基于SWAT与新安江模型的闽江建阳流域径流模拟研究

2022-12-07周春辉尚艳丽嵇海祥郑何声园瞿思敏

水力发电 2022年10期

肖豪，周春辉，尚艳丽，嵇海祥，郑何声园，瞿思敏，石朋

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210024；2.国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江杭州 310000；3. 山东省泰安市水文中心，山东泰安 271000；4. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210008)

0 引言

闽江流域地处福建省北部，河长577 km，面积约6万km2，流域的水资源变化深刻的影响着福建省的经济和环境。该流域属亚热带季风湿润气候，雨量充沛，洪水频发。近年来，流域内的水循环和水资源在全球气候变化和人类活动的影响下发生了重大的变化。实时精确的径流模拟和流域尺度上的环境变化深刻影响着径流时空分布的影响研究。流域水文模型是对流域的水文过程进行模拟分析，在洪水预报、防洪减灾、水资源开发利用、径流对变化环境响应研究等方面得到了广泛的应用[1]。目前，在我国应用最广泛的流域水文模型是新安江模型。根据研究实践，新安江模型适用于我国南方湿润地区[2]，被用在我国各大流域评估气候变化和人类活动对径流的影响[3-5]。美国农业部研发的SWAT模型是一个大尺度分布式水文模型，自开发以来在国内外得到了广泛的认可和应用[6-12]，被广泛用于水流、泥沙、水质模拟及变化环境的径流响应研究[13-16]。比如，朱炬明等[6]在双桥流域探讨了新安江模型、SWAT模型和BTOPMC模型在不同流量级下的日径流模拟效果。刘柏君等[7]划分青海省主要流域并构建SWAT模型进行径流模拟，分析了模型的适用性。林若兰等[8]基于SWAT模型评估北江流域生态径流调节效果并分析径流调节量的时空变化。但是，在闽江流域，同时利用新安江模型和SWAT模型进行径流模拟并基于模拟结果评估径流时空变化特征的研究并不多见。

为了提高闽江流域径流模拟精度并分析变化环境对径流时空分布影响，本文以福建闽江上的建阳流域作为研究区域，利用空间数据和属性数据构建SWAT模型，研究SWAT模型在研究区的适用性和模拟精度，并与三水源新安江模型的日径流模拟结果进行对比分析；再利用SWAT模型的输出结果，分析研究区径流的时空分布变化特征，为研究流域的防洪减灾和水资源规划提供技术支持。

1 流域概况及资料

1.1 建阳流域概况

本文选择福建闽江上游的建阳流域作为研究区(见图1)。研究区流域面积4 848 km2，范围为东经117°31′～118°19′，北纬27°10′～28°5′。流域位于福建省北部，属亚热带季风湿润气候，降雨充足，多年平均降水量1 702 mm，降雨年际变化较大，空间分布不均匀，总体趋势从北向南递减，流域内多年平均径流系数为0.56。该流域植被较好，地下水埋深较浅，是典型的山丘区地形，洪水大多数是由暴雨形成[17-18]。流域内有武夷山、兴田等17个雨量站和建阳水文站(见图1)。

1.2 流域资料情况

流域内的水文资料包括建阳水文站的日径流数据以及17个雨量站1993年～2000年的日降水数据；气象资料有研究区内及周边的气象站数据。新安江模型计算时选用了研究区内的雨量站数据和水文站数据来率定和检验参数。

构建SWAT模型需要输入的数据除了属性数据以外，还需要空间数据。此外，因为流域内气象站数据序列时间长短不一致。本文综合考虑选取流域内及周边邵武、武夷山、浦城3个气象站点的数据用于构建SWAT模型的天气发生器。研究区内及周边站点的分布如图1所示。

本文所使用的数据格式、来源及其用途如表1所示。

表1 原始数据说明

2 流域水文模型及评价指标

2.1 新安江模型

新安江模型是河海大学赵人俊教授等人于1973年提出并逐渐完善起来的分布式概念性降雨径流水文模型[19]。该模型结构简单，可以分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4个层次。蒸散发计算采用3层蒸发模式，产流计算采用蓄满产流，分水源计算采用自由水蓄水库，利用线性水库计算坡地汇流，分段马斯京根法计算河网汇流。模型的参数具有明确的物理意义。计算采用的方法和参数见表2。具体计算公式可参考文献[20]。

