分布式水文模型SWAT在国外水利水电工程水文设计中的应用

何关洪

摘 要：SWAT为当前比较流行的分布式水文模型，文章以所处不同大陆，地形、植被、土壤及气候类型各异的东南亚老挝南木恩水电站、东非乌干达恩库西河水电站和欧洲黑山共和国莫拉查河规划梯级水电站工程为例，通过收集地形、植被、土壤及气象等基础数据，以SWAT为工具建立分布式水文模型。对比实测和模拟径流系列的相对误差（Re）、相关平方系数（R2）以及Nash-Sutcliffe效率系数（Ens）为模型评价指标，得到SWAT模型在地理位置、地形及气候各异地区的径流模拟均有较好的适应性的结论，采用模型参数移用的方法，可快速获得工程所在地与降雨相同年限的径流系列。模型方法的成果可作为径流成果的合理性检验，甚至可作为推荐的径流成果使用。

关键词：分布式水文模型；SWAT；国际工程；参数移用

中图分类號：P334 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0161-03

Abstract： SWAT is a popular distributed hydrological model. Taking as examples three hydropower projects， i.e.， the Nam Mouan Hydropower Station in Laos， East Asia， the Nkusi River Hydropower Station in Uganda， East Africa， and the planned cascaded power station on the Moracha River in the Republic of Montenegro， Europe， which are situated in different contenents with different types of topography， vegetation， soil and climate， this paper collects basic data of the topography， vegetation， soil and climate， and intends to establish the distributed hydrological model using SWAT as a tool. Through the comparison of the observed and simulated runoff series' relative error （Re）， correlation coefficient of square （R2） and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient （Ens） as the evaluation indexes of the model， it is concluded that the SWAT model has good adaptability to runoff simulation in areas different in geographical location， topography and climate， and the runoff series with the same years of rainfall can be quickly obtained using the method of model parameter transfer. The results of the model can be used as the rationality test of runoff results， even as the recommended runoff results.

Keywords： distributed hydrological model； SWAT； international project； parameter transfer

1 概述

在水文资料缺乏区域进行水利水电工程建设时，由于工期的限制，不可能进行长期的径流观测。由于资料短缺严重，传统上水文计算方法主要包括水文比拟法、参数等值线图法、径流系数法、地区经验公式法等，在缺资料地区进行水文分析计算时，上述方法难以满足要求。

论文引入的分布式水文模型SWAT是美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS， Agricultural Research Service）研发的基于尺度的一个长时间的分布式流域水文模型[1]，该模型能进行长时间的模拟，在国内被广泛应用于径流模拟、土壤侵蚀、污染物运移等领域[2]。Ndomba等探讨了SWAT模型在水文资料缺乏的坦桑尼亚潘加尼河中的应用效果，结果相对满意。Yong等[3]以三峡库区大宁河上游流域为研究对象，应用SWAT模型比较了单站点与多站点率定方法的模拟效果，结果发现两种方法均能取得良好的效果。Immerzeel等[4]探讨了利用遥感蒸散发资料率定缺资料地区SWAT模型的效果。陆志翔等将SWAT模型用于水文资料稀缺的伊犁河上游流域，结果表明模型能够较好地再现流域的水文过程。张新华等[5]利用SWAT模型对赣江袁河的流量进行了模拟，并结合负荷历时曲线法（LDC）实现了流域分区、分期、分类和分级的总量分配方案，径流模拟精度较高。李红霞等[6]以袁河流域为研究对象，论证了SWAT模型在水文资料缺乏流域中的应用可行性。罗吉忠等[7]的研究发现，以流域内有水文资料区域为基础构建SWAT模型，通过模型参数移用推求中下游无水文资料地区径流过程的方法物理成因明确，能够考虑流域水循环特征，可以用于缺资料流域的径流推求。

针对水利水电工程所处地理位置、地形及气候条件的差异，本研究分别对东南亚以山区为主，热带季风气候的老挝南木恩水电站、以平坦高原为主，热带草原气候的东非乌干达恩库西河电站及以山区为主、地中海气候的欧洲黑山共和国莫拉查河梯级电站为研究对象，以探索SWAT模型在不同气候及地形条件下缺资料地区水电工程水文计算中的应用。

2 流域、资料与方法

2.1 流域概况

2.1.1 南木恩电站。南木恩水电站位于南木恩河上游，南木恩河为湄公河的二级支流，发源于老挝波里坎赛省北部和越南交界的山区，流域面积4256km2。地貌类型以山区为主，海拔210m～2292m。南木恩河流域属热带季风型气候，每年5月～10月为雨季，降雨量占全年的80%以上；11月～翌年4月为旱季，降雨量占全年的比重不到20%。南木恩水电站流域面积为1500km2，流域平均高程870m，电站以上流域多年平均降雨量为1981mm。南木恩电站坝址径流将移用以邻近南杉河流域波利坎水文站1987年～2006年月径流率定的模型参数计算得到，波利坎站流域面积2230km2，多年平均流量135m3/s，多年平均降雨量2968mm。

2.1.2 恩库西河电站。恩库西河为尼罗河支流，流域位于东经30°39′～31° 25′，北纬0° 39′～1°15′之间，流域面积为2926km2。流域地貌为平坦高原为主，海拔在1000m～1300m之间。恩库西河流域属热带草原气候，多年平均气温在20℃左右，恩库西河流域降雨分配为明显的赤道双雨季，每年3月～5月、8月～11月为雨季，其余月份降雨较少，为旱季，恩库西河流域年降雨量在900mm～1500mm之间。恩库西电站位于恩库西河口瀑布上游，电站坝址径流将以移用流域中游恩库西河水文站2003年～2010年率定的模型参数计算得到，恩库西河水文站流域面积1815km2，多年平均流量6.16m3/s，多年平均降雨量1100mm。

