SWAT模型在三峽庫(kù)區(qū)典型小流域的適應(yīng)性研究

侯 偉 許新勇 廖曉勇 張 巖 徐 磊 薛 輝 普 羅

（①②④⑤⑥⑦西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院 西藏拉薩 850000

③中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 四川成都 610041）

SWAT模型在三峽庫(kù)區(qū)典型小流域的適應(yīng)性研究

侯 偉①許新勇②廖曉勇③張 巖④徐 磊⑤薛 輝⑥普 羅⑦

（①②④⑤⑥⑦西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院 西藏拉薩 850000

③中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 四川成都 610041）

文章以三峽庫(kù)區(qū)典型小流域——陳家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在建立SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析、率定和驗(yàn)證。結(jié)果表明：SWAT模型在陳家溝小流域?qū)搅鳌⒛嗌场⒖偟⒖偭椎哪M均滿足模擬效果要求，具有良好的適應(yīng)性。SWAT模型在三峽庫(kù)區(qū)典型小流域可應(yīng)用到徑流量分析、非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算、關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別等領(lǐng)域。

SWAT模型；敏感性分析；率定；驗(yàn)證；適應(yīng)性

SWAT模型是一個(gè)以天為步長(zhǎng)的連續(xù)空間分布式流域尺度水文模型，具有較強(qiáng)的物理基礎(chǔ)和較好的空間數(shù)據(jù)分析、處理、模擬能力，適用于具有不同土壤類型、不同土地利用方式和管理?xiàng)l件下的復(fù)雜流域[1]。本文以三峽庫(kù)區(qū)典型小流域——陳家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在建立流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析、率定和驗(yàn)證，探討SWAT模型在陳家溝小流域的適應(yīng)性，為流域徑流量分析、泥沙負(fù)荷量估算、非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算提供可靠的模型基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

陳家溝小流域位于三峽庫(kù)區(qū)重慶市萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)嶺鎮(zhèn)，是長(zhǎng)江一級(jí)支流五橋河左岸支流，屬于長(zhǎng)江二級(jí)支流，地理坐標(biāo)介于30°43′30″～0°46′20″N，108°29′40″～108°31′40″E之間。流域面積8.0km2，相對(duì)高差580m，流域出水口距匯入長(zhǎng)江的入水口處15.45km，屬典型的紫色丘陵地貌。研究區(qū)地勢(shì)東南高、西北低，分布有十余條支溝，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量1100mm，降雨集中在5～10月，約占年降雨量的70%，年均日照時(shí)數(shù)為924h。土地利用方式以林地和耕地為主，其中林地占到流域面積的35.60%，耕地占到流域面積的50.62%。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，現(xiàn)有植被為人工次生林、灌叢和草被。森林植被主要有馬尾松、柏木、石櫟、桉樹、刺槐、馬桑、黃荊、白茅、旱蓑等；農(nóng)作物主要有水稻、小麥、油菜、玉米、紅苕等[2]。

研究區(qū)流域面積、土壤、土地利用模式和人口密度等在三峽庫(kù)區(qū)具有一定的代表性，是三峽庫(kù)區(qū)典型的小流域。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，其構(gòu)建過程需輸入數(shù)字高程模型（DEM）、土地利用圖、土壤類型圖、水文水質(zhì)數(shù)據(jù)、氣象資料、土壤物理屬性、土壤化學(xué)屬性、作物參數(shù)及管理措施數(shù)據(jù)等[3]。主要輸入數(shù)據(jù)及獲取途徑見表1。通過對(duì)地形圖數(shù)字化處理，土地利用方式重新編碼，土壤類型自定義化細(xì)分，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)；通過查閱《萬(wàn)縣地區(qū)土種志》，運(yùn)用軟件和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，利用實(shí)測(cè)和調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建屬性數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。

圖1 陳家溝小流域子流域劃分圖

表1 SWAT模型主要輸入數(shù)據(jù)及獲取途徑

根據(jù)陳家溝小流域的河網(wǎng)實(shí)際，確定集水區(qū)面積閾值為15ha，共提取了25個(gè)子流域，其生成的流域河網(wǎng)與實(shí)際水系較相符，劃分結(jié)果見圖1。確定土地利用方式的面積閾值為7%，土壤類型的面積閾值為10%，坡度的面積閾值為10%，進(jìn)而劃分了281個(gè)水文響應(yīng)單元。

