基于SWAT模型的忠縣蝦子嶺流域地表徑流特征淺析

盧曉寧，韓建寧，熊東紅，鄧 偉，劉志紅

（1.成都信息工程學院，成都 610225；2.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041）

基于SWAT模型的忠縣蝦子嶺流域地表徑流特征淺析

盧曉寧1，韓建寧1，熊東紅2，鄧 偉2，劉志紅1

（1.成都信息工程學院，成都 610225；2.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041）

從重慶市忠縣地理位置的典型性和敏感性，生態(tài)環(huán)境的脆弱性，水利設施布設的必要性和蝦子嶺流域研究前景的優(yōu)越性出發(fā)，借助于SWAT模型，對忠縣蝦子嶺流域地表徑流特征進行時空分析，用于確定急需進行水量調(diào)控的區(qū)域，為區(qū)域徑流調(diào)控體系的布設提供理論依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，地表徑流量多的東部區(qū)域已經(jīng)布設了較多數(shù)量的蓄水工程，流域西部區(qū)域應成為未來調(diào)蓄水工程布設的重點考慮區(qū)域，但工程布設后調(diào)蓄水時間的選擇不能僅僅依賴地表徑流量的多少，而應進一步結(jié)合作物需水量的計算，最終確定合理而科學的攔蓄水時間。

SWAT模型；徑流；時空規(guī)律；蓄水工程

1 概 述

忠縣地處重慶市東北部，三峽庫區(qū)腹地，是三峽移民搬遷的重點縣，也是一個低山丘陵的農(nóng)業(yè)大縣和貧困縣。山地丘陵是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的區(qū)域類型之一［1］，加強該類型區(qū)域耕地保護，提高土地質(zhì)量和土地生產(chǎn)力是關(guān)系到民生的問題。然而，現(xiàn)狀是，全縣呈現(xiàn)出嚴重的水土流失，流失面積高達79.7%，遠高于三峽庫區(qū)的總體平均水土流失比例58.2%［2］，具有問題的典型性和強度的突出性［3］。此外，占忠縣耕地面積44.22%的旱地，絕大部分屬中低產(chǎn)田，缺乏科學合理的水利灌溉設施。因地處三峽庫區(qū)的典型性和敏感性，耕地保護的重要性，生態(tài)環(huán)境的脆弱性，水土流失的嚴重性和水利灌溉設施的必要性，使得研究忠縣區(qū)域的水分循環(huán)、掌握區(qū)域水平衡規(guī)律［4］成為一個非常迫切的問題。這利于進行科學、合理的水量調(diào)控，且對提高水分利用效率，減少水土流失量和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)具有重要的意義。然而，因在忠縣相關(guān)這方面的研究起步較晚，研究基礎相對較為薄弱，相關(guān)研究成果很少，因此只能在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎上，先從了解區(qū)域地表徑流的時空分布特征入手，確定急需進行水量調(diào)控和水利設施布設的重點區(qū)域，解決主要問題，再循序漸進地通過更長期的監(jiān)測和研究，解決整個區(qū)域上的水量調(diào)控和水土流失的治理問題。

蝦子嶺流域位于忠縣的東偏北部，該流域鄰近中科院成都山地所的忠縣試驗站，監(jiān)測數(shù)據(jù)地理位置相對較好，具有非常優(yōu)越的進行后續(xù)深入研究的前景，因此，選擇蝦子嶺流域作為了解忠縣地表徑流時空分布特征的代表和典型流域。

