基于SWAT模型的汉江流域径流模拟

2020-03-30陈昊荣

水利与建筑工程学报 2020年1期

陈昊荣，金生

(大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024)

SWAT(Soil And Aeeseement Tool,SWAT)模型是美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)研发的基于物理过程的流域尺度模型，该模型应用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)分析流域内土壤类型和土地利用方式的空间分布，从而反映了下垫面因素对流域水循环的影响[1]。SWAT模型自开发以来，已在国内外得到了广泛应用与验证，如径流模拟、面源污染模拟、农业管理措施对水文水质的影响等。Srinivasan等[2]运用SWAT模型分别对美国部分流域进行的径流模拟，表明模型更适合模拟长期径流。Ganga等[3]在亚洲东北部应用SWAT模型对月径流和日径流进行模拟，取得了良好的模拟精度。Vilaysane等[4]将SWAT模型应用于老挝南部Xedone流域的径流模拟，结果表明其在该地区适用性良好。张雪松等[5]对黄河下游小浪底至花园口区间进行模拟，选用实测月径流和泥沙数据对模型参数进行校准，得到了较好的结果。李慧等[6]应用该模型对天山中段玛纳斯河流域进行日径流模拟，结果表明SWAT模型在以雪冰融水为主要补给的流域模拟效果良好。骆月珍等[7]在CMADS气象数据的驱动下，运用SWAT模型对富春江水库控制流域进行了水量平衡模拟，其结果表明，SWAT模型对富春江水库控制流域的径流模拟具有良好的效果。杨霞[8]应用SWAT模型对新疆乌伦古河流域进行径流模拟，也得到了良好的结果。

中国大气同化数据集(China Meteorological Assimilation Driving Database for the SWAT Model，CMADS)适用性已经在我国许多流域得到了验证[9-13]。本文选取汉江流域汉中水文站上游区域为研究区，采用CMADS气象数据驱动SWAT模型，并进行参数率定和验证，评价SWAT模型在该流域的适用性，以期为后续与水动力学模型的耦合提供有力支撑。

1 研究区概况

本文以汉江流域汉中水文站以上流域范围为研究区域。汉江是长江最大的支流，汉江流域面积15.9万km2，流经湖北、陕西、河南等多个省市。汉江流域为亚热带季风气候，气候湿润，温和多雨，水资源量丰富；但降雨年内分配不均，5月至10月的径流量占全年径流量的3/4左右，年际变化较大。本研究区域包括漾家河、玉带河、沮水以及濂水河在内的上游流域范围，河流两岸峡谷与盆地交替出现，河床多为卵石、砾石与基岩组成，河道比降较大，是洪水灾害频发的地区。

2 数据预处理

2.1 数字高程处理

借助地理空间数据云平台获取本研究区域的数字高程(DEM)数据，空间分辨率为30 m，参考坐标系为CGS_WGS_1984。由于ArcSWAT模拟时需要对数据投影，因此根据高斯克吕格3度带投影方式，将数字高程的投影坐标系设置为Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_108E。图1为研究区域的数字高程图。

2.2 土壤数据处理

建立土壤数据库是SWAT建模前处理中的关键步骤，土壤数据的质量对模拟计算结果有重要的影响。SWAT模型采用USDA简化的美国标准作为土壤粒径级配标准，目前世界土壤数据库也采用了USDA标准，因此可直接用来构建SWAT模型中的土壤数据库。研究区土壤类型采用分辨率为1 km的世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database,HWSD)中中国区的数据，该数据可以提供模型建立所需的土壤参数[14]，如不同土壤类型中各粒径的含量，有机碳含量等。而土壤湿密度(SOL_BD)、土壤层有效持水量(SOL_AWC)及饱和导水率(SOL_K)可通过土壤水特性软件(SPAW)计算得到。土壤类型分布见图2，表1为各土壤类型所占面积比例。

