基于SWAT的乌伦古河流域径流模拟研究

杨 霞

（新疆化工设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐830006）

基于SWAT的乌伦古河流域径流模拟研究

杨 霞

（新疆化工设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐830006）

摘要:以新疆乌伦古河流域上游为研究区，利用DEM、土地利用、土壤类型和水文气象资料，基于SWAT构建研究区分布式水文模型，探讨了SWAT模型在乌伦古河的适用性。应用LH-OAT法对参数进行敏感性分析 ，采用手动调参对模型参数进行率定和验证，根据已有的径流资料选用2000年—2005年为模型参数率定期，2006年—2009年为模型的验证期。研究结果表明:实测值与模拟值的趋势一致总体较为接近，率定期和验证期效率系数均大于0.6，相关系数0.8以上，径流平均误差小于15%。总体来看，SWAT模型参数率定之后，能较好的反映了乌伦古河流域的月径流水文过程，在该地区具有一定的适用性。

关键词:SWAT；乌伦古河流域；径流模拟

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美国农业部农业研究中心Jeff Amold博士20世纪90年代初开发的适用于复杂大流域的半分布式水文模型，模型能够充分考虑降水的时空分布不均匀性和下垫面的复杂性，真实的模拟现实世界流域产汇流过程，客观的反映气候和下垫面因子的空间分布对流域径流变化的影响［1-2］。

分布式水文模型是研究水文变化规律，对流域水资源进行合理配置的一种工具［3］。近年来，流域水文过程受气候变化、人类活动影响以及流域下垫面植被和土壤等因子共同作用，具有较大的时空变异性。分布式模型比传统的概念模型能更好地模拟水体循环，尤其是在水文模型中应用3S技术为模型的发展提供了有力的技术保证。SWAT模型在GIS平台上模拟水文过程，其广泛性和实用性在不同国家和流域尺度都有很好的验证［4-5］。一些研究者在西北干旱内陆区艾比湖［6］、玛纳斯河流域［7］、开都河流域［8］应用SWAT模型，模拟研究区的径流变化，结果表明:SWAT模型模拟结果与实测结果吻合，能很好的应用在以上流域。本文以乌伦古河流域为例，运用SWAT2009分布式水文模型为研究工具，利用研究区土壤和土地利用资料、水文资料以及气象资料，模拟2000年—2009年年径流和月径流，分析乌伦古河流域径流变化以及模型适用性研究，以此为西北干旱内陆河流域径流模拟提供参考。

1　研究区概况

乌伦古河位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区，东和东北部与蒙古人民共和国接壤，北同额尔齐斯河流域毗邻，西与吉木乃县相接，南和古尔班通古特沙漠毗邻，是流向准噶尔盆地最大的内陆河流，也是阿勒泰地区第二大河流。乌伦古河发源于阿尔泰山东段南麓，地理坐标为东经87°05′～90°45′，北纬46° 10′～47°28′，流域总面积4.3万km2，流经阿勒泰地区的青河、富蕴、福海三县，最后注入乌伦古湖，见图1。

图1　乌伦古河流域地理位置示意图

2　资料收集与处理

SWAT模型需要输入的基础数据包括空间数据和属性数据，空间数据有:DEM、土壤类型图、土地利用图、河网水系图等；属性数据有:土壤属性数据（物理属性）、土地利用类型属性和气象数据等。

（1）数字高程DEM。DEM是构成GIS的基础数据，也是实现流域空间离散化和参数化的基础，通过它可以提取流域水文特征参数，如坡度、坡向、河网、流域边界等［9］。乌伦古河流域使用的DEM为90 m ×90 m分辨率的STRM数据，数据格式为GRIDE。在ArcGIS中经过投影变换和边界裁剪得到SWAT模型需要的研究区DEM数据，见图2。

