王秋云，陳志彪，楊滿根，張曉云，陳志強(qiáng)，羅瑋祥

(1．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007;2．福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350007)

0 引言

在無(wú)觀測(cè)資料的水土流失嚴(yán)重區(qū)域，準(zhǔn)確量化水沙含量對(duì)土壤侵蝕治理及深入認(rèn)識(shí)流域的水土流失規(guī)律具有重要意義。中國(guó)引進(jìn)的SWAT模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部 (USDA)農(nóng)業(yè)研究中心 (ARS，Agricultural Research Service)研發(fā)的基于尺度的一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的分布式流域水文模型［1］，該模型能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的模擬，在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用于徑流模擬、土壤侵蝕、污染物運(yùn)移等領(lǐng)域［2］。隨著2003國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)(IAHS)啟動(dòng)的無(wú)測(cè)站流域水文預(yù)測(cè)研究計(jì)劃 (PUB)的實(shí)施，SWAT模型在無(wú)資料地區(qū)的水文研究取得了一定進(jìn)展。談戈等［3］在總結(jié)無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究方法中指出，SWAT流域分布式水文模型是開展無(wú)資料地區(qū)水文研究的一條可行之路。目前國(guó)內(nèi)外基于SWAT模型對(duì)無(wú)資料地區(qū)的研究，主要集中在無(wú)資料區(qū)域的模型校準(zhǔn)、徑流模擬等研究上，有關(guān)產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬研究較少，如Manguerra［4］在美國(guó)印第安納州西部的研究中，改進(jìn)了徑流模擬過程中SWAT模型的參數(shù)化，并為無(wú)資料地區(qū)徑流模擬提供了新的進(jìn)展。Gitau等［5］采用SWAT模型在Arkansas的7個(gè)流域進(jìn)行研究，對(duì)比評(píng)價(jià)了全局平均法和參數(shù)回歸法2種參數(shù)區(qū)域化方法，并對(duì)無(wú)資料地區(qū)的水文模擬得到了滿意的結(jié)果。潘杰等［6］應(yīng)用SWAT模型通過參數(shù)移植對(duì)遼西走廊海岸帶的無(wú)資料流域進(jìn)行地表徑流模擬。陸志翔［7］等在伊犁河上游缺資料地區(qū)對(duì)SWAT模型校準(zhǔn)進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果較好的再現(xiàn)了流域的水文過程。僅Migliaccio［8］等量化了敏感性參數(shù)隨機(jī)分布時(shí)，SWAT模型輸出的不確定性，并通過隨機(jī)驗(yàn)證模型論證了SWAT模型能應(yīng)用到無(wú)資料流域進(jìn)行產(chǎn)流產(chǎn)沙的模擬。

圖1 朱溪小流域之子流域位置關(guān)系Figure1 Spatial relation of sub-basins in Zhuxi watershed

準(zhǔn)確估測(cè)無(wú)觀測(cè)資料流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙量對(duì)水土流失地區(qū)的治理具有重要意義。本研究以朱溪小流域的2個(gè)子流域——游屋圳子流域和高陂塅子流域?yàn)檠芯繉?duì)象 (圖1)，以游屋圳子流域?yàn)閰⒆C流域，通過模型參數(shù)移植，對(duì)無(wú)觀測(cè)資料的高陂塅子流域進(jìn)行產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬。本研究將SWAT模型應(yīng)用到南方紅壤侵蝕區(qū)無(wú)觀測(cè)資料小流域，以期為該區(qū)的水土保持與生態(tài)恢復(fù)提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

朱溪小流域位于福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)東部和南山鎮(zhèn)西北部，介于 25°38'15″～25°42'55″N、116°23'30″～116°30'30″E之間，流域面積44.96 km2。地貌類型以低山、丘陵為主，在河流沿岸及支流有河谷盆地分布，地勢(shì)東北高西南低，海拔270～680 m;流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫18.3℃，平均年蒸發(fā)量1 403 mm，多年平均降水1 743.6 mm，降水年內(nèi)分配為雙峰形，降雨量集中且強(qiáng)度大，3—8月降雨量占全年的76.18%［9-10］;土壤主要為燕山晚期粗晶花崗巖在長(zhǎng)期濕熱氣候條件下風(fēng)化而發(fā)育成的紅壤、侵蝕紅壤，土層深厚、節(jié)理發(fā)育，但極其松軟，抗蝕性極差，且酸性強(qiáng)，保水保肥能力低;該區(qū)域是中國(guó)南方紅壤侵蝕區(qū)的典型代表，2007年，被列入全國(guó)30條典型小流域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。游屋圳子流域和高陂塅子流域相鄰，具有相同的自然氣候條件及下墊面性質(zhì)，兩子流域面積分別為6.38 km2和10.23 km2。

