基于SWAT模型的盤龍江流域徑流模擬

基于SWAT模型的盤龍江流域徑流模擬

楊麗萍,鄒進,潘鋒

(昆明理工大學電力學院,云南 昆明650500)

摘要：為了給日后的滇池治理和昆明市水資源保護利用提供依據,以昆明市區的盤龍江流域為研究區域,采用SWAT模型對該流域的徑流進行模擬研究,通過加載流域的DEM、土地利用、土壤類型等數據到SWAT模型,選定1999—2004年為模型參數率定期,2005—2007年為模型驗證期,對松華壩以上流域和以下流域分別進行模擬,并對模擬結果進行比較和評價。結果表明:松華壩以上區間流域的模擬相關系數R`2在0.83以上,Ens在0.80以上;松華壩以下區域的模擬相關系數R`2在0.70以上,Ens在0.58以上。即該模型對盤龍江流域具有良好的適應性,可以為盤龍江流域在不同土地利用的條件下對流域的水量、水質、泥沙進行模擬預測。

關鍵詞：徑流模擬；SWAT模型;盤龍江流域

基金項目:國家自然科學基金(41061053) 唐山市科技支撐計劃項目(14130204a) 國家青年自然科學基金(51308537);公益性行業(農業)科研專項(201303094);中央級公益性科研院所基本科研業務費專項

作者簡介:楊麗萍(1989—),女,碩士研究生,主要研究方向為水資源系統分析和管理。E-mail:ylpcherry@126.com

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0019-05

Abstract：In order to provide basis for the management of Dianchi Lake and for the conservation and utilization of water resource of Kunming in the coming days,taking Panlong River basin in the downtown of Kunming,Yunnan Province as the study area,adopting the SWAT model to simulate the runoff of this basin and uploading the data including DEM of the basin,earth utilization and the type of the earth to it,choosing the years from 1999 to 2004 as the model’s parameter calibration period and the years from 2005 to 2007 as the model’s validation period,the upstream and the downstream are simulated respectively and the results of the simulation are compared and evaluated. The results show that the R`2 and Ens of upstream drainage basin are above 0.83 and 0.80 respectively,and the R`2 and Ens of lower drainage basin are above 0.70 and 0.58 respectively,which means the model is of good adaptability to Panlong River basin and is able to simulate and predict the water volume,water quality,silt of the drainage basin under different land utilization circumstances.

收稿日期：(2015-01-05編輯：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.016 10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.005

Runoff simulation of Panlong River Basin based on SWAT model

YANG Liping,ZOU Jin,PAN Feng

(CollegeofElectricalPowerEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China)

Key words： runoff simulation; SWAT model; Panlong River Basin

滇池是國家正在努力改善的四大內地淡水湖泊之一,而盤龍江流域則是滇池一個不可忽視的入水口。隨著滇池流域經濟迅速發展、水資源開發利用加大、水污染加劇以及近幾年的連續干旱,水資源的利用難度持續增加。盤龍江流域為滇池的一個主要入水口,了解盤龍江流域的徑流過程,對滇池的治理和發展具有重要的作用。

但是過去幾年來對于盤龍江流域的水文變化過程研究,僅局限于位于上游的松華壩流域(比如，對松華壩水源保護區土地利用/土地覆被變化的研究[1-2];松華壩水源區不同林分土壤特性及其水源涵養功能[3],SWAT模型對松華壩流域水文過程和泥沙情況的模擬[4]等),對于靠近滇池及城區流域的水文過程情況幾乎沒有研究。筆者對SHE[5]、VIC[6]、TOPMODEL[7]、SWAT[8]等4個主要分布式水文模型進行對比,選定在北美、西歐等國家以及我國一些流域均取得很好應用效果的SWAT模型[9]。SWAT(soil and water assessment tool)模型是流域分布式水文模型的一種,由美國農業部研究中心研發[10]。它可以在無觀測數據或者觀測數據缺失的條件下,對大尺度復雜流域下的地表水、地下水水質及水量進行模擬,預測不同土地利用方式和管理條件對流域水文、泥沙、水質對農業、社會發展的不同影響。借助GIS和RS的強大功能,SWAT 模型可以應用在流域內部土地利用/覆被和土壤類型條件不同的復雜流域,模擬流域內復雜的水文物理過程;反映不同氣候條件(降水量、蒸發量、氣溫等)和人類活動強度下地表水文響應過程的影響[11]。