图2　研究区DEM图

（2）土地利用。研究中所用到的土地利用数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心1∶10万的土地利用数据。根据SWAT模型的需要，将新疆省土地利用图运用ArcGIS软件把坐标和投影转换成与DEM坐标一致，按照SWAT模型土地利用分类标准，对乌伦古河流域土地利用图进行重分类 ，把相同的土地利用类型进行合并，同时建立土地利用索引表，采用流域边界在重分类土地利用图上自动切割裁剪得到本研究区域的土地利用图，并赋予SWAT模型标准的英文字母编码见表1，重分类后所得的土地利用类型图见图3所示。

表1　研究区土地利用类型表

（3）土壤类型。本研究使用的土壤类型图来自于中国西部环境与生态科学数据中心1∶100万土壤类型图，与DEM和土地利用类型图转换到相同的投影和坐标下。根据新疆土种志［10］，结合乌伦古河流域的实际情况，并在SWAT模型中利用最大亚类代替土类的方式重分类为潮土、沼泽土、高山草甸土等10种土壤类型，命名新的土壤类型名，建立土壤类型索引表，用以和土壤的属性库进行链接，重分类后的土壤类型见表2。SWAT模型中各土壤类型的分布图见图4。

图3　重分类土地利用图

表2　研究区土壤类型表

图4　土壤类型重分类图

（4）流域的气象数据选取1990年—2009年长序列日观测数据，研究区内气象数据采用青河气象站的逐日的最高气温、最低气温、相对湿度、风速、太阳辐射 ，水文资料采用二台水文站2000年—2009年的实测年、月径流量数据。水文数据由阿勒泰水文局提供，气象数据由中国气象数据共享服务网下载。

3　模型原理与模拟方法

SWAT模型可以模拟流域内水循环过程、物质循环过程，其模拟流域水文建模可分为两个阶段［11］:一是水文循环的产流阶段，控制着每个子流域内水流、泥沙、营养物和杀虫剂等向主河道的输入；二是水文循环的汇流阶段，流域河网中水流泥沙向出水口运移过程。其计算原理是利用水量平衡方程，SWAT模拟水量平衡计算表达式为:

式中:SWt为土壤的最终含水量；SW0为第i天土壤初始含水量（mm）；t为时间（d）；Rday为第i天的降水量（mm）；Qsurf为第 i天的地表径流（mm）；Ea为第i天的蒸发量（mm）；Wseep为第 i天从土壤剖面底层进入包气带的水量（mm）；Qgw为第i天回归流的水量（mm）。

模拟方法的选择，径流模拟选择以日降水数据为基础的SCS径流曲线法。潜在蒸散发（PET）选择，需要太阳辐射、气温、相对湿度、风速作为输入数据的是Penman Monteith方法，对河道演算的模拟选择马斯京根方法［12］。

4　结果与分析

4.1参数敏感性分析与率定

参数敏感性分析有助于进一步了解影响研究区水文过程的关键因子，并有助于有效地率定模型。由于参数太多以及模型的空间特性，确定每个参数的准确值是相当困难的，只能使重要的参数尽可能准确［13］。因此，通过敏感性分析筛选出对模拟结果影响较大的几个参数进行率定，以保证最终模拟的精度。在SWAT模型中影响径流的参数有26个，使用模型自带的LH-OAT（Latin Hypercube One-factor -At-a-Time）方法通过270次运算，筛选出敏感性排名靠前的参数进行率定和校准 ，分析结果如表3。

采用SWAT模型自动率定模块对敏感参数进行自动率定，然后根据自动率定的结果，采用模型提供的手动率定模块对率定结果根据研究区的特点进行微调，以提高模型的模拟精度。自动率定结果依次

表3　敏感性分析结果

4.2模拟结果分析

本文以二台站为例，对SWAT模型在乌伦古河流域的模拟结果进行校准和验证。本研究以1998年—1999年为模型的预热期，以2000年—2005年为模型校准期，以2006年—2009年为模型的验证期，空间上先校准上游再校准下游［6］。模型选用Nash -Suttclife模拟系数 Ens、月径流相对误差Re和决定系数 R2作为评价模拟结果［14］。

