基于SWAT模型對羅玉溝流域徑流模擬

梁文俊1，魏曦2*，賀宇3,朱寶才1，胡振華1

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 林學院 山西 太谷 030801； 2.交通運輸部科學研究院 北京 100029；

3.神華準格爾能源有限責任公司 內(nèi)蒙古 準格爾 010300)

摘要：為了探討黃土丘陵區(qū)徑流變化規(guī)律，以甘肅羅玉溝流域作為典型區(qū)域，以1986-2008年數(shù)據(jù)為基礎，對該流域的多年徑流量進行分析，并運用SWAT模型對其進行模擬和預測。結果表明：該區(qū)域年徑流量整體呈現(xiàn)下降的趨勢，徑流量的年校準期的相對誤差為8.8%，驗證期的相對誤差為13.8%，決定系數(shù)R2為0.874，Nash-Suttcliffe系數(shù)為0.55；月校準期相對誤差為4.9%，驗證期的相對誤差為4.9%，決定系數(shù)R2為0.91，效率系數(shù)為0.65。模擬值和實測值的擬合度較高，能夠比較準確的模擬該地區(qū)的徑流變化規(guī)律，根據(jù)模型模擬的結果可以合理地調(diào)整當?shù)厮Y源的利用，為該地區(qū)水資源的規(guī)劃、管理和生態(tài)用水提供科學依據(jù)。

關鍵詞：SWAT模型；徑流模擬；水文預測

收稿日期：2015-09-04修回日期：2015-09-30

作者簡介：梁文俊(1983-)，男(漢)，山西朔州人，講師，博士，研究方向：森林水文

通訊作者：*魏曦，工程師。Tel：13426356126；E-mail: 379795261@qq.com

基金項目：國家自然基金(31500523)；山西農(nóng)業(yè)大學引進人才科研啟動資金(2014YJ19)

中圖分類號：P338+2文獻標識碼：A

Runoff Simulation in LuYuGou Watershed Based on SWAT Model

Liang Wenjun1, Wei Xi2*, He Yu3，Zhu Baocai1, Hu Zhenhua1

(1.CollegeofForestry，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801； 2.ChinaAcademyofTransportationSciences,Beijing100029,China； 3.ShenHuaZhungeerEnergyCompanyLimited,ZhungeerInnerMongolia010300，China)

Abstract:In order to explore the variation of runoff in loess hilly region, based on the data from 1986 to 2008, analysis of the River Valley years of runoff and used the SWAT model to simulate and predict. It was investigated that the annual runoff fluctuated greatly, but took on obvious decreasing trend as a whole from1986-2008. The runoff years calibration of the relative error was 8.8%, the relative error of the validation period was 13.8%, correlation coefficient was 0.874, Nash-Suttcliffe coefficient was 0.55; The months calibration of the relative error was 4.9%, the relative error of the validation period was 4.9%, correlation coefficient was 0.91, The efficiency coefficient was 0.65. The simulated values and measured values was a high degree fitting, it was able to more accurately simulate the runoff variation of the region. The results of the simulation model can be a reasonable adjustment to local water resources utilization, provide a scientific basis for water resources planning, management and ecological water in the region.

