基于分布式水文模型SW AT的缺资料地区水资源评价方法

梁犁丽，龚家国，冶运涛，徐海卿

（1.中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038）

基于分布式水文模型SW AT的缺资料地区水资源评价方法

梁犁丽1，龚家国2，冶运涛2，徐海卿1

（1.中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038）

气候变化和人类活动对流域水资源演变的影响程度不断加剧，对传统水资源评价技术方法提出了挑战。针对变化环境下缺资料地区传统水资源评价方法水量“还原”失真、水质水量评价分离、地下水和地表水评价分离等问题，本文采用了基于分布式水文模型SWAT的水资源评价方法，探讨了其评价原理、关键步骤和在缺资料地区的适用性等，并以西北内陆河玛纳斯河流域山区为例，比较了传统水资源评价方法和本文所用方法评价结果的差异。结果表明，本文所用方法在流域水资源评价精度、评价对象和水文要素的完整性、评价时段的灵活性上具有显著的优越性，证明利用具有物理机制的分布式水文模型有望实现水资源的动态、高效和快速评价，其评价原理可为水资源评价方法的改进提供一种新思路和技术支撑。

SWAT模型；水资源评价；缺资料地区；玛纳斯河流域

1 研究背景

水资源评价是对流域或区域水资源数量、质量、时空分布特征及其开发利用条件进行全面分析和评估的过程，是水资源规划、开发、利用、保护和管理的基础性工作，其成果是进行水事活动和决策的重要依据。水资源评价的主要内容包括：水资源数量评价、水资源质量评价、水资源开发利用评价以及水资源综合评价。美国和前苏联在20世纪中叶开展的水文观测资料整编和水量统计可看作水资源评价的雏形。随着水资源短缺、水生态环境恶化等问题的出现，国内外水资源评价工作及其技术方法逐渐受到重视并迅速发展。早期的水资源评价侧重于利用统计方法进行水资源开发利用评价和供需分析。自20世纪80年代以来，逐渐发展为水量均衡法，在监测站点“实测”资料的基础上加上人工利用水资源的“还原”部分，实行水质和水量分开，地下水和地表水分开，降水、径流、蒸发等水文要素分别评价的方法，评价中经验成分大，工作任务繁重，评价周期长，检验难度大，在缺资料地区受到限制［1-2］。随着气候变化和人类活动双重因素对流域或区域水资源影响程度的不断增加，水资源管理工作对传统水资源评价技术方法提出了新的挑战［3-4］，即：一是在“四水转化”概念的提出和水资源统一调配的要求下，不仅需要评价地表水和地下水，也需要加强对大气水和土壤水的评价；二是在水生态环境保护的要求下，需要进行水质水量的联合评价；三是在评价区域不断精细和评价时段缩短的要求下，集总式、耗时长的水资源评价已不能满足现代水资源精细管理的需要。特别是在缺资料地区或小流域，利用手工勾画降水或径流等值线进行水资源数量评价的传统方法已不适应现代水资源管理的需求，亟需建立一套能够反映天然及人类活动影响的，理论性强、计算速度快、灵活、可操作性强和实用性强的层次化动态水资源评价方法。

我国缺资料地区大多分布在西北和西南的偏远山区，水文气象站点布设困难，测量和监测数据大量缺乏，水资源评价大多根据降水等值线量算，而降水等值线的勾画也相对粗略，造成缺资料地区水资源量评价存在较大的不确定性，水质评价更无可靠依据；且地下水和地表水分开评价。近几十年来，随着全球定位技术（GPS）、遥感技术（RS）和地理信息技术（GIS），包括数字高程模型（DEM）在水资源管理中的应用和快速发展，以及雷达技术和卫星云图技术的进步，为获取流域尺度的气象、水文资料、下垫面特征以及人类活动影响等空间信息，并利用空间数据定量刻画水资源质、量的分布提供了强有力的支持，利用分布式水文模型进行缺资料地区的水资源评价已成为可能。本文主要分析基于分布式水文模型SWAT的水资源评价原理、关键技术和在缺资料地区的适用性，并以西北内陆河流域的玛纳斯河流域山区为例，进行传统方法和基于SWAT模型方法的水资源数量评价结果比较和分析，以期在缺资料地区的水资源评价技术方法层面进行探索。