3 參數(shù)敏感性分析

SWAT模型涉及的參數(shù)較多，不同輸入?yún)?shù)的變化對(duì)結(jié)果讀取的影響差別不同，因此需篩選敏感性參數(shù)，對(duì)敏感性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠提高模型運(yùn)行效率和準(zhǔn)確度。

3.1 參數(shù)敏感性分析方法

采用LH-OAT（Latin Hypercube One factor Ata Time）靈敏度分析法，對(duì)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，根據(jù)靈敏度值大小對(duì)參數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)。靈敏度評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 靈敏度評(píng)價(jià)分級(jí)表

3.2 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

運(yùn)用SWAT模型中的Sensitivity Analysis模塊分別針對(duì)徑流、泥沙、總氮、總磷的影響參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，根據(jù)靈敏度值的大小，選取20個(gè)對(duì)結(jié)果影響較大的參數(shù)進(jìn)行了敏感性權(quán)重排序。綜合考慮各參數(shù)對(duì)徑流量、泥沙輸移、總氮負(fù)荷、總磷負(fù)荷的影響，結(jié)合各參數(shù)靈敏度值，得到影響水文過程顯著的17個(gè)參數(shù)，詳見表3。

表3 參數(shù)靈敏度等級(jí)分類表

4 參數(shù)率定和驗(yàn)證

對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，通常需將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分為兩部分，分別應(yīng)用于模型參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。由于在模型運(yùn)行初期，許多變量（如地下水深度、土壤含水量等）的初始值為零，對(duì)模型模擬結(jié)果影響較大，故在模型運(yùn)行初期需有“預(yù)熱”階段，需要合理估計(jì)模型的初始變量。將2008年數(shù)據(jù)作為“預(yù)熱”階段，2009～2010年作為率定期，2011～2012年作為驗(yàn)證期。

選擇在自動(dòng)調(diào)參的基礎(chǔ)上結(jié)合手動(dòng)調(diào)參完成參數(shù)率定。自動(dòng)調(diào)參是運(yùn)用SWAT模型自帶的SCE-UA數(shù)學(xué)算法進(jìn)行；手動(dòng)調(diào)參是通過人工調(diào)整模型參數(shù)，考察模擬值與觀測(cè)值的吻合程度，模型參數(shù)的變化范圍參考《SoilandWater Assessment ToolUser’sManual Version 2005》[5]。

4.1 模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用實(shí)測(cè)值與模擬值之間的平均相對(duì)誤差----RE、可決定系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe模擬效率系數(shù)Ens評(píng)價(jià)率定期和驗(yàn)證期模擬的效果，進(jìn)而評(píng)價(jià)模型的適用性[6]。一般情況下，實(shí)測(cè)值和模擬值相對(duì)誤差在20%以內(nèi)，Ens大于0.5，R2大于0.6，說(shuō)明模擬效果在可接受的范圍內(nèi)。模型效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 模型效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 率定和驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)陳家溝小流域逐月徑流、泥沙、總氮、總磷數(shù)據(jù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。由于降雨是產(chǎn)流、產(chǎn)沙和發(fā)生非點(diǎn)源污染的原始驅(qū)動(dòng)力，于是選擇每年的4～10月雨季的數(shù)據(jù)作為率定和驗(yàn)證的對(duì)象。

4.2.1 徑流部分率定和驗(yàn)證

月徑流量率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果見表5和圖2。從圖表可以看出月徑流量的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較為理想，率定期的吻合程度優(yōu)于驗(yàn)證期。率定期平均相對(duì)誤差為9.61%，最大誤差為-22.49%，最小誤差為4.74%，誤差最大值出現(xiàn)在2009年8月；驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差為14.95%，最大誤差為-23.28%，最小誤差為-2.72%，誤差最大值出現(xiàn)在2011年8月。由此可以看出，驗(yàn)證期的模擬穩(wěn)定性不如率定期好，誤差變化范圍相對(duì)較大；率定期和驗(yàn)證期最大誤差均超過了20%，且誤差較大的數(shù)據(jù)多集中于徑流量較大的月份，模擬值小于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明SWAT模型在模擬月徑流量時(shí)，受降雨量的影響、特別是單次暴雨影響，響應(yīng)有一定的滯后性，致使在強(qiáng)雨季模擬值誤差偏大且模擬值偏小；雖然率定期和驗(yàn)證期個(gè)別數(shù)據(jù)模擬誤差略大，但是絕大多數(shù)都在±20%以內(nèi)，且R2和Ens值均達(dá)到極好或非常好的水平，表明SWAT模型在研究區(qū)對(duì)月水平下的徑流模擬具有較好的適用性。

