SWAT模型在典型湿润流域的应用研究

徐蛟 李彬权 许广东

SWAT模型在典型湿润流域的应用研究

徐蛟 李彬权 许广东

SWAT模型是一个具有很强物理机制的、连续的、长时段的分布式流域尺度水文模型。模型能够利用GIS和RS提供的空间数据信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。最小的模拟单位可以是一个子流域或者一个单元格。模型可采用多种方法进行流域分割，能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。SWAT模型在国外已经得到推广及应用，如美国中西部和西南部地区以及欧洲和亚洲的许多国家。目前国内SWAT模型的应用范围主要包括3个方面：产流/产沙模拟、非点源污染研究及输入参数对模拟结果的影响研究。本文将SWAT模型应用于福建晋江西溪安溪水文站以上流域，取得较好的模拟效果。

一、模型主要计算方法

SWAT模型模拟的流域水文循环过程分为两个部分：陆面水文循环模块（产流和坡面汇流部分）和汇流演算模块（主河道和水库汇流部分）。前者是由地表、土壤层、地下含水层流向主河道的水量、泥沙量、营养物和农药的水文循环过程；后者是水、泥沙等物质在河网中向流域出口输移的水文循环过程。

流域内蒸发量随植被覆盖和土壤的不同而变化，可通过水文响应单元HRU的划分来反映这种变化。每个HRU都单独计算径流量，然后演算得到流域总径流量。降水可被植被截留或直接降落到地面。降到地面上的水一部分下渗到土壤；一部分形成地表径流。地表径流快速汇入河道，对短期河流响应起到很大贡献。下渗到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸发掉，或者经由地下路径缓慢流入地表水系统。

SWAT具体计算涉及到：地表径流、土壤水、地下水以及河道汇流。从模型结构看，SWAT模型在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断面流量。

二、研究流域概况

以福建省泉州晋江西溪流域安溪水文站以上段为研究流域，安溪流域地处戴云山东南坡，戴云山支脉从漳平县延伸至安溪境内，地势自西北向东南倾斜。由于地形特点，安溪分为两大水系，东部属于晋江水系，西部属九龙江水系。安溪流域总面积3057.28km2，属于山区性河流地区。降雨期主要集中在每年的4～8月，水位暴涨暴落，洪峰持续期短，枯水期长。安溪地处南亚热带，由于受地势高低及距海远近地影响，东西部气候截然不同；东部外安溪受南亚热带海洋性气候影响，夏长而炎热，冬短而无严寒；内安溪为中亚热带区，四季分明。

三、应用研究

1.模型数据库的建立

流域内有9个资料比较齐全的雨量站，1个有资料的水文站，流域出口控制站安溪水文站有蒸发、流量资料。气象资料来自中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料日值数据集。选取了距离研究区域最近的九仙山气象站。气象资料包括日最高气温、日最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数。所有水文气象资料年份为1986～1998年。太阳辐射量的计算参照庞靖鹏等提出的辐射日值估算方法。

采用美国地质调查局USGS NLCD（National Land Cover Data Set）的1km分辨率全球土地覆盖资料来描述研究区域的土地覆盖分布。原数据的IGBP编码与SWAT编码系统不一致，对于一些无法对应的土地利用分类，需要对其进行归类整合，因此将部分相近或相似的土地利用分类归类为模型中所能识别的代码（见表1）。

表1　安溪流域土地利用重分类表

土壤资料采用地球系统科学数据共享平台的全国1∶400万土壤类型分布图。SWAT模型中水文部分用到的土壤数据包括土壤空间分布数据和土壤属性数据两类。土壤空间分布数据表示在每一个子流域中不同土壤类型的分布和面积，是通过数字土壤图和子流域界线图的空间叠加来实现的，并且土壤空间分布数据是生成HRU的基础。最终的土壤物理属性表见表2。

2.模型率定与验证

图1　1986年日径流模拟实测值与模拟值对比图

图2　1997年日径流模拟实测值与模拟值对比图

表2　安溪流域土壤物理属性表

（1）参数率定及敏感性分析

SWAT模型的参数很多，分析结果表明，最敏感的参数为CN2、ESCO、SOL_AWC、SOL_Z、CANMX、GWQMN和SOL_K。本文进行参数率定时采用自动率定与人工调试相结合的原则，以确定性系数和相关系数为目标准则，主要调整敏感参数的取值。

本文在调整参数过程中出现的主要问题为峰值偏大，但其他过程偏小。该问题可能的原因及解决方案为：一是基流偏小，解决方案：①不同土地利用类型的CN值调小；②减小土壤可供水量AWC；③增加土壤蒸发补偿系数ESCO。二是地表径流偏大，解决方案：①增加深层地下水下渗率RCHRG_DP；②增加最小基流出流阈值GWQMN；③增加土壤再蒸发系数GW_REVAP。

（2）结果分析

对研究区域进行了年模拟、月模拟和日模拟，以1986～1995年的10年作为模拟期，1996～1998年的3年作为验证期。

①年尺度模拟

通过相关系数和确定性系数两个指标可以看出年模拟的结果比较好，不需要做过多的参数分析和调整。1986～1995年为率定期，相关系数R2为0.96，确定性系数Ens为0.90。1996～1998年为验证期，相关系数R2为0.98，确定性系数Ens为0.90。

②月尺度模拟

月径流模拟相对年径流模拟的精度有所下降，但已经达到模拟的精度要求，所以在月模拟中也没有做参数分析和调整。1986～1995年为率定期，相关系数R2为0.83，确定性系数Ens为0.82。1996～1998年为验证期，相关系数R2为0.91，确定性系数Ens为0.88。

③日尺度模拟

1986～1995年各年日径流模拟的相关系数和确定性系数见表3。

表3　率定期模拟值与实测值的相关系数和确定性系数表

表4　验证期模拟值与实测值的相关系数和确定性系数表

从表3看出，除了1989年和1993年的确定性系数低于0.7外，其余的都高于0.7。从精度上来讲模拟结果满足要求。整个模拟序列的线性回归系数也较高，除1986年和1989年以外，都达到了0.85以上，说明SWAT模型拟合的水文过程线与实际的过程线还是比较吻合的。这里给出了1986年径流实测值与模拟值的对比图，见图1。

1996～1998年为验证期，各年日径流模拟的相关系数和确定性系数见表4。结果表明，验证期模拟效果也满足精度要求。1997年的模拟实例见图2。

四、结论

将SWAT模型应用在福建晋江西溪流域，以安溪水文站作为流域出口断面，将安溪流域划分为20个子流域和59个水文响应单元，采用中国地面气候资料日值数据集作为气象输入资料，以安溪站逐日实测径流资料进行年、月、日径流模拟及验证，用1986～1998年的长序列水文资料来率定和验证模型在该地区的适应性。从模拟结果的精度看，SWAT模型的径流模拟精度符合要求

（作者单位：江苏省水利工程建设局210029河海大学210098江苏省水文水资源勘测局宿迁分局223800）