改进的SWAT模型在辽宁中部地区洪水模拟中的运用研究

王　东

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)



改进的SWAT模型在辽宁中部地区洪水模拟中的运用研究

王东

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

摘要：本文引入对融雪径流模块进行改进的SWAT模型，以辽宁中部地区汤河西支为例，结合研究流域内实测2000—2010年水文数据，对比分析模型改进前后水文模拟精度，此外，运用改进后的SWAT模型实现了流域水量空间模拟。研究结果表明：改进后的SWAT模型由于考虑辽宁中部区域融雪径流特点，在汤河西支流域水文模拟精度较高，改进后的SWAT模型模拟的径流和实测径流之间的相对误差相比于改进前均值减少3.68%，流量过程的拟合系数提高近0.17。研究流域径流呈现北大南小分布和降水分布一致，降水量空间分布决定区域水资源空间分布，降水较大区域，径流深相对较大，反之，径流深较小。研究成果可以为辽宁中部区域水文模拟提供参考。

关键词：MSWAT模型；径流模拟；拟合系数；降水量；汤河西支流域

辽宁地区寒冷期时间较长，流域冬季积雪较多，在春节积雪开始融化形成融雪径流，在辽宁大多数流域，融雪径流量占全年径流量的比例较大，因此在对这些区域进行水文模拟时，融雪径流模拟至关重要。SWAT模型能够考虑流域下垫面对产汇流的影响，并可实现流域的分布式水文模拟，如今在国内运用较为广泛[1-4]，但是该模型在融雪径流模拟中具有局限性，有多篇参考文献[5-8]表明SWAT模型在融雪径流模拟中存在不足，该模型未考虑流域高程变化及退水对融雪径流的影响，因此在融雪径流模拟中存在一定的局限性，特别是在辽宁地区，融雪径流模拟精度高低很大程度上决定区域水文模拟精度的高低。为此在运用SWAT模型进行流域水文模拟时，应对模型的融雪径流模块进行改进。王威在2015年针对辽宁地区融雪径流的特点，对SWAT模型进行了改进，并在汤河流域进行了运用，研究结果表明改进后的SWAT模型相比于改进前，对汤河流域融雪径流模拟精度均有较大程度的改进和提高。但是改进后的模型只在辽宁西部区域进行相关运用，还未在辽宁中部区域运用过，而西部和中部区域产汇流和气候特点不一致，改进后的SWAT模型在辽宁中部地区的适用性还需要分析。为此，本文引入改进后的SWAT模型，以辽宁中部地区汤河西支流域为研究区域，定量分析了改进后的SWAT模型在辽宁中部地区的适用性，研究成果为辽宁中部地区的水文模拟提供重要的参考依据。

1改进后的SWAT模型原理

改进后的SWAT模型主要是对传统SWAT模型的融雪径流模块进行改进，引入SRM融雪径流模型对SWAT模型的融雪径流模块进行改进，SRM模型计算公式为

(1)

式中：Q均为每天的融雪径流量，m3/s;CS和CR分别为方程中每天的融雪径流系数和每天的降水产生的径流系数；a为融雪径流方程中的融雪度日因子，cm/(℃·d)，a的物理意义为每天融雪度日因子所能消耗的融雪深度；T为融雪度日因子数，℃/d，ΔT的物理意义则表示的为不同高程下温度垂减率下温度修正值；S为积雪覆盖和整个流域面积的比；P为流域内的降水量，cm；A为流域集水面积，km2；k为流域退水系数；n为计算时段数。

2实例分析

2.1区域概况

汤河西支为汤河左岸一级支流，发源于辽宁省辽阳县吉洞峪满族乡礼备沟村，流经辽阳县、辽阳市弓长岭区，在辽阳弓长岭区汤河镇柳河汤村注入汤河。流域面积562 km2，河流长度59 km，河流平均比降2.93‰，多年平均年降水量756.5 mm，多年平均年径流深214.7 mm，流域平均宽度为9.6 km，河道弯曲系数为1.3，河流形状系数为0.16，河网密度为0.4。

