基于SWAT模型的水文模擬參數區域差異研究

劉 倩

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

基于SWAT模型的水文模擬參數區域差異研究

劉 倩

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

基于SWAT模型對區域水文參數值及參數敏感區域差異進行研究，有利于減少水文過程模擬的不確定性，從而提高SWAT模型在不同區域水文過程參數區域差異模擬中的應用水平。基于此，文章主要針對SWAT模型，對該研究區流域進行合理劃分，采用定性分析法對該研究區水文過程參數差異及空間分布敏感性和相關影響因素進行分析。研究結果表明，土壤可利用量及徑流曲線系數和研究區地表水文過程，在各個不同區域都較為敏感。在此研究過程中發現，由于研究區植被及土壤和氣候等條件存在差異，因此該流域水文過程模擬的參數存在一定的區別。故各地區在社會實踐過程中，應充分考慮不同氣象因素及地理因素，盡量減少不同氣象因素對人類生產實踐活動的影響，結合區域水文過程模擬差異，因地制宜展開業生產實踐。

SWAT模型；水文模擬參數；區域差異；研究

隨著自然科學和地質科學不斷發展進步，在對人類社會活動及氣候變化、流域內產匯流、水資源時空演變等自然和社會規律進行研究時，通常采用分布式水文模型進行分析模擬。由于這一方法具有時空差異性，因此能夠較為準確反映區域土壤及地形和降水、蒸發等因素的空間變化差異對流域水循環過程產生的影響[1]。但基于DEM的分布式水文模型在區域水文特征參數差異分析時，綜合考慮了區域水文氣象要素的時空變異性及流域下墊面的異質性。因此，該模型在分析評估時涉及的參數較多，建模過程較為復雜，提高了模型分析的主觀性，同時對參數驗證和率定也造成了影響。針對這一情況，文章基于Soil and Water Assessment Tool模型，對遼寧省某研究區水文過程及區域差異性和敏感性進行研究，以期通過參數模擬，找到區域自然氣象要素時空演變規律，以此為該地區社會實踐活動提供建議和參考。

1 SWAT模型簡介及其相關應用背景

Soil and Water Assessment Tool模型通常簡稱SWAT模型。這一數值模擬分析法在本質上是一種基于DEM分布式水文模型的半分布式水文模型。實踐研究表明，這一方法能對區域內地下水及地表水的水質和水量進行分析評估，以此結合不同土壤類型，對土地管理措施進行可行性評估。由于在不同土地管理、利用條件下和不同土地利用方式下，泥沙及農業化學物質、水文等相關因素會對區域農業生產造成很大影響[2]。

基于此，文章試圖采用SWAT模型將該研究區劃分為不同流域，然后選取土壤面積閥值及土地利用情況等指標，將流域劃分為若干子水文響應單元。在此基礎上，通過概念性模型，對研究區子流域內的泥沙及產流量、污染物的具體產量進行計算分析，最終經過匯流演算，對該研究區水庫和河網的匯流過程進行模擬分析，從而計算出流域內污染負荷及泥沙和斷面流量參數值。基于SWAT模型的國內水文模擬參數區域差異研究應用情況見圖1：

圖1 基于SWAT模型的國內水文模擬參數區域差異研究應用示意圖

從圖1不同顏色的區域劃分圖示可知，SWAT模型能夠對全國不同區域內的降水過程進行模擬，且這一模型在模擬分析中可對水文循環過程受凍土和融雪的影響程度進行評估。因此，在中國北方地區水文模擬參數區域差異研究中得到了廣泛應用。在應用實踐中，基于SWAT模型還可針對區域淺層地下水資源的綜合利用情況及水文預報、氣候條件變化、土地利用變化等進行分析。針對這一方法的諸多應用優點，文章將著重以遼寧某區為研究區域，基于SWAT模型對該研究區水文模擬參數的區域差異及區域敏感性進行分析[3]。

2 SWAT模型下水文模擬參數區域差異分析

2.1 區域敏感性分析

通常情況下，流域內水文過程受土壤及氣候和植被覆蓋類型、地質、地形等多種因素影響，而水熱條件可綜合反映區域內土壤及植被和氣溫以及降水等諸多因素的綜合特征[4]。同時，采用區域干燥指數可對研究區植被覆蓋地段的降水量以及最大蒸發量等時空變化特征進行反映。故文章結合干燥指數這一指標對該研究區進行合理分區，以此對模擬參數的區域敏感性差異進行分析，區域劃分依據如下表所示：

表1 基于SWAT模型的區域劃分依據

表2 SWAT模型下區域水文模擬參數敏感性差異

從表2中不同區域敏感性分析排序結果可知，在四大不同研究區，CN2作為區域地表水文過程參數之一，其敏感性都較強。由于這一參數指標能夠對區域內降水前流域特征進行準確反映。因此，該地區土壤前期濕度及利用方式、土壤具體類型和植被類型等相關因素都可能對CN2這一指標造成影響。通過相關性分析可知，該研究區地表徑流對CN2具有一定的敏感性，CN2值越大，意味著當地產流量就越大；其次，通過上表分析結果還可得知，SOL_AWC在各個不同研究區的敏感性也較強，這一參數主要指土壤的有效持水量，是指土壤從田間持水量降低到植物永久凋萎點所釋放的水分。因此，SOL_AWC參數值越大，表明該研究區流域內徑流量越小，土壤的蓄水能力就越強[5]。

