冀瑞鋒，王瑞芬

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

1 研究區(qū)概況

介休屬太岳山脈，地處太岳山北部，整個(gè)地勢(shì)呈南高北低形態(tài)，平川、丘陵、山區(qū)各占三分之一，大部分面積海拔高度介于740 m～2487 m之間，主峰有綿山、天峰山等，最高峰在綿山艾蒿坡，最低處位于汾河出境的義棠鎮(zhèn)田村。介休北部為平原，地勢(shì)開闊，土壤肥沃，是全區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要基地；中部為起伏緩和的丘陵區(qū)；南部為分布較廣的山區(qū)。

2 模型結(jié)構(gòu)

分布式水文物理模型（Soil and Water Assessment Tool）是研究流域水文、生態(tài)、環(huán)境問題的重要工具，同樣也是研究自然界中土壤、生態(tài)等與水文之間的關(guān)系的基礎(chǔ)[1]。SWAT模型在水資源研究和非點(diǎn)源污染研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。改進(jìn)的SWAT模型對(duì)比實(shí)測(cè)和模擬徑流系列的相對(duì)誤差（Re）、相關(guān)平方系數(shù)（R2）以及Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NS為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到SWAT模型在地理位置、地形及氣候各異地區(qū)的徑流模擬均有較好的適應(yīng)性的結(jié)論，采用模型參數(shù)移用的方法，可快速獲得工程所在地與降雨相同年限的徑流系列[2～3]。

2.1 數(shù)字高程模型（DEM）

汾河流域汾河二壩—義棠之間流域改進(jìn)后SWAT模型構(gòu)建采用的數(shù)字高程模型（DEM）是對(duì)地形地貌離散狀況的數(shù)字表達(dá)，也是水文模型的水系生成、子流域劃分和水文過程模擬的關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)?？紤]到建模中氣象和水文站點(diǎn)的密度及模型模擬效率，將DEM網(wǎng)格處理成500 m×500 m分辨率網(wǎng)格。

2.2 子流域劃分

在Arcgis界面下選擇4×108m2為臨界集水面積，DEM數(shù)據(jù)中包含了豐富的地形、地貌及水文信息，基于網(wǎng)格的DEM已提出了多種算法計(jì)算水流路徑、自動(dòng)生成河網(wǎng)和進(jìn)行子流域劃分等。這些算法都已成功集成到GIS軟件及各種水文分析軟件中[4]，通過對(duì)DEM圖的處理計(jì)算，將義棠以上流域劃分為36個(gè)子流域[5]（見圖1）。其中的兩個(gè)子流域涵蓋了整個(gè)介休市。

圖1 汾河二壩—義棠之間流域子流域劃分圖

2.3 土地利用數(shù)據(jù)庫

土地利用類型是重要的下墊面信息，可以反映不同的土地覆蓋及水文特性，在產(chǎn)匯流的過程中非常關(guān)鍵。本次采用汾河流域2000年比例尺為1∶25萬的土地覆蓋數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)內(nèi)容包括森林、草地、農(nóng)田、聚落、濕地與水體、荒漠等6個(gè)一級(jí)類型和25個(gè)二級(jí)類型。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建過程中，采用Arcgis軟件合并獲取的研究區(qū)土地利用類型圖，并采用流域邊界對(duì)其進(jìn)行切割，從而得到研究區(qū)的土地利用類型圖。建立土地利用類型查找表，當(dāng)改進(jìn)后SWAT模型加載土地利用類型圖成功后對(duì)其進(jìn)行重分類，并最終得到改進(jìn)后SWAT模型構(gòu)建所需的土地利用類型圖。研究區(qū)土地利用重分類和重分類后的土地利用類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1，重分類后研究區(qū)的土地利用類型圖見圖2，其中耕地和林地占了主要部分。

圖2 汾河二壩—義棠之間流域土地利用圖

表1 研究區(qū)土地利用重分類和重分類后的土地利用類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 土壤數(shù)據(jù)庫

分布式水文模型中，土壤的類型以及土壤物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)于流域內(nèi)部水量的調(diào)節(jié)、降水在土壤中的下滲、側(cè)向運(yùn)動(dòng)，有較大的重要性。本次采用汾河義棠以上流域1∶100萬土壤分布圖，根據(jù)流域的實(shí)際情況進(jìn)行概化處理，最終重分類出7類土壤類型，具體見圖3。

圖3 汾河二壩—義棠間流域土壤類型圖

具體數(shù)據(jù)庫建立步驟包括：

（1）查詢中國土壤數(shù)據(jù)庫，獲得相關(guān)土壤類型的有效信息（土層厚度，有機(jī)質(zhì)含量，國際制下的顆粒比重等）；

（2）采用雙參數(shù)修正的經(jīng)驗(yàn)邏輯生長模型將國際制轉(zhuǎn)化成美國制；

（3）通過SPAW軟件，計(jì)算土壤有效含水量、土層濕容重、土壤飽和滲透系數(shù)等參數(shù)；

（4）通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算土壤可侵蝕因子K。

2.5 氣象數(shù)據(jù)庫

對(duì)于劃分出來的每個(gè)子流域，SWAT模型將選取距離子流域中心最近的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，插值到流域中心位置，作為整個(gè)子流域的面數(shù)據(jù)。本次采用的4個(gè)氣象站點(diǎn)，主要收集了改進(jìn)后SWAT模型所需要的逐日降雨資料，日最高最低溫度、平均相對(duì)濕度、輻射量、平均風(fēng)速。由于這些變量的空間分布差異相對(duì)較小，且4個(gè)氣象站空間分布相對(duì)均勻，本次直接使用。文中采用氣象站點(diǎn)的詳細(xì)信息見表2。

