SWAT模型在浏阳河流域径流模拟中的应用研究

胡国华,郭章林,马丁凯,谭攀辉

(1.长沙理工大学 水利工程学院,湖南 长沙,410114;2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙,410114)

关键字:SWAT模型;浏阳河流域;SUFI-2算法;径流模拟

SWAT模型是目前应用最为广泛的分布式水文模型,国内外学者将该模型应用于各个流域,主要应用方向有径流模拟[1-3]、泥沙模拟[4-6]、面源污染[7-9]、水资源管理[10-11]和土地覆被变化对径流[12-14]的影响等。浏阳河上游的株树桥水库以及浏阳河浏阳市段、长沙县段是长沙市区、浏阳市和长沙县的主要饮用水水源地,供应长沙市区、浏阳市和长沙县的生活用水、工业生产用水和农业灌溉用水。浏阳河径流的变化深刻影响着流域的生态环境和社会经济发展。因此,深入探究浏阳河流域径流变化规律,有利于流域生态环境的保护和农业、工业、生活用水需求的保障。对于浏阳河流域,目前已有诸多学者开展了相关研究。于泽兴[15]等应用统计分析方法分析降水和径流的演变规律,发现浏阳河流域降水量表现为增加趋势,年径流量表现为下降趋势;张海斌[16]通过建立流域水系统资源承载力优化模型发现,浏阳河流域的发展将面临严峻的水环境约束。但是,关于浏阳河流域的水文过程空间差异方面研究较少。本文基于SWAT模型,对浏阳河流域月时间尺度径流过程进行模拟,并对模型在该流域的适用性进行评估,在此基础上分析流域水文过程的空间差异,为流域水资源开发利用与保护提供科学依据。

1 研究流域概况及数据来源

1.1 研究流域概况

浏阳河发源于罗霄山脉大围山北麓,有大溪河和小溪河两个源流,是湘江的一级支流,流经浏阳市、长沙县及长沙市区,上游为高坪乡至双江口河段,中游为双江口至镇头市河段,下游从镇头市起始,在长沙市的陈家屋场注入湘江,河流全长234 km,流域面积4 665 km2(见图1)。流域出口控制站为榔梨水文站,榔梨站以上集水面积约为3 815 km2,多年平均径流量为98.8 m3/s[17]。流域呈东西走向,形状狭长,地势东北高西南低地貌以山地丘陵为主。流域处于亚热带潮湿季风天气,湿热多雨,夏热冬寒,多年平均气温17.4℃,多年平均相对湿度82%,多年平均降雨量为1 601.1 mm。

1.2 数据来源

本文使用的气象数据来源于中国气象数据网,包括2008-2018年长沙站、浏阳站和马坡岭站的日平均降雨量、日相对湿度、日最高气温和最低气温、日平均风速和日平均太阳辐射数据[18];雨量数据和流量数据来自于湖南省水文水资源勘测中心,包括达浒、白沙、古港、光明、大光、榔梨、目莲渡、江背、双江口、嵩山、石湾、张坊等12个雨量站的实测逐日雨量数据以及榔梨水文站的流量数据。

DEM数据来源于地理空间数据云平台30 m×30 m分辨率的数字高程数据,流域高程介于-16～1 606 m之间。

土地利用数据来源于地理空间数据云网站上下载的Landsat8 OLI遥感影像,本次研究中采取静态土地利用数据,为保证土地利用数据能够真实反映流域实际情况,故采用2015年6月到9月之间的遥感影像,在ENVI软件中进行解译并在ArcGIS中进行处理,最终得到土地利用分类。按照一级分类系统,分为林地、水田、草地、水域、建设用地和未利用地共6类,流域土地利用类型如图2所示,建立的土地利用索引表如表1所示。

图2 土地利用类型图

表1 浏阳河流域土地利用类型索引表

土壤数据来源于联合国粮农组织FAO创立的分辨率为1∶100万世界和谐土壤数据库(HWSD),共分为14类土壤,土壤类型图如图3所示,建立的土壤类型索引表如表2所示。并结合SPAW软件计算土壤参数,最终建立浏阳河流域土壤数据库。

