SWAT 模型在藥鄉(xiāng)小流域的徑流模擬研究

孟令超,顏宏亮*,李浩宇,劉鴻敏,付延凱,劉汝學(xué)

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018 2.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院,吉林綏化152061

SWAT 模型在藥鄉(xiāng)小流域的徑流模擬研究

孟令超1,顏宏亮1*,李浩宇2,劉鴻敏1,付延凱1,劉汝學(xué)1

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018 2.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院,吉林綏化152061

SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心1994年開發(fā)的具有很強(qiáng)物理機(jī)制的流域水文模型，能夠準(zhǔn)確地對不同氣候、下墊面等情景的水文要素變化進(jìn)行模擬及預(yù)測。本文以泰山藥鄉(xiāng)小流域為研究對象，使用SWAT模型對2012年逐日徑流量進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，校準(zhǔn)期和驗證期的相對誤差Re分別為4.5%和7.0%；相關(guān)系數(shù)R2分別為0.72和0.85；Nash Suttcliff效率系數(shù)分別為0.78和0.87。模型模擬精度高于其評價標(biāo)準(zhǔn)（Ens＞0.5，R2＞0.6），說明SWAT模型適用于該小流域，且模擬效果較好，可以應(yīng)用于與該小流域徑流相關(guān)的各種模擬分析，研究該區(qū)域的生態(tài)健康狀態(tài)。

SWAT模型;參數(shù)敏感性分析;徑流模擬;藥鄉(xiāng)小流域

SWAT模型(Soil and WaterAssessment Tool)是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)的農(nóng)業(yè)研究中心1994年開發(fā)的一個具有很強(qiáng)物理機(jī)制的流域水文模型。可以模擬較大范圍復(fù)雜流域內(nèi)的水文過程和多種非點源污染負(fù)荷（如泥沙、殺蟲劑、營養(yǎng)物質(zhì)等）隨時間、空間的遷移變化情況，以及預(yù)測氣候、土地利用、管理措施等的變化對流域產(chǎn)水、產(chǎn)沙、水環(huán)境污染等過程的長期影響。該模型結(jié)合了地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)等新技術(shù)，是集數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)學(xué)計算、空間數(shù)據(jù)處理、結(jié)果可視化表達(dá)等功能于一身的先進(jìn)的大型分布式流域水文模型。本研究利用SWAT模型，以藥鄉(xiāng)小流域數(shù)字高程圖、土地利用圖、土壤圖以及氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資料，根據(jù)研究區(qū)的氣候、水文、土壤、植被等區(qū)域特點，對模型在該小流域徑流模擬研究中所涉及的參數(shù)進(jìn)行率定，并對黃尖山測流站日徑流量進(jìn)行模擬與驗證，構(gòu)建了適合該小流域的SWAT水文模型。目前SWAT模型在我國的徑流模擬：李星等[1]以2002～2008年逐月徑流量對黃土丘陵區(qū)燕溝流域進(jìn)行了模擬。王杰等[2]模擬昆明市松華壩水源區(qū)。張小詠等[3]構(gòu)建了用以模擬長江源區(qū)的SWAT水文模型。李曼曼[4]將洱海流域劃分成85個子流域和943個水文響應(yīng)單元，并利用2004～2008年的月、日實測徑流資料進(jìn)行SWAT模型模擬。石嵐等[5]構(gòu)建了以黃河萬家寨水庫流域河口鎮(zhèn)至萬家寨壩址區(qū)間為研究區(qū)域的SWAT模型。羅睿等[6]利用黃河中游干旱半干旱區(qū)三川河流域資料，模擬了該流域的月平均流量過程，分析了月徑流量的變化特征。林桂英[7]以泉州南安市石壁水庫流域為研究對象建立SWAT模型。王鵬[8]模擬了岔路河星星哨水庫以上流域1995～2000年的月徑流量。謝淼等[9]收集了石頭口門水庫流域的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了SWAT模型。吳軍等[10]選取漢江上游馬道流域，率定出運(yùn)用SWAT月模擬效果最佳時的各參數(shù)值。楊巍等[11]模擬了大伙房水庫匯水區(qū)徑流變化。胡雅杰[12]以馬蓮河上游環(huán)江流域為研究對象進(jìn)行徑流模擬研究。李星[13]模擬研究了黃土高原丘陵區(qū)燕溝流域水量平衡、溝道徑流量及其土地利用變化下的水文響應(yīng)狀況。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地理位置