2 基于SWAT模型的缺资料地区水资源评价原理和方法

基于物理机制的分布式流域水文模型可结合遥感航测数字流域及地理信息系统等新技术进行较为细致的水文分析与预测，能够分析不同下垫面条件下的流域水文水资源状况，应用在水资源评价方面，主要功能是根据不同的下垫面条件，以降水量为统计口径，考虑天然植被耗水，以水量平衡为基础，进行子流域和水文响应单元层次的水资源量组成分析及水质评价，能够满足水资源的精细化、实时化管理需求。SWAT模型是美国农业部农业研究所历经近40年研发的、具有较强物理机制和适用于长时段复杂大流域水资源管理的分布式水文模型，该模型在美国、加拿大等国家的高寒地带，以及我国的长江、黄河、黑河等上、中游流域的径流模拟、水质评价和水资源管理中得到了较为广泛的应用［5］。它以其开源的代码、模块化的结构、不断完善和改进的功能、相对较少的输入参数和灵活的操作方式等特点获得了越来越多的水文水资源科研工作者的青睐。

2.1 评价原理确定性水文模型可分为两大类［6-7］：第1类是根据质量和能量守恒定律建立的、具有严密的物理意义和数学公式的模型方法；第2类是从概念上把水循环各个过程组合起来，以质量守恒和动量守恒方程为基础，但不严格应用质量和动量守恒方程的概念性流域水文模型。SWAT属于第1类中具有较为明确物理意义的半分布式流域水文模型。

在水文站布设稀少或无水文测站的缺资料地区，在充分利用GIS和RS提供的空间信息的基础上，SWAT模型能够根据流域仅有的少数水文气象监测站点或流域外监测站点资料，按照随机模拟原理自动补充缺失的气象资料，利用模型自带或改进的数据空间展布方法将已有数据分配到各水文响应单元，从而进行流域水量平衡计算、径流模拟、水文预报、面上或河道水质评价等。在无地下水观测资料的地区，可借助滤波技术分割基流，应用于SWAT模型的基流校准，为研究地下水资源量提供了一种新的方法［8］。

SWAT模型以水文响应单元（HRU）为基本计算单位，根据流域地形、土壤、植被划分子流域和HRU，每个子流域中包含若干HRU。模型首先计算HRU层次的降水、植被截留、蒸发蒸腾、地表、土壤和地下径流量等水平衡各项，然后经过坡面汇流演算得到子流域出口径流量及子流域层次的水资源其他各项分量，最后经河道汇流演算得到流域层次的水资源量及水平衡各分量。水量平衡计算在每个子流域内的HRU层次采用集总的方式，在子流域间采用分布式，即子流域间存在水力联系。HRU中的水循环包括降水（雨和雪）、土壤层（0～2m）含水量、浅层含水层（2～20m）和深层含水层（＞20m）径流量四部分水量。土壤剖面可分为多层，土壤水运动包括下渗、蒸发、植被截留、侧向流和土壤剖面下边界向潜水层的渗流（即地下水补给）。SWAT模型中计算的地下水补给量为土壤层下边界渗出量、河道输移损失、水库坑塘下渗量的总和。其具体计算原理可参考文献［9］。

2.2 关键步骤利用SWAT模型进行水资源数量及质量评价的关键步骤在于模型数据制备、模型运行主要过程、模型验证和校核以及水资源数量和质量评价计算4个主要环节。

在模型数据的制备环节，其关键点在于：（1）流域DEM、植被、土壤、水系等矢量图的校正、拼接、裁切、要素提取、投影坐标系变换等；（2）用户自定义的植被、土壤属性数据库制作，如各种植被生理生态参数的查询与修改，土壤剖面物理化学性质参数的查询和输入，植被、土壤数据库与矢量图链接表的制作等；（3）水文气象站点及数据资料输入表格制作，如水文气象站点的矢量化，站点位置属性表制备，日降水、日最高、最低气温、日风速等气象数据输入格式转换等，缺失资料可由模型自动插补；（4）其他如水库坑塘的概化，流域水力联系与社会经济取用水的处理，灌溉制度和耕作措施的制定和输入，大比例尺水系矢量图的制作等。

