武海霞，任瑞瑞，陶 濤，郭愛科，耿寶江

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038；3.海河水利委員會漳河上游管理局，河北 邯鄲 056000；4.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津 300000)

伴隨著流域內(nèi)人口增加，城市化發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速增長，地區(qū)水資源需求量急劇增加，而河道流量減少或斷流、地下水超采嚴(yán)重、水資源污染加劇等一系列問題的存在，給流域內(nèi)水資源系統(tǒng)帶來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1- 3]。濁漳河流域是山西省重要的工農(nóng)業(yè)、能源和化工基地，近年來，隨著氣候變化和人類活動的影響，該地區(qū)的水資源緊缺和水事矛盾問題進(jìn)一步惡化[4- 6]。針對該地區(qū)的水資源問題學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)研究，高云明、萬思成等[7- 8]采用多種數(shù)理統(tǒng)計分析方法，發(fā)現(xiàn)漳河流域年徑流量呈顯著性減少趨勢，20世紀(jì)70年代中后期變異點后，年徑流量比變異點前明顯偏小。王喆[9]量化分析了氣候變化和人類活動對漳河流域地表水資源的影響，采用累積量斜率比較法分析發(fā)現(xiàn)人類活動是影響漳河上游流域地表水資源的主要因素，對地表徑流的貢獻(xiàn)率達(dá)到74.13%～91.85%。精確地模擬徑流過程是實施水資源管理的重要部分，分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)為徑流模擬和流域水文循環(huán)提供了有效手段，SWAT模型同時考慮了地形、氣象、土壤、植被、土地利用等多種因素對水文過程的影響，在模擬流域水文過程方面有著獨特優(yōu)勢，因此該模型被廣泛地應(yīng)用于徑流模擬方面的研究[10- 13]。參數(shù)率定在大尺度流域SWAT模型構(gòu)建中是非常重要的環(huán)節(jié)，參數(shù)率定結(jié)果的準(zhǔn)確性直接決定了流域模型的適用性，而水文模型參數(shù)通常采用迭代優(yōu)化算法自動率定，難以獲得唯一的數(shù)值解，異參同效現(xiàn)象給模型率定結(jié)果造成很大不確定性[14- 17]。

本文選取SWAT模型進(jìn)行濁漳河流域徑流模擬，運用SWAT-CUP內(nèi)嵌的SUFI- 2算法分析濁漳河流域參數(shù)敏感性、對所選參數(shù)進(jìn)行率定和驗證，以期為研究SWAT模型在濁漳河流域的適用程度、為該地區(qū)水資源的合理開發(fā)，保障流域地區(qū)用水安全、保持流域和諧穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

濁漳河是海河流域漳衛(wèi)河水系漳河上游的一條支流水系，地處北緯35O52′～36O31′，東經(jīng) 112O26′～113O25′之間，流經(jīng)晉中、長治兩市的 13 個縣、市、區(qū)，流域面積為 11688 km2，其具體的地理位置如圖 1所示。濁漳河流域?qū)儆谂瘻貛夂騾^(qū)，年均氣溫10 ℃左右，年均降水量為583mm。濁漳河發(fā)源于長子縣，上游分為北、南、西三大支流俗稱北源、南源、西源，呈扇形。

圖1 濁漳河流域位置

2 研究方法

2.1 SWAT模型

SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型由美國農(nóng)業(yè)研究局和德克薩斯大學(xué)于1994年聯(lián)合開發(fā)的基于過程的水文模型，可用于模擬河流小流域尺度的地表及地下水質(zhì)分布式水文模型，它可以在水文響應(yīng)單元的空間尺度上模擬地表徑流、土壤溫度、產(chǎn)沙輸沙、作物生長、養(yǎng)分(氮、磷) 流失等多種過程，可預(yù)測人類活動對水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的影響，為流域尺度的農(nóng)業(yè)管理、供水管理和氣候變化影響研究提供水循環(huán)模擬、評價和管理工具[18- 19]。該分布式水文模型在水文響應(yīng)單元上的產(chǎn)流過程基于以下水量平衡方程式：

