩分布。土壤类型主要是棕壤，棕壤呈微酸性，pH值在6.0左右。

1.4 植被状况

流域内主要为人工林植被类型，包括落叶阔叶林、针叶林、经济林和农田植被等，另外有次生灌丛和草丛植被。主要树种有麻栎、侧柏、赤松、刺槐、油松、五角枫、日本落叶松、板栗、核桃、山楂等；灌草植物主要有胡枝子、照山白、绣线菊等。土地利用类型主要为有林地、耕地和灌草地。

2 研究方法

2.1 模型所需数据

2.1.1 数字高程图本研究采用药乡小流域遥感影像，利用ARCGIS 10.1处理成分辨率为0.5 m的DEM图（见图1）。

图1 药乡小流域数字高程图Fig.1 The digital elevation model of Yaoxiang Small Watershed

图2 药乡小流域土地利用现状图Fig.2 The present land-use map of Yaoxiang Small Watershed

2.1.2 土地利用图土地利用图是把遥感图像数字化，根据黄河流域土地利用现状分类及遥感解译标志编号，并转化为SWAT可以读取的代码[14]（土地利用分类对照见表1、土地利用图见图2）。

2.1.3 土壤类型图土壤数据包括土壤空间分布数据和土壤物理属性数据[15]。由于药乡小流域较小其土壤分布比较单一，偏酸性棕壤占大部分，故作近似为全部是偏酸性棕壤。土壤的物理属性数据主要包括土层厚度、砂粉、粘土、容积密度、有机炭、有效含水率、饱和水力传导率、有效田间持水量等。查阅山东省土壤志资料可得到SOL-ZMX、SOL-CRK、SOL-Z等参数。由于模型自带的土壤数据库和数据标准和中国现有的数据标准不一致，所以要利用该模型就需要将中国土壤数据标准（国际制）转成美国制的土壤数据标准。应用MATLAB软件编程进行3次样条插值法计算得到以美制标准为基础的CLAY、SILT、SAND、ROCK百分含量，应用SPAW计算程序估算土壤可利用有效水量、饱和水力传导系数等参数[16]。（各土壤物理属性的获取方式见表2）。

2.1.4 气象数据SWAT模型中的气象观测所需数据主要包括降水、最高气温、最低气温、辐射、风速和相对湿度等，数据来源药乡林场西门气象站整编的逐日观测资料，将其录入到Excel后，以DBF格式文件存贮。

2.1.5 径流数据把黄尖山测流堰的逐日测流量以DBF格式存储。

表1 药乡小流域土地利用分类对照Table 1 The classification comparison of land use in Yaoxiang Small Watershed

2.2 流域划分及水文响应单元确定

水文响应单元（HUR）是指同一个子流域内具有相同土地利用类型和土壤类型的组合，是在子流域的基础上划分的最小地块单元[17]。通过河网连接起这些子流域，进而利用河道演算得出在流域出口处的产流量。本文将药乡小流域最终划分为47个子流域，由于各子流域内土壤及土地利用类型并不相同，根据不同的土壤和土地利用类型进一步将各个子流域划分为73个水文响应单元。

表2 模型土壤物理属性Table 2 The soil physical property sheet in the model

3 药乡小流域径流参数率定与模拟结果

3.1参数敏感性分析及率定

在模拟中敏感性明显的参数依次为：CN2（SCS径流曲线系数）、ESCO(土壤蒸发补偿系数)、SOL-AWC（土壤有效含水量）、ALPHA-BF（基流消退系数）、GW-REVAP（地下水蒸发系数）并对这几个参数进行率定。参数率定所遵循的原则是：先上游后下游，先调整水量平衡，再调整过程，先调整地表径流，再调整土壤水、蒸发和地下径流[18]。（参数敏感性排序及率定结果见表3）。

表3 SWAT模型参数率定值Table 3 The parameter valuing of the SWAT model

3.2 模拟结果分析

本文选用相对误差Re、相关系数R2和Nash Suttcliffe系数Ens3个指标来评价SWAT模型的适用性。

（1）相对误差Re

其表示模拟值与实测值得相对误差。其为正值，说明模型预测或模拟值偏大；其为负值，说明模型预测或模拟值偏小；其为零，则说明模型模拟结果与实测值正好吻合[19]。其计算公式为：