1.2 數(shù)據(jù)及處理

1.2.1 空間數(shù)據(jù)

本研究DEM數(shù)據(jù)的獲取是以1∶1萬(wàn)地形圖為底圖，在ArcGIS中進(jìn)行數(shù)字化等高線及TIN轉(zhuǎn)化生成分辨率為10 m×10 m的數(shù)字高程圖 (圖2)。土地利用空間分布是在2007年研究區(qū)土地利用圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合2009年的ALOS影像，根據(jù)長(zhǎng)汀縣水土保持局提供的土地利用資料及野外調(diào)查資料，對(duì)原有土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，得到2009年土地利用空間分布 (圖3)。土壤類型空間分布來源于福建省長(zhǎng)汀縣第二次土壤普查1∶5萬(wàn)土壤類型圖，以流域土壤采樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，得到研究區(qū)的土壤類型空間分布 (圖4)。

1.2.2 屬性數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù):包括物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù)兩大類。物理屬性對(duì)SWAT模型起重要作用，主要包括土壤水文組、土壤機(jī)械組成、有機(jī)碳、有效田間持水量和土壤飽和水傳導(dǎo)率等。參照《福建土壤》、《福建土種》和《長(zhǎng)汀縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃》等資料收集了土壤有機(jī)質(zhì)含量、粒徑、土壤的層數(shù)等屬性數(shù)據(jù)，而土壤飽和水傳導(dǎo)率、土壤有效含水量等，這些數(shù)據(jù)較難測(cè)定，均由美國(guó)農(nóng)業(yè)部和華盛頓大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的SPAW軟件計(jì)算得到。氣象數(shù)據(jù):本研究構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)庫(kù)所用資料來自河田氣象站2001—2008年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括降水、氣溫、相對(duì)濕度等，其余氣象數(shù)據(jù)均由天氣生成器模擬生成。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算參照SWAT模型的用戶手冊(cè)，運(yùn)用pcpstat.exe、dew.exe等應(yīng)用程序進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。水文數(shù)據(jù):模型率定和驗(yàn)證中用到的徑流和泥沙數(shù)據(jù)均由長(zhǎng)汀縣水土保持局提供。

1.3 研究方法

圖2 朱溪小流域數(shù)字高程Figure2 DEM of Zhuxi watershed

圖3 朱溪小流域土地利用Figure3 Land use of Zhuxi watershed

圖4 朱溪小流域土壤類型Figure4 Soil type map of Zhuxi watershed

1.3.1 SWAT模型

SWAT模型是建立在SWRRB模型［11］的基礎(chǔ)上以日為步長(zhǎng)的連續(xù)空間分布式水文模型，有水文、氣象、泥沙、土壤溫度、作物生長(zhǎng)、殺蟲劑、營(yíng)養(yǎng)物和農(nóng)業(yè)管理8個(gè)部分組成，最初是為了在大尺度無(wú)觀測(cè)資料流域及無(wú)需校準(zhǔn)應(yīng)用而開發(fā)的［1］，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，逐步發(fā)展為能夠適用于不同尺度水文過程模擬的模型。

SWAT模型采用水文響應(yīng)單元 (Hydrologic Response Unit)對(duì)流域進(jìn)行離散化處理，即首先根據(jù)DEM把流域劃分為一定數(shù)目的子流域，然后在每個(gè)子流域內(nèi)把有相同土地利用類型和土壤類型的區(qū)域劃分成同一個(gè)水文響應(yīng)單元。SWAT模型運(yùn)行時(shí)，假定子流域的每個(gè)水文響應(yīng)單元之間不存在相互影響，對(duì)每個(gè)水文響應(yīng)單元的負(fù)荷分別計(jì)算，然后對(duì)子流域內(nèi)所有水文響應(yīng)單元的負(fù)荷進(jìn)行匯總計(jì)算。本研究采用burn-in算法提取流域水系，選取SCS曲線法進(jìn)行地表徑流估算，選擇偏正態(tài)分布法模擬降雨量，選擇Penman-Monteith方法模擬潛在蒸發(fā)。SWAT模型中泥沙主要來源于坡面產(chǎn)生和河床侵蝕產(chǎn)生兩部分，本研究采用MUSLE［12］方程計(jì)算坡面產(chǎn)沙量，河道挾沙能力計(jì)算采用河道挾沙能力計(jì)算方程，其中線性系數(shù)Spcon和指數(shù)系數(shù)Spexp用來計(jì)算河道最大挾沙能力。

