吳恒卿，劉賽艷，黃 強(qiáng)，張節(jié)潭，黎云云

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2 深圳市西麗水庫管理處，廣東 深圳 518055；3 國家電網(wǎng)青海電力公司，青海 西寧810000)

基于SWAT模型的大通河流域徑流模擬

吳恒卿1,2，劉賽艷1，黃 強(qiáng)1，張節(jié)潭3，黎云云1

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2 深圳市西麗水庫管理處，廣東 深圳 518055；3 國家電網(wǎng)青海電力公司，青海 西寧810000)

【目的】 采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模擬大通河流域徑流，為大通河流域水資源規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā?根據(jù)大通河氣象水文、地形、土地利用、土壤類型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以相對(duì)誤差(Re)、線性擬合系數(shù)(R2)以及納什效率系數(shù)(Ens)作為模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究SWAT模型對(duì)大通河流域徑流的模擬效果。【結(jié)果】 大通河流域月徑流SWAT模擬值與實(shí)測值吻合較好，模型校準(zhǔn)期(1978-1982年)和驗(yàn)證期(1983-1986年)的線性擬合系數(shù)、月徑流相對(duì)誤差以及納什效率系數(shù)分別為：0.70，0.95%，0.69和0.69，-13.96%，0.68，表明SWAT模型能夠較好地模擬大通河流域的月流量過程?！窘Y(jié)論】 SWAT模型可用于大通河流域徑流模擬。

大通河；徑流模擬；SWAT模型

大通河發(fā)源于青海省天陵縣木里山，流經(jīng)青海、甘肅兩省，不僅是青海省重點(diǎn)水源涵養(yǎng)區(qū)和天然林保護(hù)區(qū)，也是祁連山重要的牧業(yè)區(qū)；同時(shí)，還肩負(fù)著包括青海、甘肅兩省所轄的10個(gè)縣1個(gè)區(qū)的全部和部分地區(qū)總計(jì)46.7萬人(青海19.5萬人，甘肅27.2萬人)的生活、生產(chǎn)及生態(tài)用水的任務(wù)。近年來，由于氣候變化[1-2]以及流域上游地區(qū)水資源開發(fā)利用工程(主要是外調(diào)水工程及梯級(jí)水電站建設(shè))的不斷增多，加之流域內(nèi)水文氣象變化及生態(tài)植被被破壞等原因[3]，流域水資源量已經(jīng)出現(xiàn)很大的變化，有逐漸減少的趨勢。研究表明，即使是在現(xiàn)有氣候變化和人類活動(dòng)保持不變的狀況下，大通河流域徑流的遞減趨勢在未來的一段時(shí)間內(nèi)仍將持續(xù)[4-6]。

為了更好地對(duì)大通河流域水資源進(jìn)行開發(fā)利用與綜合管理，有必要研究其徑流變化規(guī)律，利用具有一定物理機(jī)制的分布式水文模型對(duì)大通河的徑流變化進(jìn)行模擬。SWAT( Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)的農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)研發(fā)的水文模型，比較適用面向水資源管理長時(shí)段的分布式水文過程模擬。與一般的統(tǒng)計(jì)模型不同，SWAT能夠考慮氣候和下墊面因子空間分布不均勻性，模擬流域降雨徑流形成的影響，客觀地反映氣候和下墊面因子空間分布對(duì)流域徑流和水儲(chǔ)量的影響。目前，SWAT模型在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[7-14]。夏志宏等[8]將SWAT模型應(yīng)用于漢江流域徑流模擬，發(fā)現(xiàn)該模型比較適用于漢江流域的徑流模擬，但受土地利用、覆蓋、土壤數(shù)據(jù)的時(shí)空局限性以及流域集水區(qū)范圍的影響，盡管模擬精度達(dá)到了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但模擬效率并不高。楊?yuàn)檴櫟萚10]以臥虎山水庫流域?yàn)槔?，探討了SWAT模型對(duì)中小流域的適用性，結(jié)果表明逐月徑流量模擬值效率系數(shù)、相關(guān)系數(shù)均大于0.70，效果良好。姚蘇紅等[12]利用SWAT模型對(duì)內(nèi)蒙古閃電河流域進(jìn)行徑流模擬研究，發(fā)現(xiàn)其模擬徑流結(jié)果受參數(shù)影響很大，尤其是對(duì)融雪參數(shù)值敏感性較強(qiáng)。劉貴花等[13]將SWAT模型成功地引入我國東北地區(qū)三江平原沼澤性河流，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)進(jìn)行了撓力河上游流域的年徑流模擬，模擬效率達(dá)到0.80以上，效果較為理想。但是關(guān)于SWAT模型在海拔3 000 m左右的高原流域應(yīng)用研究較少。為此，本研究在綜合考慮高原流域地形、植被、土壤和土地利用等因素的基礎(chǔ)上，選擇基于GIS的SWAT模型來構(gòu)建大通河流域水文模型，模擬其徑流過程，探討SWAT模型在高原流域的適用性，以期為大通河流域水資源的開發(fā)利用與綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大通河位于東經(jīng)98°30′-103°15′、北緯36°30′-38°25′，是黃河最大的二級(jí)支流，湟水的一級(jí)支流，發(fā)源于青海省天陵縣木里山，流經(jīng)青海省的天峻、祁連、剛察、海晏、門源、互助、樂都、民和以及甘肅省的天祝、永登、紅古等11個(gè)縣(區(qū))，在民和縣享堂鎮(zhèn)匯入湟水，全流域面積15 130 km2。大通河流域干流全長560.7 km，其中青海省境內(nèi)河流長464.42 km，主河道平均坡降4.65%。流域地形西北高、東南低，兩側(cè)依山傍嶺，干流峽谷與盆地相間。流域內(nèi)山巒起伏、地勢高聳，主要山脈有托勒山、冷龍嶺、大通山、大坂山，其峰脊海拔大都在4 500 m左右，其中冷龍嶺雄居群山之首，海拔達(dá)5 254 m。流域80%以上的集水面積分布在海拔3 000 m以上。

