SWAT 模型在藥鄉小流域的徑流模擬研究

孟令超,顏宏亮*,李浩宇,劉鴻敏,付延凱,劉汝學

1.山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安271018 2.綏化學院農業與水利工程學院,吉林綏化152061

SWAT 模型在藥鄉小流域的徑流模擬研究

孟令超1,顏宏亮1*,李浩宇2,劉鴻敏1,付延凱1,劉汝學1

1.山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安271018 2.綏化學院農業與水利工程學院,吉林綏化152061

SWAT模型是由美國農業部(USDA)農業研究中心1994年開發的具有很強物理機制的流域水文模型，能夠準確地對不同氣候、下墊面等情景的水文要素變化進行模擬及預測。本文以泰山藥鄉小流域為研究對象，使用SWAT模型對2012年逐日徑流量進行了模擬研究。結果表明，校準期和驗證期的相對誤差Re分別為4.5%和7.0%；相關系數R2分別為0.72和0.85；Nash Suttcliff效率系數分別為0.78和0.87。模型模擬精度高于其評價標準（Ens＞0.5，R2＞0.6），說明SWAT模型適用于該小流域，且模擬效果較好，可以應用于與該小流域徑流相關的各種模擬分析，研究該區域的生態健康狀態。

SWAT模型;參數敏感性分析;徑流模擬;藥鄉小流域

SWAT模型(Soil and WaterAssessment Tool)是由美國農業部(USDA)的農業研究中心1994年開發的一個具有很強物理機制的流域水文模型。可以模擬較大范圍復雜流域內的水文過程和多種非點源污染負荷（如泥沙、殺蟲劑、營養物質等）隨時間、空間的遷移變化情況，以及預測氣候、土地利用、管理措施等的變化對流域產水、產沙、水環境污染等過程的長期影響。該模型結合了地理信息系統(GIS)、遙感(RS)等新技術，是集數據庫管理、數學計算、空間數據處理、結果可視化表達等功能于一身的先進的大型分布式流域水文模型。本研究利用SWAT模型，以藥鄉小流域數字高程圖、土地利用圖、土壤圖以及氣象數據、水文數據等數據資料，根據研究區的氣候、水文、土壤、植被等區域特點，對模型在該小流域徑流模擬研究中所涉及的參數進行率定，并對黃尖山測流站日徑流量進行模擬與驗證，構建了適合該小流域的SWAT水文模型。目前SWAT模型在我國的徑流模擬：李星等[1]以2002～2008年逐月徑流量對黃土丘陵區燕溝流域進行了模擬。王杰等[2]模擬昆明市松華壩水源區。張小詠等[3]構建了用以模擬長江源區的SWAT水文模型。李曼曼[4]將洱海流域劃分成85個子流域和943個水文響應單元，并利用2004～2008年的月、日實測徑流資料進行SWAT模型模擬。石嵐等[5]構建了以黃河萬家寨水庫流域河口鎮至萬家寨壩址區間為研究區域的SWAT模型。羅睿等[6]利用黃河中游干旱半干旱區三川河流域資料，模擬了該流域的月平均流量過程，分析了月徑流量的變化特征。林桂英[7]以泉州南安市石壁水庫流域為研究對象建立SWAT模型。王鵬[8]模擬了岔路河星星哨水庫以上流域1995～2000年的月徑流量。謝淼等[9]收集了石頭口門水庫流域的數據，構建了SWAT模型。吳軍等[10]選取漢江上游馬道流域，率定出運用SWAT月模擬效果最佳時的各參數值。楊巍等[11]模擬了大伙房水庫匯水區徑流變化。胡雅杰[12]以馬蓮河上游環江流域為研究對象進行徑流模擬研究。李星[13]模擬研究了黃土高原丘陵區燕溝流域水量平衡、溝道徑流量及其土地利用變化下的水文響應狀況。

1 研究區域概況

1.1 地理位置

藥鄉小流域位于山東省泰安市城市水源地黃前流域，行政上屬泰安市大津口鄉，地理坐標E117°05＇39″～117°09＇26″，N36°17＇58″～36°20＇30″，總面積9.45 km2。地處北方土石山區魯中南山地丘陵區西北部，所屬一級流域為黃河流域，支流為大汶河。

1.2 水文氣象

該流域屬暖溫帶大陸性亞濕潤季風氣候，多年平均氣溫為18.5℃，≥10℃的活動積溫3821℃，無霜期196 d，多年平均降水量758 mm，實測最大年降水量1303 mm（1964年），最小年降水量334.4 mm（1989年），75%的降水集中在6～9月。多年平均日照時數2648 h。由于降雨集中，常出現冬干、春旱、初夏旱、盛夏暴雨等自然災害。

