SWAT模型在糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

馮冬青，張 芳，馬 冰

(1.山東省聊城水文水資源勘測(cè)局，山東 聊城252000;2.聊城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 聊城252000)

SWAT模型在糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

馮冬青1，張 芳2，馬 冰1

(1.山東省聊城水文水資源勘測(cè)局，山東 聊城252000;2.聊城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 聊城252000)

以新鄉(xiāng)縣為研究對(duì)象，基于SWAT模型構(gòu)建了該區(qū)域的分布式水文模型，并對(duì)影響模型的重要參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證。結(jié)果表明，對(duì)比運(yùn)用SWAT模型模擬得到糧食產(chǎn)量與實(shí)際糧食產(chǎn)量，其相對(duì)誤差的絕對(duì)值大部分在10%以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.84，Nash－Suttcliffe確定性系數(shù)為0.7，該模型可以較準(zhǔn)確的模擬糧食產(chǎn)量，并能為該區(qū)域的糧食安全、水資源合理配置、水環(huán)境等方面的規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

SWAT模型;糧食產(chǎn)量;新鄉(xiāng)縣

糧食安全對(duì)于作為農(nóng)業(yè)大國(guó)的我國(guó)具有舉足輕重的地位，糧食產(chǎn)量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)區(qū)域的規(guī)劃發(fā)展就必然起著關(guān)鍵的作用。而糧食產(chǎn)量的預(yù)測(cè)又受多種因素的影響，如:自然氣候、政策、農(nóng)田技術(shù)、資金投入等。在國(guó)內(nèi)外的研究中，已有不少學(xué)者針對(duì)糧食產(chǎn)量的預(yù)測(cè)提出了很多理論支撐、算法和預(yù)測(cè)計(jì)算模型。用于長(zhǎng)期趨勢(shì)分析的模型有:氣候生產(chǎn)力模型、遙感技術(shù)預(yù)測(cè)模型、投入產(chǎn)出模型、多元回歸和引子分析模型［1］。為解決傳統(tǒng)方法的缺陷，人工網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型［2］、灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)［3］、粗糙集理論以及組合預(yù)測(cè)模型［4］等也得到了廣泛的應(yīng)用。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型作為一個(gè)分布式水文模型在非點(diǎn)源污染［5］、徑流量［6］、蒸騰蒸發(fā)［7］等領(lǐng)域都得到了實(shí)踐和應(yīng)用。而SWAT模型也可計(jì)算得到區(qū)域的糧食產(chǎn)量，但目前應(yīng)用于糧食產(chǎn)量的模擬和預(yù)測(cè)較少，為驗(yàn)證SWAT模型在糧食產(chǎn)量模擬有效性，針對(duì)新鄉(xiāng)縣糧食產(chǎn)量的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建了適用于新鄉(xiāng)縣的SWAT模型，計(jì)算結(jié)果表明該模型可以模擬并預(yù)測(cè)區(qū)域的糧食產(chǎn)量，能較好的為區(qū)域的農(nóng)業(yè)規(guī)劃、水資源和水環(huán)境規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

新鄉(xiāng)縣位于漳衛(wèi)南運(yùn)河子流域衛(wèi)河的上游，在河南省的中北部，多年平均降雨為617.8 mm，總面積362.9 km2，耕地面積為233.7 km2，復(fù)種指數(shù)為1.66，主要糧食作物有小麥、玉米和水稻。由于農(nóng)業(yè)是用水大戶，該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的80%左右，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加使得該區(qū)域的水資源更加緊張，目前已造成地下水嚴(yán)重超采，并形成以小冀和七里營(yíng)為中心的漏斗區(qū)。因此，既要合理使用灌溉用水又要保障糧食產(chǎn)量是保證水資源可持續(xù)開發(fā)和利用的關(guān)鍵，而SWAT模型為本次糧食產(chǎn)量的計(jì)算工具，也可為今后的水資源利用及非點(diǎn)源污染等方面提供可靠參考依據(jù)。

