基于EFAST方法的寒旱区流域水文过程参数敏感性分析

张俊龙+李永平+曾雪婷+尤立+刘静

摘要：寒旱区流域受降雨径流和融雪径流联合补给，坡面产流和融雪过程可能对流域水文产生重要影响。以分布式水文模型SWAT为平台，选取模型多个参数为关键因子，借助EFAST方法探索融雪期（3月-5月）、非融雪期（6月-次年2月）的径流峰值以及全时段径流均值的参数敏感性，这些参数涉及降雨径流、积雪消融、蒸散发、下渗、地下水补给和壤中流等多种水文过程。同时，结合流域特征及参数物理意义，深入分析参数敏感的原因，并揭示参数背后的水文过程对开都河流域产汇流的重要影响。研究发现，坡面产流、下渗以及积雪消融等水文过程对开都河流域水循环具有重要影响。此外，对于寒旱区流域重要的融雪过程参数，其总敏感性显著而一阶敏感性不显著，表明通过EFAST方法得到的水文模型参数总敏感性更为合理。结果揭示了流域水文敏感因子及关键过程，为探索水循环机理，水文科学预测、管理流域水资源奠定了基础。

关键词：EFAST；地表产流；寒旱区；积雪消融；敏感性；SWAT

中图分类号：P334.92 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）03-0043-06

Abstract：In cold and arid watersheds，streamflow is mainly contributed by snowmelt runoff in the ablation period and rainfall runoff during summer.Surface runoff and snowmelt may have important influence on the water cycle.In this study，the extended Fourier amplitude sensitivity test （EFAST） method was employed for SWAT model parameter sensitivity analysis.The test involved hydrological parameters that describe multiple processes including rainfall runoff，snowmelt，evaporation，percolation，baseflow，and lateral flow.Peak flows in non-melting and snow-melting periods as well as average annual flow were all considered in the sensitivity analysis.In addition，the reasons for the sensitivity of the parameters and the associated hydrological processes that affect the water cycle in the watershed were analyzed.Results showed that the surface runoff，percolation，and snowmelt have significant influence.Besides，the total-order sensitivity of the parameters related to snowmelt process was significant whereas the first-order sensitivity was not significant，indicating that the total-order sensitivity obtained using EFAST is more reasonable.The findings will help hydrological models improve their capability for simulating/predicting water resources during different seasons for snowmelt-precipitation-driven watersheds.

Key words：FAST；surface runoff；cold and arid watershed；snowmelt；sensitivity；SWAT

參数对水文模型描述物理过程的能力至关重要，但大部分参数值只能通过经验或率定的方式获得。然而，水文模型参数众多，优化所有参数耗时费力，故需要根据不同的研究需求，筛选对输出影响显著的参数，从而有针对性地进行参数率定和估计。参数敏感性分析正是针对上述问题展开的[1]。

参数敏感性分析方法主要包括局部和全局敏感性分析[2-3]。局部敏感性分析用来反映单个参数的改变对模型输出结果的影响[4]。然而，该分析方法孤立各个参数，参数取值也局限于部分参数空间。实际上，模型参数的敏感性还会受到其它参数的影响。全局敏感性分析可以处理上述问题，其中，扩展傅里叶振幅敏感性分析EFAST（Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test）方法通过计算单个参数及不同参数间交互作用引起模型输出的方差，从而充分考虑参数间的耦合作用对模型结果的影响，具有巨大的理论优势和应用潜力[5-6]。

寒旱区开都河流域受降雨径流和融雪径流联合补给，坡面产流和融雪过程可能对流域水文产生重要影响。本文以开都河流域为关键研究区域，以分布式水文模型SWAT为平台，构建流域水文模拟模型，并借助EFAST方法探究寒旱区流域水文模型参数敏感性，研究结果将被用来揭示流域水文敏感因子及关键过程，为探索水循环机理，水文科学预测、管理流域水资源奠定基础。