在模型运行过程环节，关键步骤有：（1）根据DEM数据提取流域边界和划分子流域；（2）根据植被、土壤矢量图和坡度，划分水文响应单元；（3）输入气象水文数据及其链接表，对已有的水文气象数据进行空间展布；（4）设置流域面上和子流域内的基本参数，如正常湿润情况下植被覆盖值（CN2）、植被吸水补偿系数（EPCO）、土壤蒸发补偿系数（ESCO）和地下水延迟系数（Gw_Delay）等基本参数，设定蒸腾蒸发、坡面汇流和河道汇流演算等计算方法；（5）写入数据和运行模型。

在模型校核与验证环节，主要针对水文响应单元或子流域特征，根据控制站点（对于缺资料的上游流域一般是河流的出山口测站）的监测径流或水质资料，依据从上游到下游，从支流到干流，先水量后水质的顺序，修改相应的土壤、植被、气象、坡面、下垫面、泥沙、营养物质和污染物等相关参数，进行模型调试、校核和验证。

在水资源数量与质量评价环节，主要根据模型输出结果，找出子流域和整个流域降水量、流域实际蒸散发量、下渗补给量、侧向补给量、河道径流、土壤含水量和地下径流等水平衡各项，依据各量间的关系进行必要的水量平衡计算，得到流域长系列或年内的水资源数量评价结果；对于泥沙、污染物等水资源质量评价，则相应地找到输出结果的相关项进行计算，得到评价结果。

2.3 适应性分析SWAT模型适用于复杂大流域长时间尺度的水文模拟。从模型结构看，SWAT模型在单个子流域内采用传统的集总式概念性模型推求净雨，再进行不同子流域上的汇流演算，最后求得出口断面流量［10］。从建模技术看，SWAT模型采用先进的模块化结构，水循环的每一个环节对应一个子模块，便于模型的扩展和修改。在运行方式上，SWAT采用独特的命令代码控制方式，用来控制水流在子流域间和河网中的演进过程；用FORTRAN语言编制的源代码公开，便于模型修改和添加新模块。在界面开发上，采用与GIS界面相结合的方式，前处理过程可视、方便易操作。在模型原理上，充分考虑了土壤、土地利用、人类活动等下垫面因素的空间变异性，模拟更趋于合理化；产流机制中对于地表径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流的模拟采用理论或半经验算法，能够适用于不同气候条件和下垫面条件下的产汇流情况。

此外，Romanowicz等［11］认为SWAT模型还具有以下优点：（1）不需要大量输入参数，基本的气象、土壤、地形、植被和土地管理措施资料较易收集，部分气象资料可根据已有的数据自动生成，尤其适用于实测资料相对缺乏或资料不全的地区；（2）作为综合的水文模型，不仅能够定量模拟和定性分析水文平衡项，而且可用于流域气象条件、植被覆盖、管理措施等分布式参数变化下的定量影响评价；（3）用户可以利用模型自带数据库或者在此基础上进行修改以满足实际需要，只需花费少量精力即可实现复杂大流域水文过程模拟预测，且计算效率高，适用性强；（4）不需要大量校准工作，可以进行流域长时段模拟与预测［12］。

由以上分析可知，SWAT模型具有明确的物理机制，利用“3S”技术及其获取的空间信息，在缺资料地区流域划分精确；模型具有补充缺失资料的功能，不需要大量输入参数，弥补了缺资料地区的不足；模型在山区径流模拟方面精度高，相应的水质模拟精度也较高，在非点源污染模拟与评价方面具有较大优势，可用于水资源质量评价；模型运行时间根据划分的水文响应单元个数多少来确定，与传统水资源评价方法相比，评价时间短、精度高和时效性强；在深层地下水处理方面略显简单，但在缺资料的山区，人为活动少，不存在地下漏斗或地下水超采区，故可扬长避短，充分发挥其在缺资料山区水资源评价方面的优势。