1.3 地形土壤

流域地形東、北、西三面環山，海拔280 m～950 m，平均海拔高度530 m。侵蝕剝蝕巖溶構造地貌，溝壑密度6.67 km/km2，主溝比降18.23‰。流域內出露巖石主要為花崗片麻巖風化層，也有零星火成巖和變質巖分布。土壤類型主要是棕壤，棕壤呈微酸性，pH值在6.0左右。

1.4 植被狀況

流域內主要為人工林植被類型，包括落葉闊葉林、針葉林、經濟林和農田植被等，另外有次生灌叢和草叢植被。主要樹種有麻櫟、側柏、赤松、刺槐、油松、五角楓、日本落葉松、板栗、核桃、山楂等；灌草植物主要有胡枝子、照山白、繡線菊等。土地利用類型主要為有林地、耕地和灌草地。

2 研究方法

2.1 模型所需數據

2.1.1 數字高程圖本研究采用藥鄉小流域遙感影像，利用ARCGIS 10.1處理成分辨率為0.5 m的DEM圖（見圖1）。

圖1 藥鄉小流域數字高程圖Fig.1 The digital elevation model of Yaoxiang Small Watershed

圖2 藥鄉小流域土地利用現狀圖Fig.2 The present land-use map of Yaoxiang Small Watershed

2.1.2 土地利用圖土地利用圖是把遙感圖像數字化，根據黃河流域土地利用現狀分類及遙感解譯標志編號，并轉化為SWAT可以讀取的代碼[14]（土地利用分類對照見表1、土地利用圖見圖2）。

2.1.3 土壤類型圖土壤數據包括土壤空間分布數據和土壤物理屬性數據[15]。由于藥鄉小流域較小其土壤分布比較單一，偏酸性棕壤占大部分，故作近似為全部是偏酸性棕壤。土壤的物理屬性數據主要包括土層厚度、砂粉、粘土、容積密度、有機炭、有效含水率、飽和水力傳導率、有效田間持水量等。查閱山東省土壤志資料可得到SOL-ZMX、SOL-CRK、SOL-Z等參數。由于模型自帶的土壤數據庫和數據標準和中國現有的數據標準不一致，所以要利用該模型就需要將中國土壤數據標準（國際制）轉成美國制的土壤數據標準。應用MATLAB軟件編程進行3次樣條插值法計算得到以美制標準為基礎的CLAY、SILT、SAND、ROCK百分含量，應用SPAW計算程序估算土壤可利用有效水量、飽和水力傳導系數等參數[16]。（各土壤物理屬性的獲取方式見表2）。

2.1.4 氣象數據SWAT模型中的氣象觀測所需數據主要包括降水、最高氣溫、最低氣溫、輻射、風速和相對濕度等，數據來源藥鄉林場西門氣象站整編的逐日觀測資料，將其錄入到Excel后，以DBF格式文件存貯。

2.1.5 徑流數據把黃尖山測流堰的逐日測流量以DBF格式存儲。

表1 藥鄉小流域土地利用分類對照Table 1 The classification comparison of land use in Yaoxiang Small Watershed

2.2 流域劃分及水文響應單元確定

水文響應單元（HUR）是指同一個子流域內具有相同土地利用類型和土壤類型的組合，是在子流域的基礎上劃分的最小地塊單元[17]。通過河網連接起這些子流域，進而利用河道演算得出在流域出口處的產流量。本文將藥鄉小流域最終劃分為47個子流域，由于各子流域內土壤及土地利用類型并不相同，根據不同的土壤和土地利用類型進一步將各個子流域劃分為73個水文響應單元。

表2 模型土壤物理屬性Table 2 The soil physical property sheet in the model

3 藥鄉小流域徑流參數率定與模擬結果

3.1參數敏感性分析及率定

在模擬中敏感性明顯的參數依次為：CN2（SCS徑流曲線系數）、ESCO(土壤蒸發補償系數)、SOL-AWC（土壤有效含水量）、ALPHA-BF（基流消退系數）、GW-REVAP（地下水蒸發系數）并對這幾個參數進行率定。參數率定所遵循的原則是：先上游后下游，先調整水量平衡，再調整過程，先調整地表徑流，再調整土壤水、蒸發和地下徑流[18]。（參數敏感性排序及率定結果見表3）。