1 流域概况

开都河（图1）流域位于中国新疆焉耆盆地北部、天山南麓（42°14′N-43°21′N， 82°58′E-86°05′E），河流发源于天山中部，全长610 km，最终流入博斯腾湖[7-10]。流域面积22 000 km2，年径流量33.62×106 m3[11]。流域内山间盆地平均海拔2 400～2 600 m，山区平均海拔4 000～5 500 m[12]。流域干旱少雨、高蒸发，年平均气温-4.3 ℃，极端低温-48.1 ℃，年均降雨量500 mm，年均蒸发量1 157 mm[13]。草甸土、冻土和沼泽土为流域主要的土壤类型，土地利用类型以草原为主（占73.8%）。开都河水源区有着较长的降雪期（11月至次年3月），平均每年有139.3 d被积雪覆盖，平均厚度12 cm[14]。开都河受降雨径流和融雪径流综合补给，导致每年两次地表径流峰值，第一次峰值主要受融雪影响，发生在3月至5月，第二次峰值主要受降雨影响，发生在7月至8月。

为构建流域水文模型并开展水文参数全局敏感性分析，本文收集了1995年至2001年胜利道班、水电站、骆驼脖子、库车打板、巴音布鲁克、大山口观测站点的融雪、水文和基本气象资料。融雪资料包括雪深以及10、20、30和40 cm雪层温度，由激光雪深仪（SHM30）和温度传感器测得，观测时间间隔为1 h；大山口水文站位于流域出口，该站水文资料包括流速和水位，时间步长为天；气象站点在流域内各高程均有分布，每个站点装备自动气象观测仪（Vantage Pro2），气象资料主要涉及降雨量、温度、风速和湿度，每半小时观测一次。相关站点位置及图件数据见图1。本文还收集了流域地形、土地利用和土壤类型数据。为了分析降雨融雪混合产流机制下水文参数的敏感性，我们选取SWAT模型多个参数为关键因子，这些参数涉及降雨径流、积雪消融、蒸散发、下渗、地下水补给和壤中流等多种水文过程，模型参数见表1。

2 原理和方法

2.1 SWAT模型

SWAT模型具有物理机制，可进行以日为步长的长时段模拟[15]。SWAT模型综合考虑水情、地形、植被、土壤特性、土地管理措施等流域信息，可用于模拟流域水循环、泥沙运动和氮循环。模型水量平衡可由下式得到[16]

3 结果与讨论

本研究借助开都河流域的胜利道班、水电站、骆驼脖子、库车打板、巴音布鲁克、大山口观测站点收集流域水文资料和基本气象资料，建立模型。本研究将1995年至1999年作为率定期，2000年至2001年为验证期，借助SWAT模型开展开都河流域水文过程模拟，结果见图2，纳什系数在率定期和以验证期分别为0.663和0.734，决定系数在两个时期分别为0.710和0.746，相对误差在率定期和验证期分别为17.7%和11.8%，这些数据表明SWAT模型在开都河流域有着令人满意的模拟效果。

本文基于1995年-1999年（率定期）的大山口河道徑流数据，针对该时段融雪期（3月-5月）、非融雪期（6月-次年2月）的径流峰值以及全时段径流均值三个变量，借助EFAST方法探索参数敏感性（包括一阶敏感性和总敏感性）。图3展示了基于EFAST方法的参数敏感性分析结果（非融雪期径流峰值）。总敏感性结果表明，在模拟非融雪期径流峰值过程中，参数CN2、CN_K2以及SNO50COV最为敏感。参数CN2用来表征坡面产流过程发生的倾向性，受到土壤渗透性、前期土壤水分条件、土地利用类型、植被密度以及水土保持设施等流域下垫面因素的影响。该参数敏感的原因可能是由于开都河流域地形陡峭、夏季暴雨频发，容易诱发超渗产流过程，为夏季径流提供了重要的水源。参数CN_K2较为敏感的原因可能是开都河流域内高山寒漠土和高山草甸土分布广泛，上述两种土壤介质组成中粉土和沙土占73%～86%，该土壤具有良好的渗透性，这导致流域内尤其在地势较平坦的尤尔都兹盆地和焉耆盆地地下水和地表水的转化非常频繁，对开都河地表水量有着重要影响。

