基于SWAT模型的寒旱區積雪與融雪期徑流模擬應用研究
——以錫林河流域上游為例

段超宇，司建寧

(1.寧夏回族自治區水利科學研究院，銀川 750021；2.寧夏水文水資源勘測局，銀川 750000)

錫林河是我國北方錫林郭勒大草原上最重要的草原河流之一，每到冬季，草原上季節性凍土的出現，使錫林河在春季與夏季表現出明顯的雙峰型地表徑流特點。本文運用SWAT2012模型對錫林河流域開展積雪與融雪期徑流模擬，從而揭示寒旱區特有的地表水文循環過程[1，2]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

錫林河屬查干諾爾水系，發源于赤峰市克什克騰旗，自東向西流經錫林郭勒盟阿巴嘎旗，在貝爾克牧場轉向西北經過錫林浩特市，最終注入查干諾爾沼澤地自然消失，全長175 km，流域面積約105 452 km2，地理坐標為43°26′-44°39′N，115°32′-117°12′E[3]。本文以錫林河水文站為界，研究模擬范圍為錫林河水庫上游，總面積3 852 km2。圖1為錫林河流域地理位置圖。

根據國家氣象信息中心錫林浩特站(54102)1971-2000年日值降水數據顯示：錫林河流域多年平均降水量為292.6 mm，其中5-9月為主要降雨期(7-8月降雨量占全年降水54.8%)；10月到次年4月為主要積雪期。根據錫林河水文站1971-2000年日值徑流數據顯示：錫林河流域多年平均徑流深5.08 mm，其中4月份融雪產生的春汛占全年32.5%，7-8月產生的洪水占全年56%。錫林河呈現出明顯的雙峰型地表徑流特征，見圖2。

圖1 錫林河流域地理位置Fig.1 Xilin river basin

圖2 錫林河流域降水～徑流分布Fig.2 The precipitation and runoff allocation in Xilin river basin

1.2 模型適用性與建立

1.2.1 SWAT2012模型的適用性

SWAT2012(Soil and Water Assessment Tool 2012)是美國農業部農業研究中心開發的流域尺度模型，通過建立具有物理機制的水文模型，削弱模型對資料的依賴性。SWAT模型在結構設計上考慮到了融雪和凍土對水文循環的影響，并在國內外得到了廣泛的應用[4,5]。目前，SWAT模型在我國模擬融雪徑流方的面研究多應用于西北寒區，北方寒旱區草原徑流模擬應用尚不多見[6-10]。因此，開展基于SWAT模型的寒旱區積雪與融雪徑流模擬研究，將對拓展SWAT模型應用區域和研究領域有著重要的研究價值。

1.2.2 模型的建立

(1)DEM數據庫。文中DEM(Digital Elevation Model)取自中國科學院國際科學數字服務平臺SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)90 m分辨率數據。通過Arcgis平臺，進行Select a coordinate system(選擇坐標系統)/Predefined(預定義坐標系統)/Projected coordinate system(平面坐標系統)/Gauss Kruger(高斯克里格)投影變換，最終將WGS84地理坐標系統轉換為模型所需要的Beijing 1954坐標系統，見圖3。

圖3 錫林河流域DEM圖Fig.3 DEM of Xilin river basin

(2)Landuse數據庫。Landuse數據決定了模型中降水在陸面的產流過程，是構建SWAT模型的重要數據之一。Landuse數據包括：土地利用矢量(柵格)分布圖、土地利用屬性數據和各土地利用類型索引表。Landuse矢量(柵格)分布圖源于內蒙古師范大學蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室的錫林河流域土地利用類型重分類解譯數據結果。結合野外觀察結果進行驗證補充，最終確定了錫林河流域Landuse類型為草地(占89.6%)、耕地(占4.2%)、林地(占2.6%)、水域(占1.8%)、濕地(占1.2%)和城鎮景觀用地(占0.6%)。圖4為錫林河流域Landuse類型圖。