表2 汾河二壩—義棠之間流域氣象站點(diǎn)位置信息

2.6 重點(diǎn)斷面徑流過程模擬

由于介休市行政區(qū)劃邊界較小，數(shù)據(jù)難以獲取，為了保證獲取更高精度的結(jié)果，本研究同時(shí)采用中國氣象網(wǎng)上發(fā)布的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集和氣象站點(diǎn)的降水量求解面平均雨量，站點(diǎn)分布見圖4。

圖4 介休市及周邊雨量站點(diǎn)分布圖

利用2004年～2013年的數(shù)據(jù)用于率定好的SWAT模型的檢驗(yàn)，義棠站實(shí)測(cè)模擬月徑流結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)及對(duì)比圖見表3和圖5。

表3 介休市改進(jìn)SWAT模型月模擬率定檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 改進(jìn)后SWAT模型模擬的義棠斷面徑流過程

以2004年～2013年義棠斷面流量過程驗(yàn)證率定后改進(jìn)的SWAT在介休市的適用性，模擬結(jié)果的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.751，相關(guān)系數(shù)為0.892，水量平衡系數(shù)為0.98，模型模擬效果較好，證明參數(shù)在嵌套式流域區(qū)劃中是可行的，移植性高。因此，所率定得到的改進(jìn)SWAT模型在介休市地表水資源狀況模擬中有較好的適用性。

2.7 重要河流徑流量模擬

34號(hào)子流域和36號(hào)子流域涵蓋了介休市整個(gè)行政區(qū)，34號(hào)子流域涵蓋了介休市張澗河和樊王河等支流及流經(jīng)介休市部分汾河的上半段，36號(hào)子流域涵蓋了介休市的龍鳳河、侯堡河及流經(jīng)介休市汾河的剩余部分。結(jié)合全國水資源綜合規(guī)劃技術(shù)大綱，研究采用34號(hào)子流域和36號(hào)子流域模型輸出的產(chǎn)流量計(jì)算重要河流的徑流量，作為地表水資源量。以驗(yàn)證期2004年～2012年為例，見圖6。

圖6 基于改進(jìn)SWAT模擬的介休市地表水資源量

2.8 土壤含水量模擬

由于在構(gòu)建SWAT土壤庫時(shí)，依據(jù)類型的不同設(shè)定不同的層數(shù)，SWAT模型輸出為子流域各時(shí)段末土壤剖面的含水量，單位為mm，研究中將毫米土壤含水量轉(zhuǎn)化為土壤含水率，34號(hào)和36號(hào)子流域土壤含水率的模擬過程見圖7、圖8。

由圖7、圖8可以看出，34號(hào)子流域土壤含水率均值在0.25左右，而36號(hào)子流域的土壤含水率均值在0.2左右，36號(hào)子流域土壤含水率降低，與介休市地下水開采量大相關(guān)，涵蓋介休市大部分的36號(hào)子流域因?yàn)橥恋乩煤腿藶榈叵滤_采量大造成土壤含水率相對(duì)較低。

2.9 蒸散發(fā)量模擬

改進(jìn)SWAT模型輸出ET為時(shí)間步長內(nèi)子流域的實(shí)際蒸散發(fā)量。研究利用改進(jìn)后的SWAT模擬了2000-2013年的ET，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后分析了介休市14年來的ET時(shí)空格局變化，為后續(xù)相關(guān)規(guī)劃提供依據(jù)。

3 模擬結(jié)果

模型的率定就是尋找使模型的模擬值與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)值盡可能一致的參數(shù)。文中采用SWAT-CUP軟件自帶的SUFI-2模塊進(jìn)行參數(shù)的自動(dòng)率定。對(duì)每一個(gè)控制區(qū)域，選取參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，以義棠控制站1981年～2003年月徑流量Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NS為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行SWAT月模型模擬的率定，以2004年～2013年月數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。各區(qū)域的的率定驗(yàn)證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)見表4(率定驗(yàn)證期的第一年為模型預(yù)熱期)，并給出了實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)。

表4 SWAT模型月模擬率定檢驗(yàn)結(jié)果

汾河二壩—義棠之間流域所構(gòu)建的SWAT模型，對(duì)1981-2013整個(gè)模擬期的模擬結(jié)果見圖9，整個(gè)模擬期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.842，相關(guān)系數(shù)為0.931，模型模擬效果較好。

圖9 SWAT模型模擬的徑流(1981年～2013年)

4 結(jié)語

應(yīng)用改進(jìn)后的SWAT模型，對(duì)介休市水過程模擬，較好的模擬了義棠斷面徑流過程，地表水資源量、土壤含水量、蒸散發(fā)量等，所構(gòu)建的SWAT模型適用性良好，為SWAT模型的發(fā)展和應(yīng)用提供有力的支持。