SWAT模型自动校准模块在云州水库流域参数率定研究*

秦富仓,张丽娟,余新晓,岳永杰,叶俊道,王国强

(1.内蒙古农业大学 生态环境学院,呼和浩特 010019;2.北京林业大学水土保持学院,北京 100083)

SWAT(Soiland Water Assessment Tool)是美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)研制开发的一个具有很强物理机制的、长时段的流域分布式水文模型[1],该模型能够利用遥感和地理信息系统提供的空间信息,模拟和预测长期连续时段内土地管理措施对不同土壤类型、土地利用方式和管理条件的大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物质流失的影响[2]。有关文献已将SWAT模型的原理、结构进行了介绍[3-10],对于SWAT模型的自动校准模块的介绍较少,SWA T模型自动校准模块提高了模型的模拟精度,因此对其自动校准模块的应用进行研究。

SWAT模型研制于20世纪90年代初期,自开发以来,针对面源污染、水土流失、土地利用和农业管理等研究领域在美国、亚洲、欧洲等地区得到广泛应用,并在应用中得到了不断的发展和完善[11-12]。SWAT2005最新提供的自动校准模块采用残差平方和和分级残差平方和作为目标函数,通过多目标优选,采用SCE-UA算法进行参数全局优化。自动校准过程中参数可以通过子流域和水文响应单元改变。本文应用AVSWAT2005模型的自动校准模块,在云州水库流域,对模型参数进行率定。在灵敏性分析的基础上,调整影响云州水库流域产流模拟结果精度的主导参数因子,以增强SWAT模型自动校准模块的可用性,提高模拟产流结果与实际径流的拟合精度。

1 研究区概况

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[13],多年平均降水量370 mm,降水多集中于7-8月,≥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(Grid格式),投影为A lbers等面积圆锥投影,椭球参数为 K rasovsikii。利用云州水库流域的1∶10万土地利用图和土壤类型图(Grid格式),在G IS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(dBase表)。气象资料采用云州水库气象站1998-2007年的气象数据(dBase表)。水文数据采用该流域1998-2007年逐月径流数据(dBase表)。该流域SWAT模型试验研究基础数据见附图1-3。

图1 云州水库流域雨量站分布图

2.2 SCE-UA自动校准分析方法

SWAT输入参数大多具有物理意义,一些没有基于物理过程定义的参数,如SCS径流曲线系数和通用水土流失方程中的土地覆被和管理因子可以来调整参数值,以得到较好的模拟结果。本研究采用AVSWAT2005提供的自动校准模块,在云州水库流域,对模型参数进行率定。

图2 参数校准关系图

AVSWAT2005中的参数自动校准是基于美国亚利桑那州大学研发的一种Shuffled Com plex E-volution数学算法(SCE-UA)[14]。SCE-UA被广泛的运用在水文模型的参数校准和其他一些方面,如土壤侵蚀、地下水、遥感和地表模型中。这种方法通常被认为是最有效的。Thian等认为,SCE-UA方法可以有效克服水文模型参数优选中常常表现出的高维、多峰值、非线性、不连续和非凸性问题[15]。SCE-UA已经被成功的运用在SWAT模型中的水文因子以及水质因子等的校准[16-17]。自动校准的结果的准确性取决于目标函数的选择。SWAT2005中提供了两种方法,第一种方法是求差值的平方和,表达式如式(1)。

式中:n——指观测值和模拟值的数目;Xi,m——观测值;xi,s——模拟值。SSQ是一种最原始的优化法,它主要是让目标函数与最大值相匹配而忽略了与最小值的匹配。SWAT2005提供的第二种方法是求给定变化范围后的观测值和模拟值的平方和。

式中:n——观测值和模拟值的数目;Xj,m——观测值;xj,s——模拟值。SSQR方法的目标就是使观测值和模拟值在时间序列上的频率分布相匹配。与SSQ方法相比较,该方法更适合校准水质方面的参数。

3 模型自动校准分析

3.1 自动校准

通过运行SWAT模型,选择要输入的参数并对其进行灵敏性分析,经过AVSWA T2005模拟计算,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1。

表1 重要参数灵敏性重要性

通过灵敏性分析,得知灵敏性因子的重要性,SCS径流曲线系数(CN2)对径流的影响是最显著的,是最敏感的因子;土壤可利用水量(SOL¯AWC)对径流影响显著;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)对径流的也有一定影响。其余参数对流域产流几乎没有影响。

