基于SWAT模型的中长期洪水径流预测研究

卜 玉

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

0 引 言

SWAT模型能够考虑大范围降水受人类活动、气候变化等诸多因素影响，有效预测未来水文变化情况。经过几十年的研究发展，SWAT己经在国内外很多领域得到应用并验证，包括泥沙、径流、水质等方面的研究，其中径流模拟应用最为广泛。如廖亚一等在SWAT模型中引入蒙特卡洛随机采样法，探讨了径流模拟结果受不确定性气候数据输入的影响；王博威等综合利用土壤信息数据和SWAT模型，从空间分布上揭示了流域径流变化特征。以上研究主要是考虑气候变化、人类活动、土地利用变化等因素，利用SWAT模型探讨其对径流的影响，而对中长期洪水径流预测的研究还鲜有报道。鉴于此，文章结合土地利用图、土壤图和DEM数据，通过提取水文特征相关参数生成流域河网，并合理划分子流域、水文响应单元和流域边界，将有关数据输入SWAT模型实现饶阳河流域的径流模拟，评价分析了流域内水文水资源，校准和验证了模型的精准度及其适用性[1-6]。

1 研究区概况

绕阳河属辽河下游支流，主要流经阜新、新民、辽中、黑山、台安、盘山等地区，最后汇入辽河，全长290km，总面积10360 km2，主要支流有月牙子河、沙子河，流域内植被覆盖率为28%，水土流失严重。季节性河流暴雨洪水特征较为明显，产流类型属于超渗产流，洪水暴涨暴落、量大峰高、汇流历时短，洪峰峰型呈尖瘦型，涨落水历时相近，洪水流速大，破坏力强，危害性更大。饶阳河属大陆性季风气候，由于地理与气候条件双重作用所致，汛期七、八月份，次洪水总量占月径流量较大，一般处于40%-60%范围。

2 SWAT模型的构建

2.1 基于栅格DEM流域信息的提取

DEM是子流域划分、生成河网和流域边界条件的重要数据，也是洪水径流模拟的基本数据，见图1。

运行软件完成DEM数据加载后，应按照以下流程提取水文信息，主要步骤为：①投影修改，在WGS-1984-UTM-Zone-51N投影坐标系下加载DEM数据；②Mask 掩膜加载，为了提高运算效率，减少模型不必要的运算量，流域划分时仅仅考虑掩膜覆盖部分，从而生成河网图；③子流域最小面积阈值设定时要充分考虑流域现状和研究区覆盖范围，完成划分后自动生成各子流域间的拓扑关系和河网水系，在此基础上计算确定各子流域的高程、面积、坡度、形状系数等特征值，最后完成流域的分割；④检查调整，可以直接手动删除划分不合理的子流域[7]。

图1 绕阳河流域 DEM

文章所用DEM数据精度达到30m，运行模型提取饶阳河。将整个研究区域(2234.558km2)划分成面积从1.357km2到172.107 km2不等的55个子流域，地形坡度介于2.527°-10.814°，高程处于49.480m-312.623m，统计信息如表1，各子流域编码分布见图2。

表1 信息特征值

2.2 生产水文响应单元

水文响应单元(HRU)主要是指下垫面特征单一或相似的流域最小单元，各单元内的水文特征非常相似[8-9]。为了更好地实现径流模拟，全面真实的反映下垫面分布特点，有必要合理划分各子流域的HRU，以保证每个HRU都有相应土壤和土地利用类型相对应。运行SWAT模型并加载土地利用图与索引表、土壤图和类型表，在此基础上进行重分类，结果见图3。

图2 绕阳河流域子流域编码图

图3 绕阳河流域土地利用/覆被重分类

在流域下垫面条件完成叠加的基础上，应按以下步骤划分水文响应单元[10]：首先，结合不同土壤和土地类型属性表明确最小类型比例；然后，合理设定最小阈值为10%，在划分HRU过程中若某土壤或土地类型面积比低于10%则不予考虑，重新按比例计算剩下的面积，从而保证流域下垫面水平相似以及每个HRU都只有一重类型，按以上原则生成的HRU共有150个。

2.3 气象数据的读入

在完成HRU划分后即可读入气象数据，流域内的降雨数据、太阳辐射、风速、湿度、蒸散发、气温等气象数据分别来源于东白城子水文站和阜新气象站1996-2006年监测资料。

