改进的SWAT模型对介休市水文过程的模拟研究

冀瑞锋，王瑞芬

（山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002）

1 研究区概况

介休属太岳山脉，地处太岳山北部，整个地势呈南高北低形态，平川、丘陵、山区各占三分之一，大部分面积海拔高度介于740 m～2487 m之间，主峰有绵山、天峰山等，最高峰在绵山艾蒿坡，最低处位于汾河出境的义棠镇田村。介休北部为平原，地势开阔，土壤肥沃，是全区工农业生产的主要基地；中部为起伏缓和的丘陵区；南部为分布较广的山区。

2 模型结构

分布式水文物理模型（Soil and Water Assessment Tool）是研究流域水文、生态、环境问题的重要工具，同样也是研究自然界中土壤、生态等与水文之间的关系的基础[1]。SWAT模型在水资源研究和非点源污染研究领域得到广泛的应用。改进的SWAT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NS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[2～3]。

2.1 数字高程模型（DEM）

汾河流域汾河二坝—义棠之间流域改进后SWAT模型构建采用的数字高程模型（DEM）是对地形地貌离散状况的数字表达，也是水文模型的水系生成、子流域划分和水文过程模拟的关键输入数据。考虑到建模中气象和水文站点的密度及模型模拟效率，将DEM网格处理成500 m×500 m分辨率网格。

2.2 子流域划分

在Arcgis界面下选择4×108m2为临界集水面积，DEM数据中包含了丰富的地形、地貌及水文信息，基于网格的DEM已提出了多种算法计算水流路径、自动生成河网和进行子流域划分等。这些算法都已成功集成到GIS软件及各种水文分析软件中[4]，通过对DEM图的处理计算，将义棠以上流域划分为36个子流域[5]（见图1）。其中的两个子流域涵盖了整个介休市。

图1 汾河二坝—义棠之间流域子流域划分图

2.3 土地利用数据库

土地利用类型是重要的下垫面信息，可以反映不同的土地覆盖及水文特性，在产汇流的过程中非常关键。本次采用汾河流域2000年比例尺为1∶25万的土地覆盖数据。原始数据内容包括森林、草地、农田、聚落、湿地与水体、荒漠等6个一级类型和25个二级类型。数据库构建过程中，采用Arcgis软件合并获取的研究区土地利用类型图，并采用流域边界对其进行切割，从而得到研究区的土地利用类型图。建立土地利用类型查找表，当改进后SWAT模型加载土地利用类型图成功后对其进行重分类，并最终得到改进后SWAT模型构建所需的土地利用类型图。研究区土地利用重分类和重分类后的土地利用类型的对应关系见表1，重分类后研究区的土地利用类型图见图2，其中耕地和林地占了主要部分。

图2 汾河二坝—义棠之间流域土地利用图

表1 研究区土地利用重分类和重分类后的土地利用类型的对应关系

2.4 土壤数据库

分布式水文模型中，土壤的类型以及土壤物理化学性质对于流域内部水量的调节、降水在土壤中的下渗、侧向运动，有较大的重要性。本次采用汾河义棠以上流域1∶100万土壤分布图，根据流域的实际情况进行概化处理，最终重分类出7类土壤类型，具体见图3。

图3 汾河二坝—义棠间流域土壤类型图

具体数据库建立步骤包括：

（1）查询中国土壤数据库，获得相关土壤类型的有效信息（土层厚度，有机质含量，国际制下的颗粒比重等）；

（2）采用双参数修正的经验逻辑生长模型将国际制转化成美国制；

（3）通过SPAW软件，计算土壤有效含水量、土层湿容重、土壤饱和渗透系数等参数；

（4）通过经验公式计算土壤可侵蚀因子K。

2.5 气象数据库

对于划分出来的每个子流域，SWAT模型将选取距离子流域中心最近的站点数据，插值到流域中心位置，作为整个子流域的面数据。本次采用的4个气象站点，主要收集了改进后SWAT模型所需要的逐日降雨资料，日最高最低温度、平均相对湿度、辐射量、平均风速。由于这些变量的空间分布差异相对较小，且4个气象站空间分布相对均匀，本次直接使用。文中采用气象站点的详细信息见表2。