从表4可知，在月径流模拟过程中校准期相对误差为-6.56%，效率系数为0.67＞0.5，评价等级为丙级，相关系数为0.70。从图5可知，校准期月径流模拟值和实测值趋势一致，模拟值略大于实测值，误差在可接受的范围内，说明模拟结果还是比较满意；2001年的径流较大，查阅相关历史资料可知2001年是丰水年，模拟趋势与实测结果相吻合。从图5中也可知，每年夏季径流量大，因为夏季雨水多，夏季温度高冰川积雪融化，径流量显著增加；冬季研究区气温低，冬季降水多以降雪的形式存在于地面，导致研究区冬季径流量小。从总体来看，校准期年径流和月径流模拟效果较好 ，参数率定值可以满足模型的模拟需求。

表4　校准期和验证期月径流模拟结果

图5　校准期月径流实测值与模拟值

由验证期结果图6可知，验证期径流模拟值与实测值变化趋势相接近，验证期径流量偏大，验证期效率系数为0.8，径流相对误差为-11.58%，模拟值与实测值的相关系数为0.81。但是模拟结果均满足要求，都在误差可接受范围内，模拟结果表明: SWAT模型在乌伦古河流域适用性很好，能够准确的反映其产流特性。

5　结 论

本文以新疆乌伦古河流域为例，构建了流域分布式水文SWAT模型，以此探讨模型在中小流域的适用性。主要结论为:构建了适合研究区的水文模型，模拟了2000年—2009年的径流量，通过参数调整率定出研究区敏感参数，验证期径流量模拟值与实测值相对误差 Re为-11.58%小于15%，相关系数R2为0.81大于0.6，效率系数 Ens为0.80大于0.5，验证期比率定期误差大，但模拟精度在误差范围内，说明SWAT模型适用于乌伦古河流域，能为以后的非点源研究奠定基础，为水资源的开发利用与综合管理提供科学依据。

图6　验证期月径流实测值与模拟值

参考文献:

［1］ 董国强，杨志勇，史晓亮，等.基于SWAT模型的滦河流域径流模拟［J］.人民黄河 ，2013，35（6）:46-49，52.

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［8］ 王 莉.基于SWAT模型的气候变化对水资源影响研究—以开都河流域为例［D］.南京:南京信息工程大学，2012.

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［12］ 温切尔.ARCSWAT 2009用户指南［M］.邹松兵，卢志祥，龙爱华，等译.郑州:黄河水利出版社 ，2012.

［13］ 杨军军，高小红，李其江，等.湟水流域SWAT模型构建及参数不确定性分析［J］.水土保持研究，2013，20 （1）:82-88.

［14］ Nash J E，Suttcliffe J V.Rive flow forecasting through conceptual models，Part1-adiscussion of principles［J］.Journal of Hydrology，1970:10（3）:282-290.

中图分类号:TV121

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0121—05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.025

收稿日期 :2014-10-26修稿日期:2014-11-21

作者简介 :杨 霞（1986—），女，四川遂宁人，硕士 ，主要从事环境影响评价工作。E-mail:yangxia127@163.com

Simulation Study of Wulungu River Basin Runoff Based on SWAT

YANG Xia
（Xinjiang Chemical Design and Research Institute Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang 830006，China）

Abstract:Taking the Wulungu River as a case study area，DEM，land use，soil type and hydrological&meteorological data were used to build a distributed hydrological model based on SWAT.Furthermore the applicability of SWAT model in Wulungu River was investigated.Here，LH-OAT method was applied to analyze the sensitivity of the parameters，followed by the calibration and validation of the model parameters which were adjusted manually.According to the existing runoff data，the calibration period was chosen from 2000 to 2005 and the validation period was set to be from 2006 to 2009.The research results showed that the simulated values and measured values were basically in consistency，when the efficiency coefficient of the calibration and validation period were greater than 0.6，the correlation coefficient was larger than 0.8，the runoff average error was less than 15%.Overall，after the calibration of the SWAT model parameters，the model can better reflect the hydrological process of Wulungu River basin monthly runoff，and has certain applicability in this area.

Keywords:SWAT；Wulungu River basin；runoff simulation