1.3.2 模型參數(shù)移植法與流域水文相似性判定

參數(shù)移植法是通過選擇與無(wú)觀測(cè)資料流域相似的有資料流域作為參證流域，將參證流域率定的模型參數(shù)移植到無(wú)觀測(cè)資料流域進(jìn)行相關(guān)研究的方法，是解決無(wú)觀測(cè)資料地區(qū)水文模型參數(shù)識(shí)別的常用方法。具有水文相似性的2個(gè)流域，其水文模型參數(shù)也應(yīng)該是相似的，這是模型參數(shù)移植法的研究依據(jù)［13］。在無(wú)觀測(cè)資料流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬中，需找到一個(gè)與無(wú)觀測(cè)資料流域水文相似的參證流域，進(jìn)行流域間模型參數(shù)移植?；趦闪饔蛩南嗨菩苑治鼋Y(jié)果，決定是否可以將參證流域的模型參數(shù)移植到無(wú)觀測(cè)資料流域，進(jìn)而決定能否對(duì)無(wú)觀測(cè)資料流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬?；诳追舱艿龋?4］提出的具有相同地形指數(shù)頻率分布的流域，在氣候、下墊面特征相同的條件下，本研究用此規(guī)律來判定參證流域與無(wú)觀測(cè)資料流域是否具有水文相似性。

地形指數(shù)ln(α/tanβ)最早是由Kirkby和Weyman提出的［15］，它反映徑流在流域中任一點(diǎn)的累積趨勢(shì)以及重力使徑流順坡移動(dòng)的趨勢(shì)。本研究應(yīng)用單流向算法［16］從DEM柵格數(shù)據(jù)中分別計(jì)算α和tanβ值，然后得到ln(α/tanβ)值。其中，α為單位等高線長(zhǎng)度進(jìn)入網(wǎng)格單元的匯水面積，它反映徑流在流域中任一柵格上的累積趨勢(shì)，是單元網(wǎng)格的匯水面積A與單位等高線長(zhǎng)度L的比值，即α=A/L。tanβ為單元柵格的坡度，反映在重力作用下徑流順坡向下流動(dòng)的趨勢(shì)，是相鄰柵格間的高程差Δh與相鄰柵格中心的距離 Δl的比值，即 tanβ=Δh/Δl。

2 結(jié)果分析

2.1 游屋圳子流域SWAT模型模擬

在游屋圳子流域的SWAT模型建模中，通過不斷調(diào)整集水面積閾值，最終將集水面積閾值確定為18 hm2，將水文卡口站選為流域的出口，生成13個(gè)子流域;對(duì)流域的土地利用、土壤類型、坡度進(jìn)行重分類，在考慮模型運(yùn)算效率的基礎(chǔ)上，將土地利用類型、土壤類型、坡度面積閾值都設(shè)為5%，生成127個(gè)水文響應(yīng)單元;最后輸入氣象數(shù)據(jù)文件進(jìn)行模擬。

年降雨量對(duì)徑流和泥沙產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。2010年，研究區(qū)的降雨量為1 803 mm，與多年年平均降雨量1 743.6 mm相差不大，說明2010年能作為代表年進(jìn)行研究。由于水文觀測(cè)資料的時(shí)間序列較短，本研究?jī)H選取對(duì)2010年4—7月的日徑流過程與泥沙過程進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證。2010年4月5日—5月30日為模型校準(zhǔn)期，2010年6月9—29日為模型驗(yàn)證期。本研究采用相對(duì)誤差 (Re)、決定系數(shù) (R2)以及Nash-Sutcliffe效率系數(shù) (Ens)3個(gè)指標(biāo)來評(píng)判SWAT模型在游屋圳子流域的適用性。通常認(rèn)為R2＞0.5，Ens＞0.5，模擬結(jié)果達(dá)到滿意。通過不斷參數(shù)調(diào)整，分別得到徑流和泥沙不同模型時(shí)期的R2、Re和Ens三指標(biāo)數(shù)值，見表1。由表1可知，SWAT模型在游屋圳子流域的模擬精度滿足水文模擬的要求，可以進(jìn)行模型參數(shù)的移植。