圖4 錫林河流域土地利用類型Fig.4 Landuse classification

(3)Soil數據庫。Soil數據的物理化學屬性決定決定了流域內HRU中的水循環過程，參數信息質量的好壞直接影響著模擬效果。Soil數據包括：土壤類型分布圖、土壤數據庫參數文件和各土壤類型索引表。Soil類型分布圖取自中國科學院南京土壤所1∶100萬中國土壤矢量圖結果，數據庫各參數為2012年8月野外試驗獲取。圖5為Soil類型圖。

圖5 錫林河流域土壤類型Fig.5 Soil taxon

(4)Weather數據庫。Weather數據庫中降水量、氣溫、相對濕度、太陽輻射和風速數據來自國家氣象信息中心錫林浩特站(54102)1971-2000年日值資料，各氣象參數通過氣象發生器計算算得。

2 結果與分析

2.1 敏感性參數

本研究以年為單位，在劃分不同水文年型的基礎上，開展不同水文年型積雪與融雪期徑流模擬。預熱期為1971-1973年，率定期為1974-1987年，驗證期為1988-2000年。通過手動調參，確定主要敏感性參數如下：①植被蒸發參數ESCO、IPET、CANMX、CNOP；②土壤水參數SOL_AWC；③地表水分配參數CN2；④地下水參數ALPHA_BF、GW_REVAP、GWQMN、RCHRG、REVAPMN；⑤融雪參數SMTMP、SFTMP、SMFMN、SMFMX、SNOCOVMX、TIMP。

2.2 模擬結果

2.2.1 豐水年積雪融雪期徑流模擬

(1)豐水年。積雪融雪期徑流豐水年模擬結果顯示：率定期中，Ens=0.98，R2=0.99；驗證期中，Ens=-0.01，R2=0.31。驗證期中 偏低，原因來自1998年特大暴雨。圖6為豐水年模擬結果。

圖6 豐水年SWAT 2012模型融雪徑流模擬結果Fig.6 Flow simulation result of SWAT 2012 model in wet year

(2)偏豐水年。積雪融雪期徑流偏豐水年模擬結果顯示：率定期中，Ens=0.77，R2=0.86；驗證期中，Ens=0.70，R2=0.72。偏豐水年模擬顯示了出較好的模擬結果，如圖7所示。

圖7 偏豐水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結果Fig.7 Flow simulation result of SWAT 2012 model in partial wet year

2.2.2 平水年積雪融雪期徑流模擬

根據不同水文年型的劃分結果可知，研究期30 a內，只有1972年、1991年及1997年為平水年，由于年份出現的特殊性，只對平水年進行驗證模擬。積雪融雪期徑流平水年模擬結果顯示：驗證期中，Ens=0.90，R2=0.95。模擬結果見圖8。

圖8 平水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結果Fig.8 Flow simulation result of SWAT 2012 model in normal year

2.2.3 枯水年積雪融雪期徑流模擬

(1)枯水年。積雪融雪期徑流枯水年模擬結果顯示：率定期中，Ens=0.66，R2=0.79；驗證期中，Ens=0.54，R2=0.98。圖9為枯水年模擬結果。

圖9 枯水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結果Fig.9 Flow simulation result of SWAT 2012 model in dry year

(2)偏枯水年。積雪融雪期徑流偏枯水年模擬結果顯示：率定期中，Ens=0.59，R2=0.62；驗證期中，Ens=0.72，R2=0.77。圖10為偏枯水年模擬結果。

圖10 偏枯水年SWAT2012模型融雪徑流模擬結果Fig.10 Flow simulation result of SWAT 2012 model in partial dry year

