基于SWAT模型的黃河流域(河南段)徑流模擬研究

摘 要：【目的】水土資源不平衡嚴重制約著河南省經濟社會高質量發展，開展徑流模擬是進行水土資源合理調控的前提，對于流域水土資源高效管理具有重要意義。【方法】基于GIS構建黃河流域（河南段）的SWAT模型，建立流域模型的空間數據庫和屬性數據庫，采用SUFI-2算法對影響模擬徑流結果的重要參數進行分析，選擇花園口站和艾山站作為出口進行校準，模擬黃河流域（河南段）的徑流過程。【結果】結果表明，參數中SFTMP、SOL_AWC對的徑流模擬結果的影響最為顯著；花園口站和艾山站的R2和NSE均大于0.8，SWAT模型在黃河流域（河南段）具有較好的適用性?！窘Y論】研究結果可為黃河流域（河南段）水資源量模擬提供參考，建立的模型為花園口站和艾山站未來徑流變化模擬提供了借鑒。

關鍵詞：SWAT模型；徑流模擬；花園口站；艾山站；黃河流域（河南段）

中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.009

Runoff Simulation Study of the Yellow River Basin （Henan Section） Based on the SWAT Model

YAO Wenpeng1 SUN Xinhua1 ZHOU Jialong2 ZHANG Yuxiao1

（1.Henan Academy of Geology， Zhengzhou 450016， China; 2. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] The imbalance of water and soil resources seriously restricts the high-quality development of economy and society in Henan Province.Runoff simulation is the premise of reasonable regulation of water and soil resources， which is of great significance for the efficient management of water and soil resources in the basin. [Methods] The SWAT model of the Yellow River basin （Henan section） was constructed based on GIS， the spatial database and attribute database of the basin model were established， SUFI-2 algorithm was used to analyze the important parameters affecting the simulated runoff results， and Huayuankou station and Aishan station were selected as the exits for calibration to simulate the runoff process of the Yellow River basin （Henan section）. [Findings] The results show that among the parameters， SFTMP and SOL _ AWC have the most significant influence on the runoff simulation results. R2 and NSE of Huayuankou and Aishan stations are greater than 0.8， and SWAT model has good applicability in the Yellow River basin （Henan section）. [Conclusions] The results have some reference for the simulation of water resources in the Yellow River basin （Henan section）， and the model provides a reference for the simulation of future runoff change at Huayuankou station and Aishan station.

Keywords：SWAT model; runoff simulation; Huayuankou Station; Aishan Station; Yellow River Basin （Henan section）

0 引言

2019年9月，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上作出部署，將黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略，指出“治理黃河，重在保護，要在治理”［1-2］。隨著黃河流域內人口的增加和經濟的快速發展，各種用水問題逐漸凸顯出來。當前，人地矛盾尖銳、耕地質量偏低、耕地退化等問題導致水土資源匹配較差，水資源過度開發利用、洪旱事件頻發、農田面源污染加劇等水資源問題十分突出，嚴重制約著河南省高質量發展［3］。為了遵循黃河流域生態保護和高質量發展的國家戰略，實現水土資源的合理調控，開展黃河流域（河南段）水資源模擬研究具有重要意義。

分布式水文模型能夠有效探究復雜水文循環過程和機理，可真實地模擬水文循環過程，利用水文模型開展流域水資源研究，對水資源的可持續利用具有重要意義［4］。在眾多水文模型中，SWAT模型能有效模擬流域的水循環、土壤侵蝕和泥沙輸移過程［5］，可通過建立不同的情景來評估水文過程［6］，是研究水資源變化使用較多的模型［7］。

以往采用SWAT模型進行水資源模擬的研究，大多采用單獨流域或流域內某一區域（上下游、支流等）為研究單元，本研究結合研究區行政區劃，選擇黃河（河南段）為統一整體，包括黃河流域中游和下游部分區域，探索SWAT模型在分段區域間的適宜性，豐富了SWAT模型的應用實例，研究結果也可對河南省沿黃城市的水資源合理開發利用提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

黃河在流經黃土高原后進入河南省，黃河流域（河南段）（E110°21′～E116°6′，N33°41′～N36°6′）包含黃河流域的中下游區域，主要流經城市包括三門峽、洛陽、濟源、焦作、鄭州、新鄉、開封和濮陽等8個市。以鄭州市花園口為分界點，花園口以西為中游，花園口以東為下游。模型以流域為基礎建立，建模空間數據庫邊界包含了山西省部分支流區域，研究區如圖1所示。研究區多年平均水資源量為197.05億m3，年均氣溫為12～16 ℃，降雨量為500～900 mm。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 數據來源。本研究建立模型所需的數據包括數字高程圖DEM（圖1）、土地利用數據、土壤數據、氣象和徑流。模型所用到數據的描述和來源見表1。

1.2.2 數據庫建立。氣象數據庫采用天氣發生器模擬，土壤屬性數據庫采用SPAW計算，并將計算好的數據屬性導入模型數據庫中。

1.3 研究方法

1.3.1 SWAT模型概述。SWAT模型是研究水循環使用最多的模型之一，基于SWAT模型模擬流域水文要素主要包括陸地、水面兩部分，流域水量平衡方程［8］計算見式（1）。

[SWt=SW0+j=1sPday，j-Qsurf，j-Ea，j-Wseep，j-Qgw，j] （1）

式中：SWt表示土壤含水量；SW0表示初始時段的土壤含水量；Pday，j表示第j天的降水量；Qsurf，j表示第j天的地表徑流量；Ea，j表示第j天的蒸散發量；Wseep，j表示第j天離開土壤剖面底部的滲透量和側流量；Qgw，j表示第j天的地下水徑流量，mm。