Key words:SWAT model; Runoff simulation; Hydrologic prediction

隨著人們對環(huán)境的日益關注，水資源的短缺成為人們關注的焦點，而全球氣候變化和人類活動引起的水資源變化成為當前水文研究的熱點之一[1～3]。水文模型的研究方法很多，其中利用模型進行小流域或者更大區(qū)域的預測分析發(fā)展較為迅速。基于物理式的分布式水文模型就是一種很好的水資源研究模型，可以為降水、徑流、蒸發(fā)、地形、土壤、土地利用等因素的研究提供可靠的方法。SWAT模型可以長時間地模擬一個流域水文循環(huán)和變化的過程，對水土流失、農(nóng)業(yè)灌溉、土地利用等人類活動對水資源的影響有重要指導意義[4]。因為SWAT是一個開放源碼的模型，所以它也在不斷地改進完善[5～13]。本文采用的是WSAT2005版本，借助GIS和RS獲取流域的空間地理信息，考慮降雨的不均勻性和流域下墊面的不同。國內(nèi)對此模型研究也較多[14～17]，在我國的西北地區(qū)，溫度較低，考慮了融雪和凍土在水文循環(huán)過程中的影響，例如：西北黑河鶯落峽以上流域分布式日徑流過程的模擬，此外還有對青海湖過去幾十年水位變化過程的模擬。為了確認模型的適用性和準確度，本文將研究階段分為三個時段：1986-1988為啟動階段，1989-1999為校準階段，2000-2008為驗證階段，對甘肅羅玉溝流域徑流過程進行了詳細的模擬和預測，希望為該地區(qū)水文資源合理管理和利用提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天水市北部的羅玉溝流域，地理位置為105°30′～105°45′E，34°34′～34°40′N之間，面積為72.79 km2。年平均降水量548 mm，6-9月為降雨的主要時間，降水量占60%。年蒸發(fā)量較大，平均為1293.3 mm。年平均氣溫 10.7 ℃。土壤以黃土質(zhì)黑褐土和紅色黃土質(zhì)黑褐土型粗骨土為主[12]。羅玉溝流域農(nóng)耕地占流域總面積55.0%，自然植被較差，植被覆蓋度約占30.0%。主要農(nóng)作物有小麥、玉米、洋芋等。流域內(nèi)喬木均為人工植被，灌木全部為天然生長。經(jīng)濟林以蘋果、杏、梨、核桃為主。

2研究方法

SWAT模型針對流域是一個連續(xù)的空間模型，它可以實現(xiàn)100年內(nèi)固定流域流量或者泥沙等水文變化的模擬。對于較大流域，將其分為幾個小流域，長期監(jiān)測該地區(qū)降水、土地利用、氣溫等基本資料，進而匯總模擬整個流域的流量、泥沙等。

水文計算模型-SWAT模型表達式如下：

(1)

SWAT模型對流域地表徑流量采用SCS徑流曲線數(shù)法進行模擬，實現(xiàn)對每個水文響應單元的地表徑流量和洪峰流量的模擬。

SCS模型的產(chǎn)流計算公式為：

(2)

式中，Qsurf為地表徑流量/mm，Ia為初損/mm，S為流域當時的可能滯留量/mm，Rday為降雨量/mm。

3結果與分析

3.11986-2008徑流實測結果

近年來由于氣候變化和土地利用變化等因素的影響，徑流量發(fā)生很大變化，本文以羅玉溝1986-2008年的觀測資料為依據(jù)，分析模擬徑流量在該時間段的變化規(guī)律。

從圖1中可以看出：在所研究的年際系列上，徑流量年際變化波動很大，整體呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，多年平均徑流量為20.01 mm，汛期和非汛期徑流量曲線走向大體相同，均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在1994-1998年流域徑流量有明顯的減小趨勢，5年內(nèi)的平均徑流量只有4.24 mm，比平均年徑流量減少了約79%，分析其中的原因，一方面是由于1994-1998年間降雨量正好呈現(xiàn)一個枯水期，降雨量只有382.8 mm，與多年平均降雨量548 mm的降雨量相比，減少了約28%，降雨量的減少顯著減少了徑流量，另一方面，由于在這一段時間內(nèi)流域的土地利用發(fā)生很大改變，這也是使得徑流量減少的主要原因。圖2中也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，汛期1994-1998年流量達到最小值，在非汛期1995-2002年徑流深度都在5 mm以下，平均值不到3 mm。這對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來巨大的影響，如果能夠提前預測該地區(qū)的降雨徑流對當?shù)厮Y源利用管理有很大的指導作用。

圖1　1986-2008年徑流深年際變化 Fig.1　Changes in annual runoff in1986-2008

圖2　1986-2008年汛期和非汛期的徑流深變化 Fig.2　Runoff changes in season and non-flood season in 1986-2008

從圖3中可以看出：根據(jù)M-K檢驗，兩曲線相交于1992年，結合T檢驗以及躍變參數(shù)，徑流的突變發(fā)生在1994年，M-K曲線表明徑流量在1986-1998年呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖3　徑流趨勢統(tǒng)計值參數(shù)分析 Fig.3　Mann-Kendall and T test of runoff