SWAT（soil and water assessment tool）正是一種評估流域內(nèi)不同土壤類型、土地利用和管理條件對徑流、泥沙和溶質(zhì)影響的分布式模型。SWAT模型具有很強的物理機制，它能夠利用遙感和地理信息系統(tǒng)提供的空間信息模擬多種不同的水文物理化學過程，如水量、水質(zhì)以及殺蟲劑的輸移與轉(zhuǎn)化過程，尤其在面源污染、水土流失、土地利用和農(nóng)業(yè)管理等研究領域得到廣泛應用［5－8］。本文借助于SWAT模型，將其應用于忠縣蝦子嶺小流域，對沒有徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)卻又急需進行水量調(diào)控的蝦子嶺小流域進行地表徑流時空分布特征的分析，以確定急需進行水量調(diào)控和水利設施布設的重點區(qū)域，解決流域面臨的主要問題、主要矛盾。SWAT模型由3部分組成，分別是水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和污染負荷子模型，本文對忠縣蝦子嶺流域地表徑流時空分布特征的研究只應用了其水文過程子模型，通過將流域離散成自然子流域的方法來模擬流域的水文循環(huán)過程。

2 SWAT模型水文子模型原理簡介

SWAT對水文循環(huán)過程的模擬包括產(chǎn)流、坡面匯流和河道匯流3部分。坡面匯流和河道匯流是SWAT模型的2個獨立組成部分，本研究只進行坡面匯流部分分析，未作河道匯流分析。

SWAT徑流模擬，首先要以DEM（Digital Elevation Model）為基礎進行河網(wǎng)的生成和子流域的劃分；然后根據(jù)土地利用、土壤類型和坡度級空間分布數(shù)據(jù)在每一個子流域內(nèi)生成若干個HRU（Hydrologic Research Unit）——水文響應單元。每個HRU單獨計算徑流量，然后依據(jù)河流的拓撲關(guān)系匯流演算得到流域總徑流量。在實際的運算中，通常需要考慮到氣候、水文和植被覆蓋方面的因素。每個HRU的徑流模擬是基于水量平衡，表達式如下：

式中：SWt為土壤最終含水量（mm）；SW0為土壤初始含水量（mm）；t為時間步長（d）；Rday為第i天的降水量（mm）；Qsurf是第i天的地表徑流量（mm）；Ea是第i天的蒸發(fā)量（mm）；Wseep是第i天存在于土壤坡面底層的滲透量和測流量（mm）；Qgw是第i天的地下水含量（mm）。

SWAT模型采用SCS（Soil Conservation Service）模型CN（Curve Number）值的方法［9］和Green＆Ampt入滲方法［10］計算地表徑流。在計算蒸散發(fā)時，考慮水面蒸發(fā)、裸地蒸發(fā)和植被蒸騰，并分開模擬土壤水蒸發(fā)和植物蒸騰。潛在土壤水蒸發(fā)由潛在蒸散發(fā)和葉面積指數(shù)估算。實際土壤水蒸發(fā)用土壤厚度和含水量的指數(shù)關(guān)系式計算。植物蒸騰由潛在蒸散發(fā)和葉面積指數(shù)的線性關(guān)系式計算，并提供3種潛在蒸發(fā)計算方法：Penman Montieth［11］方法、Priestley Taylo［12］方法以及Hargreaves［13］方法供模型使用者選擇，本研究選擇第一種方法。壤中流的計算與重新分配同時進行，用動態(tài)存儲模型（Kinematics Storage Model）預測，該模型考慮到水力傳導度、坡度和土壤含水量的時空變化［14］。SWAT將地下水分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下徑流匯入流域內(nèi)河流，深層地下徑流匯入流域外河流。

3 蝦子嶺流域分布式水文模型構(gòu)建

在SWAT的ArcView界面平臺上，構(gòu)建忠縣蝦子嶺流域分布式水文模型，具體涉及以下內(nèi)容。

3.1 模型數(shù)據(jù)收集及轉(zhuǎn)化處理

水文氣象數(shù)據(jù)收集：SWAT模型模擬的最小時間步長是1 d，要求輸入的氣象要素包括日降雨量、最高最低氣溫、太陽輻射、風速和相對濕地。本研究收集的是忠縣試驗站2008年初至2009年末共2年的每日的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。