表5 月徑流模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

4.2.2 泥沙部分率定和驗(yàn)證

月泥沙負(fù)荷率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果見表6和圖3。從圖表可以看出月泥沙負(fù)荷量的模擬值與實(shí)測(cè)值具有一致的變化趨勢(shì)，率定期的平均相對(duì)誤差優(yōu)于驗(yàn)證期，但是驗(yàn)證期的可決定系數(shù)和Ens模擬效率系數(shù)優(yōu)于率定期。率定期平均相對(duì)誤差為15.42%，最大誤差為37.49%，最小誤差為-3.819%，誤差最大值出現(xiàn)在2010年9月；驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差為17.01%，最大誤差為38.56%，最小誤差為2.57%，誤差最大值出現(xiàn)在2011年10月。由此可以看出，率定期和驗(yàn)證期雖然有個(gè)別偏差較大，但是絕大多數(shù)都在±20%以內(nèi)。研究區(qū)域是以水力侵蝕為主的地區(qū)，在降雨充沛，徑流量大時(shí)，泥沙負(fù)荷量就會(huì)增大，由于徑流模擬的滯后性，導(dǎo)致泥沙負(fù)荷模擬也表現(xiàn)出一定的滯后性；在產(chǎn)沙量較大的月份，雖然模擬相對(duì)誤差不大，但是絕對(duì)誤差較大，且表現(xiàn)為模擬值小于實(shí)測(cè)值，雖然率定期平均相對(duì)誤差優(yōu)于驗(yàn)證期，但是率定期絕對(duì)誤差整體水平大于驗(yàn)證期，從而R2和Ens值均小于驗(yàn)證期；率定期和驗(yàn)證期R2和Ens值均達(dá)到好和非常好的水平，表明SWAT模型在研究區(qū)對(duì)月水平下的泥沙負(fù)荷量模擬具有良好的適用性。

圖2 2009～2012年陳家溝小流域流量模擬值與實(shí)測(cè)值比較

表6 月泥沙負(fù)荷模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

圖3 2009～2012年陳家溝小流域泥沙負(fù)荷量模擬值與實(shí)測(cè)值比較

4.2.3 總氮部分率定和驗(yàn)證

月總氮負(fù)荷率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果見表7和圖4。從圖表可以看出,月總氮負(fù)荷量的模擬值與實(shí)測(cè)值總體變化趨勢(shì)一致，率定期模擬效果優(yōu)于驗(yàn)證期。率定期平均相對(duì)誤差為13.06%，最大誤差為25.64%，最小誤差為2.23%，誤差最大值出現(xiàn)在2008年5月；驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差為18.79%，最大誤差為36.20%，最小誤差為5.62%，誤差最大值出現(xiàn)在2012年7月。由此可以看出，率定期的誤差變化范圍明顯小于驗(yàn)證期，模擬穩(wěn)定性優(yōu)于驗(yàn)證期；總氮負(fù)荷量最大值的模擬在不同的年份大于實(shí)測(cè)值或小于實(shí)測(cè)值，表現(xiàn)為無(wú)規(guī)律性；雖然率定期和驗(yàn)證期個(gè)別數(shù)據(jù)模擬誤差偏大，但是絕大多數(shù)都在±20%以內(nèi)，且R2和Ens值均達(dá)到好或非常好的水平，表明SWAT模型在研究區(qū)對(duì)月水平下的總氮負(fù)荷模擬具有良好的適用性。