基于SWAT模型的各種模擬優勢,筆者利用ArcGIS界面的SWAT分布式水文模型建立盤龍江流域的徑流數據庫,模擬出盤龍江流域的徑流過程,在探討SWAT模型對盤龍江流域的適應性的同時,亦為日后的盤龍江流域的水質模擬奠定基礎,為盤龍江流域的水資源利用提供理論支撐。

1研究區概況

盤龍江被譽為“昆明的母親河”,全長105km,流域匯水面積735km2,是昆明市入滇河道中最大、最長的主要河道。地理區位于北緯25°3′～25°27′,東經102°40′～102°57′之間。它東流穿蟠龍橋、三家村至松華壩水庫,出庫后經上壩、落索坡、浪口、北倉等村,穿霖雨橋,經張家營等村進入昆明市區,過敷潤、寶尚、得勝、雙龍橋至螺獅灣村出市區,經官渡區流入氳岢。

松華壩水庫位于盤龍江流域的中上游,是一座將發電、灌溉、城市供水和市政景觀供水功能結合為一體的大(2)型水利樞紐工程。另外,松華壩水庫以上流域基本屬于自然狀態,植被覆蓋率較高,人為活動影響比較少;而以下流域至滇池入口處,流域都處在昆明市區中,植被覆蓋率相對較低,人為活動影響明顯。

基于研究區域內的水文站點分布,研究選取最靠近滇池的水文站點——敷潤橋水文站(昆明水文站)以上的流域作為研究流域(圖1)。又基于自然狀態與城市狀態的不同,將流域分成自然狀態下松華壩以上流域和城市狀態下松華壩以下流域兩部分分別進行模擬研究。

圖1　盤龍江流域區域類型

2模型數據庫的建立

2.1空間數據

使用Albers等積圓錐投影進行空間數據處理,盤龍江流域空間數據如表1所示。

表1　盤龍江流域空間數據

a. 數字高程模型(DEM)。通過所獲取的數字高程數據,在GIS 里加載精度為25m盤龍江流域的地理基礎數據,對該數據進行投影變換、掩膜裁剪后處理得DEM數據圖(圖2)。

圖2　盤龍江流域DEM數據

b. 土地利用圖(landuse)。在2008年流域土地利用類型圖的基礎上,建立SWAT模型所需的美國標準屬性數據庫。在模型模擬之前,根據土地利用類型原有分類情況,結合模型要求對土地利用類型重新分類,最終劃分為6類,建立landuse查詢表文件(表2)和模型所用土地利用類型圖(圖3)。

表2　盤龍江流域土地利用類型查詢表及各類型面積

圖3　盤龍江流域土地利用

2.2屬性數據庫

2.2.1土壤屬性數據庫的建立

因主要針對盤龍江流域的徑流進行模擬,故只需考慮土壤的物理屬性數據。利用Matlab對土壤進行質地轉換至SWAT模型所需的美國制后,根據土壤的滲透性將土壤劃分為A、B、C、D4類,并利用SPAW(soil plant air)軟件估算出土壤可利用有效水量、飽和水力傳導系數等參數。最后將相關的每層土壤參數輸入usersoil中,建立土壤數據庫。采用土壤類型圖的Shape格式加載,并對其進行重新分類,總共劃分為5類土壤(圖4),依次為水稻土(ATc)、紅壤(CMx1)、亞熱帶山地紅壤(CMx2)、棕壤(LVh)和城市不透水層(UR)。

