基于SWAT 模型的无资料流域产流产沙模拟

王秋云，陈志彪，杨满根，张晓云，陈志强，罗玮祥

(1．福建师范大学地理科学学院，福州350007;2．福建省亚热带资源与环境重点实验室，福州350007)

0 引言

在无观测资料的水土流失严重区域，准确量化水沙含量对土壤侵蚀治理及深入认识流域的水土流失规律具有重要意义。中国引进的SWAT模型是美国农业部 (USDA)农业研究中心 (ARS，Agricultural Research Service)研发的基于尺度的一个长时间的分布式流域水文模型［1］，该模型能进行长时间的模拟，在国内被广泛应用于径流模拟、土壤侵蚀、污染物运移等领域［2］。随着2003国际水文科学协会(IAHS)启动的无测站流域水文预测研究计划 (PUB)的实施，SWAT模型在无资料地区的水文研究取得了一定进展。谈戈等［3］在总结无资料地区水文预报研究方法中指出，SWAT流域分布式水文模型是开展无资料地区水文研究的一条可行之路。目前国内外基于SWAT模型对无资料地区的研究，主要集中在无资料区域的模型校准、径流模拟等研究上，有关产流产沙模拟研究较少，如Manguerra［4］在美国印第安纳州西部的研究中，改进了径流模拟过程中SWAT模型的参数化，并为无资料地区径流模拟提供了新的进展。Gitau等［5］采用SWAT模型在Arkansas的7个流域进行研究，对比评价了全局平均法和参数回归法2种参数区域化方法，并对无资料地区的水文模拟得到了满意的结果。潘杰等［6］应用SWAT模型通过参数移植对辽西走廊海岸带的无资料流域进行地表径流模拟。陆志翔［7］等在伊犁河上游缺资料地区对SWAT模型校准进行了改进，结果较好的再现了流域的水文过程。仅Migliaccio［8］等量化了敏感性参数随机分布时，SWAT模型输出的不确定性，并通过随机验证模型论证了SWAT模型能应用到无资料流域进行产流产沙的模拟。

图1 朱溪小流域之子流域位置关系Figure1 Spatial relation of sub-basins in Zhuxi watershed

准确估测无观测资料流域的产流产沙量对水土流失地区的治理具有重要意义。本研究以朱溪小流域的2个子流域——游屋圳子流域和高陂塅子流域为研究对象 (图1)，以游屋圳子流域为参证流域，通过模型参数移植，对无观测资料的高陂塅子流域进行产流产沙模拟。本研究将SWAT模型应用到南方红壤侵蚀区无观测资料小流域，以期为该区的水土保持与生态恢复提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

朱溪小流域位于福建省长汀县河田镇东部和南山镇西北部，介于 25°38'15″～25°42'55″N、116°23'30″～116°30'30″E之间，流域面积44.96 km2。地貌类型以低山、丘陵为主，在河流沿岸及支流有河谷盆地分布，地势东北高西南低，海拔270～680 m;流域属中亚热带季风湿润气候，年平均气温18.3℃，平均年蒸发量1 403 mm，多年平均降水1 743.6 mm，降水年内分配为双峰形，降雨量集中且强度大，3—8月降雨量占全年的76.18%［9-10］;土壤主要为燕山晚期粗晶花岗岩在长期湿热气候条件下风化而发育成的红壤、侵蚀红壤，土层深厚、节理发育，但极其松软，抗蚀性极差，且酸性强，保水保肥能力低;该区域是中国南方红壤侵蚀区的典型代表，2007年，被列入全国30条典型小流域进行监测。游屋圳子流域和高陂塅子流域相邻，具有相同的自然气候条件及下垫面性质，两子流域面积分别为6.38 km2和10.23 km2。

1.2 数据及处理

1.2.1 空间数据

本研究DEM数据的获取是以1∶1万地形图为底图，在ArcGIS中进行数字化等高线及TIN转化生成分辨率为10 m×10 m的数字高程图 (图2)。土地利用空间分布是在2007年研究区土地利用图的基础上，结合2009年的ALOS影像，根据长汀县水土保持局提供的土地利用资料及野外调查资料，对原有土地利用数据进行更新，得到2009年土地利用空间分布 (图3)。土壤类型空间分布来源于福建省长汀县第二次土壤普查1∶5万土壤类型图，以流域土壤采样实测数据进行检验，得到研究区的土壤类型空间分布 (图4)。