(1)

式中，SWt—土壤最終含水量，mm；SW0—第i天的土壤初始含水量，mm；t—時間，d；Rday—第i天的降水量，mm；Qsurf—第i天的地表徑流量，mm；Ea—第i天的蒸散發(fā)量，mm；Wseep—第i天從土壤剖面進(jìn)入包氣帶的水量，mm；Qgw—第i天回歸流的水量，mm。

本次流域水文模擬可分為以下幾個步驟:①加載濁漳河流域的 DEM 數(shù)據(jù)，劃分各個子流域；②加載氣象數(shù)據(jù)以及水庫入水口的相關(guān)參數(shù)；③添加處理好后的濁漳河流域土地利用圖、土壤類型圖和坡度劃分，其后確定水文響應(yīng)單元；④啟用 SWAT 模擬運算。

2.2 SUFI- 2算法

SWAT-CUP工具內(nèi)嵌了5種算法，該工具不僅能提高參數(shù)率定效率，同時能進(jìn)行參數(shù)敏感性分析和不確定性分析。SUFI- 2 算法考慮了輸入數(shù)據(jù)、模型 結(jié)構(gòu)、參數(shù)及觀測數(shù)據(jù)等的不確定性，并將其反映在率定后的參數(shù)范圍內(nèi)，得到了比較廣泛的應(yīng)用，該算法采用 P-factor 和 R-factor 兩個指標(biāo)來評價參數(shù)的不確定性;P-factor 表示 95%置信區(qū)間包含的觀測數(shù)據(jù)的百分?jǐn)?shù)；R-factor 表示 95%置信區(qū)間內(nèi)樣本的密集程度，具體用觀測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差劃分的 95PPU區(qū)間的平均寬度來衡量。P-factor 的取值范圍是 0～100%，R-factor 的取值范圍是 0～+∞，理論上P-factor 越接近1，R-factor 越接近 0，表示模擬結(jié)果越接近觀測數(shù)據(jù)。然而P-factor的增大會導(dǎo)致R-factor增大，因此在率定的過程中需要找到兩個指標(biāo)的相對最佳值。

SUFI- 2算法步驟: ①結(jié)合已有文獻(xiàn)的經(jīng)驗以及SWAT-CUP使用手冊選擇相對較大的參數(shù)范圍;②按照SUFI- 2算法要求，設(shè)定參數(shù)范圍等文件并選擇目標(biāo)函數(shù);③對參數(shù)的推薦范圍進(jìn)行多次迭代，直至迭代結(jié)果符合要求停止。

3 模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

SWAT模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)字高程(DEM)、土壤、土地利用類型和水文和氣象測站系列數(shù)據(jù)等，模型所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的詳細(xì)描述見表 1，數(shù)字高程(DEM)如圖2所示。DEM數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)站，河網(wǎng)水系圖來源于國家基礎(chǔ)地理中心，土壤數(shù)據(jù)來源于HWSD數(shù)據(jù)庫，初始土地利用圖通過數(shù)字化海河流域南部的土地利用圖片得到，氣象數(shù)據(jù)來自于SWAT官網(wǎng)1980—2011 年的日氣象數(shù)據(jù)。流域出口站點為天橋斷水文站，水文數(shù)據(jù)來源于山西省水資源公報及水文年鑒1980—2011 年月徑流實測數(shù)據(jù)。根據(jù)SWAT模型對輸入數(shù)據(jù)格式的需求對前期搜集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的土壤屬性圖及土地利用圖如圖3—4所示。

