SWAT模型国内径流模拟研究进展

余昭里 穆秀丽

（江西省九江市水利局 九江 332000 江西省九江市水利电力规划设计院 九江 332000）

SWAT模型国内径流模拟研究进展

余昭里 穆秀丽

（江西省九江市水利局 九江 332000 江西省九江市水利电力规划设计院 九江 332000）

随着SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的发展与更新，其功能不断完善，国内应用该模型进行水文模拟的研究也日益增多。在简述SWAT模型径流模拟基本原理的基础上，通过探究国内径流模拟研究的相关文献，得出近几年研究方向，主要包括径流模拟的适用性研究、模拟结果影响因素研究、模型参数敏感性分析与率定研究等三个方面。最终总结了该模型在径流模拟中存在的问题和未来的研究趋势。

SWAT模型 径流模拟 影响因素 研究进展

1 径流模拟的基本原理

1.1产流模拟的原理

SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（河道汇流部分）。前者控制每个子流域内主河道的水、泥沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、泥沙等物质从河网向流域出口的输移运动。

模型开始运算时，首先根据地形将流域划分为若干子流域，然后根据土壤、土地利用及地形特征进一步将子流域细分为若干水文响应单元（HRU）。HRU是SWAT模型运算的最基本单位，通过计算各个HRU内的径流量，模型提供径流曲线数法（SCS法）Green-Ampt模型用于计算地表径流，最后采用变动存储系数模型或马斯京根法演算得到流域总径流量。这些计算基于降水、地表径流、蒸散、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失等水平衡过程。

1.2产流模拟所需输入数据

模拟过程需要输入的数据总体分为图数据和表数据两大类，其中图数据包括DEM数据、土地利用/土地覆盖图和土壤类型图。SWAT通常采用将整个流域离散的方式，首先利用DEM数据将研究流域细分为若干子流域，然后根据不同的土壤类型和土地利用图将子流域进一步划分为水文响应单元（Hydrological Response Unit HRU）。表数据主要包括气象数据（包括最高最低气温、日降雨量、相对湿度、太阳辐射、风速等）和水文数据表格（日流量、月流量等），在产流模拟过程中可不用考虑施肥时间和数量等信息。

2 径流模拟的应用研究

径流模拟在国内已取得了一定的研究成果，总结近几年相关文献可知，国内关于SWAT模型径流模型方面的研究主要分为三类：（1）不同流域的径流模拟的适用性研究；（2）不同影响因素对SWAT模型径流模拟结果的影响研究，主要包括如下几个方面：不同DEM分辨率、不同土地利用/覆被变化、不同子流域划分方法和气候变化的水文响应研究；（3）模型参数的率定与验证研究。

2.1不同流域SWAT模型径流模拟的适用性研究

SWAT的径流模拟已应用于不同国家、不同流域，而径流模拟结果的精度和可用性也不尽相同，但总体趋势表明，SWAT模型在径流模拟中适用性普遍满足要求；国内研究进展主要集中于中小型流域，而模型的开发者开发时主要是基于大、中型流域。目前，国内王中根等（2008）在大流域海河流域构建SWAT模型，为SWAT在大流域应用提供范例；而中型流域研究较多，何磊磊等以我国淮河上游各支流组成的流域为研究对象，发现在半湿润地区SWAT模型能很好地模拟出径流的年内、年际变化；尹竹峰等构建了浑河流域分布式水文模型，模拟结果较好，表明SWAT模型在整个浑河流域内的径流模拟中具有良好的适用性。已有作者对环江和汉江流域进行了SWAT模拟径流的研究，结果表明无论是验证期还是率定期R2和ENS的值均高于评价标准（ENS＞0.5，R2＞0.6），评价精度较高。可见我国的大中型流域SWAT模型径流模拟的适用性较强。而对于我国一些偏小的流域，比如三峡地区张家冲流域、昆明松华坝流域等的径流模拟研究结果表明，在较小流域的径流模拟中，SWAT模型也发挥着良好的水文评价效果。

2.2不同影响因素对SWAT模型径流模拟结果的影响研究

不同影响因素对径流模拟产生的影响结论不一，影响程度也有所不同。在国内，关于影响因素的分析研究主要有如下几个方面：

（1）不同DEM分辨率和不同子流域划分下的水文响应研究：王艳君等以秦淮河流域为研究对象，结果表明，产流量随着子流域划分数的增加几乎没有变化，最大相对误差不超过5%；DEM分辨率的变化对径流的模拟影响也不大，尤其在DEM格网单元100m时，各种格网单元模拟结果的相对偏差最大约为1%。吴军等认为不同分辨率DEM流域地形分析计算机自动提取得到的最长河道相差较小，但河道总长、坡度等

相差较大，进而影响了分布式水文模型径流模拟的效率。邱临静等对黄土丘陵沟壑区杏子河流域进行了研究，发现当DEM栅格分辨率在20～150m之间时，SWAT能有效地模拟年河川径流、地表径流、基流及产沙量，各水文要素模拟结果的R2和Ens分别在0.93和0.51以上，而当栅格分辨率大于150m时，各水文要素的模拟效果存在差异；而子流域划分对流域产流模拟影响较小。李曼曼等为了明确洱海流域最佳的子流域划分方案，得到的结论为随着子流域的增加，年均径流深增加但敏感性较小，相对偏差仅0.89%。同时胡连伍等也得到类似的结论，表明不同的子流域划分层次在阈值范围内对径流过程的影响较小。综合上述研究不难看出，DEM分辨率和不同子流域划分方法对径流模拟的结果影响不大，所以模拟结果对该因素的敏感性不高。