图3 土壤类型图

表2 土壤类型索引表

模型要求所有导入的空间数据在投影坐标和地理坐标上保持一致,本文研究统一采用Beijing_1954_3_Degree GK_CM_114E坐标系统。

2 研究方法

2.1 SWAT模型介绍

SWAT模型是一种分布式流域尺度模型,主要时间尺度为日、月和年,用于模拟长序列径流,具有很强的水文物理机制,能够体现污染物输移和流域水循环过程,可以模拟较大范围复杂流域内的水文过程和多种非点源污染负荷。模型结合了3S等高新技术,是集数据库管理、空间数据处理、数学计算、结果可视化表达等功能于一体的分布式水文模型,在多个研究方向上得到广泛应用,并在应用过程中不断改进、优化和成熟。本文研究利用ArcGIS软件中加载的ArcSWAT模块建立模型。

2.2 模型适用性评价指标

本文选取决定系数(R2)和Nash－Sutcliffe效率系数(Ens)2个指标评价模型模拟精度、所选参数可靠性以及模型质量,公式为:

(1)决定系数

式中,S和P分别表示实测径流量和模拟径流量,Cov(S,P)表示实测径流量与模拟径流量的协方差,Var[S]和Var[P]分别表示实测径流量、模拟径流量的方差,R2越大,则说明监测样本与模拟样本相关性越密切。

(2)Nash－Sutcliffe效率系数

式中,Qp和Qs分别表示模拟值和实测值,Qavg为实测平均值。在正相关的条件下0＜Ens＜1。模型模拟结果评价指标范围如表3所示。

表3 模型模拟结果评价指标

3 SWAT模型构建及参数敏感性分析

3.1 模型构建

本文研究选择浏阳河流域控制水文站榔梨水文站作为流域出口,榔梨站以上集水面积约为3 815 km2,占流域总面积的81.8%。

输入模型的实测数据包括2008-2018年长沙、浏阳和马坡岭站3个气象站实测气象数据和达浒、白沙、古港、光明、大光、榔梨、目莲渡、江背、双江口、嵩山、石湾、张坊等12个雨量站实测雨量数据,以DEM数据、土地利用数据、土壤数据作为流域的下垫面输入。

在进行子流域划分时,子流域阈值越小,流域划分越详细,河网越密集,形成的HRU越多,但同时也会使模型模拟效率降低,所以应选取合适的阈值进行子流域划分,同时兼顾模拟精度和模拟效率。经多次试验并结合流域实际情况,确定子流域阈值为75 km2,共生成23个子流域,如图4所示。

图4 子流域划分图

在子流域划分完成后,对土地利用、土壤类型和坡度进行重分类,其中坡度重分类为0°～18°、18°～33°和33°～90°3类,采用多级坡度生成水文响应单元(HRUS),由于部分地类面积过小、土壤类型占比较少,为防止较小的地类被同化,设置土地利用类型、土壤类型和坡度的阈值分别为0%、10%、10%。

依据已有实测资料建立研究区域的天气发生器,加载气象数据,在模型中应用彭曼公式估算潜在蒸散发量,SCS径流曲线法估算地表径流量,Variable Storage法计算河道汇流,降水数据空间插值展布选择Skewed normal法,统一设置预热期为2年(模型不输出预热期数据),将榔梨水文站2008-2014年(预热期为2008-2009年)的实测径流数据用于模型参数率定,2013-2018年(预热期为2013-2014年)的实测径流数据用于模型验证,结合选取的评价指标评定模拟结果。

3.2 参数敏感性分析

模型的参数率定与敏感性分析在SWAT-CUP软件中进行,该软件包含5种敏感性分析方法,本文选取SUFI-2算法进行分析。结合流域特征,选取SWAT模型中对径流影响较大的23个参数进行敏感性分析,经过多次筛选并调整参数范围,最终确定所需要率定的主要参数。统一设置每组参数模拟500次,每次迭代完成后会生成参数建议范围,结合各项参数的实际取值范围和研究区域的地貌、气候等特点进行修正,并再次重复迭代,最后可得到参数敏感性分析结果和最终参数范围,之后方可再进行模型的验证步骤。最终确定的主要率定参数及范围如表4所示。