根據對錫林河流域不同水文年型積雪融雪徑流(10月到次年4月)模擬結果可以看出：SWAT2012模型對不同水文年型的積雪融雪期徑流模擬表現為：平水年>偏豐水年>豐水年>枯水年>偏枯水年，且Ens均大于0.5，R2均大于0.6。同時，從圖11可以看出，若不進行不同水文年型的劃分，率定期中，Ens=0.76，R2=0.79；驗證期中，Ens=0.53，R2=0.61，模型在整體水平上仍然滿足精度要求，SWAT2012在模擬北方寒旱區積雪融雪過程中表現出了較好的適用性。

圖11 SWAT2012模型融雪徑流模擬結果Fig.11 Snowmelt simulation result of SWAT 2012 model

3 結 論

通過開展錫林河流域不同水文年型積雪融雪期徑流模擬，可以得出結論：平水年>偏豐水年>豐水年>枯水年>偏枯水年，各水文年型Ens均大于0.5，R2均大于0.6，一致性較好，反映出SWAT2012模型能夠用于我國北方河流草原，并具有以下特點。

(1)模型對模擬積雪融雪期徑流整體擬合程度較好。SWAT2012模型模擬所得到的模擬徑流深過程線除1972年、1991年、1997年個別年份外，基本與實測徑流深過程線變化過程一致，說明該模型對積雪融雪期內模擬的雪量較符合實際。

(2)模型模擬結果可以為春汛做預測。從錫林河洪峰峰值出現的時間上看，實測融雪期峰值與模型模擬融雪高峰期一致，模型模擬融雪時間準確，能夠為春汛提供可靠的預測。

(3)模型對典型洪水具有較好的模擬結果。SWAT模型在模擬1987年典型洪水時表現出較高的精度，優于對非典型洪水的模擬效果，相對誤差12.8%。

(4)模型中土壤的下滲速率是影響模擬精度的關鍵因素。從氣象資料與1982年、1989年融雪模擬結果可以看出，融雪偏前的原因主要受到氣溫的影響，因凍土形成時間早，阻止了融雪水下滲到土壤中，從而改變了局部地區水循環。此外，模擬出現融雪期相鄰月份落差較大，因流域匯流平均滯留時間一致，融雪期蒸發量幾乎為零，可以得出下滲速率是影響模型模擬精度的關鍵因素。

□

[1] William Kepner, Maliha S Nash, Michael Jackson, et al. Assessing impacts of landuse and landcover changes on hydrology for the upper San Pedro watershed[J]. Journal of Hydrology, 2011,407:105-114.

[2] AHL R S, WOODS S W, ZUURING H R. Hydrologic calibration and validation of SWAT in a snow-dominated Rocky Mountain watershed, Montana, USA.[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2008,44(6):1 411-1 430.

[3] 李 楊. 融雪的水量平衡模型在內蒙古錫林河流域水文模擬中的應用[J]. 水資源與水工程學報, 2003,22(1):79-86.

[4] 孫 瑞, 張雪芹. 基于SWAT模型的流域徑流模擬研究進展[J]. 水文, 2010,30(3): 28-32.

[5] 王 立,馬 放,謝 乾,等. SWAT 模型在我國的發展歷程及其在寒地應用展望[J]. 中國給水排水,2013,29(18):33-37.

[6] 李 慧. 基于SWAT模型的山區日徑流模擬在瑪納斯河流域的應用[J]. 干旱區研究, 2010,27(5):686-690.

[7] 陸志翔. SWAT模型在伊犁河上游缺資料區的應用[J]. 干旱區地理, 2012,35(3):399-407.

[8] 白淑英. 基于SWAT模型的開都河流域徑流模擬[J]. 干旱區資源與環境, 2013,27(9):79-84.

[9] 李 慧, 雷曉云, 靳 晟. 基于SWAT模型的山區冰雪融水河流的日徑流模擬研究[J]. 灌溉排水學報, 2010,29(3):105-108.

[10] 郝振純. 黃河源區水文模擬中地形和融雪影響[J]. 水科學進展, 2013,24(3):311-318.