1.2.2 属性数据

土壤数据:包括物理属性数据和化学属性数据两大类。物理属性对SWAT模型起重要作用，主要包括土壤水文组、土壤机械组成、有机碳、有效田间持水量和土壤饱和水传导率等。参照《福建土壤》、《福建土种》和《长汀县农业区划》等资料收集了土壤有机质含量、粒径、土壤的层数等属性数据，而土壤饱和水传导率、土壤有效含水量等，这些数据较难测定，均由美国农业部和华盛顿大学联合开发的SPAW软件计算得到。气象数据:本研究构建气象数据库所用资料来自河田气象站2001—2008年的观测数据，包括降水、气温、相对湿度等，其余气象数据均由天气生成器模拟生成。相关参数的计算参照SWAT模型的用户手册，运用pcpstat.exe、dew.exe等应用程序进行相应计算。水文数据:模型率定和验证中用到的径流和泥沙数据均由长汀县水土保持局提供。

1.3 研究方法

图2 朱溪小流域数字高程Figure2 DEM of Zhuxi watershed

图3 朱溪小流域土地利用Figure3 Land use of Zhuxi watershed

图4 朱溪小流域土壤类型Figure4 Soil type map of Zhuxi watershed

1.3.1 SWAT模型

SWAT模型是建立在SWRRB模型［11］的基础上以日为步长的连续空间分布式水文模型，有水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、杀虫剂、营养物和农业管理8个部分组成，最初是为了在大尺度无观测资料流域及无需校准应用而开发的［1］，经过不断的改进，逐步发展为能够适用于不同尺度水文过程模拟的模型。

SWAT模型采用水文响应单元 (Hydrologic Response Unit)对流域进行离散化处理，即首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域，然后在每个子流域内把有相同土地利用类型和土壤类型的区域划分成同一个水文响应单元。SWAT模型运行时，假定子流域的每个水文响应单元之间不存在相互影响，对每个水文响应单元的负荷分别计算，然后对子流域内所有水文响应单元的负荷进行汇总计算。本研究采用burn-in算法提取流域水系，选取SCS曲线法进行地表径流估算，选择偏正态分布法模拟降雨量，选择Penman-Monteith方法模拟潜在蒸发。SWAT模型中泥沙主要来源于坡面产生和河床侵蚀产生两部分，本研究采用MUSLE［12］方程计算坡面产沙量，河道挟沙能力计算采用河道挟沙能力计算方程，其中线性系数Spcon和指数系数Spexp用来计算河道最大挟沙能力。

1.3.2 模型参数移植法与流域水文相似性判定

参数移植法是通过选择与无观测资料流域相似的有资料流域作为参证流域，将参证流域率定的模型参数移植到无观测资料流域进行相关研究的方法，是解决无观测资料地区水文模型参数识别的常用方法。具有水文相似性的2个流域，其水文模型参数也应该是相似的，这是模型参数移植法的研究依据［13］。在无观测资料流域产流产沙模拟中，需找到一个与无观测资料流域水文相似的参证流域，进行流域间模型参数移植。基于两流域水文相似性分析结果，决定是否可以将参证流域的模型参数移植到无观测资料流域，进而决定能否对无观测资料流域产流产沙模拟。基于孔凡哲等［14］提出的具有相同地形指数频率分布的流域，在气候、下垫面特征相同的条件下，本研究用此规律来判定参证流域与无观测资料流域是否具有水文相似性。

地形指数ln(α/tanβ)最早是由Kirkby和Weyman提出的［15］，它反映径流在流域中任一点的累积趋势以及重力使径流顺坡移动的趋势。本研究应用单流向算法［16］从DEM栅格数据中分别计算α和tanβ值，然后得到ln(α/tanβ)值。其中，α为单位等高线长度进入网格单元的汇水面积，它反映径流在流域中任一栅格上的累积趋势，是单元网格的汇水面积A与单位等高线长度L的比值，即α=A/L。tanβ为单元栅格的坡度，反映在重力作用下径流顺坡向下流动的趋势，是相邻栅格间的高程差Δh与相邻栅格中心的距离 Δl的比值，即 tanβ=Δh/Δl。