1.3.2 模型評價。依據SWAT-CUP工具中的SUFI-2算法對SWAT模型輸出結果進行不確定性分析、敏感性分析、校準和驗證。選擇決定系數（R2）和納什效率系數（NSE）評價SWAT模型的模擬效果。當R2＞0.6、NSE＞0.5時［9］，表明模擬效果可以被接受。R2和NSE計算分別見式（2）和式（3）。

[R2=i=1nQm，i-Qm，avgQs，i-Qs，avg2i=1nQm，i-Qm，avg2Qs，i-Qs，avg2] （2）

[NSE=1-i=1nQm，i-Qs，i2i=1nQm，i-Qm，avg2] （3）

2 SWAT模型在黃河流域（河南段）的應用

2.1 模型建立及運行

許多研究表明，SWAT子流域劃分對徑流的影響較小，對泥沙、營養物質模擬的結果影63Jhwy+ou28XIQSdkyHNiA==響較大。根據地形和最小集水面積，本流域被劃分成282個子流域。最大的子流域面積為1 084.65 km2；最小的子流域面積僅為0.03 km2。

在完成所有數據輸入后，設定本次模擬的時間尺度為2015—2020年，選2015年作為SWAT模型的預熱期。

2.2 參數分析

本研究利用SWAT-CUP來進行參數敏感性分析，其包含兩種分析類型：全局敏感性（Global Sensitivity）和一次1個（One-at-a-time）敏感性分析。參數敏感性分析的作用是找到影響模型輸出結果的幾個最關鍵參數，用T-stat和P-value來衡量參數的敏感性，其中T-stat代表敏感性程度，絕對值越大越敏感；P-value代表參數敏感性的顯著性，越接近于0越顯著。

本研究主要目的是進行水量模擬，因此只需對水文模擬參數進行敏感性分析，根據對已有文獻的整理及專家建議，選取了12個參數對本次模擬進行敏感性分析。主要參數見表2。

2.3 模擬結果分析

月徑流模擬過程評價指標計算結果顯示，花園口站R2和NSE的結果分別為0.93、0.92，艾山站R2和NSE的結果分別0.94、0.89，模擬過程曲線如圖2所示。SWAT模型符合精度要求，模擬計算出的蒸發、降雨、土壤水含量變化等過程與實際或已有研究成果一致，模擬結果能較好地反映流域降水和徑流量的年內、年際變化。流量過程線模擬結果表明，SWAT模型在黃河流域（河南段）的應用效果非常好，模擬結果能較好地反映流域降水和徑流量的年分布，該模型適用于流域自然水循環的模擬。

3 討論

該模型所需的流域內氣象數據輸入是流域內其他過程模擬的驅動力，也是重要的數據之一，降雨量、氣溫和太陽輻射等參數對水文過程、作物生長和養分的降解、轉化等都具有重要影響。該模型數據獲取具有局限性，因為氣象站的分布會帶來一定的誤差，本流域選擇的氣象站點分布不均可能導致氣候信息不充分，給SWAT模擬帶來不確定性。

本研究將DEM數據和土壤數據作為長期不變的數據源輸入SWAT模型，但實際上地形可能一直處于微小的變化。DEM的這種宏觀變化難以被遙感數據探測或發現，對結果可靠性存在一定的影響。假設土壤性質也不變，將土壤數據作為常量，對研究結果也有一定影響。

參數的選擇取決于分析者的主觀認知，本次模擬選取的參數參考了相關研究者的結論，但由于研究時段的差異、研究范圍的不同，以及迭代方法的計算，所得到的結果也不能完全相同，這也是造成誤差的原因之一。

4 結論

①參數敏感性分析結果表明，在所選取的12個與徑流相關的參數中，SFTMP、SOL_AWC最為敏感，對徑流影響最為顯著。

②本研究建立了黃河流域（河南段）SWAT模型，模擬可以取得較滿意的結果，花園口站和艾山站的R2和NSE均大于0.8，表明SWAT模型在黃河流域（河南段）具有較好的適用性。

參考文獻：

［1］夏帆，陳瑩，竇明，等.水資源空間均衡系數計算方法及其應用［J］.水資源保護，2020， 36 （1）： 52-57.

［2］韓宇平，夏帆.基于需求層次論的幸福河評價［J］.南水北調與水利科技（中英文），2020， 18 （4）： 1-7，38.

［3］王亞迪，左其亭，劉歡，等 .河南省水土資源匹配特征及均衡性分析［J］.人民黃河，2018 40 （4）： 55-59，64.

［4］HAN Y P， XIA F， HUANG H P， et al. Impact of the grain for green project on water resources and ecological water stress in the Yanhe River Basin［J］. PLoS One， 2022， 17，（6）：0259611.

［5］QI J Y， ZHANG X S， LEE S，et al. A coupled surface water storage and subsurface water dynamics model in SWAT for characterizing hydroperiod of geographically isolated wetlands［J］. Advances in Water Resources. 2019， 131， 103380.

［6］PENG S L， WANG C Y，EGUCHI S，et al. Response of hydrological processes to climate and land use changes in Hiso River watershed， Fukushima，Japan［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2021，123，103010.

［7］榮琨，陳興偉.用SWAT模擬土地利用對綠水藍水的影響：以晉江西溪流域為例［J］. 環境科學與技術， 2016， 39（1）： 199-204.

［8］LI Y Y， CHANG J X， LUO L F， et al. Spatiotemporal impacts of land use land cover changes on hydrology from the mechanism perspective using SWAT model with time-varying parameters［J］.Hydrology Research，2019，50（1）： 244-262.

［9］WANG H， SUN F B， XIA J， et al. Impact of LUCC on streamflow based on the SWAT model over the Wei River basin on the Loess Plateau in China［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2017， 21，（4）： 1929-1945.