基于SWAT模型的寒旱区积雪与融雪期径流模拟应用研究——以锡林河流域上游为例

段超宇，司建宁

(1.宁夏回族自治区水利科学研究院，银川 750021；2.宁夏水文水资源勘测局，银川 750000)

锡林河是我国北方锡林郭勒大草原上最重要的草原河流之一，每到冬季，草原上季节性冻土的出现，使锡林河在春季与夏季表现出明显的双峰型地表径流特点。本文运用SWAT2012模型对锡林河流域开展积雪与融雪期径流模拟，从而揭示寒旱区特有的地表水文循环过程[1，2]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

锡林河属查干诺尔水系，发源于赤峰市克什克腾旗，自东向西流经锡林郭勒盟阿巴嘎旗，在贝尔克牧场转向西北经过锡林浩特市，最终注入查干诺尔沼泽地自然消失，全长175 km，流域面积约105 452 km2，地理坐标为43°26′-44°39′N，115°32′-117°12′E[3]。本文以锡林河水文站为界，研究模拟范围为锡林河水库上游，总面积3 852 km2。图1为锡林河流域地理位置图。

根据国家气象信息中心锡林浩特站(54102)1971-2000年日值降水数据显示：锡林河流域多年平均降水量为292.6 mm，其中5-9月为主要降雨期(7-8月降雨量占全年降水54.8%)；10月到次年4月为主要积雪期。根据锡林河水文站1971-2000年日值径流数据显示：锡林河流域多年平均径流深5.08 mm，其中4月份融雪产生的春汛占全年32.5%，7-8月产生的洪水占全年56%。锡林河呈现出明显的双峰型地表径流特征，见图2。

图1 锡林河流域地理位置Fig.1 Xilin river basin

图2 锡林河流域降水～径流分布Fig.2 The precipitation and runoff allocation in Xilin river basin

1.2 模型适用性与建立

1.2.1 SWAT2012模型的适用性

SWAT2012(Soil and Water Assessment Tool 2012)是美国农业部农业研究中心开发的流域尺度模型，通过建立具有物理机制的水文模型，削弱模型对资料的依赖性。SWAT模型在结构设计上考虑到了融雪和冻土对水文循环的影响，并在国内外得到了广泛的应用[4,5]。目前，SWAT模型在我国模拟融雪径流方的面研究多应用于西北寒区，北方寒旱区草原径流模拟应用尚不多见[6-10]。因此，开展基于SWAT模型的寒旱区积雪与融雪径流模拟研究，将对拓展SWAT模型应用区域和研究领域有着重要的研究价值。

1.2.2 模型的建立

(1)DEM数据库。文中DEM(Digital Elevation Model)取自中国科学院国际科学数字服务平台SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)90 m分辨率数据。通过Arcgis平台，进行Select a coordinate system(选择坐标系统)/Predefined(预定义坐标系统)/Projected coordinate system(平面坐标系统)/Gauss Kruger(高斯克里格)投影变换，最终将WGS84地理坐标系统转换为模型所需要的Beijing 1954坐标系统，见图3。

图3 锡林河流域DEM图Fig.3 DEM of Xilin river basin

(2)Landuse数据库。Landuse数据决定了模型中降水在陆面的产流过程，是构建SWAT模型的重要数据之一。Landuse数据包括：土地利用矢量(栅格)分布图、土地利用属性数据和各土地利用类型索引表。Landuse矢量(栅格)分布图源于内蒙古师范大学蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室的锡林河流域土地利用类型重分类解译数据结果。结合野外观察结果进行验证补充，最终确定了锡林河流域Landuse类型为草地(占89.6%)、耕地(占4.2%)、林地(占2.6%)、水域(占1.8%)、湿地(占1.2%)和城镇景观用地(占0.6%)。图4为锡林河流域Landuse类型图。

图4 锡林河流域土地利用类型Fig.4 Landuse classification

(3)Soil数据库。Soil数据的物理化学属性决定决定了流域内HRU中的水循环过程，参数信息质量的好坏直接影响着模拟效果。Soil数据包括：土壤类型分布图、土壤数据库参数文件和各土壤类型索引表。Soil类型分布图取自中国科学院南京土壤所1∶100万中国土壤矢量图结果，数据库各参数为2012年8月野外试验获取。图5为Soil类型图。

图5 锡林河流域土壤类型Fig.5 Soil taxon

(4)Weather数据库。Weather数据库中降水量、气温、相对湿度、太阳辐射和风速数据来自国家气象信息中心锡林浩特站(54102)1971-2000年日值资料，各气象参数通过气象发生器计算算得。