3.2徑流模擬結果

研究流域位于黃土丘陵溝壑區(qū)，徑流主要是超滲產(chǎn)流，在5-10月份進行月徑流量的模擬，主要是對降雨后地表徑流的模擬，利用流域出口水文站資料進行校準和驗證。由于在模型運行初期，許多變量初始值需要確定。所以，模型首先將運行的啟動(Setup)階段作為模擬的初始值。本研究將整個研究時段(1986-2008年)分成三個時段：3年

(1986-1988)為啟動階段，11年(1989-1999)為校準階段，9年(2000-2008)為驗證階段。對日降雨量分布模型采用SWAT提供的偏正態(tài)模型來模擬降雨分布，用相對誤差Re、Nash-Suttcliffe系數(shù)和Ens決定系數(shù)R2來評價模型的適用性。

從圖4可以看出，1986-1988的啟動階段，1989-1999為期11年的校正階段，其中校準期的相對誤差為8.8%，決定系數(shù)為0.776，Nash-Suttcliffe系數(shù)為0.60。通過調(diào)整模型參數(shù)使流量模擬值與實測值吻合，最終實現(xiàn)模擬值與實測值年誤差在15%以內(nèi)，R2>0.6，Ens>0.5。2000-2008年的驗證期內(nèi)，相對誤差為13.8%，決定系數(shù)為0.874，Nash-Suttcliffe系數(shù)為0.55。圖5對年均流量實測值和模擬值進行了擬合(R2=0.7671)，擬合效果說明實測值與模擬值呈直線關系。通過校準期的調(diào)整和驗證期的檢驗(表1)，說明徑流的模擬值與實測值的擬合獲得了較為滿意的效果，模型能夠比較準確地模擬徑流量。

由于觀測的徑流系列比較長，這期間的土地利用發(fā)生了很大的變化，所以在運行SWAT模型的時候，分別在1995和2001年的時候更改了土地利用數(shù)據(jù)，以便模型能夠更好地應用于該流域。

3.3月徑流實測與模擬對比驗證

月徑流校準是在年徑流校準的基礎之上進行，根據(jù)年徑流的校準與驗證模型能夠很好地應用于該研究區(qū)。由于該研究區(qū)徑流量不大，在非汛期溝道會出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，冬季還會有結冰，所以對于月徑流量的校準主要采用汛期5-10月的實測流量來進行驗證。

從圖6、圖7可以看出月流量的實測值與模擬值能夠較完整的重合，以5-10月的汛期流量較

圖4　流域年均徑流的模擬徑流與實測徑流比較 Fig.4　The comparison between observed and simulated annual runoff

變量variable年均值/m3·s-1Annualaverage/m3·s-1實測值observed模擬值simulationRe/%R2Ens校準期(1986-1999)0.0870.2968.80.7760.60驗證期(2000-2008)0.2110.24813.80.8740.55

大的汛期為例，兩者的走向一致，從兩者的相關關系圖來看，大部分點分布于1∶1的理論線附近。從表2可以看出：在校準期內(nèi)，月流量實測值與模擬值的相對誤差為4.9%，效率系數(shù)為0.57，決定系

圖6　流域校準期月均流量的模擬徑流與實測徑流比較 Fig.6　The comparison between observed and simulated month runoff

圖7　流域驗證期月均徑流的模擬徑流與實測徑流比較 Fig.7　The comparison between observed and simulated month runoff

表2　月徑流量模擬評價

數(shù)R2為0.81；驗證期的相對誤差為4.9%，決定系數(shù)R2為0.91，效率系數(shù)為0.65，相對于校準期均表現(xiàn)出很高的相關性，說明模型能很好地模擬研究區(qū)的月徑流量，校準期由于徑流序列相對較長，研究的時段內(nèi)降雨多次出現(xiàn)枯水年和豐水年，在枯水年河道會出現(xiàn)斷流的情況，影響模擬值和實測值的精度；而在豐水期，太大流量可能導致流量不能及時準確監(jiān)測，所以也有一定的誤差出現(xiàn)。但從整體上來說SWAT模型可以較為準確地模擬羅玉溝流域的徑流量，以此SWAT各參數(shù)為基礎可以預測未來十幾年內(nèi)該地區(qū)的徑流量。