大通河流域深居西北內(nèi)陸，氣候特點(diǎn)是冬長夏短，冰凍期長，氣候嚴(yán)寒，多年平均氣溫-0.3～8.0 ℃，年降水量為300～600 mm，并呈現(xiàn)從東南向西北遞減的態(tài)勢。全流域多年平均蒸發(fā)量為765 mm，蒸發(fā)量隨海拔升高而呈減少趨勢。上游地區(qū)年蒸發(fā)量為700～800 mm，下游地區(qū)年蒸發(fā)量為900～1 000 mm。由于地處高原，流域上游徑流以降水、冰川融雪和沼澤補(bǔ)給為主，工、農(nóng)業(yè)和生活用水多集中在流域中、下游。土地利用類型包括農(nóng)田、灌木林、樹林、草地、沼澤、城市用地及裸地。土壤類型包括石灰褐土、栗鈣土、淡灰鈣土、新積土、草甸土、泥炭土、草氈土等。受海拔和光照的影響，上游以高山草原為主；中游以森林和生長期較短的農(nóng)作物為主；下游光熱資源充足，以生長期較長的農(nóng)作物為主。流域內(nèi)的地貌類型主要有冰蝕構(gòu)造高山、侵蝕構(gòu)造中山、構(gòu)造剝蝕低山丘陵、冰川冰水堆積臺(tái)地及堆積平原。

2 數(shù)據(jù)來源及SWAT模型參數(shù)

2.1 數(shù)據(jù)來源

SWAT模型要求所有輸入的數(shù)據(jù)必須是統(tǒng)一的地理坐標(biāo)和投影，因此本研究中統(tǒng)一使用WGS-1984-PDC-Mercator 投影，地理坐標(biāo)選擇WGS-1984。

2.1.1 數(shù)字高程模型(DEM) 大通河流域數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，精度為90 m×90 m。首先，在地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)中找到大通河流域的位置。然后，選擇所需要的數(shù)據(jù)集，點(diǎn)擊下載即得到所需的DEM數(shù)據(jù)。在GIS中通過對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換、拼接及裁剪，最終得到大通河流域DEM數(shù)據(jù)及水文站、氣象站分布，結(jié)果如圖1所示。

圖1 大通河流域DEM及水文站、氣象站分布

2.1.2 土地利用類型圖 大通河流域土地利用類型圖來源于中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)所遙感與信息中心，比例尺為1∶10萬。SWAT模型中建議土地利用類型最好不超過10種，若土地利用類型超過10種，則需要對(duì)其進(jìn)行重分類以減少模型最后生成的水文單元(HRU)的數(shù)量。大通河流域土地利用類型達(dá)到了12種，在GIS中通過重新分類操作將其最終分為9類，并建立土地利用類型索引表，最終得到土地利用類型圖，結(jié)果見圖2。

圖2 大通河流域不同土地利用類型的分布

2.1.3 土壤分布圖 土壤分布圖來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所，比例尺為1∶100萬，以大通河流域邊界為掩膜進(jìn)行裁剪得所需土壤分布圖。將流域土壤類型圖以土壤類型代碼字段轉(zhuǎn)化為shape格式，對(duì)其進(jìn)行重分類，建立土壤索引表，最終確定土壤類型為13類，土壤分布見圖3。