表2 汾河二坝—义棠之间流域气象站点位置信息

2.6 重点断面径流过程模拟

由于介休市行政区划边界较小，数据难以获取，为了保证获取更高精度的结果，本研究同时采用中国气象网上发布的中国地面降水日值0.5°×0.5°格点数据集和气象站点的降水量求解面平均雨量，站点分布见图4。

图4 介休市及周边雨量站点分布图

利用2004年～2013年的数据用于率定好的SWAT模型的检验，义棠站实测模拟月径流结果评价指标及对比图见表3和图5。

表3 介休市改进SWAT模型月模拟率定检验结果

图5 改进后SWAT模型模拟的义棠断面径流过程

以2004年～2013年义棠断面流量过程验证率定后改进的SWAT在介休市的适用性，模拟结果的Nash-Sutcliffe效率系数为0.751，相关系数为0.892，水量平衡系数为0.98，模型模拟效果较好，证明参数在嵌套式流域区划中是可行的，移植性高。因此，所率定得到的改进SWAT模型在介休市地表水资源状况模拟中有较好的适用性。

2.7 重要河流径流量模拟

34号子流域和36号子流域涵盖了介休市整个行政区，34号子流域涵盖了介休市张涧河和樊王河等支流及流经介休市部分汾河的上半段，36号子流域涵盖了介休市的龙凤河、侯堡河及流经介休市汾河的剩余部分。结合全国水资源综合规划技术大纲，研究采用34号子流域和36号子流域模型输出的产流量计算重要河流的径流量，作为地表水资源量。以验证期2004年～2012年为例，见图6。

图6 基于改进SWAT模拟的介休市地表水资源量

2.8 土壤含水量模拟

由于在构建SWAT土壤库时，依据类型的不同设定不同的层数，SWAT模型输出为子流域各时段末土壤剖面的含水量，单位为mm，研究中将毫米土壤含水量转化为土壤含水率，34号和36号子流域土壤含水率的模拟过程见图7、图8。

由图7、图8可以看出，34号子流域土壤含水率均值在0.25左右，而36号子流域的土壤含水率均值在0.2左右，36号子流域土壤含水率降低，与介休市地下水开采量大相关，涵盖介休市大部分的36号子流域因为土地利用和人为地下水开采量大造成土壤含水率相对较低。

2.9 蒸散发量模拟

改进SWAT模型输出ET为时间步长内子流域的实际蒸散发量。研究利用改进后的SWAT模拟了2000-2013年的ET，进行数据融合后分析了介休市14年来的ET时空格局变化，为后续相关规划提供依据。

3 模拟结果

模型的率定就是寻找使模型的模拟值与对应实测值尽可能一致的参数。文中采用SWAT-CUP软件自带的SUFI-2模块进行参数的自动率定。对每一个控制区域，选取参数进行敏感性分析，以义棠控制站1981年～2003年月径流量Nash-Sutcliffe效率系数NS为目标函数进行SWAT月模型模拟的率定，以2004年～2013年月数据进行验证。各区域的的率定验证期Nash-Sutcliffe效率系数见表4(率定验证期的第一年为模型预热期)，并给出了实测值与模拟值的相关系数。

表4 SWAT模型月模拟率定检验结果

汾河二坝—义棠之间流域所构建的SWAT模型，对1981-2013整个模拟期的模拟结果见图9，整个模拟期Nash-Sutcliffe效率系数为0.842，相关系数为0.931，模型模拟效果较好。

图9 SWAT模型模拟的径流(1981年～2013年)

4 结语

应用改进后的SWAT模型，对介休市水过程模拟，较好的模拟了义棠断面径流过程，地表水资源量、土壤含水量、蒸散发量等，所构建的SWAT模型适用性良好，为SWAT模型的发展和应用提供有力的支持。