表2 新安江模型计算方法与参数

2.2 SWAT模型

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是美国农业部研发的一个具有很强物理机制的分布式水文模型[21]。该模型基于地理信息系统(GIS)并利用遥感(RS)和GIS提供的研究流域的空间信息，叠加分析土壤类型和土地利用方式，模拟复杂流域的水文物理过程从而分析下垫面在流域水循环的作用。模型包含气象、水文、泥沙输移、植被生长、营养物质、污染物和农作物管理等模块[22-23]，本研究主要应用的是模型的水文模拟模块。

模型计算包括地表径流、下渗计算、蒸散发计算、河道汇流计算。地表径流量采用径流曲线数法( SCS runoff curve number)；下渗采用土壤蓄水演算技术；蒸散发分为土壤水蒸发和植物蒸腾；河道汇流计算使用变动存储系数模型或Muskingum方法，计算模块和部分参数见表3。

表3 SWAT模型计算模块和参数

2.3 模拟评价指标

本文选用纳什效率系数NS、相对误差RE和决定性系数R2来评价模型模拟精度。

(1)纳什效率系数NS，表征模型模拟径流过程与实测径流过程之间拟合程度。NS取值范围为负无穷到1；越接近于1，则认为模拟的流量过程越接近观测值。一般NS≥0.6时，模拟结果可以接受。计算公式为

(1)

(2)相对误差RE，反应了径流总量模拟值和实测值之间的吻合程度。一般认为RE在±20%以内，模拟结果具有可信度。计算公式为

(2)

(3)决定性系数R2，用于体现模型模拟值与实测值的相关性，R2越接近1，表明模型模拟值与实测值的拟合程度越高，一般R2>0.6可认为拟合效果较好。计算公式为

(3)

3 参数率定与模拟结果分析

两个模型均采用1993年～1997年的日资料进行模型参数率定，1998年～2000年的日资料进行模型检验。

3.1 新安江模型参数率定

由建阳流域的地理位置、降雨特性和植被条件等因素可以看出，研究区的降雨径流关系满足蓄满产流条件，故使用新安江模型进行径流模拟。采用系统微分响应方法对模型参数进行率定[24-28]，结果见表4。

表4 建阳流域新安江模型参数率定结果

3.2 SWAT模型参数率定

(1)构建SWAT模型。对空间数据进行重分类，重分类结果如图2a、2b。土壤属性数据参考世界土壤数据库HWSD中的数据。SWAT模型根据DEM、河网数据，综合选取10 000 hm2为阈值将研究区划分为31个子流域，如图2c所示。其中，流域出口位于第 28号子流域。然后，根据坡度、土壤类型数据、土地利用数据并分别取10%的阈值进行叠加分析，将流域划分为171个水文响应单元(Hydrologic response units， HRUs)，再根据气象数据构建天气发生器，进行模拟计算。

(2)参数率定。SWAT模型参数共有200多个，为提高模型参数率定的工作效率，本文选取了11个参数进行率定。参数的率定基于SWAT-CUP(SWAT-Calibration and Uncertainty Programs)软件，采用SUFI-2算法进行模型参数率定，率定结果见表5。

表5 建阳流域SWAT模型参数率定结果

3.3 模拟结果比较与分析

两个模型率定期和检验期模拟结果详见表6和图3～4。从日径流模拟结果可以看出，新安江模型和SWAT模型在建阳流域的模拟效果都较好，仅有个别年份的相对误差较大。其中率定期，新安江模型的计算结果比SWAT模型的计算结果好一些，检验期新安江型计算结果的相对误差略大于SWAT模型计算的相对误差。从图3和图4可以看出，率定期和检验期两种模型模拟与实测的径流过程拟合较好，纳什效率系数较高。率定期，新安江模型平均纳什效率系数0.78，SWAT模型平均纳什效率系数0.73；检验期，新安江模型平均纳什效率系数0.79，SWAT模型平均纳什效率系数0.73，均大于0.6。