表7 月總氮負(fù)荷模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

圖4 陳家溝小流域總氮負(fù)荷量模擬值與實(shí)測(cè)值比較

4.2.4 總磷部分率定和驗(yàn)證

月總磷負(fù)荷率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果見表8和圖5。從圖表可看出月總磷負(fù)荷模擬值與實(shí)測(cè)值具有一致變化趨勢(shì)。率定期平均相對(duì)誤差為19.45%，最大誤差為49.20%，最小誤差為-4.17%，誤差最大值出現(xiàn)在2010年10月；驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差為22.25%，最大誤差為51.73%，最小誤差為4.06%，誤差最大值出現(xiàn)在2011年8月。由此可看出，率定期模擬效果優(yōu)于驗(yàn)證期，且驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差超過20%。總磷負(fù)荷量最大值模擬均小于實(shí)測(cè)值，從而導(dǎo)致總磷年模擬值小于實(shí)際值；率定期三項(xiàng)模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)均達(dá)到要求，R2和Ens值均達(dá)到好的水平，但是RE已接近20%；驗(yàn)證期雖R2和Ens值也在好的水平范圍，但RE值已超過20%。總體來(lái)看，R2和Ens值滿足模擬要求，僅有驗(yàn)證期RE值略大于20%，表明SWAT模型在研究區(qū)對(duì)月水平下的總磷負(fù)荷模擬具有一定的適用性，年水平下的模擬會(huì)略小于實(shí)際值。

表8 月總磷負(fù)荷模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

圖5 2009～2012陳家溝小流域總磷負(fù)荷量模擬值與實(shí)測(cè)值比較

5 模型運(yùn)行參數(shù)確定

經(jīng)過參數(shù)靈敏性分析、率定和驗(yàn)證，最終確定對(duì)模擬影響顯著的參數(shù)值。表9是土壤可利用水量Sol_Awc（mmH2O/mmsoil）和土壤深度Sol_Z（mm）的取值；表10是SCS徑流曲線Cn2、林冠最大截流量Canmx（mmH2O）、USLE方程水土保持系數(shù)Usle_P的取值；表11是其他顯著性參數(shù)的取值。

表9 Sol_Aw c、Sol_Z參數(shù)取值

表10 Cn2、Canm x、Usle_P參數(shù)取值

表11 其他顯著性影響參數(shù)取值

6 結(jié)論

SWAT模型在陳家溝小流域?qū)搅鳌⒛嗌场⒖偟⒖偭椎哪M均滿足模擬效果要求，雖然個(gè)別模擬偏差較大，但是總體控制在20%以內(nèi)的可接受范圍。由于模型模擬誤差的累積效應(yīng)，徑流的模擬效果較好，總磷的模擬效果相對(duì)一般，在模擬最大值時(shí)，模型表現(xiàn)出一定響應(yīng)的滯后性。總之，模型三項(xiàng)模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到模擬要求。雖然模擬值與實(shí)測(cè)值有一定偏差，但總體趨勢(shì)一致，在宏觀層面具有實(shí)際應(yīng)用意義，月水平下模擬陳家溝小流域徑流量、泥沙負(fù)荷量、總氮負(fù)荷量、總磷負(fù)荷量具有適應(yīng)性。

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Study on theadaptability ofSWATmodel in a typicalsmallwatershed of ThreeGorgesReservoir Area

HouWei①Xu Xin-yong②Liao Xiao-yong③Zhang Yan④Xu Lei⑤Xue Hui⑥Puluo⑦

（①②④⑤⑥⑦Forestry Inventory and Planning Instituteof TibetAutonomousRegion,Lhasa 850000,Tibet;
③Institute ofMountain Hazardsand Environment,Chinese Academy ofSciences&Ministry ofWater Conservancy,Chengdu 610041,Sichuan）

A typical small watershed,Chenjiagou small watershed in Three Gorges Reservoir area as the research object,the parameters sensitivity analysis,calibration and verification of themodelweremade with the measured databased on the establishing of the SWATmodel foundation database.The results showed thatSWAT model canmeet the requirementsin the simulating the runoff,sediment,totalnitrogen and total phosphorus in the Chenjiagou smallwatershed with welladaptability.SWATmodel can further be applied to fieldsof runoff volume analysis,non-point pollution source loading estimation and the key source area recognition of the typical small watershed in the Three Gorges Reservoir area.

SWATmodel;sensitivity Analysis;calibration;validation;adaptability

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2016.02.017

S157.1

A

1005-5738（2016）02-102-008

[責(zé)任編輯：索郎桑姆]

2016-09-21

2010年度中科院西部之光重點(diǎn)項(xiàng)目“三峽庫(kù)區(qū)稻田氮磷高效利用與流失阻空技術(shù)體系研究與示范”階段性成果，項(xiàng)目號(hào)：Y0R2050050

侯偉，男，漢族，河南駐馬店人，西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院助理工程師，主要研究方向?yàn)樯炙摹⒒哪芯俊?/p>

簡(jiǎn)介：廖曉勇，男，漢族，四川自貢人，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所副研究員，主要研究方向?yàn)橥寥缹W(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。