SWAT模型灵敏性分析模块在云州水库流域的应用

张丽娟，秦富仓，岳永杰，张艳杰，苏江

(内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特010019)

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是分布式水文模型，迄今为止已经推出了多个版本[1-3]。AVSW AT 是ArcView 3.x GIS软件的扩展，以支持SWAT 2005，界面效果好，便于操作，AVSW AT 提供了参数灵敏性分析模块，复杂的水文模型往往需要通过引入大量的参数来描述。然而，参数的获取通常存在空间变异性、测量误差等问题致使模拟值与观测值之间吻合程度不高。一个灵敏参数的不确定性将会显著影响模型的预测结果，在模型验证期和校准期，对模型灵敏性参数的适当调节是非常重要的[4]。模型参数的灵敏性分析正是基于上述情况而提出的。

灵敏性分析的目的在于分析判断哪些输入参数值的变化对输出结果的影响很重要，所以将通过灵敏性分析所确定的最为敏感的参数作为参考，选择重要的参数因子进行调整，既使影响模拟结果的参数因子更加简明、清晰，又节省了调整参数的时间。从而提高模型的可用性。随着SWAT模型应用的深入，很多国外研究者已经注意到模型参数灵敏性的问题[5-8]，并尝试对其进行了分析。我国在模型参数灵敏性问题上也做了大量研究，在黄土丘陵沟壑区[9]、东北平原区[10]、三峡库区[11]和华北平原[12]等区域进行分析，并分别从产流、潜在蒸发量、非点源污染和气候、土地覆被等方面进行研究。但是SWAT模型参数灵敏性分析在华北土石山区产流量的研究还较少，所以本文主要应用AVSWAT 2005模型的灵敏性分析模块，研究了华北土石山区云州水库流域影响产流模拟结果精度的主导参数因子，以提高模型在华北土石山区的可用性。

1 研究区概况

图1 云州水库流域雨量站分布图

云州水库地处密云水库上游集水区，该流域隶属河北省张家口市，地跨3个县，即赤城县、崇礼县和沽源县，其中赤城县部分占流域面积的62%。研究区地处山区，地貌类型复杂，具有明显的山地特征，山地面积约占总面积的80%，山区不仅岩层破碎、土质松散、沟壑纵横，而且水土流失严重，水土流失面积达85%。流域面积约1 254.94 km2，属大陆性半干旱季风气候，多年平均降水量370 mm，降水多集中于7—8月份，≥10℃有效积温1 600℃～3 200℃，无霜期90～135 d。土壤类型丰富，以棕壤及褐土分布为主，并有石质土及栗钙土等土壤类型。植被组成以中生、旱中生或中旱生、旱生的多年生灌木和草本植物为主，流域内森林覆盖率为13%。

2 研究方法

2.1 流域基本数据获取

采用云州水库流域1∶10万地形图，经过数字化处理得到研究区DEM图，投影为Albers等面积圆锥投影，椭球参数为Krasovsikii。利用云州水库流域的1∶10万土地利用图和土壤类型图，在GIS支持下，建立该流域土地利用属性和土壤属性的空间数据库。降水数据利用流域内4个降雨测站1998—2007年的逐日降水数据。气象资料采用云州水库气象站1998—2007年的气象数据。水文数据采用该流域1998—2007年逐月径流数据。该流域SWAT模型试验研究基础数据见图1—4。

图2 云州水库流域2000年土地利用图

图3 云州水库流域土壤类型图

图4 云州水库流域DEM图

2.2 LH-OAT灵敏性分析方法

灵敏性分析的目的在于分析判断哪些因素的值的精确度更重要，并可以了解模型行为，提高模型的可用性。

在AVSWAT 2005中采用的是LH-OAT(latin hypercube one-factor-at-a-time)敏感度分析方法，是由Morris于1991年提出的[13]。它是结合了 LH(latin hypercube)采样法和OAT(one-factor-at-a-time)敏感度分析的一种新的方法，吸收了LH采样法和OAT敏感度分析法的优点。LH-OAT灵敏性分析方法对每一抽样点(LH抽样法)进行OAT灵敏性分析[6]，灵敏性最终值是各局部灵敏性之和的平均值。该方法既保证了所有参数的所有区间都能够采样，又保证了模型每次的输出结果的变化能够确切地归因于输入的变化，从而保障了灵敏性分析的充分和有效性。SWAT模型可用于灵敏性计算的模型参数见表1。

3 AVSWAT2005模型模拟

3.1 模型灵敏性分析

在ArcView 3.2平台上，运行AVSWAT2005，自动生成格式化的模型参数和输入数据。在此基础上，经过AVSWAT2005模拟计算，运行灵敏性分析模块，得到影响云州水库流域产流模拟结果精度的16个重要参数见表2，灵敏性赋值表见表3。