表1 SWAT 模型所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 濁漳河流域DEM圖

圖3 研究區(qū)土壤屬性圖

圖4 研究區(qū)土地利用圖

4 結(jié)果與分析

4.1 參數(shù)敏感性分析

SWAT 模型運行中參與計算的參數(shù)眾多，導(dǎo)致模型的運行時間較長，同時在很大程度上增加了模型模擬結(jié)果的不確定性，為了盡可能提高模型適用性，減少“異參同效” 現(xiàn)象，需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的敏感性分析，首先刪減掉對研究區(qū)徑流模擬結(jié)果影響較小的參數(shù)，然后進(jìn)行參數(shù)敏感性排序，選取重要的敏感性參數(shù)進(jìn)行模型的率定和驗證[20- 22]。本次研究中選用徑流曲線系數(shù)(CN2)、最大冠層蓄水量(CANMX)、淺層地下水再蒸發(fā)水位闕值(REVAPMN)、主河道水力傳導(dǎo)率(CH_K2)、降雪溫度(SMTMP)等11個參數(shù)，采用 SWAT- CUP程序中的SUFI- 2算法分別計算每個參數(shù)的敏感性，具體結(jié)果見表2。其中，T-Stat 值表示每個參數(shù)的相對重要性，它的絕對值越大，就代表這個參數(shù)越敏感。P-values 決定了一個參數(shù)敏感性的重要程度，它的值越接近于0 就代表越重要。由表2可知，敏感性排在前5位的參數(shù)依次是：CN2、CANMX、REVAPMN、ALPHA_BF、CH_K2。

表2 敏感性最終分析結(jié)果

4.2 SWAT模型率定與驗證

模型率定是使模型模擬結(jié)果接近于實測結(jié)果，驗證是評價模型模擬可靠性。本次研究設(shè)定1980—1985年作為模型預(yù)熱期，以降低SWAT模型初始值自動默認(rèn)為0對模擬精度的影響；1986—2005年為模型的校準(zhǔn)期，2006—2011年為驗證期，以此來驗證模型的可靠性和適用性。

本次模擬結(jié)果的適用性評價標(biāo)準(zhǔn)采用確定性系數(shù) R2 和納什效率系數(shù) NS(Nash-Suttcliffe)，兩個評價指標(biāo)的計算方法分別如下：

(2)

(3)

式中，n—模擬序列長度；Qm—實測徑流量，m3/s；Qp—模擬徑流量，m3/s；Qm，avg—實測平均徑流量，m3/s；Qp，avg—模擬平均年徑流量，m3/s。

研究區(qū)流域出口天橋斷水文站點率定和驗證評價指標(biāo)通過SUFI- 2算法實現(xiàn)，結(jié)果見表3，確定性系數(shù)R2和納什效率系數(shù)NS均在0.7以上，說明模型模擬精度滿足要求。

表3 天橋斷水文站率定和驗證結(jié)果

天橋斷站在率定期和驗證期的實測值和模擬結(jié)果擬合過程如圖5—6所示，由此看出，總體擬合程度較好。

圖5 率定期天橋斷站點觀測值和模擬月徑流量過程

圖6 驗證期天橋斷站點觀測值和模擬月徑流量過程

5 結(jié)語

本文對濁漳河流域的水文過程通過SWAT模型進(jìn)行了模擬研究，分析了模型參數(shù)的敏感性、對模型參數(shù)進(jìn)行了率定及驗證。通過以上研究內(nèi)容，結(jié)論如下：

(1)基于SWAT模型自帶的敏感性分析模塊結(jié)合 SWAT-CUP 軟件進(jìn)行參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)：影響研究區(qū)地表徑流的參數(shù)排在前3位的是徑流曲線系數(shù)(CN2)、最大冠層蓄水量(CANMX)及淺層地下水再蒸發(fā)系數(shù)(REVAPMN)。

(2)基于SUFI- 2 算法進(jìn)行參數(shù)的自動率定及驗證，評價SWAT模型在該流域的適用性，結(jié)果表明模型率定期和驗證期的確定性系數(shù)R2值分別為0.83與0.79，納什效率系數(shù)NS分別達(dá)到0.83與0.76，模擬精度滿足要求，可以進(jìn)一步應(yīng)用于濁漳河流域水文模擬方面的相關(guān)研究。