藥鄉(xiāng)小流域位于山東省泰安市城市水源地黃前流域，行政上屬泰安市大津口鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)E117°05＇39″～117°09＇26″，N36°17＇58″～36°20＇30″，總面積9.45 km2。地處北方土石山區(qū)魯中南山地丘陵區(qū)西北部，所屬一級流域為黃河流域，支流為大汶河。

1.2 水文氣象

該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶詠啙駶櫦撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫為18.5℃，≥10℃的活動積溫3821℃，無霜期196 d，多年平均降水量758 mm，實測最大年降水量1303 mm（1964年），最小年降水量334.4 mm（1989年），75%的降水集中在6～9月。多年平均日照時數(shù)2648 h。由于降雨集中，常出現(xiàn)冬干、春旱、初夏旱、盛夏暴雨等自然災(zāi)害。

1.3 地形土壤

流域地形東、北、西三面環(huán)山，海拔280 m～950 m，平均海拔高度530 m。侵蝕剝蝕巖溶構(gòu)造地貌，溝壑密度6.67 km/km2，主溝比降18.23‰。流域內(nèi)出露巖石主要為花崗片麻巖風(fēng)化層，也有零星火成巖和變質(zhì)巖分布。土壤類型主要是棕壤，棕壤呈微酸性，pH值在6.0左右。

1.4 植被狀況

流域內(nèi)主要為人工林植被類型，包括落葉闊葉林、針葉林、經(jīng)濟(jì)林和農(nóng)田植被等，另外有次生灌叢和草叢植被。主要樹種有麻櫟、側(cè)柏、赤松、刺槐、油松、五角楓、日本落葉松、板栗、核桃、山楂等；灌草植物主要有胡枝子、照山白、繡線菊等。土地利用類型主要為有林地、耕地和灌草地。

2 研究方法

2.1 模型所需數(shù)據(jù)

2.1.1 數(shù)字高程圖本研究采用藥鄉(xiāng)小流域遙感影像，利用ARCGIS 10.1處理成分辨率為0.5 m的DEM圖（見圖1）。

圖1 藥鄉(xiāng)小流域數(shù)字高程圖Fig.1 The digital elevation model of Yaoxiang Small Watershed

圖2 藥鄉(xiāng)小流域土地利用現(xiàn)狀圖Fig.2 The present land-use map of Yaoxiang Small Watershed

2.1.2 土地利用圖土地利用圖是把遙感圖像數(shù)字化，根據(jù)黃河流域土地利用現(xiàn)狀分類及遙感解譯標(biāo)志編號，并轉(zhuǎn)化為SWAT可以讀取的代碼[14]（土地利用分類對照見表1、土地利用圖見圖2）。

2.1.3 土壤類型圖土壤數(shù)據(jù)包括土壤空間分布數(shù)據(jù)和土壤物理屬性數(shù)據(jù)[15]。由于藥鄉(xiāng)小流域較小其土壤分布比較單一，偏酸性棕壤占大部分，故作近似為全部是偏酸性棕壤。土壤的物理屬性數(shù)據(jù)主要包括土層厚度、砂粉、粘土、容積密度、有機(jī)炭、有效含水率、飽和水力傳導(dǎo)率、有效田間持水量等。查閱山東省土壤志資料可得到SOL-ZMX、SOL-CRK、SOL-Z等參數(shù)。由于模型自帶的土壤數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和中國現(xiàn)有的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致，所以要利用該模型就需要將中國土壤數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（國際制）轉(zhuǎn)成美國制的土壤數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用MATLAB軟件編程進(jìn)行3次樣條插值法計算得到以美制標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的CLAY、SILT、SAND、ROCK百分含量，應(yīng)用SPAW計算程序估算土壤可利用有效水量、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)[16]。（各土壤物理屬性的獲取方式見表2）。