在灵敏性分析的基础上,选择对流域产流有影响的参 数,包括:CN2、SOL¯AWC、SOL¯K、SLOPE、GWQMN,运行 SWAT模型,选择自动校准模块,根据云州水库流域实际的水文资料进行参数自动校准,从而改变参数数值,得出一整套具体参数值,使产流量模拟值与实际值吻合较好。其中列出对流域产流影响显著、一般及影响不大的部分参数的调整结果,见表2。

由表2可知:径流曲线系数CN2值是影响径流量的重要参数,它是流域内土地利用方式、水文土壤类型、耕作管理措施、水文条件、前期水分状况等因素的综合反映。CN2值与径流量呈正相关,CN 2值越大,河流径流量也越大。在SWAT模型的参数调整中,CN2值越大,模拟值越大,将该值调整为63,使流域模拟值与实际值吻合较好。

土壤可利用水量SOL¯AWC,是指土壤中从田间持水量减去植物永久凋萎点的水分,反映了土壤的有效持水量,该参数与产流量呈反比例关系。对流域产流特性影响显著,该系数越大,表明土壤蓄水能力越强,流域径流量降低。在SWAT模型的参数调整中,SOL¯AWC值越大,模拟值越小,将该值调整为0.02。

表2 模型参数率定值

土壤饱和导水率SOL¯K反映了土壤的饱和渗透性能,又叫土壤渗透系数,任何影响土壤孔隙大小和形状的因素都会影响土壤饱和导水率,因为在土壤孔隙中总的流量与孔隙半径的四次方成正比。对流域产流有一定的影响,SOL¯K越大,表明土壤渗透性越好,流域径流量降低。在SWAT模型的参数调整中,SOL¯K越大,模拟值越小,将该值调整为2.74。

浅层地下水径流系数GWQMN是任意时段内的径流深度(或径流总量)与同时段内的降水深度(或降水总量)的比值。径流系数说明在降水量中有多少水变成了径流,它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响。在SWAT模型的参数调整中,GWQMN值越大,模拟值越大,将该值调整为3 159。

土壤蒸发补偿系数ESCO是模型调整不同土壤层间水分补偿运动的参数,该系数与产流量呈反比例关系。在SWAT模型的参数调整中,ESCO值越大,模拟值越小,将该值调整为0.45。

浅层地下水再蒸发系数REVAPMN主要决定含水层中的水相对非饱和地区水流的强度,其值越大表明浅层水流向根系的可能性越大,为0时为浅层地下水几乎不向根系输移,当为1时,其输移速率相当于潜在蒸散发量。该系数对以上输出结果的影响较小。所以在SWAT模型参数调整中,该值的大小与模拟径流影响不大。

3.2 模型有效性检验

通过模型的自动校准,调整参数,通过计算来进行模型有效性验证,模型有效性的评定或检验采用确定性系数(Ens)来进行。确定性系数是一个整体综合指标,可以定量表征对整个径流过程拟合好坏的程度,这是描述计算值对目标值的拟合精度的无量纲统计参数,一般取值范围在0-1之间。确定性系数(Ens)[18]的计算式如式(3)。

式中:Qm——观测值;Qp——模拟值;Qavg——观测的平均值;n——观测的次数。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3,一般认为确定性系数达到0.7以上为比较准确。

表3 确定性系数的评定标准

本文采用1998-2007年的月平均流量进行模型有效性检验。通过计算,Ens为0.78,达到了乙等(Ens值为0.7～0.9)方案的要求,说明径流模拟值与实测值拟合度较好(图3),得了较好的模拟计算成果。

图3 1998-2007年月流量模拟值与实测值对比

4 结 论

通过对1998-2007年云州水库流域分布式水文过程的模拟,验证了模型的可靠性。SWA T模型所需参数较多,为了提高模拟精度,运用了SWAT模型自动校准模块来进行参数率定和检验。其它相关文献如孙庆艳[11]、郝芳华[4]用了相同的方法做参数率定和检验,均得到较好的模拟结果。同时,根据云州水库流域实际水文资料,通过自动校准,调整参数,得到一整套参数值,经过模型有效性检验,经计算Ens值为0.78,达到了乙等方案的要求,使径流模拟值与实测值拟合度较好。其他相关文献如林文娇[19]李晓[20]模型的有效性检验Ens值分别为0.77和0.75,与本文的研究结果一致。所以本文研究对于SWA T模型在华北土石山区的应用和推广,具有很好的示范性,Ens值在乙等方案要求范围内,从模拟结果可以看出,SWAT模型自动校准模块在云州水库流域的应用是较为成功的。

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