2.1.3 莫拉查河梯级电站。莫拉查河位于黑山共和国东南部，为黑山最大河流，发源于该国中部的Rzaa山区，河流流向大体由北向南流经该国首都波得哥里察，注入黑山和阿尔巴尼亚界湖斯库台湖。流域地貌类型以山区为主，下游地区为河谷平原，地形北高南低，海拔在0m～2235m之间。莫拉查河流域大都属于地中海气候，兼具海洋气候的特点，冬季温和多雨，夏季温暖干燥。流域内降水呈东南向西北递减的趋势，东南的波得哥里察年降水量为1661mm，而流域西北部的降水高达2352mm。莫拉查河4个梯级水电站位于莫拉查河上游干流，从上到下4个梯级控制流域面积分别为427km2、475km2、527km2和818km2。莫拉查河梯级电站坝址径流将以移用莫拉察河中游波得哥里察水文站1981年～1990年月径流系列率定的模型参数计算得到，波得哥里察水文站以上流域面积2628km2，多年平均流量139m3/s，水文站以上流域多年平均降雨量2020m。

2.2 原始數据

完整的SWAT建模需要气象、DEM数据、土地利用和土壤空间遥感数据，工程附近水文站的实测径流系列将被用于流域模型参数率定。

2.2.1 气象。南木恩流域雨量站数据来自APHRODITE（Asian Precipitation-Highly Re-solved Observational Data Integration Towards Evaluation of Water Resources）1986年到2007年逐日降水系列；恩库西河电站及黑山莫拉查梯级电站所在区域没有受到APHRODITE数据的覆盖，其径流计算的雨量数据来源于CFSR（NCEP Climate Forecast System Reanalysis）公布的逐日降水数据，数据系列为1979年1月1日至今。采用工程附近来自于世界气象组织（WMO）气象站点的统计数据输入模型生成天气发生站模拟除降雨外的其他气象要素，南木恩电站气象代表站为北汕站，恩库西河电站为姆本德站，黑山4个梯级电站气象代表站为波得哥里察站。

2.2.2 地形。采用空间分辨率为30m的ASTER GDEM（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model）数字高程模型建模。

2.2.3 土地利用。采用来自欧空局的全球陆地覆盖数据（GlobCover 2009）输入模型，采用美国食品和农业组织的地表覆盖分类系统作为标准进行植被分类。

2.2.4 土壤。土壤数据为世界土壤数据库（Harmonized World Soil Data base），空间分辨率为1km，采用FAO-90分类系统分类。

2.3 研究方法

根据经验选取对径流影响较大的模型参数，其余参数采用默认值，以水文站模拟径流和实测径流的3个精度评价指标为准，采用试错法率定模型参数，移用率定好的模型参数计算得水利水电工程相关的径流系列，并与水文比拟法的计算成果相比较。

3 结果及分析

根据水文站已有径流资料，率定水文站以上流域模型参数，通过反复调参，模拟径流与实测径流吻合良好，R2>0.7，Ens>0.7，模拟达到了优良的水准（如表1），说明在掌握现有的空间地形、土壤、植被及降雨气象数据的情况下，SWAT模型在不同条件地区的径流模拟都能取得较好的效果。

将以上述水文站率定验证后的模型参数移用至对应坝址以上流域，模拟得各电站坝址径流系列，南木恩电站坝址的模拟多年平均流量与以坝址下游Chomthong水文站为依据站采用面积比与降水量之比计算所得的同期多年平均流量相比仅相差1.0m3/s，其余电站坝址模拟多年平均流量与采用水文比拟法计算的多年平均流量相差也不大。说明在掌握现有的空间地形、植被、土壤及降雨气象数据的情况下，移用水文站率定模型参数模拟坝址径流的方案在这些水电工程中取得了成功。

4 结论

（1）采用SWAT模拟处于亚、欧、非三大洲的不同气候、不同地形的流域水文站的径流系列，对比模拟径流与实测径流发现，模拟精度高，基本都达到了优良的级别，模型具有很好的地区适应性；（2）通过对比SWAT模型成果与水文比拟法等常规方法的成果可以发现，参数移用的方案是基本可行的，与水文比拟法相比，参数移用方法还能根据降水系列计算得到坝址更长的径流系列，可通过模型的方法延长工程所需的径流系列。

参考文献：

[1]Arnold J G，Srinivasan R，Muttiah R S，etal. Large area hydrologic modeling and assessment Part I ： Modeldevelopment[J]. American Water Resource Association， 1998， 34（1）：73-89.

[2]郭晓军，崔鹏，朱兴华.典型泥石流流域蒋家沟的降水—径流模拟[J]. 水土保持通报，2011，31（1）：176-178.

[3]Yongwei G， Zhenyao S， Ruimin L， et al. A comparison of single-and multi-gauge based calibratioNS for hydrological modeling of the Upper Daning River Watershed in China's Three Gorges Reservoir Region[J].2012.

[4]Immerzeel W， Droogers P. Calibration of a distributed hydrological model based on satellite evapotraNSpiration [J]. Journal of Hydrology，2008，349（3）：411-424.

[5]张新华，肖玉成，陈奕，等.缺资料流域的非点源污染模拟研究[J].四川大学学报（工程科学版），2011，43（5）：59-63.

[6]张新华，李红霞，肖玉成，等.缺资料流域水污染物总量分配方法研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2011，9（2）：136-142.

[7]罗吉忠，张新华，肖玉成，等.基于SWAT模型的缺资料流域径流模拟研究[J].西南民族大学学报：自然科学版，2013（1）：80-86.