段超宇, 張 生, 李錦榮, 張成福, 綦俊諭, 吳 用

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018; 2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 010020; 3.新布朗斯維克大學(xué) 林業(yè)與環(huán)境管理學(xué)院, 加拿大 弗雷德里頓 E3B 5A3)

基于SWAT模型的內(nèi)蒙古錫林河流域降水-徑流特征及不同水文年徑流模擬研究

段超宇1, 張 生1, 李錦榮2, 張成福1, 綦俊諭3, 吳 用1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018; 2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 010020; 3.新布朗斯維克大學(xué) 林業(yè)與環(huán)境管理學(xué)院, 加拿大 弗雷德里頓 E3B 5A3)

以我國北方寒旱區(qū)草原中典型流域——錫林河流域?yàn)檠芯繉ο螅Y(jié)合我國北方寒旱區(qū)草原型河流流域的氣候特點(diǎn)、下墊面條件及水文過程的特殊性，通過分析錫林河流域近30 a的降水—徑流變化特征，利用錫林河水文站的年徑流頻率曲線，采用一定保證率條件下的年徑流量作為劃分流域豐平枯水年的標(biāo)準(zhǔn)，對錫林河流域歷史水文年進(jìn)行劃分。基于此基礎(chǔ)，以ARCSWAT2012為操作平臺，應(yīng)用地理統(tǒng)計(jì)分析方法，對模型建立過程中所需的各數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整備與參數(shù)化，分析影響模型徑流模擬精度的主要參數(shù)，進(jìn)行模型的參數(shù)率定與結(jié)果精度評價(jià)，分別對錫林河流域各豐、平、枯水年進(jìn)行徑流模擬，并對其結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明：SWAT模型對細(xì)化流域降水—徑流分配的徑流模擬具有不同的精度，即平水年>偏豐水年>豐水年>偏枯水年>枯水年，體現(xiàn)出SWAT模型在中國北方寒旱區(qū)豐水年和平水年具有較好的可操作性。

徑流模擬; 水文年; SWAT; 錫林河流域

錫林郭勒草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，是我國溫帶典型草原的核心分布區(qū)和重要的草地畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，同時也是我國北方草原牧區(qū)和農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分。它就像是我國北方一道綠色的生態(tài)屏障，能有效地阻止草原腹地的土壤侵蝕、沙化及來自中亞和我國西部的沙塵侵害，對于維持整個華北地區(qū)，特別是京、津地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全起著非常重要的作用[1]。近年來，錫林河流域在以水資源和礦產(chǎn)資源開發(fā)利用為標(biāo)志的高強(qiáng)度人類社會經(jīng)濟(jì)活動下，流域自然生態(tài)過程發(fā)生著明顯的變化，以天然植被為主體的生態(tài)系統(tǒng)，因人為改變水資源的時空格局受到嚴(yán)重影響[2]。流域內(nèi)水資源分配的不均勻，導(dǎo)致中下游流域極度干旱，目前已出現(xiàn)斷流情況，上游產(chǎn)流區(qū)對中下游地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境變化有著舉足輕重的作用。因此，作為我國北方寒旱區(qū)草原資源科學(xué)研究中最典型的流域——錫林河流域，如何運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行水資源分布調(diào)查、儲量分析、優(yōu)化管理及水資源的預(yù)測和保護(hù)已成為目前錫林河流域地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的大問題。

錫林河流域的水資源主要來源于降水，降水的多少對流域水資源的數(shù)量及時空分布有著重要的影響，同時也決定了流域內(nèi)水資源的豐枯[3]。目前多數(shù)文獻(xiàn)對流域內(nèi)的徑流模擬僅限于單一年份[4]或連續(xù)年內(nèi)[5-7]的模擬，對細(xì)化水資源分配的不同水文年模擬提及較少。因此，本研究以國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型[8-10]為操作平臺，通過分析內(nèi)蒙古錫林河域多年降水—徑流特征，對流域內(nèi)不同的水文年份進(jìn)行徑流模擬研究，從而探討SWAT模型在錫林河流域這樣特殊的自然環(huán)境條件下的適用性及不同水文年份內(nèi)的徑流模擬精度，為錫林河流域水資源科學(xué)管理和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 流域概況