表4 主要率定参数及率定范围

4 径流模拟结果分析

表5为率定期和验证期模拟结果,由表5可知,模型率定期实测月均径流量为95.0 m3/s,模拟月均径流量为120.5 m3/s,效率系数Ens为0.76,决定系数R2为0.84;模型验证期实测月均径流量为106.0 m3/s,模拟月均径流量为138.4 m3/s,效率系数Ens与决定系数R2分别为0.76和0.83。结合选取的评价指标范围可知模型模拟结果较好。由图5可知,降雨与径流有较强的相关性。在率定期和验证期,流域的实测月径流值与模拟值趋势接近,模拟径流过程线与实测径流过程线吻合程度较好。综上表明所构建的SWAT模型与选用的相关参数能够反映浏阳河流域的实际情况,可以满足研究需要。

表5 率定期和验证期模拟结果

图5 榔梨水文站月径流率定期(2008-2014年)、验证期(2013-2018年)模拟结果

5 流域水文过程空间差异分析

基于率定后的适用于浏阳河流域的SWAT模型,统计各子流域的降雨量、径流深、产水量和蒸散发量并进行空间插值分析,结果如图6所示。流域从东部到西部依次为上、中、下游。图6(a)表示浏阳河流域多年平均降雨量的空间分布,可以看出,流域东部年降雨量最高,中部次之,西部最低,整体呈现越靠近中、下游人口密集的浏阳和长沙城区降雨量越低的特点。图6(b)所示的年径流深整体分布与降雨类似,高值区域主要集中在东部,中部有部分地区出现高值,偏东北地区出现低值。

流域产水量不仅受降水影响,也受到土壤蒸发、植物蒸腾、土壤特性等因素的影响,在流域尺度上常受人类活动(如耕地开垦、城镇化进程、工程建设)的影响,图6(e)所示的年均产水量分布与年降雨分布特点类似,均呈现东部最高,西部最低的特点。这说明对于浏阳河流域产水量而言,降雨空间分布对其影响要比下垫面因素(地形地貌、植被种类及覆盖、土壤种类及特性、人类活动等)对其影响更为强烈。

浏阳河流域年均蒸散发量受气候条件、土地利用状况、地形地貌等多种因素综合影响,自东向西整体上呈现出明显的空间差异,图6(c)表示浏阳河流域年均蒸散发量的空间分布,整个流域年均蒸散发量为593 mm,占降水量的比例为0.33,从数值上看,与降雨的空间分布格局不同,高值区域主要在东部和西南部,低值区主要集中在流域中部和西部。图6(d)表示浏阳河流域年均蒸散发量占降雨量比例(即蒸散比)的空间分布。从比例上看,流域中部和西部蒸散比例高于东部。其原因可能是西部区域降雨量较少,加之灌溉面积较大和灌溉方式的不合理,导致蒸散发比例高于中部和西部。

图6 浏阳河流域年降雨量、年径流深、年均蒸散发量、年均蒸散比和年均产水量的空间分布

6 结论

本文采用SWAT模型对浏阳河流域径流过程进行模拟研究,并在此基础上对流域水文过程的空间差异进行分析,得出如下结论:

(1)基于SWAT模型的浏阳河流域月尺度径流模拟结果较好,降雨与径流有较强的相关性,榔梨水文站率定期R2和Ens分别为0.84和0.76,验证期分别为0.83和0.76,模型模拟精度较高,这表明SWAT模型在浏阳河流域径流模拟中适用性较强,为进一步研究该流域水文过程提供了可靠基础。

(2)浏阳河流域降雨空间分布对径流的影响要比下垫面因素(地形地貌、植被类型及覆盖、土壤类型及特性、人类活动等)对径流的影响更为强烈。流域年径流深的整体分布与降雨类似,高值区域主要集中在东部,中部有部分地区出现高值,偏东北地区出现低值。蒸散发量分布与降雨的空间分布不同,流域西部蒸散比较大,其原因可能是西部区域降雨量较少,加之灌溉面积较大和灌溉方式的不合理等因素所致。