（2）不同土地利用/覆被变化下的水文响应研究：陈军锋等应用SWAT模型模拟了长江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水径流关系，得知随着土地覆被状况由无植被到全是有林地覆被，径流深减小，蒸发量增加，枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度，而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期。欧春平等发现土地利用/覆被变化对SWAT模型水循环模拟结果的影响很大。李昱等以逊毕拉河双河屯测站以上流域为研究区，定量分析土地利用变化对径流量的影响，发现增加耕地面积会增大总径流、直接径流，减小基流；减小林地面积会增大直接径流，减小基流；森林涵养水源能力大于耕地。15°以上坡度的耕地退耕还林还草可以增大基流，减小直接径流，有利于水土保持。罗巧等研究证明增加林地和草地面积将减少径流而耕地和建设用地的增加导致径流的增加。李佳等对长江源土地利用/覆被情景变化对径流影响研究也表现出类似的结果。王学对白马河流域设定了四种不同的土地利用/覆被情景计算流域四种主要的土地利用类型对径流量的贡献系数，得到的有林地、灌木林地和疏林地、居民点及建设用地的贡献系数均为正值，说明三者均有促进产流的作用，而有林地对流域产流的贡献最大；耕地的贡献系数为负，说明耕地具有抑制径流产生的作用。总体来说，随着近几年国内关于土地利用/覆被变化对径流影响研究的发展，更加确定该因素对径流模拟的影响显著，只是在不同的流域影响方式稍有不同，所以这一敏感因素对不同地区土地利用管理起着不可忽视的作用，研究意义重大。

2.3模型参数敏感性分析与率定验证

参数的敏感性分析是SWAT模型至关重要的一步，直接影响着模型模拟的精度，随着不同版本的更新，该模块也在不断地更新与改进。对此，国内外已有不少研究者进行了研究。尤其是国内对该方面的研究在近几年增加的比较明显。

相关文献显示国内对参数敏感性分析最常用的方法是LH-OAT敏感性分析法。LH-OAT方法是由Morris于1991年提出的，结合了LH抽样法和OAT敏感度分析，同时兼备这两种方法的优点。尹雄锐等发现部分参数敏感性存在空间变异性，分析主要原因在于气候和下垫面的空间异质性导致了流域上下游产流模式存在差异；所以即使是同一流域的不同子流域，或干流的不同区域都有可能得到不一样的参数敏感性分析结果。白薇等证明了在进行参数敏感性分析、参数率定时，计算耗费的时间随着子流域个数的增加而增加；若只对部分子流域进行模拟可以有效地加快率定的速率，而且结果显示精度较高。还有研究表明，相对于LH-OAT法，SWAT-CUP敏感性分析方法的速度较快，但其精度稍弱。

总体来说，参数的敏感性分析和率定的精度高低直接影响径流模拟的精度，它可以减少模型模拟结果的不确定性。但无论运用何种方法进行分析，结果都会存在一定的差异。特别是在不同下垫面等外因的作用下，差异都较为明显，因此，该方面有待进一步的研究。

3 问题探讨

尽管SWAT模型在不断的更新与改进，但仍存在一些实质性问题有待解决与提高。其突出不足之处包括以下几个方面：

（1）径流模拟的基础数据缺乏，难以收集整理。SWAT模型模拟径流所需数据涉及气象、水文、土壤分布、土地利用等多个方面，为了更好地满足模拟精度要求，所涉及的数量也日益增多，建立模型的数据库工作量也日益增大。正因如此，这些数据往往不全，由于数据库构建不完善会导致模拟结果不理想，不同地区的资料全面程度也各有不同，许多地区资料匮乏甚至无资料，导致径流模拟研究无法进行，这一现象在国内尤为突出。并且由于该模型是由美国研发的，很多基础数据需要进行转化为美国制才能使用，其转化过程增加了模拟的难度，同时对精度也有一定的影响。加强对无资料地区进行径流模拟研究，已成为一个重要研究趋势。

（2）径流模拟的不确定性。物理系统接受实际的数据，并对这些实际的输入作出反应，然而这种反应本身就包含不确定性。由于气象数据，包括降雨、温度、蒸发等监测数据，还有土壤的物理属性等数据都存在一定的时空差异性，这些输入数据的随机性和系统误差是导致模型不确定性的主要因素之一。同时，通常用来与模拟结果作比较的径流量和地下水位等监测数据，也存在很大的随机和系统误差。最后参数值的不确定性大，存在非最优参数值所导致的误差；这些不确定性因素都是模拟结果精度误差的主要来源。如何进一步提高模型精确度仍然是研究的热点。

（3）考虑径流模拟影响因素比较局限。主要只包括气候变化和土地利用/覆被变化（LUCC）等方面，结合考虑水利工程比如水库以及城市化对水文的影响还很少。大部分研究都是基于自然下垫面状况进行模拟，而在SWAT模型中加入城市模块研究较少，在国内几乎为空白，鉴于这些影响因素对水文循环产生着重要影响，该方面的研究将是一个明显的趋势■