2 模型的應(yīng)用

SWAT是一個(gè)物理基礎(chǔ)的模型，可以預(yù)測(cè)模擬大流域長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不同的土壤類型、植被覆蓋、土地利用方式和管理措施下人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程、水土流失、河道產(chǎn)輸沙、農(nóng)藥化學(xué)污染在流域內(nèi)的傳播、遷移等長(zhǎng)期影響，甚至在缺乏資料的地區(qū)還可以利用模型的內(nèi)部生成器自動(dòng)填補(bǔ)缺失資料。SWAT模型的模擬研究?jī)?nèi)容涉及到了降水、蒸騰蒸發(fā)、土壤水、地表徑流、泥沙含量、氨氮含量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、糧食產(chǎn)量等方面。基于強(qiáng)大的功能、先進(jìn)的模型結(jié)構(gòu)、高效的計(jì)算等能力，SWAT模型已經(jīng)成為水資源保護(hù)管理規(guī)劃中不可或缺的工具，被一些國(guó)家和地方政府機(jī)構(gòu)的決策者實(shí)際應(yīng)用。

SWAT模型的建立需要大量的數(shù)據(jù)，主要包括地形高程數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地覆被數(shù)據(jù)、水系圖、水文氣象數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)、施肥和殺蟲劑類型以及農(nóng)業(yè)管理措施等多種數(shù)據(jù)構(gòu)成。

2.1 數(shù)據(jù)構(gòu)成

利用新鄉(xiāng)縣的地形高程數(shù)據(jù)(DEM(90 m×90 m))、水系圖、土地利用、土壤類型、氣象數(shù)據(jù)(降水、氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、相對(duì)濕度等)、農(nóng)業(yè)管理(作物的灌溉、施肥等)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的整理得到研究區(qū)域的基礎(chǔ)圖件，見圖1。

2.2 模型的空間構(gòu)建

SWAT模型基于研究區(qū)域的DEM，將整個(gè)流域劃分成不同的子流域，同一子流域具有相同的氣象因子、地形要素、流域河道特征等。通過利用研究區(qū)域的DEM、水系的數(shù)據(jù)，模型將研究區(qū)域共劃分為63個(gè)子流域，180個(gè)HRU(Hydrologic Response Unit)。

2.3 模型的率定和驗(yàn)證

SWAT模型作為一個(gè)復(fù)雜的水文模型，需要通過模型的率定和驗(yàn)證來對(duì)研究區(qū)域的水文條件進(jìn)行再認(rèn)識(shí)后才能投入模擬計(jì)算。通常將所用的資料系列分為兩部分，其中一部分用于模型率定，另一部分用于模型的驗(yàn)證。以2004年1月－2005年12月為模型的率定期，以2006年1月 －2007年12月為模型的驗(yàn)證期。

在糧食產(chǎn)量的模擬中，首先對(duì)影響SWAT模型的徑流量，蒸騰蒸發(fā)量進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，再對(duì)影響糧食產(chǎn)量的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定。這些參數(shù)主要有:CN2(徑流曲線系數(shù))，ESCO(土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù))，SOL_AWC(土壤層有效利用水量)，SOL_K(飽和水力傳導(dǎo)度)，BIOMIX(生物混合效率)。通過調(diào)整參數(shù)，使模型模擬結(jié)果接近實(shí)際值，選用相關(guān)系數(shù)(R2)、相對(duì)誤差(Re)和 Nash－Suttcliffe確定性系數(shù)(Ens)來評(píng)價(jià)模型的適用性。相對(duì)誤差(Re)計(jì)算公式為:

式中，Re 為模型模擬相對(duì)誤差;Qsim，i為模擬值;Qobs，i為實(shí)測(cè)值。若Re為正值，說明模型預(yù)測(cè)或模擬值偏大;若Re為負(fù)值，模型預(yù)測(cè)或模擬值偏小;若Re=0，則說明模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值正好吻合。

Nash－Suttcliffe(Ens)確定性系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:Qsim，i為模擬值;Qobs，i為實(shí)測(cè)值;Qobs，avg為實(shí)測(cè)平均值;n為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。當(dāng)Qsim，i=Qobs，i時(shí)，Ens=1;Ens越接近1，表明模型效率越高;如果Ens為負(fù)值，說明模型模擬平均值比直接使用實(shí)測(cè)平均值可信度更低。

2.4 模擬結(jié)果

基于對(duì)影響糧食產(chǎn)量的主要參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并實(shí)際應(yīng)用于新鄉(xiāng)縣主要糧食(小麥，玉米和水稻)的模擬，由表1可知模型能較好的模擬新鄉(xiāng)縣的糧食產(chǎn)量。表1為新鄉(xiāng)縣模擬產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量的對(duì)比分析，新鄉(xiāng)縣2004年～2007年模擬糧食總產(chǎn)量分別為 168 432 t、159 960 t、181 833 t和225 213 t，與實(shí)際產(chǎn)量相比，除2006年的相對(duì)誤差絕對(duì)值為11.31%以外，其他相對(duì)誤差絕對(duì)值都在10%以內(nèi)，這表明模擬的糧食產(chǎn)量相對(duì)于實(shí)際產(chǎn)量來說是可靠的。