錫林河屬內(nèi)蒙古內(nèi)陸河流，全長175 km，流域面積105 452 km2，地理坐標(biāo)介于43°26′—44°39′N，115°32′—117°12′E之間。它發(fā)源于赤峰市克什克騰旗寶爾圖西南山頂，海拔高度1 334 m，自東向西分別流經(jīng)赤峰市的克什克騰旗與錫林郭勒盟的阿巴嘎旗，在貝爾克牧場轉(zhuǎn)向西北經(jīng)過錫林浩特市，最終注入查干諾爾沼澤地自然消失[11]。流域自東南向西北依次為多級玄武巖臺地、低山塔拉、山前洪積平原[12]。錫林河流域是我國北方典型的草原區(qū)域，流域內(nèi)有90%的面積覆蓋著草原，植物生長期約150 d[13]。

1.2 降水-徑流特征及水文年劃分

1.2.1 降水—徑流特征 錫林河流域地處中國北方寒旱區(qū)，夏季溫暖降雨集中，冬季寒冷積雪豐富，春季融雪產(chǎn)生較強(qiáng)的徑流與夏季降水會形成明顯的雙峰型地表徑流。就流域內(nèi)降水而言，錫林河流域在氣候類型上為內(nèi)陸半干旱氣候向東南濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候的過渡帶[14]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[15]，錫林河流域1971—2000年的年均降水量為292.6 mm，年潛在蒸發(fā)量為1 700 mm，干旱指數(shù)為2。5—9月是錫林河流域主要的降雨期，其余月份為積雪期。圖1為錫林河流域1971—2000年的多年降水量的年內(nèi)分配圖。

圖1 錫林河流域降水分配

通過對錫林河水文站1971—2000年實(shí)測徑流資料統(tǒng)計(jì)可知，錫林河多年平均徑流總量1 958.5萬m3，年均徑流深5.08 mm。由年均徑流深僅占年降水量的1.8%可知，錫林河流域每年約有98.2%的降水用于蒸發(fā)。從圖2可以看出，錫林河年內(nèi)徑流分配極不均勻，表現(xiàn)為明顯的雙峰型地表徑流特征。每年12月到次年2月，由于河水封凍，徑流量幾乎為零。4月份后，伴隨著氣溫的回暖，地表大量冰雪在太陽輻射的作用下開始融化，但此時由于土壤層中的溫度依舊低于地表溫度，土壤層處于凍結(jié)狀態(tài)，融雪水難以向土壤層入滲，導(dǎo)致大量融雪水匯入河道，形成春汛。經(jīng)過計(jì)算，錫林河流域4月份融雪形成的徑流占全年總徑流的32.5%。5—9月是錫林河流域主要的汛期，地表徑流的產(chǎn)生全部以降雨為主。其中7月和8月集中了全年56%的降水。從圖2還可以看出，錫林河流域在7月和8月產(chǎn)生的徑流量相對4月份偏低，這是因?yàn)?月和8月是錫林河流域植被生長最旺盛的時期，此時的降水一部分用于植被蒸散發(fā)消耗，另一部分用于產(chǎn)生徑流。10月中旬后，錫林河流域進(jìn)入到積雪期。

圖2 錫林河流域徑流分配

1.2.2 豐平枯水年劃分 根據(jù)GB/T50095—98水文基本術(shù)語和符號標(biāo)準(zhǔn)中對河川徑流豐平枯水年的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文通過利用錫林河水文站年徑流頻率曲線，采用一定保證率[16]的年徑流量作為劃分流域豐平枯水年的標(biāo)準(zhǔn)。年徑流量豐平枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 錫林河流域年徑流量水文年劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過對錫林河水文站1971—2000年的徑流量進(jìn)行水文年劃分可知，近30年內(nèi)錫林河流域共出現(xiàn)11個豐水年(3個豐水年和8個偏豐水年)、3個平水年和16個枯水年(4個枯水年和12個偏枯水年)，分別占36.7%，10%和53.3%。同時，從時間尺度上還可以看出，流域徑流呈現(xiàn)出以每10年為周期的變化規(guī)律，即1971—1980年偏多，1981—1990年偏少，1991—2000年偏多。表2為錫林河流域水文年劃分結(jié)果。