4結論與討論

通過模擬和驗證，該流域徑流量年校準期相對誤差為8.8%，R2為0.766，Nash-Suttcliffe系數(shù)為0.60，驗證期對應值為13.8%，0.874和0.55；校準期月流量實測與模擬相對誤差為4.9%，R2為0.81，Nash-Suttcliffe系數(shù)為0.57；驗證期分別為4.9%、0.91和0.65，各項值都在可允許的誤差范圍內(nèi)，校準結果完全符合要求，說明該模型能夠比較準確地模擬徑流量，模型在羅玉溝流域的適用性較好。

論文中對流域年徑流量和月徑流量進行了模擬，模擬效果較好，在一定程度上可以反映出羅玉溝水文資源變化狀態(tài)，但是缺乏對日徑流量的分析和預測[18]。如何利用最新模型和參數(shù)對日徑流量進行模擬有待于進一步研究。在空間尺度上，如何實現(xiàn)對中小流域的監(jiān)測和模擬也是研究需要不斷完善的方面，中小流域的模擬可以更加精確地確定小區(qū)域內(nèi)水文變化趨勢，為大流域數(shù)據(jù)提供依據(jù)和支撐。隨著GIS的不斷進步發(fā)展，對于參數(shù)的精確度和數(shù)量不斷提高，要求模擬研究更加準確和完善。

參考文獻

[1]劉昌明, 陳志愷. 中國水資源現(xiàn)狀評價和供需發(fā)展趨勢分析[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2001:101-120.

[2]張建云, 王國慶.氣候變化對水文水資源影響研究[M]. 北京: 科技出版社, 2007: 68-701.

[3]張光輝. 全球氣候變化對黃河流域天然徑流量影響的情景分析[J]. 地理研究, 2006, 25(2): 268-275.

[4]張瑞，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): 28-31.

[5]慕星，王芳．基于SWAT模型的寶庫河流域日徑流模擬[J]．水利水電技術，2014，45(1)：32-35．

[6]龐佼，白曉華，張富,等. 基于SWAT模型的黃土高原典型區(qū)月徑流模擬分析[J],水土保持研究，2015, 22(3): 111-115.

[7]姚海芳，師長興，邵文偉, 等. 基于SWAT的內(nèi)蒙古西柳溝孔兌徑流模擬研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2015, 6(6): 139-144.

[8]陸志翔，鄒松兵，尹振良． 缺資料流域SWAT 適宜性模型校準新方法及應用[J]．蘭州大學學報(自然科學版) ，2012，48(1) : 1-4．

[9]龍銀平，張耀南，趙國輝，等．SWAT模型水文過程模擬的數(shù)據(jù)不確定性分析——以青海湖布哈河流域為例[J]．冰川凍土，2012，34(3)：660-667．

[10]Eckhardt K, Haverkamp S, Fohrer, N, et al. SWAT-G, a version of SWAT99.2 modified for application to low mountain range catchments [J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2002, 27 (9): 641-644.

[11]Jayakrishnan R, Srinivasan R, Santhi C, et al. Advances in the application of the SWAT model for water re-sources management [J]. Hydrological Processes, 2005, 19 (3): 749-762.

[12]F Bouraoui, S Benabadallah, A Jrad, et al. Application of the SWAT model on the Medjerda river basin (Tunisia)[J]. Physics and Chemistry of Earth, 2005, 30(8): 497-507.

[13]Chanasyk DS, Mapfumo E, WillmsW. Quantification and simulation of surface runoff from fescue grassland watersheds[J]. Agricultural Water Management, 2003, 59(2): 137-153.

[14]羅睿，徐宗學，程磊. SWAT模型在三川河流域的應用[J]. 水資源與水工程學報,2008,19(5): 28-33.

[15]王中根, 劉昌明, 黃友波. SWAT模型的原理、結構及應用研究[J]. 地理科學進展, 2003, 22(1): 79-86.

[16]舒衛(wèi)先,李世杰,劉吉峰. 青海湖水量變化模擬及原因分析[J]. 干旱區(qū)地理,2008,31(2): 229-236.

[17]劉淑燕，余新曉，李慶云，等. 基于CA-Markov模型的黃土丘陵區(qū)土地利用變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010,26(11):297-303.

[18]王曉朋，喬飛，雷坤，等. SWAT模型在我國的研究和應用進展[J].中國農(nóng)村水利水電，2015(5):109-113.

(編輯：馬榮博)