2 结果与分析

2.1 敏感性参数

本研究以年为单位，在划分不同水文年型的基础上，开展不同水文年型积雪与融雪期径流模拟。预热期为1971-1973年，率定期为1974-1987年，验证期为1988-2000年。通过手动调参，确定主要敏感性参数如下：①植被蒸发参数ESCO、IPET、CANMX、CNOP；②土壤水参数SOL_AWC；③地表水分配参数CN2；④地下水参数ALPHA_BF、GW_REVAP、GWQMN、RCHRG、REVAPMN；⑤融雪参数SMTMP、SFTMP、SMFMN、SMFMX、SNOCOVMX、TIMP。

2.2 模拟结果

2.2.1 丰水年积雪融雪期径流模拟

(1)丰水年。积雪融雪期径流丰水年模拟结果显示：率定期中，Ens=0.98，R2=0.99；验证期中，Ens=-0.01，R2=0.31。验证期中 偏低，原因来自1998年特大暴雨。图6为丰水年模拟结果。

图6 丰水年SWAT 2012模型融雪径流模拟结果Fig.6 Flow simulation result of SWAT 2012 model in wet year

(2)偏丰水年。积雪融雪期径流偏丰水年模拟结果显示：率定期中，Ens=0.77，R2=0.86；验证期中，Ens=0.70，R2=0.72。偏丰水年模拟显示了出较好的模拟结果，如图7所示。

图7 偏丰水年SWAT2012模型融雪径流模拟结果Fig.7 Flow simulation result of SWAT 2012 model in partial wet year

2.2.2 平水年积雪融雪期径流模拟

根据不同水文年型的划分结果可知，研究期30 a内，只有1972年、1991年及1997年为平水年，由于年份出现的特殊性，只对平水年进行验证模拟。积雪融雪期径流平水年模拟结果显示：验证期中，Ens=0.90，R2=0.95。模拟结果见图8。

图8 平水年SWAT2012模型融雪径流模拟结果Fig.8 Flow simulation result of SWAT 2012 model in normal year

2.2.3 枯水年积雪融雪期径流模拟

(1)枯水年。积雪融雪期径流枯水年模拟结果显示：率定期中，Ens=0.66，R2=0.79；验证期中，Ens=0.54，R2=0.98。图9为枯水年模拟结果。

图9 枯水年SWAT2012模型融雪径流模拟结果Fig.9 Flow simulation result of SWAT 2012 model in dry year

(2)偏枯水年。积雪融雪期径流偏枯水年模拟结果显示：率定期中，Ens=0.59，R2=0.62；验证期中，Ens=0.72，R2=0.77。图10为偏枯水年模拟结果。

图10 偏枯水年SWAT2012模型融雪径流模拟结果Fig.10 Flow simulation result of SWAT 2012 model in partial dry year

根据对锡林河流域不同水文年型积雪融雪径流(10月到次年4月)模拟结果可以看出：SWAT2012模型对不同水文年型的积雪融雪期径流模拟表现为：平水年>偏丰水年>丰水年>枯水年>偏枯水年，且Ens均大于0.5，R2均大于0.6。同时，从图11可以看出，若不进行不同水文年型的划分，率定期中，Ens=0.76，R2=0.79；验证期中，Ens=0.53，R2=0.61，模型在整体水平上仍然满足精度要求，SWAT2012在模拟北方寒旱区积雪融雪过程中表现出了较好的适用性。

图11 SWAT2012模型融雪径流模拟结果Fig.11 Snowmelt simulation result of SWAT 2012 model

3 结 论

通过开展锡林河流域不同水文年型积雪融雪期径流模拟，可以得出结论：平水年>偏丰水年>丰水年>枯水年>偏枯水年，各水文年型Ens均大于0.5，R2均大于0.6，一致性较好，反映出SWAT2012模型能够用于我国北方河流草原，并具有以下特点。

(1)模型对模拟积雪融雪期径流整体拟合程度较好。SWAT2012模型模拟所得到的模拟径流深过程线除1972年、1991年、1997年个别年份外，基本与实测径流深过程线变化过程一致，说明该模型对积雪融雪期内模拟的雪量较符合实际。

(2)模型模拟结果可以为春汛做预测。从锡林河洪峰峰值出现的时间上看，实测融雪期峰值与模型模拟融雪高峰期一致，模型模拟融雪时间准确，能够为春汛提供可靠的预测。

(3)模型对典型洪水具有较好的模拟结果。SWAT模型在模拟1987年典型洪水时表现出较高的精度，优于对非典型洪水的模拟效果，相对误差12.8%。

(4)模型中土壤的下渗速率是影响模拟精度的关键因素。从气象资料与1982年、1989年融雪模拟结果可以看出，融雪偏前的原因主要受到气温的影响，因冻土形成时间早，阻止了融雪水下渗到土壤中，从而改变了局部地区水循环。此外，模拟出现融雪期相邻月份落差较大，因流域汇流平均滞留时间一致，融雪期蒸发量几乎为零，可以得出下渗速率是影响模型模拟精度的关键因素。

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