圖4　盤龍江流域土壤

2.2.2氣象數據庫的建立

SWAT模型的氣象數據均以DBF文件格式存儲。為了使模型模擬更貼近實際,需要輸入至少連續20 a的逐日氣象資料。而且根據相關研究可知,使用SWAT模型自動生成的數據比使用不連續的觀測數據得到的模擬結果更好[12]。SWAT模型所需氣象數據包括氣象站平均氣壓、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、平均日風速、日照時數、月平均最高氣溫、最高氣溫標準差、月平均最低氣溫、最低氣溫標準差等約160個參數。

本文主要采用昆明站為研究流域的氣象站,缺失的氣象數據采用模型自帶的“天氣發生器”推算欠缺的氣象參數。對于天氣發生器中的一些參數采用pcpSTAT、dew02等來計算得出。

2.3流域劃分

SWAT模型在進行過程模擬時,根據DEM圖結合流域閾值將流域劃分成一定數目的子流域。再將每一個子流域劃分為多個不同土地利用和土壤類型的組合(Multiple HRUs),即生成多個水文響應單元HRUs(hydrologic response unit)。在本研究中,依據模型的實際運行情況以后,最后確定土地利用和土壤面積的最小閾值均為0%,坡度的最小閾值為10%較為適宜,確保整個子流域的面積可以得到100%的模擬。最后研究確定盤龍江流域共獲得30個子流域,790個HRUs。

2.4模擬時段的選取

由于水文資料收集受限,故本研究在現有資料基礎上依據作為流域的2個控制出水口——松華壩、敷潤橋1999—2007年每年的實際月徑流數據,確定模擬的時段為1999—2007年。

3參數率定和模型校準

3.1敏感參數的確定

采用敏感性指數來估算模型參數的敏感性[13],選取松華壩水庫以上區域的松華壩站和以下區域的敷潤橋站1999—2007年的資料,采用LAT-OH法對相關的SWAT模型參數進行敏感性分析,確定出對該流域徑流模擬影響最大的參數。該敏感性參數主要包括徑流曲線系數(CN2)、土壤蒸發補償系數(ESCO)、淺層地下水再蒸發系數(REVAPMN)、淺層地下水回歸流閾值(GWQMN)、土壤可利用水量(SOL_AWC)、基流退水系數(ALPHA_BF)等。確定完敏感性參數,緊接著對敏感性參數進行率定。參數的率定即是尋找能使模擬值與觀測值最一致的參數[14]。參數率定遵循先上游后下游，先調整水量平衡再調整過程，先調整地表徑流再調整土壤水、蒸發和地下徑流的原則[15]。

基于松華壩站及敷潤橋站1999—2007年資料對這幾個參數進行調參和率定,最終獲得適合盤龍江流域的參數值。

3.2模型結果評價指標

對于SWAT模型的模擬結果評價采用對徑流峰值流量敏感且常見的指標:Nash—Sutcliffe效率系數Ens[16]、相關系數R2[9]。

(1)

式中:Qsi為第i個實測徑流量，i=1,2,…,n;Qmi為第i個模擬徑流量，Qa為平均實測徑流量;n為實測徑流量數據個數。

a. 當Ens小于0時,說明模型模擬值比實測值可行度低;當Ens在0～1之間時,Ens值越大,表明模擬值與實測值的匹配程度越好(Ens大于0.5,表示模擬值在可接受范圍之內,而Ens在0.5～0.7之間,模擬標準為丙級;在0.7～0.9之間,模擬標準為乙級;在0.9～1之間模擬標準為甲級)[11];若Qsi=Qmi,則Ens=1。

b. 相關系數R2可在EXCEL中應用線性回歸求得,進一步用該系數評價實測值與模擬值之間的吻合程度。若R2=1,表明非常吻合:R2<1,該值越低,表明模型的模擬值和實測值吻合度越低。