表1 SWAT模型在游屋圳子流域的適應(yīng)性評(píng)價(jià)Table1 Adaptability evaluation of SWAT model in Youwuzhen sub-basin

2.2 流域水文相似性分析結(jié)果

利用上面介紹的地形指數(shù)計(jì)算方法，分別計(jì)算朱溪小流域及其子流域——游屋圳子流域和高陂塅子流域的地形指數(shù)，通過進(jìn)一步計(jì)算得到各自的地形指數(shù)頻率分布曲線，如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為流域的地形指數(shù)值，縱坐標(biāo)為地形指數(shù)值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格面積占全流域面積的百分比。從圖5可以看出，朱溪小流域及其子流域的地形指數(shù)頻率分布基本一致，根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者孔凡哲等［13］研究可知，游屋圳子流域和高陂塅子流域具有水文相似性，滿足模型參數(shù)移植的需求。

圖5 朱溪小流域及其子流域地形指數(shù)頻率分布Figure5 Frequency distributions of topographic index of Zhuxi watershed and its sub-basins

2.3 高陂塅子流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬結(jié)果

根據(jù)高陂塅子流域與游屋圳子流域的水文相似性評(píng)價(jià)結(jié)果，可以將經(jīng)過參數(shù)率定和驗(yàn)證后的游屋圳子流域SWAT模型的主要參數(shù)移用到高陂塅子流域的模型中，進(jìn)行產(chǎn)流產(chǎn)沙的模擬。根據(jù)高陂塅子流域的DEM、氣象數(shù)據(jù)(采用游屋圳子流域的氣象數(shù)據(jù))、土壤和土地利用等數(shù)據(jù)構(gòu)建高陂塅子流域的SWAT模型，確定流域出口，并將高陂塅子流域離散為15個(gè)更次一級(jí)子流域、119個(gè)水文響應(yīng)單元，見圖6。通過設(shè)置流域配置文件，建立高陂塅子流域的SWAT模型。模擬結(jié)果表明，2010年高陂塅子流域年徑流量1.32×107m3，年產(chǎn)沙產(chǎn)量2 200 t。

3 結(jié)論

圖6 高陂塅子流域劃分結(jié)果Figure6 The delineation of Gaopoduan sub-basin

本研究針對(duì)無(wú)觀測(cè)資料的水土流失區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)問題，將SWAT模型應(yīng)用于南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失嚴(yán)重的高陂塅子流域，為今后水土保持與生態(tài)恢復(fù)工作提供了依據(jù)。

1)流域水文相似性的判定是模型參數(shù)移植的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)學(xué)者潘杰等［6］在遼西走廊區(qū)域的研究中通過建立指標(biāo)體系，利用層次分析法評(píng)價(jià)了兩流域的相似性。本研究采用單流向法提取了地形指數(shù)，并將地形指數(shù)頻率分布作為評(píng)價(jià)流域水文相似性指標(biāo)，避免了指標(biāo)體系的繁瑣性，同時(shí)對(duì)其他流域的水文相似性確定具有指導(dǎo)意義。

2)在參證流域的模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證過程中，取得較好的模擬效果:徑流及泥沙模擬在校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期決定系數(shù)R2均在0.70以上，效率系數(shù)Ens均在0.65以上，相對(duì)誤差在0.15以內(nèi)?？v然表明SWAT模型可以用于游屋圳子流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬，但仍存在一些不足。本研究基于水文觀測(cè)資料的時(shí)間序列較短，僅對(duì)以日為單位進(jìn)行模擬與驗(yàn)證，今后仍需大量資料以月、年為時(shí)間尺度對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。

3)將游屋圳子流域SWAT模型調(diào)整后的參數(shù)移植到無(wú)觀測(cè)的高陂塅子流域，模擬得2010年高陂塅子流域年徑流量1.32×107m3，年產(chǎn)沙產(chǎn)量2 200 t，模擬結(jié)果有助于定量預(yù)測(cè)流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，為南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失治理提供參考。

