SWAT模型在洮儿河地表径流模拟中的应用研究

李成振，陈晓霞，孔庆辉，付 鹏，丁元芳

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021）

SWAT模型在洮儿河地表径流模拟中的应用研究

李成振1，陈晓霞1，孔庆辉2，付 鹏2，丁元芳2

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021）

本研究对SWAT模型的灌溉模块进行了修改，在此基础上，构建了洮儿河流域水循环模型，利用水文站实测径流资料对模型进行了率定，并分别利用综合评价指标与分时段评价指标，对模拟结果进行了评价。结果表明，SWAT模型对丰水年的模拟效果相当好，平水年的模拟效果次之，枯水年的模拟结果不太理想，但考虑研究区的实际情况，整体模拟结果还是令人满意的。

SWAT模型；灌溉模块；洮儿河流域；综合评价指标；分时段评价指标

洮儿河发源于内蒙古自治区兴安盟科右前旗大兴安岭高岳山，沿程有较大的支流归流河、蛟流河汇入，流至月亮泡注入嫩江，河道全长563 km，流域面积为33 070 km2，其中山区面积占65%，丘陵、平原占35%。洮儿河流域属于北温带半干旱季风气候区，气候特征是春季干旱多风沙，夏季炎热短暂，秋季干燥凉爽，冬季寒冷漫长。流域中下游地区是东北商品粮基地的重要组成部分，自1998年以后，洮儿河流域进入连续枯水年，干旱已成为目前制约当地农业生产的瓶颈。水资源量的不足及水资源年内分配与农作物生长需求的不匹配，严重影响作物产量，制约了当地粮食生产。加之近年来人类开发利用强度过大，该地区草原退化、湿地萎缩、土地沙化、盐碱化等生态环境问题日益突出[1]。此次研究拟应用SWAT模型对洮儿河地表径流过程进行模拟，以探讨该模型在半干旱地区流域水循环过程模拟的适用性，为流域水资源管理提供基础依据和手段。

1 研究区SWAT模型的构建

1.1 SWAT模型简介

SWAT模型是由美国农业部农业研究中心研制开发的一个基于物理过程、用来模拟连续时间的流域分布式水文模型，适用于具有不同土壤类型、土地利用与土地管理措施等复杂背景的大流域，主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响，模型的运行以年、月、日为时间单位，不适合对单一事件进行细节模拟。SWAT模型主要的模块有水文模块、气象模块、农业管理模块、土壤温度模块、作物生长模块、泥沙模块、农药/杀虫剂模块、营养物质模块、河道物质演算模块、水库内演算模块。模型的开发者将模型开发的目标描述为“在比较大的流域内，模拟不同管理措施对产水、产沙以及农业化学物质产生的影响，能预测流域100年以内的总径流量、泥沙流失量和营养物负荷”。SWAT模型是目前比较先进的流域水量、水质综合模型，自开发以来已经在美国、加拿大、欧洲、亚洲等地区得到广泛的应用与验证[2-3]。

1.2 模拟范围

由于洮儿河黑帝庙水文站以下地区地势平坦，区内泡沼星罗棋布，不利于流域边界的提取，且区内地表产流量不大，故此次研究模拟范围选择黑帝庙水文站以上的汇流区域，总面积约3.06万km2。

1.3 基础数据

模型运行需要的基础数据包括DEM、土地利用、土壤类型、水文气象等数据。此次研究使用的DEM数据来自美国NASA网站免费提供的STRM90m分辨率的数据；土地利用数据来自于中国科学院东北地理与农业生态研究所根据TM／ETM影像解译的1∶10万土地利用图；土壤数据来源于中国科学院南京土壤所做的1∶100万的空间分布图，土壤属性通过查阅《吉林土壤》、《白城土壤》、《内蒙古土壤》等相关资料确定；水文气象数据包括流域内1992—2003年16个雨量站日观测数据、5个水文站日流量数据，以及7个气象站的降水量、最高最低气温、平均相对湿度、风速、日照时数等日观测数据。