2 结果分析

2.1 游屋圳子流域SWAT模型模拟

在游屋圳子流域的SWAT模型建模中，通过不断调整集水面积阈值，最终将集水面积阈值确定为18 hm2，将水文卡口站选为流域的出口，生成13个子流域;对流域的土地利用、土壤类型、坡度进行重分类，在考虑模型运算效率的基础上，将土地利用类型、土壤类型、坡度面积阈值都设为5%，生成127个水文响应单元;最后输入气象数据文件进行模拟。

年降雨量对径流和泥沙产生至关重要的影响。2010年，研究区的降雨量为1 803 mm，与多年年平均降雨量1 743.6 mm相差不大，说明2010年能作为代表年进行研究。由于水文观测资料的时间序列较短，本研究仅选取对2010年4—7月的日径流过程与泥沙过程进行参数校准和验证。2010年4月5日—5月30日为模型校准期，2010年6月9—29日为模型验证期。本研究采用相对误差 (Re)、决定系数 (R2)以及Nash-Sutcliffe效率系数 (Ens)3个指标来评判SWAT模型在游屋圳子流域的适用性。通常认为R2＞0.5，Ens＞0.5，模拟结果达到满意。通过不断参数调整，分别得到径流和泥沙不同模型时期的R2、Re和Ens三指标数值，见表1。由表1可知，SWAT模型在游屋圳子流域的模拟精度满足水文模拟的要求，可以进行模型参数的移植。

表1 SWAT模型在游屋圳子流域的适应性评价Table1 Adaptability evaluation of SWAT model in Youwuzhen sub-basin

2.2 流域水文相似性分析结果

利用上面介绍的地形指数计算方法，分别计算朱溪小流域及其子流域——游屋圳子流域和高陂塅子流域的地形指数，通过进一步计算得到各自的地形指数频率分布曲线，如图5所示，其中横坐标为流域的地形指数值，纵坐标为地形指数值对应的网格面积占全流域面积的百分比。从图5可以看出，朱溪小流域及其子流域的地形指数频率分布基本一致，根据国内学者孔凡哲等［13］研究可知，游屋圳子流域和高陂塅子流域具有水文相似性，满足模型参数移植的需求。

图5 朱溪小流域及其子流域地形指数频率分布Figure5 Frequency distributions of topographic index of Zhuxi watershed and its sub-basins

2.3 高陂塅子流域产流产沙模拟结果

根据高陂塅子流域与游屋圳子流域的水文相似性评价结果，可以将经过参数率定和验证后的游屋圳子流域SWAT模型的主要参数移用到高陂塅子流域的模型中，进行产流产沙的模拟。根据高陂塅子流域的DEM、气象数据(采用游屋圳子流域的气象数据)、土壤和土地利用等数据构建高陂塅子流域的SWAT模型，确定流域出口，并将高陂塅子流域离散为15个更次一级子流域、119个水文响应单元，见图6。通过设置流域配置文件，建立高陂塅子流域的SWAT模型。模拟结果表明，2010年高陂塅子流域年径流量1.32×107m3，年产沙产量2 200 t。

3 结论

图6 高陂塅子流域划分结果Figure6 The delineation of Gaopoduan sub-basin

本研究针对无观测资料的水土流失区产流产沙难准确预测问题，将SWAT模型应用于南方红壤侵蚀区水土流失严重的高陂塅子流域，为今后水土保持与生态恢复工作提供了依据。

1)流域水文相似性的判定是模型参数移植的关键。国内学者潘杰等［6］在辽西走廊区域的研究中通过建立指标体系，利用层次分析法评价了两流域的相似性。本研究采用单流向法提取了地形指数，并将地形指数频率分布作为评价流域水文相似性指标，避免了指标体系的繁琐性，同时对其他流域的水文相似性确定具有指导意义。

2)在参证流域的模型校准与验证过程中，取得较好的模拟效果:径流及泥沙模拟在校准期和验证期决定系数R2均在0.70以上，效率系数Ens均在0.65以上，相对误差在0.15以内。纵然表明SWAT模型可以用于游屋圳子流域的产流产沙模拟，但仍存在一些不足。本研究基于水文观测资料的时间序列较短，仅对以日为单位进行模拟与验证，今后仍需大量资料以月、年为时间尺度对模拟结果进一步验证。

3)将游屋圳子流域SWAT模型调整后的参数移植到无观测的高陂塅子流域，模拟得2010年高陂塅子流域年径流量1.32×107m3，年产沙产量2 200 t，模拟结果有助于定量预测流域的产流产沙量，为南方红壤侵蚀区水土流失治理提供参考。

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