2.2研究资料准备

SWAT需要输入的数据：①流域数字高程数据，数据下载于中科院地理研究所提供的数据共享平台上全国1 km×1 km的数字高程数据，结合流域边界获得研究区域的数字高程数据,SWAT模型在数字高程的基础上，将整个流域离散成独立的计算单元，数字高程信息数据的下载源可见文献[9]；②土壤类型信息数据，收集流域内1∶4 000 000土壤类型数据，并建立流域土壤信息数据库;③土地利用/覆被数据是分布式水文模型计算流域蒸散发和植物截留计算的关键信息数据，中科院地理所在数据共享平台上提供了全国分辨率为1 km×1 km的土地利用/覆被数据。数据下载源见文献[10]，结合流域边界运用相关软件提取研究流域的土地利用/覆被数据，对于SWAT模型而言，还应该对数据进行重分类，以满足SWAT模型的数据格式要求，具体分类方法可详见文献[11]；④水文数据，水文数据主要为降水数据、流量以及含沙量数据，收集了流域内郝家店水文站2000—2010年流量、含沙量数据，主要用来进行模型的精度分析，并收集流域内4个降雨站点2000—2010年降水数据；⑤气象数据：收集流域内辽阳气象站2000—2010年气象要素数据，气象要素数据主要用来计算流域的潜在蒸散发。

2.3计算结果对比分析

为分析改进后的SWAT模型对流域模拟精度的改进，结合研究区域内水文站2000—2010年实测水文数据，对比改进前和改进后的SWAT模型模拟的相对误差和流量过程的拟合系数，对比分析结果见表1。

表1　改进后的SWAT模型和传统SWAT模型模拟对比结果

图1　模拟流量和实测流量过程对比

表1为改进前后的SWAT模型在汤河西支流域水文模拟精度的对比分析，从表中可以看出，改进后的SWAT模型模拟的径流深和实测的径流之间各年份的相对误差在3.10%~5.39%之间，径流深的相对误差均值为4.14%，而未改进后的SWAT模型在汤河西支流域2000—2010年模拟的各年份径流深和实测径流深之间的相对误差在4.48%~9.86%之间，模拟的各年份相对误差的均值为7.82%，相比于传统的SWAT模型，改进后的SWAT模型将模拟径流深和实测径流深相对误差的均值缩减3.68%。从模拟的流量过程和实测的流量过程拟合系数可以看出，改进后的SWAT模型在2000—2010年各年份的流量拟合系数在0.837~0.892之间，拟合系数的均值为0.881，而传统的SWAT模型在同样的年份其模拟的流量和实测流量过程的拟合系数在0.702~0.734之间，拟合系数的均值为0.712，可见，改进后的SWAT模型模拟的流量和实测流量拟合系数相比于传统SWAT模型，拟合系数提高将近0.17。从图1不同年份改进前后的SWAT模型模拟的流量过程和实测的流量过程对比图可以看出，改进后的SWAT模型模拟流量过程和实测流量过程的吻合度明显好于传统SWAT模型模拟的流量过程。这主要是因为传统SWAT模型的融雪径流模块只考虑温度对融雪径流的影响，而未考虑高程带变化以及退水对融雪径流的影响，而汤河西支流域春季融雪径流占据全年径流大约40%以上，因此融雪径流量模拟的好坏直接影响到全年径流量的模拟，而改进后的SWAT模型引入SRM融雪径流模拟，对传统SWAT模型的融雪径流模块进行改进，该模型能同时考虑气温、高程带变化以及退水对融雪径流影响，相比于传统SWAT模型，融雪径流模拟效果更好，使得改进后的SWAT模型模拟的精度要好于传统的SWAT模型。

