汾河上游流域SWAT模型構建及適用性評價

劉林 李金峰 李澤利

摘 要：汾河流域水體質量下降、富營養化加劇、水土流失嚴重，其中農業非點源污染分布范圍廣，監測、管理難度大。以河岔水文站以上汾河流域為研究區，基于GIS技術構建分布式水文模型SWAT。采用SUFI-2算法進行參數敏感性分析、率定和驗證，并基于月尺度對汾河上游流域2005—2015年徑流、泥沙和非點源溶解態氮負荷進行模擬。采用確定性系數R2、Nash-Sutcliffe系數（NSE）和百分比偏差（PBIAS）相結合的形式對模型適用性進行評價，結果表明：在長時間尺度下，徑流、泥沙、溶解態氮模擬和實測過程線總體擬合度較好，率定期和驗證期R2和NSE均高于0.5，|PBIAS|均低于25%，所構建的SWAT模型在研究區具有較好適用性，可用于模擬、分析和預測該地區水土流失和非點源污染問題。

關鍵詞：徑流;泥沙;溶解態氮;SWAT模型;非點源污染;適用性;汾河上游

中圖分類號：P334+.92;X522 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.012

Abstract：The water quality of Fenhe River basin is declining， eutrophication is increasing， and soil and water loss is serious， among which the agricultural non-point source pollution is widely distributed and difficult to monitor and manage. This study selected the basin above the Hecha Hydrological Station as the research object， and the distributed SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model of the Upper Fenhe River was constructed by using GIS technology. In order to improve model performance， SUFI-2 （sequential uncertainty fitting program） was used for parameter sensitivity analysis， calibration and verification. The monthly runoff， sediment and dissolved nitrogen load data in the study area from 2005 to 2015 were simulated by the corrected model. Determination coefficient （R2）， Nash-Suttcliffe （NSE） and percent bias （PBIAS） were used to evaluate the applicability of SWAT model. The results show that in long-term process， the simulated and measured values of runoff， sediment and dissolved nitrogen are highly fitted and the values of R2 and NSE are both higher than 0.5 and |PBIAS| are lower than 25%. These indicate that the constructed SWAT model has high adaptability to the study area and we can use the model to simulate， analyze and predict soil erosion and non-point source pollution.

Key words： runoff; sediment; dissolved nitrogen; SWAT model; non-point source pollution; applicability; upper basin of Fenhe River

汾河是黃河第二大支流。近年來，隨著汾河兩岸工業化、城市化的快速發展，汾河流域水環境功能發生了較大變化，水體質量下降、富營養化加劇、水土流失嚴重等問題日益突出。作為重要水源地的汾河上游流域，其水環境功能直接關系省會太原的飲水安全[1-3]。2016年4月《汾河流域生態修復規劃（2015—2030年）》頒布，意味著三晉治汾工作全面啟動，更是山西省轉型發展、生態文明建設的標志。

由于汾河上游流域工業少、坡地多、水土流失嚴重，因此農業非點源污染是汾河上游水環境治理工作中的棘手問題。與點源造成的水污染相比，農業非點源污染分布范圍廣，監測、管理和控制難度大，國外專家認為，50%以上的水環境污染物來自于農業非點源污染[4]，國內研究也證明農業非點源污染是太湖、巢湖、滇池等湖泊富營養化加劇的主要原因[5-8]。

分布式水文模型可為大、中型流域水環境管理提供重要的技術支持[9-10]。SWAT作為該類模型的代表，可模擬和預測不同環境條件下污染物的遷移轉化規律，定量表征水體各類污染物的負荷量及空間分布情況，評估不同措施的水污染防治效果。目前，國內關于汾河流域非點源污染的研究較少，且研究區多集中于汾河中下游灌區，流域面積小、時間跨度短、涉及模型參數不完全，不足以指導整個汾河流域的生態修復工作[11-13]。鑒于此，選取河岔水文站以上汾河流域為研究區，以水文站實測2005—2015年徑流、泥沙和溶解態氮數據為基礎，構建汾河上游流域SWAT水文模型，以月尺度對流域內的徑流、泥沙及溶解態氮進行模擬，利用SWAT-CUP中的SUFI-2方法對模型參數進行敏感性分析、率定和驗證，采用確定性系數R2、Nash-Sutcliffe系數（NSE）和百分比偏差（PBIAS）相結合的形式對模型的適用性進行評價，得到適合汾河上游水文環境的最佳參數，以期為汾河流域水環境污染防治工作提供參考。