空間數(shù)據(jù)收集：SWAT徑流模擬中，高分辨率DEM是最重要的輸入數(shù)據(jù)，提供最高的DEM、土地利用、土壤分辨率能獲得精確的徑流估計［15］。因蝦子嶺流域本身很小，且前期研究較少，所有空間數(shù)據(jù)都是第一手實測資料，包括DEM、土地利用數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)，它們的空間分辨率都為1.6 m。

將DEM、土地利用和土壤類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系統(tǒng)，橫軸墨卡托投影系統(tǒng)（圖1）。蝦子嶺小流域主要土地利用類型為旱地，占研究區(qū)面積的53.98%，且這些旱地主要分布于研究區(qū)東部，研究區(qū)西南部也有一定面積的旱地分布。旱地的需水量大，這些區(qū)域是我們分析徑流規(guī)律的重點區(qū)域，也是未來進行調(diào)蓄水設施安置的重點區(qū)域。水田也是研究區(qū)非常重要的土地利用類型，占研究區(qū)總面積的17.48%，但這一土地利用類型主要分布于研究區(qū)中部的河谷低地地帶，通常情況下這一土地利用類型出現(xiàn)缺水的情況不多。林地面積占研究區(qū)總面積的14.39%，主要分布于研究區(qū)西北和東南角，尤其是處于上游西北角的林地對地表徑流起到很好的攔蓄作用。研究區(qū)內(nèi)水塘的面積最少，僅占研究區(qū)總面積的2.92%，無法滿足大面積旱地的需水要求，因此，對蝦子嶺流域進行合理而科學的調(diào)蓄水工程布設成為迫在眉睫的問題，需對蝦子嶺流域地表徑流時空分布特征進行必要研究。

圖1 蝦子嶺流域土地利用和土壤類型圖Fig.1 Maps of land use and soil type in Zhongxian County of Xiaziling watershed

蝦子嶺流域的2種主要土壤類型是中性紫色土和水稻土。水稻土主要分布于研究區(qū)中部河谷地帶，與水田的分布非常吻合，面積相對而言較少，僅占研究區(qū)面積的17.87%；而大面積發(fā)育的是四周坡耕地上的中性紫色土，面積占研究區(qū)總面積的82.13%。模型中用到土層厚度、土壤重度、有效可利用水量、土壤飽和傳導率、土壤粒徑等土壤參數(shù)數(shù)據(jù)決定土壤剖面中水和氣的運動狀況，并對HRUS中的水循環(huán)起著重要作用，通過野外實測和室內(nèi)下滲試驗取得這些數(shù)據(jù)。

將蝦子嶺流域的5種土地利用類型數(shù)據(jù)的代碼轉(zhuǎn)換為SWAT模型能識別的4位土地利用／土地覆被代碼，并建立研究區(qū)土地利用／土地覆被再分類的索引表（表1）；實測的研究區(qū)2種土壤類型的物理屬性數(shù)據(jù)還要輸入到SWAT模型的用戶土壤數(shù)據(jù)庫中，亦為每種土壤類型賦予SWAT模型可以識別的類型代碼，并建立土壤屬性信息索引表（表2）。

表1 土地利用／土地覆被索引表Table 1 Indexes of land use and land coverage

表2 土壤類型索引表Table 2 Index of Soil type

3.2 子流域劃分

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，SWAT模型能夠自動、快速地提取子流域，子流域的面積和數(shù)量可以影響模型輸出結(jié)果，這里存在一個子流域劃分的合理水平，超過這個水平的子流域劃分對模型模擬結(jié)果的影響很小。在SWAT模型支持下，我們將蝦子嶺流域劃分為50個子流域，見圖2。最大子流域為44號子流域，面積為6 663 m2，占流域總面積的5.66%，位于流域東南部。最小子流域為35號子流域，面積只有6 m2，僅占流域總面積的0.01%，在研究中通常將其忽略不計。研究區(qū)子流域的平均面積有2 356 m2，面積超過3 000 m2的子流域有17個，面積低于平均值的子流域有26個，我們關(guān)注的重點是面積大的子流域，這些子流域才是未來調(diào)蓄水設施安置的重點考慮區(qū)域。