2.4径流深空间模拟成果

运用SWAT模型模拟了汤河西支流域2000—2010年年平均径流深的空间分布，见图2。

从图2中可以看出，流域径流深空间分布具有一定的不均匀性，这主要是由流域降水空间分布不均匀性决定的，流域降水量较大的区域，径流深相对较大，降水量较小的区域，径流深相对较小，从图中可以看出，径流深在200~260 mm的区域主要集中在南北区域，主要是这一区域年降水量较大。

3结论

本文引入针对辽宁融雪径流特点进行融雪径流模块改进的MSWAT模型，以辽宁中部区域汤河流域为研究区域，基于区域内的实测水文数据，对比改进后的SWAT模型在汤河流域水文模拟的精度，研究取得以下结论：

改进后的SWAT模型能够考虑高程变化及流域退水对区域融雪径流的影响，改变传统SWAT模型只考虑温度对融雪径流影响的缺陷，水文模拟中可使得模拟的径流深相对误差和流量过程拟合系数两项指标均得到大幅度提高和改进。

图2　2000—2010年径流深空间分布成果

参考文献：

[1]孙小利,王建跃.美国乌龟溪水库降低水藻生长控制元素磷负荷的措施[J].水利规划与设计,2011(4):24-26，67.

[2]周浩.大小凌河地区地下水资源可利用量预测模拟研究[J].水利技术监督,2015(2):16-20.

[3]孙瑞,张雪芹.基于SWAT模型的流域径流模拟研究进展[J].水文,2010(3):28-32，47.

[4]宁吉才,刘高焕,叶宇,等.SWAT模型降水输入参数的改进研究[J].自然资源学报,2012(5):866-875.

[5]孙万光,郭学仲,陈晓霞,等.改进的SWAT模型在寒区水文循环模拟中的应用[J].水电能源科学,2012(7):41-43，129.

[6]余文君,南卓铜,赵彦博,等.SWAT模型融雪模块的改进[J].生态学报,2013(21):6992-7001.

[7]余文君.SWAT模型在黑河山区流域的改进与应用[D].南京师范大学,2012.

[8]刘文,李智录,李抗彬.SRM融雪径流模型在塔什库尔干河流域的应用研究[J].水利技术监督,2007(3):43-46.

[9]DEM数据[EB/OL]http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp

[10] 土地利用数据[EB/OL]http://westdc.westgis.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/

[11] 张徐杰.气候变化下基于SWAT模型的钱塘江流域水文过程研究[D].浙江大学,2015.

The use of the improved SWAT model on the flood simulation in the Central Region of the Liaoning Province

WANG Dong

(HydrologyBureauoftheLiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper,the SWAT model which improved the snowmelt runoff model of the traditional SWAT model was used to simulate the runoff in the central region of the Liaoning province,the west Brach of the Tanghe River was selected as the case area.Based on the observed hydrological data during 2000-2010,the simulation accuracy of the improved model and traditional model was compared,and using the improved SWAT model to realize the simulation of basin water quantity.The result shows that:the improved model has higher runoff simulation accuracy than the traditional SWAT model due to considering the characteristics of snowmelt runoff in central Liaoning,compared to the traditional SWAT model,the relative error of between the observed and simulated runoff by the SWAT model was reduced by 3.68%,and the fitting coefficient of the process flow was increased by nearly 0.17.The unbalanced distribution of the runoff was agreement with the distribution of the precipitation,the spatial distribution of rainfall determined the spatial distribution of water resources in the region,a large area of precipitation,the runoff depth is relatively large, on the contrary, less runoff.Research provides a referenceto the hydrological simulation in the central region of the Liaoning province.

Key words：improved SWAT model;runoff simulation;fitting coefficient;rainfall;the west Brach of the Tanghe river

中图分类号：P331.1

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0038-05

作者简介：王东(1983-)，男，工程师，主要从事水利自动化与信息化方面的工作。E-mail:la5983@tom.com