2.1.4 氣象數(shù)據(jù)SWAT模型中的氣象觀測所需數(shù)據(jù)主要包括降水、最高氣溫、最低氣溫、輻射、風(fēng)速和相對濕度等，數(shù)據(jù)來源藥鄉(xiāng)林場西門氣象站整編的逐日觀測資料，將其錄入到Excel后，以DBF格式文件存貯。

2.1.5 徑流數(shù)據(jù)把黃尖山測流堰的逐日測流量以DBF格式存儲。

表1 藥鄉(xiāng)小流域土地利用分類對照Table 1 The classification comparison of land use in Yaoxiang Small Watershed

2.2 流域劃分及水文響應(yīng)單元確定

水文響應(yīng)單元（HUR）是指同一個子流域內(nèi)具有相同土地利用類型和土壤類型的組合，是在子流域的基礎(chǔ)上劃分的最小地塊單元[17]。通過河網(wǎng)連接起這些子流域，進(jìn)而利用河道演算得出在流域出口處的產(chǎn)流量。本文將藥鄉(xiāng)小流域最終劃分為47個子流域，由于各子流域內(nèi)土壤及土地利用類型并不相同，根據(jù)不同的土壤和土地利用類型進(jìn)一步將各個子流域劃分為73個水文響應(yīng)單元。

表2 模型土壤物理屬性Table 2 The soil physical property sheet in the model

3 藥鄉(xiāng)小流域徑流參數(shù)率定與模擬結(jié)果

3.1參數(shù)敏感性分析及率定

在模擬中敏感性明顯的參數(shù)依次為：CN2（SCS徑流曲線系數(shù)）、ESCO(土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù))、SOL-AWC（土壤有效含水量）、ALPHA-BF（基流消退系數(shù)）、GW-REVAP（地下水蒸發(fā)系數(shù)）并對這幾個參數(shù)進(jìn)行率定。參數(shù)率定所遵循的原則是：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[18]。（參數(shù)敏感性排序及率定結(jié)果見表3）。

表3 SWAT模型參數(shù)率定值Table 3 The parameter valuing of the SWAT model

3.2 模擬結(jié)果分析

本文選用相對誤差Re、相關(guān)系數(shù)R2和Nash Suttcliffe系數(shù)Ens3個指標(biāo)來評價SWAT模型的適用性。

（1）相對誤差Re

其表示模擬值與實測值得相對誤差。其為正值，說明模型預(yù)測或模擬值偏大；其為負(fù)值，說明模型預(yù)測或模擬值偏小；其為零，則說明模型模擬結(jié)果與實測值正好吻合[19]。其計算公式為：

式中：tP為模擬值，tQ為實測值。

（2）相關(guān)系數(shù)R2

其用于評價模擬值和實測值之間的吻合程度，可以由Excel線性回歸法求得[19]。其值常介于0與1之間，愈接近1，說明實測值與模擬值線性相關(guān)程度愈高，一般認(rèn)為其大于0.6結(jié)果即合理。其計算公式為：

式中：Qoi為實測流量，o為為實測流量平均值，Qsi為模擬流量，Qs為模擬流量平均值。

（3）Nash Suttcliffe系數(shù)Ens

Ens是一個整體綜合指標(biāo)，可以定量表征對整個徑流過程的擬合程度[19]，該值是描述模擬值對觀測值的擬合精度的無量綱統(tǒng)計參數(shù)，一般取值范圍在0～1之間。Ens=1時，說明模擬最好，而當(dāng)Ens＜0時，說明模擬平均值比實測平均值的可信度低，一般當(dāng)Ens大于0.5時，模擬效果合理。其計算公式為：