圖3 大通河流域不同類型土壤的分布

2.2 屬性數(shù)據(jù)庫的建立

1)土壤屬性數(shù)據(jù)庫。SWAT模型提供的土壤類型都是基于美國本土的統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用時(shí)難以找到對(duì)應(yīng)的類型，因此需要根據(jù)大通河流域具體情況建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫。首先，對(duì)照土壤類型代碼表核對(duì)并確認(rèn)大通河流域土壤類型；其次，利用中國土壤數(shù)據(jù)庫獲取各種土壤的初始信息，包括土壤名稱、土壤分層數(shù)目、土壤表層到底層的深度、土壤質(zhì)地、土壤剖面厚度、有機(jī)質(zhì)含量、電導(dǎo)率等；然后進(jìn)行土壤質(zhì)地的轉(zhuǎn)換；最后，借助SPAW(Soil-Plant-Atmosphere-Water)軟件[15]獲取土壤可利用的有效水、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)。每層土壤物理屬性參數(shù)計(jì)算確定后，將其輸入模型的user-soil中即建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫。

2)氣象數(shù)據(jù)。建模需要的徑流數(shù)據(jù)來源于中國水文年鑒黃河流域水文資料，包括尕日得、尕大灘、天堂、連城、享堂共5個(gè)水文站多年平均月徑流數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括降水、氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速、日照時(shí)間、相對(duì)濕度等。由于研究區(qū)地處高山區(qū)，氣象站點(diǎn)和雨量站稀少，選取流域周邊的剛察、門源、祁連、烏鞘嶺、野牛溝等共7個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2013年的氣象數(shù)據(jù)，建立天氣發(fā)生器及模型所需降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2.3 SWAT模型的運(yùn)行

建立模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之后，開始運(yùn)行模型，本研究中模型的主要運(yùn)行步驟及結(jié)果如下。

1)子流域提取。首先加載流域DEM數(shù)據(jù)，確認(rèn)所采用的投影信息無誤后計(jì)算水流流向和流量累積柵格，設(shè)定最終的最小水道集水面積閥值為 45 000 hm2，模型自動(dòng)生成流域河網(wǎng)。最后將享堂水文站設(shè)為流域總出口，模型自動(dòng)將流域劃分為13個(gè)子流域(圖4)。

2)水文響應(yīng)單元(HRU)的劃分。HRU是指同一個(gè)子流域內(nèi)有著相同土地利用類型、土壤類型和坡度等級(jí)的區(qū)域，是SWAT模型運(yùn)行的最小單元。在對(duì)土地利用類型圖、土壤圖及坡度重分類和疊加分析后，根據(jù)大通河流域?qū)嶋H情況，設(shè)置土地利用閥值為11%，土壤面積為12%，坡度等級(jí)為11%，將大通河流域劃分為94個(gè)HRU。

3)氣象數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及模型運(yùn)行。HRU劃分完成之后，將整理好的氣象數(shù)據(jù)及氣象站點(diǎn)位置加載進(jìn)模型，然后運(yùn)行模型。模擬時(shí)間段選為月，預(yù)熱期選擇3年。本研究選擇大通河流域享堂水文站1978-1982年的月平均徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，1983-1986年的月平均徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 大通河流域13個(gè)子流域的分布因覆蓋區(qū)域過小，子流域10在圖中未顯示
Fig.4 Division of 13 sub-basins of Datong river in SWAT modelSubbasin 10 is nto shown due to its small size

3 SWAT模型運(yùn)行結(jié)果分析

3.1 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

一般選擇納什效率系數(shù)[14](確定性系數(shù)，Ens)、實(shí)測值與模擬值的相對(duì)誤差(Re)及線性擬合系數(shù)(R2)3個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)模型的模擬效果[16-18]。通常，Ens和R2越大，實(shí)測值(Q實(shí)測，i)與模擬值(Q模擬，i)的相對(duì)誤差(Re)越小，模擬效果越好。如果Ens=1，則Q實(shí)測，i=Q模擬，i；如果Ens<0，說明模型模擬值比實(shí)測值可信度更低，不具有代表性，通常取Ens≥0.5作為徑流模擬效率合格的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。R2越接近1，說明模擬徑流量與實(shí)測徑流量越接近(模擬徑流對(duì)實(shí)測徑流的解釋度越高)，通常取R2≥0.6作為模擬擬合度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而Re通常要控制在±20%以內(nèi)。