1.4 农业灌溉模块的改进

研究区农业灌溉用水占总用水量的85%左右，准确模拟农业灌溉用水过程是流域水循环模拟成败的关键。针对SWAT模型在灌区水循环模拟方面存在的一些缺陷[4]，对灌溉模块进行了如下修改：

1）根据文献［4］的方法构建了多水源灌溉模块。该方法要求确定一个主要灌溉水源及其他水源取水顺序，先利用主要水源灌溉，当时段内水源可满足灌溉需水时，此时多水源可转化为单一水源灌溉，若该水源不满足灌溉需水时，按水源取水顺序依次取用其他水源补充灌溉。

2）将水田部分的模拟分为生育期和非生育期两段：非生育期内，水田与旱地的水文过程相同，直接采用模型中的水循环过程；生育期内，根据水田水量平衡来计算。模型中设定生育期的开始和结束时间，以及不同时期的水稻最低和最高允许水深。当降水使田面水深高于最高允许水深时产生地表径流；当田面水深低于最低允许水深时进行灌溉；水田蒸散发按蒸发能力计算；水田渗漏采用稳定下渗处理；生育期结束排光水田水量。

1.5 子流域与HRU的划分

由于洮儿河流域下游地区地势平坦，基于DEM提取数字河网难度较大。针对这一难题，将SHP格式的数字化水系导入SWAT中，使用“Burn In”方法提取河网。在闸坝断面及水文站控制断面设置子流域出口，选择黑帝庙水文站为流域总出口，采用模型推荐的子流域划分阈值划分子流域，结果共划分子流域35个。

采用一个子流域划分为多个HRU的方式划分HRU，土地利用、土壤面积及流域坡度的最小阈值比均定为10%。流域内水田为农业用水大户，故在“Land Use Threshold Exemption”选项卡中添加“Rice”，这样水田面积便不会因低于设定的土地利用阈值而被忽略。采用上述方法，研究区共划分390个HRU。

2 流域水循环模拟

选择大石寨、镇西、务本、洮南4个水文站的实测流量过程进行模型校准，采用各站1994—1997年观测资料进行模型校准，1998—2001年资料进行模型验证，1993年资料用于模型预热。模型校准之前，先进行参数敏感性分析，根据敏感性分析的结果，选择较为敏感的参数进行模型校准。首先采用自动校准法进行模型校准，自动校准后的模型参数往往仍不能满足要求或不是最优参数组合，这时需在此基础上再对部分参数进行手动调整，使模型输出满足预期的要求。在模型校准的时间尺度上，首先对年均值做校准，再扩展至月、日；在空间尺度上，从流域上游测站开始校准，向下游逐步展开，当校准下游测站时，将不再修改已经校准好的上游测站集水区域的相关参数。在模拟方法上，地表产流计算选用SCS曲线法，蒸散发计算采用Penman-Monteith法，河道汇流采用马斯京根法。

2.1 参数敏感性分析结果

经过运行SWAT敏感性分析模块，得到对研究区径流过程最为敏感的11个参数，其结果见表1。表1所示的参数排序及敏感值是基于对洮南站日径流过程模拟得出的，其它站点的敏感性分析选出的最为敏感的参数与此有所不同，在此不做赘述。

表1 洮南站日径流模拟参数敏感性分析结果

2.2 模型校准及验证结果

通常采用Nash-suttcliffe系数ENS与相对误差RE来评价模型模拟值与实测值之间的拟合度[2]，ENS与RE的计算表达式分别为：

式中：Qmi为实测值，m3/s；Qsi为模拟值，m3/s为实测值平均值，m3/s；n为样本数。当ENS=l时，表示模拟值与实测值完全一致。通常ENS在0～1之间，ENS越大，计算值与观测值匹配程度越好。若ENS为负值，说明模型模拟平均值比直接使用实测平均值的可信度更低。一般情况下，对大流域、长时间的模拟，当ENS＞0.50且RE＜20%时，模拟结果是可以接受的[2]。文中将根据式（1）、式（2）建立综合评价指标及分时段评价指标对模拟结果进行评价。