表3 SWAT模型參數率定值Table 3 The parameter valuing of the SWAT model

3.2 模擬結果分析

本文選用相對誤差Re、相關系數R2和Nash Suttcliffe系數Ens3個指標來評價SWAT模型的適用性。

（1）相對誤差Re

其表示模擬值與實測值得相對誤差。其為正值，說明模型預測或模擬值偏大；其為負值，說明模型預測或模擬值偏小；其為零，則說明模型模擬結果與實測值正好吻合[19]。其計算公式為：

式中：tP為模擬值，tQ為實測值。

（2）相關系數R2

其用于評價模擬值和實測值之間的吻合程度，可以由Excel線性回歸法求得[19]。其值常介于0與1之間，愈接近1，說明實測值與模擬值線性相關程度愈高，一般認為其大于0.6結果即合理。其計算公式為：

式中：Qoi為實測流量，o為為實測流量平均值，Qsi為模擬流量，Qs為模擬流量平均值。

（3）Nash Suttcliffe系數Ens

Ens是一個整體綜合指標，可以定量表征對整個徑流過程的擬合程度[19]，該值是描述模擬值對觀測值的擬合精度的無量綱統計參數，一般取值范圍在0～1之間。Ens=1時，說明模擬最好，而當Ens＜0時，說明模擬平均值比實測平均值的可信度低，一般當Ens大于0.5時，模擬效果合理。其計算公式為：

式中：PQ為實測值，0Q為模擬值，avgQ為實測平均值，n為實測數據個數。

選用2012年1～6月的藥鄉小流域實測的日徑流數據與模擬值進行校準，并將模型校準過程中所得到的參數，應用到2012年7～12月的實測資料進行模型驗證。（模擬結果見圖3、圖4，結果分析見表4）

圖3 校準期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of the observedand simulatedvalues of daily discharge in the calibration period

圖4 驗證期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.4 Comparison of the observed and simulated values of dailydischarge in the validation period

表4 模擬評價結果Table 4 The simulation results

4 討論

由于SWAT模型本身的限制（如模型自帶的數據庫是針對美國流域水文結構、土壤、植被設計的，其標準與我國數據庫標準不一致，同時該模型描述某些過程的經驗公式不適用于我國的某些流域[20]）及藥鄉小流域數據有限造成了模擬的精度不是很高，這需要我們進一步的研究SWAT模型的適應性改進，并監測收集更多的數據以研究小流域的生態健康狀態。

5 結論

應用SWAT模型建立了適合藥鄉小流域的分布式水文模型，并建立了該研究區的土壤屬性數據庫及相應的土地利用數據庫。通過模型敏感性分析和校準、驗證，結果表明，模擬校準期和驗證期的相對誤差分別為4.5%和7.0%，相關系數R2分別為0.72和0.85，Nash Suttcliff效率系數分別為0.78和0.87。模型模擬精度高于評價標準（Ens＞0.5，R2＞0.6），說明SWAT模型適用于該小流域，且模擬效果較好，可以應用于與該小流域徑流相關的各種模擬分析，研究該區域的生態健康狀態。

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The Runoff Simulation of SWAT Model in Yaoxiang Small Watershed

MENG Ling-chao1,YAN Hong-liang1,LI Hao-yu2,LIU Hong-min1,FU Yan-k ai1,LIU Ru-xue1
1.The College of Water Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China 2.The College of Agriculture and Water Conservancy Engineering,Suihua College,Suihua 152061,China

The SWAT model developed by the United States department of agriculture(USDA)agricultural research center in 1994 is a strong physical mechanism Watershed hydrological model.It can accurately simulate and predict the different underlying surface runoff.In this paper,we take Yaoxiang Small Watershed in Mount tai as the research object.We study on the daily runoff of Yaoxiang small watershed in 2013 by SWAT model.The results show that on a regular basis and validation period,the simulation rate relative errors(Re)are 4.5%and 7%,correlation coefficients(R2)are 0.72 and 0.85，Nash Suttcliff efficiency coefficients are 0.78 and 0.87.Model simulation accuracy is higher than the evaluation criteria(Ens＞0.5,R2＞0.6). This conclusion explains that the SWAT model is suitable for the small watershed,and simulation result is better.So it can be applied to a variety of simulated runoff associated with the small watershed.It also can be used to studying the ecological health of the region.

The SWAT model;parameter sensitivity analysis;runoff simulation;Yaoxiang small watershed

TV213.9

A

1000-2324(2014)03-0423-06

2012-03-31

2012-07-01

孟令超(1988-),男,研究生,主要從事水利水電工程設計理論與管理運行和生態水利工程的研究.E-mail:mlch 8868@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:ss-yhl@163.com