3.3 HRU（水文響應單元）生成

將土地利用圖、土壤類型圖、以及坡度的重分類圖進行疊加分析，SWAT模型會根據(jù)不同的土壤類型、土地利用類型和坡度類型將流域劃分成多個水文響應單元。每個水文響應單元都有其唯一的土地利用類型、土壤類型和坡度類型組合，同一個水文響應單元內(nèi)的產(chǎn)流機制相似，反之則不同。在SWAT模型下，蝦子嶺流域被劃分成261個水文響應單元（圖3），最小水文響應單元的面積只有2.75 m2，最大水文響應單元面積有6 109.41m2，水文響應單元的平均面積有450.98 m2。

圖2 忠縣蝦子嶺流域水系及子流域劃分圖Fig.2 Stream system and subbasin dividing map of Xiaziling watershed in Zhongxian county

圖3 蝦子嶺流域水文響應單元劃分圖Fig.3 Hydrologic response unit dividingmap of Xiaziling watershed

加載DBF格式的研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)文件，應用ARCSWAT的Write All功能，讀入SWAT模型所需要的數(shù)據(jù)，即可進行地表徑流模擬。我們這里模擬只精確到月尺度，足以用于分析區(qū)域地表徑流的時空分布特征。因無法獲取研究區(qū)實測徑流數(shù)據(jù)，不能依據(jù)實測徑流量數(shù)據(jù)對模型輸入的參數(shù)進行率定和驗證。但是，通過將SWAT模擬得到的蝦子嶺小流域總出口的徑流系數(shù)約為0.09，與忠縣試驗站人工降雨試驗小區(qū)測得徑流系數(shù)做比較，二者比較接近，這在一定程度上可以說明應用SWAT模型對該區(qū)域進行模擬所得結(jié)果具有可信度，這一地表徑流模擬結(jié)果在一定程度上可以應用于指導忠縣蝦子嶺流域確定水量調(diào)控的重點區(qū)域，進行調(diào)蓄水工程的安置。

4 忠縣蝦子嶺流域SWAT模擬結(jié)果分析

4.1 蝦子嶺流域地表徑流空間分布特征

SWAT模型模擬到50個子流域2008至2009年的年地表徑流量，對2年的數(shù)據(jù)取平均值，作為各子流域年均地表徑流量數(shù)據(jù)，在ARCGIS9.2軟件平臺下，將其空間化，得到圖4。研究區(qū)各子流域地表徑流量平均為196.58 mm，為年均降雨量的18.70%。年徑流最大值為648.37 mm，占年均降雨量的40.41%，出現(xiàn)在49號子流域，該子流域面積相對較小，只有1 926 m2，位于研究區(qū)南部。年徑流量最小值出現(xiàn)在35號和7號子流域，35號子流域徑流量小的原因是流域面積太小，不在考慮范圍之內(nèi)；而7號子流域的面積卻很大，達到3 381 m2，但地表徑流量卻只有53.73 mm，只占各子流域地表徑流量均值的5.11%，這是因為該子流域上部有較大面積的林地分布，起到很好的水土保持功效，此外，該子流域坡度相對較為和緩，坡度最小值為0.60°，最大值只有60.43°，平均坡度只有19.31°，這在一定程度上也增強了入滲量，使得地表徑流量減少。就整個流域看，年均徑流量超過300 mm的流域有4個，它們的子流域編號分別為49，40，43，39，在空間上集中于研究區(qū)的東南角；而年均徑流量＞200 mm，＜300 mm的子流域有18個，空間上集中于研究區(qū)的東部；年均地表徑流量＜200 mm的子流域有28個，占研究區(qū)流域總面積的58.66%，且在空間上遍布于流域西部。因此，可以確定地表徑流量多的流域東部是流域缺水較為嚴重的區(qū)域，加之該區(qū)域的主要土地利用類型是耕地，因此應在該區(qū)域加強蓄水調(diào)水的工程措施的布設。目前，流域東部已經(jīng)修建了有效容積為100 m3的標準蓄水池2個，此外，很多農(nóng)戶也在自己田地內(nèi)修建了大小不一、形狀各異、質(zhì)地不等的山坪塘，用于缺水季節(jié)向耕地供水，這說明農(nóng)戶在這一區(qū)域自發(fā)布設的調(diào)蓄水工程具有一定的科學性。但是，對該區(qū)域仍需要進一步根據(jù)作物需水情況，確定是否還應在某些特需水區(qū)域進行調(diào)蓄水設施的布設。流域西部地表徑流量小，應加強蓄水和調(diào)水工程的布設，尤其是偏南部區(qū)域，因為該區(qū)域有較大的旱地用水需求，調(diào)蓄水工程除攔蓄地表徑流外，更應該攔蓄壤中流。然而，現(xiàn)狀是流域西部目前沒有任何一個標準蓄水池，且農(nóng)戶在該區(qū)域修建的山坪塘也很少。因此，該區(qū)域應成未來蓄調(diào)水工程布設的重點區(qū)域。