3 基于SWAT模型的水资源评价方法在玛纳斯河流域山区的应用

3.1 玛纳斯河流域山区概况玛纳斯河发源于北天山中段喀拉乌成山和依连哈比尔尕山、比依达克山，源头为海拔5 000m以上的冰川，最后注入玛纳斯湖，是准噶尔盆地南缘最大的一条山溪性内陆河。玛纳斯河流域地处欧亚大陆腹地，位于天山北坡中部、准噶尔盆地南缘，东邻塔西河流域，西邻巴音沟河流域，南靠依连哈比尔尕山与和静县相隔，流域面积约1.96万km2，其中山区（红山嘴水文站以上）约5 156 km2。流域年平均气温4.7～7.9℃，年潜在蒸发量1500～2100mm，年太阳总辐射量达527～565 kJ/cm2，≥10℃积温3400～3600℃，无霜期170～190 d。流域高山区为海拔高程3500～5000m的高山，山体大部分被冰雪覆盖，现代冰川发育；海拔高程1800～3500m的中山区属降水丰沛地区，年降水量可达600mm，冰川融水、融雪和降雨是该区地表径流和地下水的主要补给源。山区植被可分为高山垫状植被，高山稀疏植被，寒温带和温带山地针叶林，亚高山落叶阔叶灌丛，嵩草、杂类草高寒草甸，禾草、苔草高寒草原，禾草、杂类草盐生草甸等植被型；山区土壤类型可分为寒冻土、草毡土、黑毡土、黑钙土4个亚类；地下水类型主要为贮存在风化的岩体、裂隙、节理和断裂中以及断裂交汇部位的构造裂隙水，水质较好，矿化度低，一般小于1 g/L。

3.2 数据来源与处理玛纳斯河流域DEM数据来源于美国国家地理空间情报局（NGA）与美国宇航局（NASA）2000年进行的航天飞机雷达拓扑测绘而得到的SRTM 23地面高程数据（分辨率为3弧秒，90 m×90 m）；1∶100万土壤图和植被图由中国西部环境与生态科学数据中心（http：//westdc.westgis. ac.cn）提供，土壤图和植被图资料分别为2009年和2001年的数据产品；流域内清水河子、肯斯瓦特、红山嘴和煤窑4个水文站的日降雨、平均气温数据，以及实测水系图由新疆水文局提供；石河子、乌苏和克拉玛依3个气象站的完整日降水、日最高、最低气温数据及部分站点的相对湿度、风速和太阳辐射资料从中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn）下载。

DEM数据经过几何和辐射纠正后使用，植被和土壤数据分别根据模型所需矢量、文本等各种类型的数据进行图像处理和数据制备，气象水文数据根据模型需要的格式进行处理后输入，植被数据库建库所需的植被生理生态参数、土壤物理化学参数查阅相关文献及资料［13-17］。将制备好的各类数据输入SWAT模型运行，模型经验证和校核后得到系列输出结果，据此进行水资源评价。

3.3 不同评价方法结果比较SWAT模型既可以输出水文响应单元层次年、月、日尺度的水量水质数据，也可以得到子流域层次的模拟结果，仅以水资源数量评价为例进行传统评价和基于SWAT模型的玛纳斯河流域山区评价结果的比较。肯斯瓦特水文测站为玛纳斯河流域山区的控制站点，山区共划分为55个子流域，1 141个水文响应单元，子流域和水系模拟结果见图1。