1 研究區概況

位于太原市婁煩縣的河岔水文站是汾河上游水文監測專用站，以河岔站以上的汾河流域為研究區，研究區集水面積3 242.35 km2，海拔為1 084～2 717 m，見圖1。研究區屬溫帶大陸性氣候區，氣候干旱，四季分明。降水量年際變化大，年內多集中于汛期（6—9月），汛期降水量占全年總降水量的70%以上。流域內山地丘陵分布廣，坡耕地為主要土地利用方式，土壤以褐土為主。流域內共涉及寧武、五寨、靜樂、嵐縣和婁煩五縣，工業基礎薄弱，支柱產業為種植業與養殖業，主要作物為玉米、谷子、大豆和馬鈴薯。

2 數據與方法

2.1 數據來源

構建SWAT模型需要輸入空間數據和屬性數據，空間數據主要包括研究區數字高程（DEM）柵格數據（見圖1）、土壤柵格數據（見圖2）和土地利用柵格數據（見圖3），屬性數據主要包括研究區內氣象站2005—2015年日觀測數據（降水量、氣溫、太陽輻射等）、河岔水文站2005—2015年每月觀測數據（徑流、泥沙和污染物）和流域內主要作物農業管理數據，見表1。

2.2 土壤數據庫

在中國土壤數據庫（http：//vdb3.soil.csdb.cn/extend/jsp/introduction）中檢索研究區土壤的粒徑分布、顆粒組成、養分含量等理化指標信息。利用樣條插值法將土壤粒徑標準轉換為美國制[14]，并根據土壤最小下滲率特征進行土壤水文分組;利用SPAW軟件中的SWCT模塊計算濕密度、有效持水量、飽和導水率等參數，利用改進的EPIC模型計算土壤侵蝕因子（USLE-K）[15]，見表2。各類土壤的化學指標（全氮、全磷、速效磷）主要通過野外采樣，實驗室檢測的方法獲得，并參考SWAT理論手冊的經驗公式估算出硝酸鹽氮、有機氮和有機磷含量，見表3。

2.3 土地利用數據庫

由于汾河上游流域以種植業和養殖業為主，2005—2015年土地利用類型以耕地和林地為主，因此將土地利用數據作為靜態數據，選用2010年土地利用數據作為源數據，代表整個研究期內的土地利用現狀。2010年土地利用數據主要通過對Landsat-7遙感影像解譯獲得，分辨率為30 m。依據SWAT模型土地利用索引表對源數據進行代碼轉換和重分類，見表4。

2.4 污染源及農作物管理數據庫

污染源數據來源于太原市、忻州市生態環境局和《中國農業年鑒》，包括點源和非點源數據。汾河上游流域以農業為主，點源數據涉及靜樂縣和婁煩縣的污水處理廠。非點源數據主要參考《中國農業年鑒》，當前流域內普遍施用復合肥，且復合肥種類多，行政村之間差別明顯。根據流域是否追肥，在現狀基礎上進行區域劃分，并賦予相應的土地利用分類代碼，其中流域內不同作物用地施肥類型及含營養元素比例根據耕地面積、施肥量和施肥種類加權求平均確定。流域內主要作物管理信息見表5、表6。

2.5 SWAT模型構建

利用ArcGIS 10.2軟件將上述3類空間數據統一在同一坐標系中（Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_111E），并將這些數據重新劃分為30 m×30 m的柵格數據。選擇河岔水文站作為流域出口，匯水面積3 242.35 km2。將流域面積的5.01%（162.5 km2）作為子流域提取閾值，汾河上游共劃分了35個子流域，見圖4。將流域坡度分為3級（0～5°、5°～25°和25°以上），在子流域基礎上劃分研究區水文響應單元（HRU），其中土地利用閾值取5%，土壤類型閾值取20%，坡度閾值取20%，流域最終生成488個水文響應單元。依據SWAT模型輸入要求，將4個氣象站（寧武、靜樂、嵐縣、河岔）2005—2015年的氣象數據，利用SWATWeather、PCPswat和DEW02軟件生成天氣發生器各個參數[14，16]，導入到SWAT數據庫中，并將逐日降水數據整理成規范格式的.txt文件，依據站點坐標建立索引表，并在模型中加載，完成SWAT模型構建。為提高SWAT模型在汾河上游流域的適用性，將2005年作為模型預熱期，2006—2012年作為模型率定期，2013—2015年作為模型驗證期，基于月尺度對徑流、泥沙和污染物進行結果輸出。