圖4 蝦子嶺流域年徑流量的空間分異Fig.4 Spatial variation of annual runoff in Xiaziling watershed

4.2 忠縣蝦子嶺流域地表徑流時間分布特征

因只對流域進行了2年的降雨監(jiān)測，SWAT模擬的結(jié)果只能簡單分析地表徑流的年內(nèi)分配特征，無法分析年際分布特征。根據(jù)研究區(qū)2008至2009年的逐日降雨量數(shù)據(jù)推算得到區(qū)域在這一研究時期內(nèi)的月平均降雨量，結(jié)合SWAT模型模擬得到的流域總出口和各子流域的月地表徑流量數(shù)據(jù)，繪制了流域面積大于1 000 m2的子流域及流域總出口的地表徑流年內(nèi)變化曲線圖（圖5），用以分析蝦子嶺流域地表徑流的年內(nèi)分配特征。對比圖5中的（a）、（b）、（c）和（d）圖，可以發(fā)現(xiàn)各子流域所表現(xiàn)出的地表徑流年內(nèi)變化曲線圖的特征與流域總出口的變化特征具有很強的相似性，表觀上都表現(xiàn)為在6月份出現(xiàn)地表徑流的小峰值，而到8月份達到地表徑流量的大峰值，地表徑流主要集中于6，8，9，10月份，因此我們這里只分析流域總出口的月徑流量數(shù)據(jù)來研究蝦子嶺流域地表徑流的年內(nèi)分配規(guī)律。

由2008至2010年重慶忠縣試驗站的監(jiān)測數(shù)據(jù)知，蝦子嶺流域年總徑流量為102.67 mm，平均月徑流量只有8.56 mm，徑流量主要集中于6，8，9，10月份，這4個月的地表徑流量都超過區(qū)域的平均值。最大地表徑流量出現(xiàn)在8月份，為37.11 mm，占流域年地表徑流總量的36.14%，該時期也是區(qū)域降雨量最大的時期；9月份和6月份次之，地表徑流量分別為23.65和16.77 mm，分別占區(qū)域年地表徑流總量的23.04%和16.33%；10月份的地表徑流總量為9.87 mm，占區(qū)域年地表徑流總量的9.87%。從流域地表徑流量的年內(nèi)分配看，6，8，9，10月份是攔蓄地表徑流的理想時期，但該時期降雨量亦較多，因此不能盲目地根據(jù)地表徑流量的多少來決定是否應進行地表徑流攔蓄，否則可能會造成更為嚴重的洪災；而是應該根據(jù)流域作物生長季需水情況，結(jié)合對應時期的降雨情況，確定應該進行地表徑流攔蓄的最適時期。