1）综合评价

综合评价是指对模拟时间内所有样本统一进行评价，它反映了长时间模拟结果的整体水平。目前，针对SWAT的研究基本采用该评价方法。经统计分析，各水文测站各模拟期内径流模拟的ENS系数及平均相对误差RE见表2，月模拟的ENS系数均在0.85以上，日模拟的结果虽然稍差，但ENS系数也多在0.70以上；相对误差除大石寨与洮南站验证期大于10%以外，其他均小于5%。据此判断，模型模拟效果较好，篇幅所限，文中仅给出下游洮南水文站的月径流模拟曲线，见图1、图2所示。

表2 各水文站模型校准期及验证期径流模拟综合评价表

2）分时段评价

分时段评价定义为：根据研究需要，将一个模拟期分成若干个时段对模拟结果分别进行评价。本文将1年作为一个时段，即式（1）、（2）中的n取值为一个年度内的样本数。综合评价指标在模拟期各年度洪水量级相当时，是比较有效的，但当洪水量级相差悬殊时，往往会“以偏概全”，过高地估计了模型的性能。由表2、表3可知，验证期的ENS系数均高于相应校准期，这是因为1998年洪水量级远大于模拟期其他年份，只要对1998年洪水过程进行了较好的模拟，ENS系数就会很高，但这并不能说明模型在其他年份的模拟效果也较好，利用分时段评价指标可以揭露这一事实。由表3可知，对丰水年1994，1998，1999年模型模拟效果均相当好，平水年1995，1996年的模拟效果次之，枯水年1997，2000，2001年的模拟结果较差，大多达不到精度要求。分析其原因主要有：一是在枯水年，校准测站的径流量太小甚至出现断流；二是由于模拟范围较大，各年份水利用情况难以准确掌握，其影响在径流量本不大的枯水年显得格外敏感。这也是SWAT模型及其他水文模型在干旱或半干旱地区应用的困难所在。考虑研究区实际情况，整体模拟结果还是令人满意的。

表3 各水文站月径流模拟分时段评价表

3 结语

1）在SWAT灌溉模块中，引进了多水源灌溉模块，并对水田灌溉模块进行了改进，使农业灌溉过程更接近实际。

2）一般常用的综合评价指标可能会过高地估计模型性能，分时段评价结果显示，SWAT模型对丰水年的模拟效果相当好，平水年的模拟效果次之，枯水期的模拟结果不太理想，但考虑研究区的实际情况，整体模拟结果还是令人满意的。

3）SWAT模型在干旱或半干旱地区应用时，应尽量选择丰水或平水期进行模型率定，枯水年特别是连续枯水年的模拟结果应慎重采纳。

［1］张艳红.洮儿河沿岸地区水利工程建设的生态水文影响初探［J］.干旱区资源与环境，2006，20(4)：133—137.

［2］徐宗学，等.水文模型［M］.北京:科学出版社，2009：378—384.

［3］庞靖鹏.非点源污染分布式模拟—以密云水库水源地保护为例［D］.北京：北京师范大学，2007.

［4］代俊峰，崔远来.基于SWAT的灌区分布式水文模型［J］.水利学报，2009，40（2）：145—152.

Application of SWAT model in surface runoff simulation of Taoerhe river

LI Cheng-zhen,CHEN Xiao-xia,KONG Qing-hui,FU Peng,DING Yuan-fang

The paper modifies the irrigation module of SWAT model.Based on the modification,the paper establishes the hydrological cycle model of Taoerhe basin,calibrates parameters with measured runoff data,and evaluates the simulation results separately with comprehensive evaluation index and divided period evaluation index.The results show that the simulation effect of SWAT model is better in wet year and good in normal year,but is bad in low water year.The whole result is satisfied considering with actual conditions.

SWAT model;irrigation module;Taoerhe river basin;comprehensive evaluation index;divided period evaluation index

TV121+.2；TV139.16

A

1002－0624（2012）06－0035－03

国家公益性行业科研专项经费资助项目（200901037）

2011-12-07