3.3月徑流模擬

3.3.1自然流域

松華壩以上流域為自然條件狀態下的流域。選定松華壩站為流域校準點,1999—2004年為模型的率定期,2005—2007年為模型驗證期。由圖5可見，該流域的模擬值和實測值的趨勢擬合程度較好,模擬的徑流曲線基本可以反映出真實的水文過程,對于幾個降雨高峰值都可以捕捉到,并且在流量圖上顯現出來。率定期72個樣本,模擬相關系數R2=0.85,Ens=0.81,屬于乙等;驗證期36個樣本,模擬相關系數R2=0.83,Ens=0.80,屬于乙等。

圖5　松華壩站的徑流率定與校準

該模擬結果中,1999—2007年平均降雨量為978.44mm，與實測的年平均降雨量912.5mm相比偏大；徑流深為147.28mm,地下滲流為110.45mm,蒸散發為549.90mm,后三者合計807.63mm,與978.44mm相差170.81mm。由于水庫對該流域有調蓄作用,可認為水量基本符合平衡狀態。但是有模擬的地表徑流值有略高于實際值的現象發生。這主要是由于該部分的自然流域絕大部分位于山林地區,坡度變化比較大,而植被亂砍濫伐現象又比較嚴重,故植被覆蓋面出現稀缺導致土地的蓄水保水能力降低,使地表水下滲量下降。另外,流域內降水空間分布不均,在雨季雖然降水強度大,但一般持續時間都不會很長,松華壩水庫調洪蓄水,在一定程度上使模擬值在雨季徑流量高峰期高于實測值,符合實際情況。

3.3.2城市流域

松華壩以下流域為人為活動影響比較明顯的流域。選定敷潤橋站為流域校準點,1999—2004年為模型的率定期,2005—2007年為模型驗證期。由圖6可見，該流域的模擬值和實測值的趨勢基本擬合,模擬出來的徑流曲線基本可以反映出真實的水文過程線,幾個降雨高峰值都可以捕捉到,并且在流量圖上顯現出來。率定期72個樣本,模擬相關系數R2=0.75,Ens=0.65,屬于丙等;驗證期36個樣本,模擬相關系數R2=0.68,Ens=0.58,屬于丙等。

圖6　敷潤橋站的徑流率定與校準

該模擬結果中,1999—2007年平均降雨量為1005.3mm,與實測的年平均降雨量930.8mm相比偏大；徑流深為151.67mm,地下滲流為90.69mm,蒸散發為589.7mm,后三者合計832.06mm,與1005.3mm相差173.24mm,可認為該部分流域的水量基本保持收支平衡。對于出現模擬值與實測值出現明顯偏差的情況,很大程度上都是城市化發展造成的。該區域處于昆明市區,地勢比較平坦,坡度變化不大,不透水地面面積增多,植被覆蓋面積遠小于城市建筑面積,使部分壤中流變成了地表徑流。再者降水空間分布不均,市區行洪通道、排水管網與自然狀況相比,坡面匯流時間縮短,減少河道的調蓄水能力,特別是盤龍江內取水點和排水點都比較繁雜,取水量和排水量的具體情況不明朗,則相比率定期的模擬效果,處于城市快速發展期間校準期模擬的吻合程度有所降低。

4結論

基于ArcGIS界面對ArcSWAT模塊的支持,對盤龍江流域的徑流過程進行模擬分析。結果表明,雖然沒有對模型相應的城市模塊進行改進,但是該模型對于率定期和校準期所模擬出來的徑流曲線基本可以反映出真實的水文過程線,幾個降雨高峰值都可以捕捉到,并且在流量圖上顯現出來。從相關評價指標看出,松華壩以上區間流域的模擬相關系數R2在0.83以上,Ens在0.80以上,模擬結果可以評為乙級:松華壩以下區域的模擬相關系數R2在0.68以上,Ens在0.58以上,模擬結果可以評價為丙級，表明該模型對盤龍江流域具有良好的適應性。松華壩以下流域主要就是昆明市區,受人類活動影響比較大,為了提高模型對該流域的模擬精度,需要對該模型相關的城市模塊進行改進,使模型更加適應流域的模擬,以便對日后盤龍江流域的水資源合理利用和水質控制提供支持。

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