SWAT模型在黄河上游宁蒙河段的应用研究

苏小娟

（山西水利职业技术学院）

1 SWAT模型介绍

SWAT（soil and water assessment tool）模型，是20世纪90年代美国农业部农业研究中心研发的时间连续、基于过程的物理机制分布式水文模型。目前，该模型是最具有代表性、使用最广泛、应用前景最广阔的水文模型。模型在DEM数据生成的空间信息基础上，在水文响应单元的空间尺度上，可以模拟多种水文物理过程，模拟径流、泥沙是其最主要的两大功能。SWAT可从https://swat.tamu.edu下载得到，它是一个开放性的共享模型。在ArcGIS软件的基础上安装，成为一个拓展模块，具有非常友好的用户界面，容易上手，操作方便。模型运行时，以日为计算时段，输出模拟结果时，可以选择年、月、日为时间单位。

SWAT的结构是模块化的，水文、泥沙是其中2个主要功能模块。SWAT以DEM数据生成的图件为基础，可划分出多个子流域同时计算子流域参数，确定出河网结构；再根据土地利用图、土壤类型、相关属性数据，在子流域划分的基础上，划分出水文响应单元HRU（山坡流域）。在每个水文响应单元内，利用产流公式：

（式中：Rsuf是地表产流量；P为降雨量；CN是一个综合参数，根据土地利用方式和土壤类型，查CN值表可以得到）分别计算产流量，叠加求出子流域产流量，然后利用公式：

（式中：Qsuf，i为当前计算时段地面径流注入河网的流量；Qsuf，i-1为前一计算时段注入河网的流量；Rsuf，i为当前时段的地表产流量；k为坡地汇流时间；τsuf为地表径流延迟系数）集中该子流域所有的水文响应单元进行坡面汇流，汇流进子流域的干流，最后所有的子流域通过河网汇流计算得到流域总径流量[1]。

运行SWAT模型需要输入地形数据、气象数据、土地利用数据、土壤类型和相关属性数据，这些都是进行物理过程分析的基础，是驱动模型运行的重要动力。其中：

（1）地形数据。由ArcGIS根据研究区的DEM提取，可提取出子流域面积、平均坡长、平均坡度、河道长度等。

（2）气象数据。包括研究区内逐日气温、降水、风速、相对湿度等观测数据。

（3）土地利用数据。需要根据现有的土地利用图和SWAT模型自带的土地利用数据库，进行编码转换连接。

（4）土壤类型和相关属性数据。包括土壤容重、土壤饱和导水率、机械组成、紧实度、植物根系深度等[2]。

2 研究区概况和数据来源

以黄河上游宁蒙河段为研究区。黄河是我国西北地区、华北地区最大的供水水源，丰富的水能、水资源，支撑了黄河流域的供水、灌溉及社会经济发展。黄河上游宁蒙河段，起始宁夏下河沿至内蒙古头道拐，是黄河最靠北的河段，穿越腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠和库布齐沙漠，全长约990 km，相对高差246 m，流域面积约13万km2，峡谷河段和平原河段相间出现，两岸分布广阔的风沙地貌，河道泥沙淤积严重。研究区属于暖温带半干旱草原气候带，降水年际变化大，年内分布不均。该区是黄河上游河道演变剧烈、风沙水沙活动强烈的关键河段，也是上游大型水库联合调度影响显著的河段，同时也是上游产水区与中下游河段水沙关系的调节河段，亦是我国西北地区重要的能源基地和粮食产区。宁蒙河段内有8座水文站：下河沿（宁夏河段的入口站）、青铜峡、石嘴山（宁夏河段的出口站，内蒙古河段的入口站）、磴口、巴彦高勒、三湖河口、昭君坟和头道拐（内蒙河段的出口站）[3]。

图1 黄河上游宁蒙河段流域边界图

利用SWAT对黄河上游宁蒙河段进行水文模拟，需要的基础数据包括地形、水文、气象、土地利用、土壤类型和属性等多种数据类型，其描述和来源如图1、图2和表1所示。

图2 黄河上游宁蒙河段DEM

表1 黄河上游宁蒙河段基础地理数据描述

3 SWAT模型参数率定

按照SWAT模型的操作手册，选取对径流量模拟产生较大影响的参数进行敏感性分析，并筛选出对径流影响最敏感的CN2、Sol-K、Esco、Sol-Awc等4个参数（涵义见表2）进行率定。通过比较模拟和实测的径流量，进行手动率定（参数率定取值范围依据参考文献2），结果如图3所示。

4 运行和模拟

打开ArcGIS，建立一个新的图层。在自定义菜单的扩展模块中，勾选SWAT HRU Delineator，SWAT Project Manager和SWAT Watershed delineator。在自定义菜单的工具条中，调出ArcSWAT工具条，建立新的SWAT任务。在Watershed delineator菜单下加载DEM数据，高程图就会显示在视图中。接下来，设置高程单位为m，利用mask功能用栅格覆盖当前视图，此时STREAM定义区被激活，利用DEM based功能自动划分河网和流域，计算子流域参数和河流参数。再利用Follow direction and accumulation按钮对DEM进行填洼，计算流向和水流累积量。然后进行流域出口点选择，SWAT将会自动划分子流域和水文响应单元。再进行其他数据输入后运行，在输出选项中选择以年为时间单位，得出图3结果。图3为黄河上游宁蒙河段由SWAT模拟得出的2001-2010年的年径流量和2001-2010年的实测年径流量（实测数据来自于研究区头道拐水文站）。通常用年径流变差系数来表示径流的年际变化，根据公式：

表2 率定的参数及其取值范围

分别计算得出：2001-2010年实测年径流量Cv=0.199，2001-2010年模拟年径流量Cv=0.210。由此得出，模拟结果和实测值极为接近。

5 结论

水文模拟是水资源研究的基础，基于过程的水文模型是定量研究区域水资源的有效工具。研究表明，SWAT模型能够较好地模拟黄河上游宁蒙河段出口2001-2010年自然状态下的年径流量，比较简单实用，可为有关流域河段的水资源开发利用和管理提供技术支持。

图3 黄河上游宁蒙河段出口SWAT模拟年径流量和实测年径流量对比图