［1］Arnold J G，Srinivasan R，Muttiah R S，et al．Large area hydrologic modeling and assessment Part I:Model development［J］．American Water Resource Association，1998，34(1):73-89．

［2］Guo Xiao-jun，Cui Peng，Zhu Xing-hua．Flow simulation in a typical debris flow basin of Jiangjia Canyon［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，2011，31(1):176-178．［郭曉軍，崔鵬，朱興華．典型泥石流流域蔣家溝的降雨——徑流模擬 ［J］．水土保持通報(bào)，2011，31(1):176-178．］

［3］Tan Ge，Xia Jun，Li xin．Hydrological prediction in Ungauged Basins［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，2004，26(2):192-196．［談戈，夏軍，李新．無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究的方法與出路 ［J］．冰川凍土，2004，26(2):192-196．］

［4］Manguerra H B，Engel B A．Hydrologic parameterization of watersheds for runoff prediction using SWAT［J］．Journal of the American Water Resources Association，1998，34(5):1149-1162．

［5］Gitau M W，Chaubey I．Regionalization of SWAT model parameters for use in ungauged watersheds［J］．Water，2010，2(4):849-871．

［6］Pan Jie，Hu Zun-le，Gu Hong-biao，et al．Runoff simulation in ungauged basins in coastal zone of Liaoxi Corridor based on SWAT model［J］．Journal of China Hydrology，2009，29(6):62-64．［潘杰，胡尊樂，谷洪彪，等．基于SWAT模型的遼西走廊海岸帶無(wú)觀測(cè)資料流域地表徑流模擬 ［J］．水文，2009，29(6):62-64．］

［7］Lu Zhi-xiang，Cai Xiao-hui，Zou Song-bing，et al．Application of SWAT model in the upstream of Ili River Basin with scarce data［J］．Arid Land Geography，2012，35(3):400-406．［陸志翔，蔡曉慧，鄒松兵，等．SWAT模型在伊犁河上游缺資料區(qū)的應(yīng)用 ［J］．干旱地理，2012，35(3):400-406．］

［8］Migliaccio KW，Chaubey I．Spatial distributions and stochastic parameter influences on SWAT flow and sediment predictions［J］．Journal of Hydrologic Engineering，2008，13(4):258．

［9］Chen Zhi-biao．Rehabilitation of eroded granite mountainous region and its eco-environmental effects［D］．Fuzhou:Fujian Normal University，2005． ［陳志彪．花崗巖侵蝕山地生態(tài)重建及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng) ［D］．福州:福建師范大學(xué)，2005．］

［10］Chen Li-hui．Research on soil erosion sensitivity and its eco-environmental effects based on multi-source data［D］．Fuzhou:Fujian Normal University，2009．［陳麗慧．基于多源信息的土壤侵蝕敏感性及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究——以朱溪河小流域?yàn)槔?［D］．福州:福建師范大學(xué)，2009．］

［11］Arnold J G，Willianms J R，Nicks A D，et al．SWRRB:A Basin Scale Simulation Model for Soil and Water Resources Management［M］．College Station:Texas A＆M Press，1990．

［12］Williams J R．Sediment routing for agricultural watersheds［J］．Water Resources Bulletin，1975，11(5):965．

［13］ Li Hong-xia，Zhang Xin-hua，Zhang Yong-qiang．Review of hydrological model parameter regionalization for ungauged catchments［J］．Journal of China Hydrology，2011，31(3):13-17．［李紅霞，張新華，張永強(qiáng)．缺資料流域水文模型參數(shù)區(qū)域化研究進(jìn)展 ［J］．水文，2011，31(3):13-17．］

［14］ Kong Fan-zhe，Rui Xiao-fang．Hydrological similarity of catchments based on topography ［J］．Geographical Research，2003，(11):709-716． ［孔凡哲，芮孝芳．基于地形特征的流域水文相似性 ［J］．地理研究，2003， (11):709-716．］

［15］Beven K J．TOPMODEL:A critique hydrol［J］．Process，1997，11(9):1069-1086．

［16］Jenson S K，Domingue J O．Extracting topographic structures from digital elevation data for digital elevation data for geogrephic information systems analysis ［J］．Photogram metric Engineering and Remote Sensing，1988，54(11):1593-1598．