表2 錫林河流域年徑流量水文年劃分結(jié)果

1.3 模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.3.1 模型結(jié)構(gòu) SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開發(fā)的流域尺度模型[17-19]。針對區(qū)域性水文評價(jià)而言，SWAT模型目前在我國各流域的水文過程中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，但是相對于寒旱區(qū)降水時空分布不均、下墊面條件復(fù)雜、水文氣象監(jiān)測站分布少等特點(diǎn)，SWAT模型在我國北方寒旱區(qū)的模擬仍舊存在很大的困難。本文以中國北方寒旱區(qū)典型流域——錫林河流域?yàn)檠芯繉ο?，通過對其徑流進(jìn)行模擬，為寒旱區(qū)水資源的利用與保護(hù)提供理論依據(jù)。

SWAT模型中對水文循環(huán)的模擬計(jì)算基于水量平衡方程，見公式(1)：

(1)

式中：SWt——土壤最終含水量(mm)；SW0——土壤前期含水量(mm)；t——時間步長(day)；Rday——第i天降雨量(mm)；Qsurf——第i天的地表徑流(mm)；Ei——第i天的蒸發(fā)量(mm)；Wseep——第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量(mm)；Qgw——第i天地下水出流量(mm)。

1.3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 構(gòu)建SWAT模型所需要的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用類型(Landuse)、土壤空間分布(Soil)及水文氣象實(shí)測數(shù)據(jù)等。本研究在劃分研究區(qū)范圍時，考慮到近年來錫林河流域內(nèi)水資源分配的不均勻性，位于錫林浩特市水庫以北的錫林河流域下游已出現(xiàn)極度干旱、斷流等現(xiàn)象，且流域內(nèi)僅有錫林河水文站一個監(jiān)測站，通過對錫林河流域?qū)嵉乜疾欤Y(jié)合流域水文站位置及水文站以北的流域水系走向，以錫林河水文站為中心，東西各取1 000 km進(jìn)行勘探人為確定流域的北面邊界。

DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http:∥datamirror.csdb.cn/index.jsp)SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)90 m分辨率原始高程數(shù)據(jù)(30 m分辨率的DEM拼接后圖像上有壞點(diǎn)，圖像信息發(fā)生丟失，不能繼續(xù)劃分流域)。通過應(yīng)用ArcGIS 10.0對所獲得圖像進(jìn)行拼接、投影變化等預(yù)處理最終生成錫林河流域DEM，見附圖6。

SWAT模型中建議土地利用類型不超過10種，如果數(shù)據(jù)類型超過10種，則需要對其進(jìn)行重分類，目的是減少模型最后生成的HRU的數(shù)量。土地利用數(shù)據(jù)是內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺上下載TM影像并對其進(jìn)行提取、合并、矢量轉(zhuǎn)化，同時運(yùn)用ArcToolbox中Reclassify工具對2000年錫林河流域各土地利用類型重新合并，分類結(jié)果見附圖7，土壤類型數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫，如附圖8所示。