图1 研究区域数字高程图

图2 土壤类型分布图

2.3 土地利用数据处理

本文选用的土地利用数据为空间分辨率为1 km的GLC2000，此数据为2000年全球土地覆盖数据集，由欧盟联系研究中心空间技术研究所与全球30多个国家和地区联合开发[15]。GLC2000数据集中文土地利用类型包括落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿针叶林、灌木、河流、城市、农田、荒漠等24种，从中截取研究区域的数据，并按照SWAT标准进行重新分类。重分类后的土地利用图见图3，各类型所占面积比例见表2。

表1 土壤类型及面积比例

图3 土地利用分布图

表2 土地利用类型及面积比例

2.4 气象数据处理

本文采用中国大气同化数据集CMADS V1.0，空间覆盖整个东亚(0°N-65°N，60°E-160°E)空间分辨率为1/3°，时间序列为2008年至2017年，包含了日最高最低气温、日24 h累计降水量、日平均风速、日平均相对湿度和日平均太阳辐射数据。本文提取了数据集中的36个站点，作为模型的气象输入数据，站点分布如图4所示。

图4 CMADS气象站点分布

3 模型构建与结果分析

3.1 模型构建

SWAT模型构建时，选取25 000 hm2为集水区划分的阈值，生成21个子流域[16]。汉中水文站所在的第17个子流域为整个流域的出口(见图5)。为避免生成过多的水文响应单元，影响计算效率，故按照土地利用阈值5%，土壤类型阈值5%，坡度阈值10%划分水文响应单元，模型共生成358个水文响应单元。选取具有实测日径流数据的汉中水文站为率定和验证的站点，选取2008年—2009年为预热期，2010年—2013为率定期，2014年—2017为验证期，采用SCS径流曲线法计算流域径流量[17]。

图5 子流域分布图

3.2 模型参数率定

SWAT模型参数众多，而不同参数对模拟结果的准确度有着不同程度的影响，相同参数的不同取值也会对模拟结果产生很大影响。因此，有必要对模型进行参数的敏感性分析，并对重要参数的取值进行率定。本文选用SWAT-CUP[18]中的最大似然法(GLUE，Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)进行参数的敏感性分析、率定和验证[19-22]。该方法从模型中随机抽取多组参数，分别计算各组参数下的模拟结果，筛选得出最优参数组见表4。

表4 参数取值

3.3 模型评价指标

本文选取纳什效率系数(Nash-Sutcliff，Ens)以及决定系数(R2)为评价指标[23]，其表达式如下：

(1)

(2)

纳什效率系数变化范围为(-∞，1)，其值越接近于1，表明模拟效果越好；决定系数越接近于1，表明模拟值与实测值越接近，两者相关性越高[24]。具体评定标准见表5。

表5 评定标准

3.4 日径流模拟验证

本文以率定期(2010年—2013年)得到的参数值为基础，选取了2014年—2017年的日径流数据作为验证资料，对率定期的最优参数组进行验证。由表6可知，率定期的纳什效率系数和决定系数达到了0.77和0.78，验证期分别为0.74和0.75。按照表5的评定标准可知，模拟效果达到乙等标准。图6和图7分别是率定期和验证期日径流量模拟值与实测值的对比图，可见其变化过程基本一致。整体而言，模型对于日径流变化过程的模拟达到了较好效果。

表6 校准期与验证期逐日径流模拟评价指标

4 结论

本文以GLC2000土地利用数据和HWSD土壤数据为基础，以CMADS V1.0气象数据为驱动将SWAT模型运用于汉江汉中以上流域的径流模拟，并用实测数据对模型参数进行了率定和验证。结果表明，模型在校准期纳什效率系数和相关系数分别为0.77/0.78，验证期纳什效率系数和相关系数为0.74/0.75，率定期和验证期都达到乙等水平，说明SWAT模型能够较为准确地反映研究区域的水文过程，为后续与水动力模型的耦合提供了有力支撑。