圖5 蝦子嶺流域典型子流域及流域總出口年內(nèi)變化曲線圖Fig.5 Annual variation of earth’s surface runoff in typical sub-basins and basin total outlet

5 結(jié) 論

一監(jiān)測數(shù)據(jù)相對較好，研究前景優(yōu)越的子流域，進行地表徑流模擬，用以淺析忠縣蝦子嶺流域地表徑流的時空分布特征，確定急需進行水量調(diào)控的區(qū)域，以指導科學而合理的調(diào)蓄水工程的布設。

文章簡單介紹了SWAT模型的水文子模塊的原理，需輸入到SWAT中的數(shù)據(jù)，并對SWAT模擬結(jié)果進行分析，淺析了忠縣蝦子嶺流域的地表徑流時空分布特征。研究分析發(fā)現(xiàn)，蝦子嶺子流域東部地表徑流量大于西部地表徑流量，結(jié)合區(qū)域調(diào)蓄水工程現(xiàn)狀，未來流域西部區(qū)域應成為調(diào)蓄水工程布設的重點考慮區(qū)域，東部區(qū)域應根據(jù)作物需水情況進一步確定是否需增設蓄水工程。就時間上看，蝦子嶺流域地表徑流主要集中于6，8，9，10月份，因此該時期是攔蓄地表徑流的理想時期，但因同期降雨量亦多，不能僅依靠地表徑流的大小來決定蓄水工程攔蓄水的時間，否則造成更為嚴重災害。

本文從忠縣進行水量調(diào)控和水利設施布設的必要性出發(fā)，在忠縣研究基礎薄弱、相關(guān)研究成果較少現(xiàn)狀的基礎上，將SWAT模型引入到忠縣蝦子嶺這

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（編輯：王 慰）

Brief Analysis of Earth’s Surface Runoff Characteristic of Xiaziling W atershed in Zhongxian County Based on SWAT M odel

LU Xiao-ning1，HAN Jian-ning1，XIONG Dong-hong2，DENGWei2，LIU Zhi-hong1
（1.Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Institue of Mountain Hazards and Environment，CAS，Chengdu 610041，China）

The reasonable allocation of a farm land water project，is an importantmethod in improving thewater resources use efficiency and fighting down natural disaster in lower hill regions.Grasping the temporal and spatial distribution of regionalwater resources，and identifying the regionalwater balance between supply and demand are the key point of the development of regionalwater project allocation scientifically and effectively，and the enhancement of regionalwater resources utilization.Considering the Zhongxian County’s representative and sensitivity of location，its vulnerability of ecological environment，its necessity ofwater conservancy facilities，and the superiority of study prospect in Xiaziling watershed，the spatial and temporal variation of Xiaziling watershed in Zhongxian County is studied with the SWATmodel to confirm the regions for urgentwater resource allocation，and then itwill provide theoretical foundation in allocation of regional runoff control system.It is found that the earth’s surface runoff in the eastern region ismuchmore than that in the western region.Since there are a greater number ofwater storage projects in eastern regions，the western region should be the focus of the next tune to consider the regionalwater storage project layout.But，the selection ofwater storage time can not simply depend on the amount of surface runoff，it should be further combined with the calculation of crop water demand，so thata reasonable and sciontific impounding timemay be ultimately determined.

SWATmodel；runoff；spatial and temporal variation；water storage project

P333；TV121

A

1001－5485（2010）11－0015－06

2010-09-10

國家科技支撐計劃課題（2008BAD98B02）；成都信息工程學院發(fā)展基金（KYTZ200807）

盧曉寧（1980-），女，山東青島人，博士，副教授，主要從事資源環(huán)境遙感方面的研究，（電話）028-85966919（電子信箱）lxn＠cuit.edu.cn。