3.2 模型運(yùn)行結(jié)果

采用享堂水文站1978-1986年的實(shí)測徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。用1978-1982年的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)，校準(zhǔn)期內(nèi)月徑流模擬值與實(shí)測值對(duì)比見圖5-A，散點(diǎn)圖見圖5-B。

圖5 大通河流域校準(zhǔn)期(1978-1982年)SWAT模型模擬徑流與實(shí)測徑流的對(duì)比(A)和散點(diǎn)圖(B)

由圖5可以看出，模型模擬的徑流過程線與實(shí)測結(jié)果整體上吻合較好。校準(zhǔn)期內(nèi)月徑流模擬值與實(shí)測值之間的Re為0.95%，且R2=0.70≥0.6、Ens=0.69≥0.50。校準(zhǔn)完成后，采用1983-1986年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證期內(nèi)月徑流模擬值與實(shí)測值的對(duì)比圖見6-A，模擬徑流與實(shí)測徑流的散點(diǎn)圖見圖6-B。驗(yàn)證期內(nèi)的Re為-13.96%，R2、Ens分別為0.69和0.68，表明SWAT模型在驗(yàn)證期內(nèi)亦符合要求。由此可見，SWAT模型對(duì)流域適用性良好，可準(zhǔn)確描述流域的水文過程。因此，可以用SWAT模型對(duì)大通河流域的水文變化進(jìn)行模擬。

圖6 大通河流域驗(yàn)證期(1983-1986年)SWAT模型模擬徑流與實(shí)測徑流的對(duì)比(A)和散點(diǎn)圖(B)

4 結(jié) 論

本研究將SWAT分布式水文模型應(yīng)用于大通河高原流域，在收集了流域內(nèi)大量基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了大通河流域的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。利用流域范圍內(nèi)1978-1986年水文氣象資料以及下墊面空間分布信息，建立大通河流域徑流的SWAT模型，模擬了月平均流量的變化過程，探討SWAT模型在高原流域的適用性，為大通河流域徑流模擬提供了模型基礎(chǔ)。

根據(jù)流域的DEM、土地利用、土壤分布等數(shù)據(jù)，由SWAT模型自動(dòng)將整個(gè)研究區(qū)分為13個(gè)子流域、94個(gè)水文單元，結(jié)合流域1978-1982年實(shí)測徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的率定，并通過1983-1986年實(shí)測徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明，SWAT模型校準(zhǔn)期(1978-1982年)的線性擬合系數(shù)、月平均流量相對(duì)誤差以及納什效率系數(shù)分別0.70，0.95%和 0.69；驗(yàn)證期(1983-1986年)的線性擬合系數(shù)、月平均流量相對(duì)誤差以及納什效率系數(shù)分別為0.69，-13.96%和0.68。說明SWAT模型對(duì)大通河流域徑流的模擬效果較好，可以應(yīng)用于高原流域的徑流模擬，這為大通河流域水資源綜合管理、可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

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SWAT model based runoff simulation of Datong river basin

WU Heng-qing1,2,LIU Sai-yan1,HUANG Qiang1,ZHANG Jie-tan3,LI Yun-yun1

(1StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2ShenzhenXiliReservoirManagementDepartment,Shenzhen,Guangdong518055,China;3StateGridinQinghaiElectricPowerCompany,Xining,Qinghai810000,China)

【Objective】 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model was used to simulate flow of Datong river basin to provide scientific basis for water resources planning and management.【Method】 Based on meteorology and hydrology information,terrain,land use and soil type of Datong river,SWAT model was established and relative errorRe,linear degreeR2and Nash efficiency coefficientEnswere used to evaluate simulation results.【Result】 The linear degreeR2,relative errorReand Nash efficiency coefficientEnsof calibration (from 1978 to 1982) and validation period (from 1983 to 1986) were 0.70,0.95% and 0.69 and 0.69,-13.96% and 0.68,respectively,indicating that SWAT model was suitable for simulating flow of Datong river basin.【Conclusion】 SWAT model was suitable for Datong river basin.

Datong river;runoff simulation;SWAT model

時(shí)間:2015-08-05 08:57

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.030

2014-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51190093，51309188，51179149)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2012KCT-10)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20116118110009)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13JS069)

吳恒卿(1976-)，男，廣東雷州人，博士，主要從事水文學(xué)與水資源系統(tǒng)工程研究。 E-mail：waterwu2004@126.com

黃 強(qiáng)(1958-)，男，四川梓潼人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水文學(xué)與水資源系統(tǒng)工程研究。 E-mail：sy-sj@xaut.edu.cn

TV213.4

A

1671-9387(2015)09-0210-07

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