2.4 模型文件的读入

读入气象数据后，应用Write ALL命令即可自动输入数据[11]。根据土壤分配-土地利用特征和模型的流域特征会自动提取这些输入的数据，主要包括水文响应单元(.hru)、主河道(.rte)、土壤(.sol)、子流域(.sub)、流域结构(.fig)、气象(.wgn)等文件，流程如图4。

图4 SWAT模型输入文件流程

3 中长期洪水径流预测

3.1 SWAT模拟方法

在写入径流模拟所需文件后，合理选择河道演算、潜在蒸发和径流计算方法[12-13]。考虑到所获取的降雨资料以日为单元，所以选择径流演算时间以日为单位的SCS径流曲线法。由于已获取流域内的风速、气温、太阳辐射、相对湿度等数据，故对蒸发量模拟选用Penman-monteith 法。根据相关资料和实践经验，径流模拟时选用马斯京根法。采用以上所述方法，结合1996-2002年观测数据模拟饶阳河月径流特点。

3.2 参数率定和验证

SWAT模型的参数较多，若直接调参没有明确的目标，并且工作量较大，难以达到预期的效果。因此，在调参前必须详细掌握各类参数的特征及其敏感性，通过调整敏感性参数以保证工作效率。

实际上，参数率定就是通过对参数值的合理调整促使观测值与模拟值更加接近，其主要有地表特点、土地类型、地下径流、土壤、植被等参数[14-18]。本研究借鉴现有文献资料和实验实例，选取与降雨产流、地表径流等密切相关的敏感性参数见表2，校准步骤见图5。

表2 WAT 模型主要率定参数

图5 模型的校准步骤

针对率定参数，应用流域1996-2002年月径流实测出口数据手动校准模型参数，并以2003-2006年月径流实测数据验证校准后的数据，见图6。

3.3 模拟结果分析

采用相对误差RE、相关系数R2以及纳什效率系数ESE分析模拟效果，即RE值越小、R2值和ESE值越大则模拟效果越好。一般条件下，以RE<0、R2>0.6、ENS>0.6作为模拟效率、吻合程度、模拟精度评价标准，其相关计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

考虑到不同时段数据获取的连续性，径流实测数据来源于1996-2006年东白城子水文站观测资料，模拟与实测径流值见表3和见图6-7。

从表3可以看出，SWAT模型可以精准地反映不同时期绕阳河的径流状况，其中校准期月均径流量实测和模拟为12.926m3/s、11.786m3/s，验证期为28.474m3/s、28.811m3/s；校准期实测值与模拟值的相关系数0.704、相对误差8.818%、效率系数0.711，验证期依次为0.699、1.183%、0.697。

表3 月径流的模拟结果

(a)月径流模拟结果 (b)月径流相关关系

3.4 模型分析与评价

一般条件下，若径模型输出期望值接近0.6，则代表模型可以准确地模拟该区域径流。将确定性系数ENS按照《水文情报预报规范》划分成甲、乙、丙评价等级，等级划分见表4。

表4 确定性系数等级

结合表3模拟结果，验证期和校准期模型的纳什效率系数为0.697、0.711，依据表4等级划分标准隶属于丙级和乙级；验证期和校准期模模拟值与实测值总体相差不大，相关系数为0.699和0.704，两者存在密切联系。所以，SWAT模型能够客观地反映径流变化过程，利用该模型模拟饶阳河流域径流特征具有较强适用性和可行性。

4 结 论

以DEM数据为基础，提取河道坡度、平均高程、集水面积等流域水文信息，并将整个研究区域划分成面积从1.357km2到172.107 km2不等的55个子流域。为保证流域下垫面水平相似以及每个HRU都只有一重类型，合理设定土壤类型和土地利用面积阈值均为10%，从而生成150个HRU，分布式描述整个流域范围。

SWAT模型的模拟精度和可信度较高，计算误差未超过允许的范围，可以真实反映流域径流状况，科学评价分析流域水文水资源。在中长期洪水预测中，引用SWAT模型建立水文响应单元，通过对气象数据、降雨数据、土壤数据等参数的率定，建立了适合的预测模型，在一定程度上填补了洪水中长期预测的空白。