式中：tP为模拟值，tQ为实测值。

（2）相关系数R2

其用于评价模拟值和实测值之间的吻合程度，可以由Excel线性回归法求得[19]。其值常介于0与1之间，愈接近1，说明实测值与模拟值线性相关程度愈高，一般认为其大于0.6结果即合理。其计算公式为：

式中：Qoi为实测流量，o为为实测流量平均值，Qsi为模拟流量，Qs为模拟流量平均值。

（3）Nash Suttcliffe系数Ens

Ens是一个整体综合指标，可以定量表征对整个径流过程的拟合程度[19]，该值是描述模拟值对观测值的拟合精度的无量纲统计参数，一般取值范围在0～1之间。Ens=1时，说明模拟最好，而当Ens＜0时，说明模拟平均值比实测平均值的可信度低，一般当Ens大于0.5时，模拟效果合理。其计算公式为：

式中：PQ为实测值，0Q为模拟值，avgQ为实测平均值，n为实测数据个数。

选用2012年1～6月的药乡小流域实测的日径流数据与模拟值进行校准，并将模型校准过程中所得到的参数，应用到2012年7～12月的实测资料进行模型验证。（模拟结果见图3、图4，结果分析见表4）

图3 校准期日径流量实测值与模拟值对比Fig.3 Comparison of the observedand simulatedvalues of daily discharge in the calibration period

图4 验证期日径流量实测值与模拟值对比Fig.4 Comparison of the observed and simulated values of dailydischarge in the validation period

表4 模拟评价结果Table 4 The simulation results

4 讨论

由于SWAT模型本身的限制（如模型自带的数据库是针对美国流域水文结构、土壤、植被设计的，其标准与我国数据库标准不一致，同时该模型描述某些过程的经验公式不适用于我国的某些流域[20]）及药乡小流域数据有限造成了模拟的精度不是很高，这需要我们进一步的研究SWAT模型的适应性改进，并监测收集更多的数据以研究小流域的生态健康状态。

5 结论

应用SWAT模型建立了适合药乡小流域的分布式水文模型，并建立了该研究区的土壤属性数据库及相应的土地利用数据库。通过模型敏感性分析和校准、验证，结果表明，模拟校准期和验证期的相对误差分别为4.5%和7.0%，相关系数R2分别为0.72和0.85，Nash Suttcliff效率系数分别为0.78和0.87。模型模拟精度高于评价标准（Ens＞0.5，R2＞0.6），说明SWAT模型适用于该小流域，且模拟效果较好，可以应用于与该小流域径流相关的各种模拟分析，研究该区域的生态健康状态。

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The Runoff Simulation of SWAT Model in Yaoxiang Small Watershed

MENG Ling-chao1,YAN Hong-liang1,LI Hao-yu2,LIU Hong-min1,FU Yan-k ai1,LIU Ru-xue1
1.The College of Water Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China 2.The College of Agriculture and Water Conservancy Engineering,Suihua College,Suihua 152061,China

The SWAT model developed by the United States department of agriculture(USDA)agricultural research center in 1994 is a strong physical mechanism Watershed hydrological model.It can accurately simulate and predict the different underlying surface runoff.In this paper,we take Yaoxiang Small Watershed in Mount tai as the research object.We study on the daily runoff of Yaoxiang small watershed in 2013 by SWAT model.The results show that on a regular basis and validation period,the simulation rate relative errors(Re)are 4.5%and 7%,correlation coefficients(R2)are 0.72 and 0.85，Nash Suttcliff efficiency coefficients are 0.78 and 0.87.Model simulation accuracy is higher than the evaluation criteria(Ens＞0.5,R2＞0.6). This conclusion explains that the SWAT model is suitable for the small watershed,and simulation result is better.So it can be applied to a variety of simulated runoff associated with the small watershed.It also can be used to studying the ecological health of the region.

The SWAT model;parameter sensitivity analysis;runoff simulation;Yaoxiang small watershed

TV213.9

A

1000-2324(2014)03-0423-06

2012-03-31

2012-07-01

孟令超(1988-),男,研究生,主要从事水利水电工程设计理论与管理运行和生态水利工程的研究.E-mail:mlch 8868@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:ss-yhl@163.com