本研究區(qū)地處牧區(qū)，地廣人稀，由內(nèi)蒙古氣象站點(diǎn)分布可知，研究區(qū)內(nèi)沒有氣象站點(diǎn)。針對這一現(xiàn)狀和特點(diǎn)，本文選擇與研究區(qū)相鄰的氣象站作為研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)的輸入依據(jù)。研究區(qū)周圍的氣象站點(diǎn)有錫林浩特站(54102)、阿巴嘎旗站(53192)、西烏珠穆沁旗站(54012)及林西站(54115)，除錫林浩特站外其余三站都距研究區(qū)較遠(yuǎn)。通過對各站氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析后可知，各站多年平均降水量為：林西站(389.6 mm)>西烏珠穆沁旗站(353.01 mm)>錫林浩特站(292.62 mm)>阿巴嘎旗站(256.33 mm)，四站的平均降雨量為322.89 mm。在查閱大量文獻(xiàn)后和咨詢當(dāng)?shù)厮恼竟ぷ魅藛T與牧民后，得出錫林河流域上游年降水量一般在300 mm左右，因此模型在進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的輸入時，將四站氣象數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入到天氣發(fā)生器，綜合考慮錫林浩特站更貼近研究區(qū)的實(shí)際降水情況，故選擇錫林浩特站(43°57′N，116°07′E)1971—2000年的日值數(shù)據(jù)作為模型模擬的依據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心氣象資料室中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，包括日平均氣壓、最高氣壓、最低氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、最小相對濕度、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速及風(fēng)向、極大風(fēng)速及風(fēng)向、日照時數(shù)、降水量。水文數(shù)據(jù)采用錫林河水庫上游的錫林河水文站1971—2000年實(shí)測逐日徑流資料。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)流域內(nèi)1971—2000年的水文年份劃分結(jié)果，考慮到模型的率定期必須同時包括豐平枯不同的水文年份，將1971—1987年作為模型的率定期，1988—2000年作為模型的驗(yàn)證期，其中1971—1973年為模型的預(yù)熱期。參數(shù)率定過程中，對流域所劃分的9個子流域在徑流的校核上遵循先上游后下游；先調(diào)整水量平衡再調(diào)整過程；先調(diào)整地表徑流再調(diào)整土壤水、蒸發(fā)和地下徑流的原則[20]。通過實(shí)地調(diào)查流域水文過程進(jìn)行手動調(diào)參，最終確定影響不同水文過程的參數(shù)分別是：① 地表水分配參數(shù)CN2；② 植被蒸發(fā)參數(shù)IPET、CANMX、ESCO、CNOP；③ 土壤水參數(shù)SOL_AWC；④ 地下水參數(shù)ALPHA_BF、GWQMN、GW_REVAP、REVAPMN、RCHRG；⑤ 融雪參數(shù)SFTMP、SMTMP、SMFMX、SMFMN、TIMP、SNOCOVMX 。

2.1 豐水年徑流模擬

(1) 偏豐水年。由表2可知，率定期內(nèi)的偏豐水年份共有4個，分別為1974年、1978年、1979年和1986年；驗(yàn)證期內(nèi)的偏豐水年份有3個，分別為1990年、1992年和1996年。模型對偏豐水年的徑流模擬結(jié)果顯示，率定期內(nèi)的相關(guān)系數(shù)R2為0.62，納什系數(shù)Ens為0.59，驗(yàn)證期內(nèi)的R2為0.77，Ens為0.72，模擬結(jié)果較滿意。圖3為率定期和驗(yàn)證期的偏豐水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果。

圖3 偏豐水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果

(2) 豐水年徑流模擬。同樣，對流域的豐水年份進(jìn)行模擬。從模擬結(jié)果可以看出，豐水年的徑流模擬精度在率定期時(R2=0.80，Ens=0.78)較優(yōu)于偏豐水期，而在驗(yàn)證期時的模擬精度(R2=0.60，Ens=0.52)卻略低于偏豐水期。造成這樣的模擬結(jié)果可能是由于1998年全國范圍內(nèi)降水量普遍偏大，模型對水量突增的特殊年份沒有較好的適應(yīng)性。圖4為率定期和驗(yàn)證期的豐水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果。

圖4 豐水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果

2.2平水年徑流模擬

由于錫林河流域在1971—2000年內(nèi)平水年出現(xiàn)的頻率較少，僅有1972年、1991年和1997年這3個年份，且1972年又處于模型的預(yù)熱期內(nèi)，因此模型在對平水年的徑流模擬評定中只對平水年做模型的驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，平水年的R2為0.797 9，Ens為0.65。率定期和驗(yàn)證期的平水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果見圖5。