整个山区仅有肯斯瓦特、清水河子和煤窑3个水文站，其中清水河子水文监测系列始于1980年，煤窑站曾多次迁移，仅肯斯瓦特站有1954—1974年和1976—2009年的系列观测资料。为便于比较，模型模拟时间系列与文献［18］所用的传统方法评价系列基本一致，传统方法评价系列为1956—1989年，模型评价系列为1958—1989年。模型以月为评价时段，校核期为1970—1979年，Nash系数为0.91，多年相对平均误差Re为-1.42％，验证期为1980—1989年，模拟结果Nash系数为0.85，多年相对平均误差Re为0.74％，整个评价系列为1958—1989年，Nash系数为0.64，多年相对平均误差Re为-0.88％。SWAT模型敏感性分析与参数率定结果见表1，其与传统方法水资源数量评价结果比较见表2。

从表2可以看出，玛纳斯河干流肯斯瓦特站模拟流域面积与实测评价面积略有偏差，这与流域模拟控制站点的位置有关，模型根据GPS计算的测站位置应较精确；根据肯斯瓦特的实测地表径流进行的模型验证，故地表水资源量、降水量和蒸发量相差均不大；由于传统评价方法没有将地下水和土壤水分开，两种方法可比性不大；传统的评价方法中土壤含水量和冰雪融水不易确定，而模型方法则易获得。相对而言，模型一次模拟可得到地表、地下、土壤水、降水和蒸发等各项评价结果，耗时短，评价精度可靠，且评价时段可灵活选取，具有较大的优越性。

4 结论

随着我国水资源精细化、严格化管理的快速发展，在我国西南、西北部的缺资料地区，现行传统水资源评价方法已经不能满足当前变化环境下流域水资源规划与管理的需求，针对气象水文站点资料缺乏的山区，利用“3S”技术及由这些技术获得的空间信息，本文提出了基于分布式水文模型SWAT的水资源评价方法，探讨了其评价原理、关键步骤和适用性，以玛纳斯河上游山区流域水资源数量评价为例，对本文所提出的缺资料流域水资源全口径、动态评价方法进行了分析和验证，结果说明本文所用方法在山区水资源时段的选择上具有显著的优越性，并且评价要素完整，可在一次评价中灵活选择评价对象，地表水和地下水、水质水量能够实现同步、同时评价，但本评价方法的应用与推广受分布式水文模型发展的制约，如资料精度和完整性、地表水与地下水联合模拟、模型不确定性问题等。随着分布式水文模型技术方法的发展，利用具有物理机制的分布式水文模型有望实现水资源的动态、高效和快速评价，将成为未来水资源评价方法的发展趋势。

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M ethod of w ater resources assessm en t in ungauged areas based on the d istribu ted hyd rological m odel of SW AT

LIANG Li-li1，GONG Jia-guo2，YE Yun-tao2，XU Hai-qing1
（1.Beijing IWHR Technology Co.，Ltd，IWHR，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation ofWater Cycle in River Basin，IWHR，Beijing 100038，China）

Climate change and human activities remarkably affect water resources in watersheds，which chal⁃lenge the traditional method of water resources assessment.In connection with the problems of distortion of water quantity restoration，the separate assessment of water quality and quantity，as well as groundwater and surface runoff，and other issues of traditional water resources assessment method in a changing environ⁃ment in ungauged areas，this paper adopts an assessment method of water resources based on the distribut⁃ed hydrological model of SWAT，and then explores its assessment princip le，key steps，and the applicabili⁃ty in ungauged areas.Taking a northwest inland watershed—mountainous area of the Manas River basin as an examp le，it compares the differences of the results between the traditional water resources assessment method and the adopted method based on SWAT model.The results show that the adopted method has more significant advantages on the accuracy of assessment results，the integrity of assessment objects and el⁃ements of water cycle，the flexibility of the assessment period of water resources assessment in ungauged ar⁃ea.Using a distributed hydrological model based on physical mechanism may be help ful to achieve the dy⁃namic，efficient and rapid water resources assessment.

SWAT model；water resources assessment；ungauged area；Manas River basin

TV213

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.009

1672-3031（2014）01-0054-06

（责任编辑：王成丽）

2013-01-07

国家自然科学基金项目（51209223，51209222，51309254，51079160）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAB051301）

梁犁丽（1982-），女，河南许昌人，工程师，博士，主要从事水资源配置、水文预报与水库调度研究。

E-mail：liangli0921@163.com