图4展示了融雪期径流峰值的参数敏感性。总敏感性结果表明，参数CN2、SNO50COV、CH_K2以及LAT_TTIME对开都河流域融雪期径流最为敏感。参数CN2对融雪期径流有着重要影响的原因在于开都河流域多山地，地势陡峭，坡面产流是春季地表径流是重要的水源。参数CH_K2具有较高的敏感性，说明春季融雪期开都河流域地表水和地下水交换仍然显著。参数SNO50COV用来描述融雪水与积雪覆盖之间的关系，该参数较为敏感的原因可能在于开都河流域春季融雪产流是地表径流的重要来源。从图1展示的结果中可以发现，尽管SNO50COV描述了春季积雪消融的过程，该参数对夏季径流过程仍然具有较高的敏感性，原因可能在于地表水和地下水交换导致积雪融水下渗到非承压含水层和承压含水层，地下水漫长的汇流过程导致了流域上游山区积雪消融与流域出口径流观测之间的迟滞效应，从而，春季融雪参数影响了夏季的降雨径流过程。参数LAT_TTIME用来表征壤中流汇入河道的迟滞效应。开都河流域地表产流易于下渗，渗入土壤中的水量，一部分由土壤直接蒸发和通过植物散发到空中，另一部分以壤中流形式补给河流。该参数较为敏感可以证明壤中流对开都河流域汇流过程具有重要作用。

图5展示了模拟整个时期（1995年-1999）地表径流量均值的参数敏感性。不难发现，参数CN2、SNO50COV、SOL_K、ALPHA_BF、TIMP、GW_REVAP、LAT_TTIME以及HRU_SLP对开都河流域径流量均值具有显著影响。上述参数表征流域内多种水文过程，包括地表产流、积雪消融、地下水与地表水交换、壤中流以及流域地形坡度。这表明，上述水文过程及因子对开都河流域产汇流具有重要影响。

值得注意的是，借助EFAST方法得到的一阶敏感性与总敏感性分析结果具有一致性，相互印证，说明EFAST方法在寒旱区流域分析水文模型参数敏感性具有可行性。然而，对于某些参数则存在较为显著的差异，特别是与积雪消融过程相关的参数（即，SNO50COV和TIMP），上述两个参数的总敏感性非常显著，而一阶敏感性并不高。实际上，流域积雪主要分布于河源地区海拔4 000～4 500 m的艾尔宾和科克铁克等山脉，高山融雪是该河流重要的补给水源，从理论上讲，融雪参数应该较为敏感。造成分析结果显著差异的原因主要在于EFAST一阶敏感性分析并未充分考虑参数交互作用对方差的贡献，从而导致敏感性分析的误差。这从侧面证明，在参数敏感性研究中，考虑参数之间的交互作用是非常必要的。

4 结论

本研究借助EFAST方法探究了寒旱区流域水文过程参数的敏感性，揭示参数背后的水文过程对开都河流域产汇流过程的重要影响。研究发现，坡面产流、积雪消融以及下渗过程对夏季径流峰值有重要影响；坡面产流、下渗、积雪消融以及壤中流对春季峰值影响显著；从全年平均流量看，地表产流、积雪消融、地下水与地表水交换、壤中流以及流域地形坡度是流域重要的水文过程和因子。此外，借助EFAST方法得到的一阶敏感性与总敏感性分析结果具有一致性，印证了该方法在寒旱区流域分析水文模型参数敏感性的可行性；而在某些参数上却存在差异，与流域融雪过程相关的参数的敏感性并不能通过一阶敏感性反映。这表明在参数敏感性研究中，考虑参数之间的交互作用是非常必要的，这也说明，借助EFAST方法得到的水文模型参数总敏感性更为合理。

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