對(duì)2004年～2007年逐年的實(shí)際糧食總產(chǎn)量和模擬糧食總產(chǎn)量進(jìn)行比較和計(jì)算，得到 Ens系數(shù)為0.70，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.84，模型模擬效果較好。

表1 新鄉(xiāng)縣模擬產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量對(duì)比

通過多角度的模擬結(jié)果評(píng)價(jià)表明，模型模擬的糧食產(chǎn)量能為糧食產(chǎn)量的預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。由于應(yīng)用SWAT模型對(duì)糧食產(chǎn)量的模擬研究相對(duì)較少，在參數(shù)的選擇和率定等方面，缺少了相應(yīng)的理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)參考，模型的模擬結(jié)果的精度還需繼續(xù)提高。

圖1 研究區(qū)域基礎(chǔ)圖件

3 結(jié)論

通過SWAT模型在新鄉(xiāng)縣的實(shí)例應(yīng)用，證明SWAT模型能客觀地模擬現(xiàn)狀的糧食產(chǎn)量，并可用于預(yù)測(cè)不同條件下的糧食產(chǎn)量，從而可為研究區(qū)域的規(guī)劃提供參考。

SWAT模型包含了作物從種植、灌溉、施肥、收獲等一系列生長(zhǎng)過程。由此，可以通過調(diào)整灌溉制度、種植結(jié)構(gòu)、施肥量等方式來觀察糧食產(chǎn)量的變化規(guī)律。此外，從作物的生長(zhǎng)過程中，還可以得到農(nóng)業(yè)的水資源消耗量(作物的蒸騰和棵間蒸發(fā))、施肥和殺蟲劑對(duì)土壤和河流的污染程度等。由此，便能分析出不同作物糧食產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)用水、面源污染之間的變化關(guān)系。從而，為研究區(qū)域的糧食安全、水資源合理配置及非點(diǎn)源污染等方面提供全面的科學(xué)參考依據(jù)。

［1］陳錫，郭菊娥.中國(guó)糧食生產(chǎn)發(fā)展預(yù)測(cè)及其保證程度分析［J］.自然資源學(xué)報(bào).1996，11(3):1911－1912.

［2］禹建麗，黎婭.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型［J］.河南農(nóng)業(yè)科技.2005，7:44 －46.

［3］程偉，劉國(guó)壁.灰色系統(tǒng)理論在糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào).2008，18(3):64 －67.

［4］丁晨芳.組合模型分析方法在我國(guó)糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究.2007，28(1):101 －103.

［5］李家科，劉健，秦耀民，等.基于SWAT模型的渭河流域非點(diǎn)源氮污染分布式模擬［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào).2008，24(3):278－285.

［6］李曉，李致家，董佳瑞.SWAT模型在伊河上游徑流模擬中的應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào).2009，37(1):23－26.

［7］羅慈蘭，葉水根，李黔湘.SWAT模型在房山區(qū)ET的模擬研究［J］.節(jié)水灌溉.2008，10:47 －49.

Application of SWAT Model in the Grain Production Forecast

FENG Dong － qing1，ZHANG Fang2，MA Bing1
(1.Liaocheng Hydrographic and Water Resources Survey Bureau of Shandong Province，Liaocheng 252000，China;2.Liaocheng Water Conservancy Survey and Design Institute，Liaocheng 252000，China)

For Xinxiang as a case to study，the distributed hydrological model of the area was built based on SWAT model，and important parameters were also calibrated and verified for model.The results showed that the comparison of the SWAT model simulation results and the actual value，the most of absolute value of the relative errors are less than 10%，the correlation coefficient is 0.84，Ens is 0.7，so the model could more accurate simulate the grain production，and provides scientific basis for food security，water resources rational allocation and water environment.

SWAT model;grain production and Xinxiang

TV93:TP317

A

1004－1184(2012)04－0161－02

2012－03－28

馮冬青(1983－)，男，山東聊城人，助理工程師，主要從事水文與水資源研究。