2.6 參數率定與敏感性分析

模型構建涉及的參數眾多，為盡可能提高模型適用性，減少“異參同效”現象[17-18]，研究選用SWAT-CUP工具進行參數率定和敏感性分析，選用確定性系數（R2）、Nash-Sutcliffe系數（NSE）和百分比偏差（PBIAS）作為評價指標。一般認為NSE>0.75、R2>0.75，且|PBIAS|<10%，模型適用性非常好;NSE≤0.50、R2≤0.50，且|PBIAS|≥25%，模型擬合精度不滿意;介于兩者之間則認為模型適用性比較令人滿意。以河岔水文站2005—2015年每月實測的徑流、泥沙和營養氮數據為觀測值，在SWAT模型中依次進行敏感性分析，共選取了27個敏感性強的參數進行率定，其中徑流參數10個、泥沙參數8個、營養氮參數9個，見表7。率定期利用SWAT-CUP中的SUFI-2反演算法，結合人工校正依次對徑流、泥沙和溶解態氮參數進行了3次迭代（每次模擬500次），直到獲取相關參數的最優校準值，并在驗證期進行適用性驗證。

3 模型適用性評價

2005—2015年河岔水文站徑流、泥沙和溶解態氮觀測值和模擬值見圖5。豐水期，徑流量模擬值和實測值過程線擬合程度高，特別是對暴雨引起的徑流峰值反應靈敏;枯水期，模擬值略高于實測值，這與姚蘇紅等[19]的研究結果一致。枯水期，模擬值略高于實測值的原因，一方面是研究區內降水觀測站時空分布不均;另一方面是近年來隨著水庫、淤地壩、農業用水等水利工程的實施，枯水期河道中徑流量減少，對模擬效果產生了影響。對率定后的SWAT模型進行徑流模擬適用性驗證，率定期R2=0.933、NES=0.915、PBIAS=-6.1%，驗證期R2=0.874、NES=0.869、PBIAS=-7.3%，表明SWAT模型適用于汾河上游流域徑流模擬，能夠很好模擬和反映流域內徑流變化趨勢。

從圖5（b）可以看出，泥沙的模擬值和實測值誤差主要集中在枯水期和強降雨事件，這是汾河上游流域特殊的自然條件造成的。研究區降水集中在6—9月，降水持續時間短且雨量大，流域內以黃土丘陵溝壑區和土石山區為主，水土流失特別嚴重，暴增的徑流在流向河道的過程中不僅會挾帶坡耕地中的泥沙，而且會對河道中原本淤積的黃土造成沖擊，從而提高徑流中泥沙含量。而在枯水期，河道中水量極少，沒有泥沙含量觀測值。對率定后的SWAT模型進行泥沙模擬適用性驗證，率定期R2=0.729、NES=0.702、PBIAS=-11.8%，驗證期R2=0.767、NES=0.752、PBIAS=-9.7%，表明SWAT模型對汾河上游流域泥沙模擬的整體適用性較好。

由圖5（c）可以看出，2005—2015年汾河上游溶解態氮含量整體呈上升趨勢，由于研究區內工業點源污染少，因此可以推論出非點源污染在這十年間呈增多趨勢。溶解態氮的模擬值和實測值具有較高的擬合度，率定期R2=0.711、NES=0.699、PBIAS=13.6%，驗證期R2=0.747、NES=0.744、PBIAS=11.3%，SWAT模型對汾河上游流域溶解態氮的模擬效果令人滿意，適用性較好。

4 結 語

2016年山西省正式啟動汾河流域生態修復工程，其中一項重要工作就是控制、治理水環境污染，提高水環境質量，重現大河風韻。相比點源污染，農業非點源污染的治理工作難度大，收效微，亟待解決。研究以河岔水文站為匯流節點，以該站2005—2015年月實測數據為基礎，利用分布式水文模型SWAT對汾河上游流域徑流、泥沙和溶解態氮負荷量進行模擬，結果表明在長時間尺度下，徑流、泥沙、溶解態氮模擬和實測過程線總體擬合度較好，率定期和驗證期R2和NSE均高于0.5，|PBIAS|均低于25%，SWAT模型在汾河上游流域整體適用性較好，可用于模擬、分析和預測該地區水土流失、非點源污染問題，從而為進一步預防、控制和治理汾河水環境污染問題提供理論依據。另外，由于受水利工程的影響，模型模擬效果存在一定誤差，還需要在后期不斷改進和完善。

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【責任編輯 呂艷梅】