式中：PQ為實測值，0Q為模擬值，avgQ為實測平均值，n為實測數(shù)據(jù)個數(shù)。

選用2012年1～6月的藥鄉(xiāng)小流域?qū)崪y的日徑流數(shù)據(jù)與模擬值進(jìn)行校準(zhǔn)，并將模型校準(zhǔn)過程中所得到的參數(shù)，應(yīng)用到2012年7～12月的實測資料進(jìn)行模型驗證。（模擬結(jié)果見圖3、圖4，結(jié)果分析見表4）

圖3 校準(zhǔn)期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of the observedand simulatedvalues of daily discharge in the calibration period

圖4 驗證期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.4 Comparison of the observed and simulated values of dailydischarge in the validation period

表4 模擬評價結(jié)果Table 4 The simulation results

4 討論

由于SWAT模型本身的限制（如模型自帶的數(shù)據(jù)庫是針對美國流域水文結(jié)構(gòu)、土壤、植被設(shè)計的，其標(biāo)準(zhǔn)與我國數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)不一致，同時該模型描述某些過程的經(jīng)驗公式不適用于我國的某些流域[20]）及藥鄉(xiāng)小流域數(shù)據(jù)有限造成了模擬的精度不是很高，這需要我們進(jìn)一步的研究SWAT模型的適應(yīng)性改進(jìn)，并監(jiān)測收集更多的數(shù)據(jù)以研究小流域的生態(tài)健康狀態(tài)。

5 結(jié)論

應(yīng)用SWAT模型建立了適合藥鄉(xiāng)小流域的分布式水文模型，并建立了該研究區(qū)的土壤屬性數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的土地利用數(shù)據(jù)庫。通過模型敏感性分析和校準(zhǔn)、驗證，結(jié)果表明，模擬校準(zhǔn)期和驗證期的相對誤差分別為4.5%和7.0%，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.72和0.85，Nash Suttcliff效率系數(shù)分別為0.78和0.87。模型模擬精度高于評價標(biāo)準(zhǔn)（Ens＞0.5，R2＞0.6），說明SWAT模型適用于該小流域，且模擬效果較好，可以應(yīng)用于與該小流域徑流相關(guān)的各種模擬分析，研究該區(qū)域的生態(tài)健康狀態(tài)。

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The Runoff Simulation of SWAT Model in Yaoxiang Small Watershed

MENG Ling-chao1,YAN Hong-liang1,LI Hao-yu2,LIU Hong-min1,FU Yan-k ai1,LIU Ru-xue1
1.The College of Water Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China 2.The College of Agriculture and Water Conservancy Engineering,Suihua College,Suihua 152061,China

The SWAT model developed by the United States department of agriculture(USDA)agricultural research center in 1994 is a strong physical mechanism Watershed hydrological model.It can accurately simulate and predict the different underlying surface runoff.In this paper,we take Yaoxiang Small Watershed in Mount tai as the research object.We study on the daily runoff of Yaoxiang small watershed in 2013 by SWAT model.The results show that on a regular basis and validation period,the simulation rate relative errors(Re)are 4.5%and 7%,correlation coefficients(R2)are 0.72 and 0.85，Nash Suttcliff efficiency coefficients are 0.78 and 0.87.Model simulation accuracy is higher than the evaluation criteria(Ens＞0.5,R2＞0.6). This conclusion explains that the SWAT model is suitable for the small watershed,and simulation result is better.So it can be applied to a variety of simulated runoff associated with the small watershed.It also can be used to studying the ecological health of the region.

The SWAT model;parameter sensitivity analysis;runoff simulation;Yaoxiang small watershed

TV213.9

A

1000-2324(2014)03-0423-06

2012-03-31

2012-07-01

孟令超(1988-),男,研究生,主要從事水利水電工程設(shè)計理論與管理運(yùn)行和生態(tài)水利工程的研究.E-mail:mlch 8868@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:ss-yhl@163.com