從影響機理來看，ESCO可對區域內土壤深度分布狀況進行合理調整。因此，該指標系數越大，土壤深層蒸發量就越小，產流量就會不斷增大。從該研究區整體敏感性差異變化情況來看，濕潤區及干旱區的地下水敏感性要比半濕潤及半干旱區強。因此，從這一分析結果可以發現，干旱區及濕潤區的地下徑流對該研究區內的總體貢獻率要>半濕潤及干旱區。由于濕潤區降雨較為集中，因此土壤植被發育良好，從而為地下水循環生態系統涵養水源提供了重要條件。對于干旱區及半干旱區而言，由于降雨較少，因此地下水資源非常有限，難以為深層地下水提供補給水源。除此之外，干旱區融雪氣溫及降雪氣溫兩大指標對于融雪補給流域具有敏感性。由于高寒區常年冰雪覆蓋，因此氣溫較低，蒸發困難，融雪會對地下水徑流量變化產生重要影響[6]。

2.2 區域差異性分析

在采用SWAT模型對區域水文過程參數進行模擬時，經常會遇到參數率定這一問題。文章為了準確、定量描述該研究區的水文過程，在上述區域指標敏感性分析基礎上，結合以上四大不同區域的下墊面因子[7]，對CN2、ESCO、SOL_AWC以及ALPHA_BF和GW_DELAY這幾大主要指標的具體數值在不同區域的差異和相關影響因素進行定量分析，具體見表3參數所示：

表3 基于SWAT模型的區域差異性性分析

結合上表2可知，CN2、ESCO、SOL_AWC以及ALPHA_BF和GW_DELAY這幾大主要指標的具體數值，在不同區域內所占比重最大的是GW_DELAY和CN2。由于區域土地利用類型和水文類型兩大指標共同決定CN2值的大小。因此，當土地實際利用類型相同，CN2值越小，表明區域滲透率越大。文章經過進一步分析發現，不同類型的土地，其實際降水截留效益存在很大差異，按照從小到大順序進行排序，依次為建設用地<耕地<草地<林地；如果土地利用類型相同，則植被覆蓋率越低，土壤降水截留效益越低，此時CN2值就越大。從上表具體數據可以看出，濕潤區與其它三個區域相比，CN2值較大，而通過土地利用類型分析發現，當地最主要的土地利用類型為耕地，由于這一類型的土地對地表徑流的截留能力不強，因此導致CN2值較高。

另外，SOL_AWC作為該研究區土壤有效持水量指標，其參數值的變化受土壤質地及有效持水量兩大因素影響。除此之外，其還與流域內土壤結構相關聯。從上表中的參數可以看出，該地區四個不同區域SOL_AWC較小，土壤持水能力也較弱；而濕潤區域、半干旱區的ESCO值普遍較高，說明當地流域內植被覆蓋率較高，水分蒸發量較少[8]。

3 結 語

綜上所述，文章通過采用SWAT模型對遼寧省某區4個不同類型的地質區域 進行分析對比，最終發現在劃分的4個區域中，水文過程參數敏感變化及水文過程數值變化存在較大差異。其中，在濕潤與半濕潤區，ESCO這一指標對水文過程較為敏感，CN2與區域內土地利用類型、土壤結構和土壤質地有關，SOL_AWC取值較低，從中可以發現該研究區植被覆蓋率較高，土壤中的水分蒸發量較少。因此，結合這一不同變化差異，在區域間展開農業生產實踐時，應因地制宜，針對具體因素指標的影響及敏感度合理進行功能分區，展開具體的農業生產實踐活動，充分發揮不同類型土地的最大利用效率。

[1]王莉,尚佰曉,張爽,等.鐵嶺市水資源對糧食安全的影響及對策淺析[J].黑龍江農業科學,2014(06):100-102+122.

[2]袁劍軍.土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應用初探[J].水利建設與管理,2013(02):33-35.

[3]徐飛.沈陽地區水資源短缺原因分析及對策研究[J].水資源開發與管理，2015(01)：24-26.

[4]馬秉春.寧夏固原市水資源開發利用現狀分析研究[J].水利技術監督，2011(06)：34-37.

[5]柴雅麗，霍延昭.朝陽市水資源供需矛盾分析及解決途徑[J].水土保持應用技術，2015(03)：44-45.

[6]張志軍,黃寶連.基于水資源優化配置的多目標決策模型探析[J].水利規劃與設計,2011(03):22-24，72.

[7]黃翠霞.鐵嶺市水資源可持續利用初探[J].農業與技術,2009,29(02):77-80.

[8]王彤,夏廣鋒.基于水資源環境承載力約束的工業結構調整模型研究——以遼河上游鐵嶺段為例[J].四川環境,2010,29(06):71-75，80.

Study on Regional Difference of Hydrological Simulation Parameters based on SWAT Model

LIU Qian

(Jinzhou Hydrology Bureau，Jinzhou 121000，China)

The research of SWAT model on regional hydrological parameters and the sensitivity of parameters based on regional differences helps to reduce the uncertainty of hydrological processes，so as to improve the level of application of SWAT model in different areas of regional differences in parameters in the simulation of hydrological process. Based on this，this paper focuses on the SWAT model，a reasonable division of the basin in the study area，the distribution of sensitivity and related differences in the study area hydrological process parameters and spatial factors were analyzed using the method of qualitative analysis. The results show that the soil available capacity and runoff curve coefficient and surface hydrological process in the study area are sensitive to different regions. In the course of the study，it is found that there are some differences between the vegetation and soil and climate，so there are some differences in the parameters of hydrological process simulation. Therefore，all regions in the process of social practice，should fully consider the different meteorological factors and geographic factors，minimize the impact of different meteorological factors on the production of human practice，combined with the regional hydrological process simulation to show differences，business practice.

SWAT model; hydrological simulation parameters; regional difference；research

1007-7596(2016)12-0008-04

2016-11-22

劉倩(1985-)，女，遼寧錦州人，水利工程師，研究方向為水文、水資源、水情預報分析等。

P333

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