表1 参数定义表

表2 重要参数灵敏性重要性

表3 参数灵敏性等级赋值

参数灵敏性的重要性排序:排序越靠前说明灵敏性越强，对流域产流模拟结果影响越大。由表2和表3分析可以看出，(1)SCS径流曲线系数(CN2)、土壤可利用水量(SOL_AWC)、土壤饱和导水率(SOL_K)的影响是显著的，是最敏感因子，按灵敏性等级划分原则定为Ⅲ级，灵敏性因子值分别为:0.538，0.352，0.336，均在 0.2～1范围内，灵敏性等级高，即对径流的输出结果影响程度高。(2)平均坡度(SLOPE)、浅层地下水径流系数(GWQMN)，按灵敏性等级划分原则定为Ⅱ级，灵敏性因子值分别为0.141和0.06，在0.05～0.2范围内，灵敏性等级中，即对径流的输出结果影响程度中等。(3)6月 21日雪融系数(SMFMX)，12月21日雪融系数(SMFMN)，地表径流滞后时间(SURLAG)，河道有效水导电率(CH_K2)等因子，按灵敏性等级划分原则定为Ⅰ级，其灵敏性因子值均＜0.05，灵敏性等级低，即对径流的影响轻微或没有影响。有针对性地适当调整相应敏感参数因子取值，可有效地提高模型模拟精度。

3.2 模型校准验证

本文选用相对误差Re和Nash—Suttcliffe系数Ens评价模型的适用性[14-16]。

(1)相对误差Re

式中:Re——模型模拟相对误差;Pt——模拟值;Ot——实测值。若Re为正值，说明模型预测或模拟值偏大;若Re为负值，模型预测或模拟值偏小;若Re=0，则说明模型模拟结果与实测值正好吻合。

(2)确定性效率系数Nash—Suttcliffe系数Ens

式中:Qm——观测值;Qp——模拟值;Qavg——观测的平均值;n——观测次数。

当 Qm=Qp时 ，Ens=1;如果 Ens为负值 ，说明模型模拟值比直接使用测量值的算术平均值更不具有代表性。确定性系数的评定标准见表4，一般认为确定性系数达到0.7以上为比较准确[17]。

本文选用1998—2007年的水文资料进行模拟，其中1998—2002年数据用作校准阶段(calibration)，年均降雨量为402.9 mm，2003—2007年数据用作验证阶段(validation)，年均降雨量为413.3 mm。两个阶段的年均降雨量变化幅度不大。

由于云州水库流域10 a来的土地利用类型和土壤类型变化幅度不大，所以在校准期和验证期均采用2000年的土地利用图和土壤类型图进行模拟，其变化对径流的模拟值影响较小。运行模型，通过调整灵敏性参数值使径流模拟值与实测值吻合，要求模拟值与实测值年均误差应小于实测值的15%，Nash—Suttcliffe系数＞0.5。

表4 确定性系数的评定标准

如图5，6所示，校准期的 Re为0.08，R2为0.80，Ens为0.76，符合要求(要求模拟值与实测值年均误差应小于实测值的 15%，Nash—Suttcliffe系数 ＞0.5)。

如图7，8所示，验证期的 Re为0.10，R2为0.85，Ens为0.81，符合要求(要求模拟值与实测值年均误差应小于实测值的 15%，Nash—Suttcliffe系数 ＞0.5)。

图5 校准期月流量模拟值与实测值对比

图6 校准期月流量模拟值与实测值相关关系

图7 验证期月流量模拟值与实测值对比

图8 验证期月流量模拟值与实测值相关关系

如表5所示，本研究的校准结果完全符合要求，径流的模拟值与实测值的拟合效果较好，模型能够比较准确地模拟径流量。

表5 月径流模拟评价结果

4 结论

通过SWAT模型灵敏性分析模块在华北土石山区云州水库流域的应用，依据灵敏性分析结果，可以清楚分析出对模拟产流结果产生重要影响的主要模型参数，即:SCS径流曲线系数(CN2)、土壤可利用水量(SOL_AWC)、土壤饱和导水率(SOL_K)、平均坡度(SLOPE)及浅层地下水径流系数(GWQMN)5个参数。相关文献根据灵敏性分析结果[18-19]，均对模拟产流结果产生重要影响的主要模型参数进行调整，与本文研究结果相似。在校准期和验证期，通过灵敏性分析，明确地确定哪一个参数改变了模型结果的输出，减少了需要调整的参数数目，提高了计算的效率，从而提高了模型的可用性。

同时，本文采用连续10 a的实测月流量数据对模型进行了校准和验证，校准期年均降雨量为402.9 mm，验证期年均降雨量为403.3 mm。校准期Re=0.08 ，R2=0.80，Ens=0.76;验证期 Re=0.10 ，R2=0.85，Ens=0.81;结果表明，模型对月流量模拟的相对误差在模型校准期和验证期均小于15%，Nash—Suttcliffe系数Ens高于0.7，完全符合要求。文献[19]所得的出校准期和验证期的研究结果与本文研究结果相似。考虑实测的输入数据和率定的数据可能存在很多潜在的误差，本研究得出这个模拟结果也是令人满意的。SWAT模型存在的潜在误差可能包括实测数据中产生的误差，降雨量、土地利用类型和土壤类型的误差，与Santhi等[20]的研究结果一致。所以结果表明SWAT模型对华北土石山区云州水库流域产流的模拟结果良好，可以在该地区进一步推广应用。

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