2.3 枯水年徑流模擬

通過對錫林河流域偏枯水年和枯水年進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，SWAT模型不論在偏枯水年還是枯水年對徑流的模擬效果均不理想。枯水年夏季降雨偏少，蒸發(fā)量因植被的生長依舊很高，實(shí)測徑流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模擬值。圖6和圖7分別是偏枯水年和枯水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果。

通過以上對錫林河流域豐平枯不同的水文年份進(jìn)行徑流模擬的結(jié)果可以看出，模型在模擬流域豐水年和平水年時具有比較理想的模擬效果，在枯水年時模擬的精度不高。SWAT模型在不同水文年的模擬精度依次為：平水年>偏豐水年>豐水年>枯水年>

偏枯水年。

圖5 平水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果

圖6 偏枯水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果

圖7 枯水年內(nèi)SWAT模型徑流擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

基于SWAT模型對內(nèi)蒙古錫林河流域上游不同水文年展開的徑流模擬研究表明，SWAT模型在細(xì)化流域降水—徑流模擬時具有不同的精確程度，即平水年>偏豐水年>豐水年>偏枯水年>枯水年。雖然SWAT模型從整體上看在該流域具有滿意的模擬效果，但相比南方半濕潤、濕潤區(qū)，SWAT模型在中國北方寒旱區(qū)的模擬效果上仍舊不盡如人意。造成這樣的原因可能有以下兩個方面：(1) 寒旱區(qū)降水—徑流分配不均勻，模擬時對蒸發(fā)、融雪等物理過程把握不清晰；(2) 該區(qū)域地理面積大，水文氣象監(jiān)測站點(diǎn)分布少，數(shù)據(jù)稀缺。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與詳細(xì)性會直接影響到模型對水文過程的模擬，對寒旱區(qū)而言今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)水文氣象的監(jiān)測。此外，今后還應(yīng)當(dāng)對SWAT模型的積雪融雪模塊加以改進(jìn)，使SWAT模型在模擬我國北方寒旱區(qū)徑流時具有更高的模擬精度。

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[19] 李麗嬌,薛麗娟,張奇.基于SWAT的西苕溪流域降雨—徑流關(guān)系及水量平衡分析[J].水土保持通報(bào),2008,28(5):81-85.

[20] 朱新軍,王中根,李建新,等.SWAT模型在漳衛(wèi)河流域應(yīng)用研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展, 2006,25(5):105-111.

AnalysisonRainfall-RunoffCharacteristicsandSimulationoftheDifferentHydrologicYearRunoffofXilinRiverBasininInnerMongoliaBasedonSWATModel

DUAN Chao-yu1, ZHANG Sheng1, LI Jin-rong2, ZHANG Cheng-fu1, QI Jun-yu3, WU Yong1

(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China; 2.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,InnerMongolia,Hohhot010020,China; 3.FacultyofForestry&EnvironmentalManagement,UniversityofNewBrunswick,FrederictonE3B5A3,Canada)

Xilin River is a typical grassland river located in Inner Mongolia, which is a cold-arid-region in the north of China. Its basin was investigated and some necessary experiments were carried out by means of hydrological processes. The hydrological nonlinear system theory, geological statistics, remote sensing and geographic information system were used to determine the parameters that are required by SWAT. In conclusion, using SWAT to simulate the hydrological processes in the cold-arid-regions with a characteristic of snowmelt-runoff could represent different accuracies. The best fitting result between the observed and simulated data was obtained for the normal hydrologic years, the worst for the dry years, between which the accuracies were partial wet years > wet years > partial dry year.

runoff simulate; hydrologic years; SWAT model; Xilin river basin

2013-12-24

：2014-01-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(511069007,51169011,51169017,51269016,5133902);國際合作項(xiàng)目(2011DFA90710)

段超宇(1988—),女,山西省大同市,碩士研究生,主要從事水環(huán)境修復(fù)與保護(hù)研究。E-mail:duanchaoyu123@126.com

張生(1964—),男,內(nèi)蒙包頭市人,教授,博士,主要從事水環(huán)境修復(fù)與保護(hù)研究。E-mail:shengzhang@imau.edu.cn

P333.1

：A

：1005-3409(2014)05-0292-06