陳祥義，肖文發(fā)，2， 黃志霖,2?， 曾立雄，2

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100091，北京；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 210037，南京)

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空間數(shù)據(jù)對(duì)分布式水文模型SWAT流域水文模擬精度的影響

陳祥義1，肖文發(fā)1，2， 黃志霖1,2?， 曾立雄1，2

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100091，北京；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 210037，南京)

摘要：分布式水文模型的模擬精度受空間參數(shù)精度的影響。提升空間參數(shù)精度能較為精準(zhǔn)描述流域空間特征，也會(huì)使空間數(shù)據(jù)量冗增，甚至影響模型運(yùn)行效率。以分布式水文模型SWAT為例，分析DEM、子流域劃分、土地利用、土壤、降水站點(diǎn)等空間數(shù)據(jù)精度對(duì)模型模擬精度的影響。結(jié)果表明：1)對(duì)不同對(duì)象(流量、泥沙、營(yíng)養(yǎng)元素等)進(jìn)行模擬時(shí)，大多數(shù)空間數(shù)據(jù)分辨率閾值不同，分辨率超出閾值可能降低模型模擬的精度；2)DEM分辨率降低，泥沙和總磷(TP)模擬結(jié)果的相對(duì)誤差明顯增加，而流量和硝態(tài)氮(NO3-N)模擬結(jié)果變化極小；3)DEM分辨率達(dá)到一定精度后，進(jìn)一步提高并不會(huì)使地表徑流模擬精度得到改善，低分辨率DEM獲得的坡度較小，這會(huì)降低模型對(duì)流量的模擬，模擬的洪峰徑流產(chǎn)生滯后現(xiàn)象；4)子流域劃分對(duì)流域產(chǎn)流模擬影響較小，而對(duì)產(chǎn)沙模擬影響較大。子流域和水文響應(yīng)單元的劃分?jǐn)?shù)量對(duì)流域上游產(chǎn)沙量影響較大，而對(duì)流域出口處泥沙荷載影響較??；5)土地利用和土壤圖精度主要通過(guò)影響模型中HRU生成的數(shù)量而影響模擬結(jié)果；6)地表徑流模擬上，能夠體現(xiàn)對(duì)地表徑流貢獻(xiàn)較大的局地降水事件的分布式的降水?dāng)?shù)據(jù)要比利用氣象站點(diǎn)獲得的降水?dāng)?shù)據(jù)模擬結(jié)果的精度要高。研究結(jié)果可以為今后模型開(kāi)發(fā)、利用、改進(jìn)提供參考，提高模型模擬的精度。

關(guān)鍵詞：分布式水文模型；SWAT；數(shù)據(jù)質(zhì)量；分辨率；水文模擬； 空間數(shù)據(jù)； 子流域

水文循環(huán)是一個(gè)涉及降水、截留、入滲、產(chǎn)流、輸移、蒸散等多環(huán)節(jié)復(fù)雜的生態(tài)過(guò)程，受土地利用變化、管理措施和氣候條件等多重因素影響。傳統(tǒng)的水文研究手段無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜的水文循環(huán)模擬的精度要求，水文模型逐漸成為水文模擬研究的主要手段。具有一定物理基礎(chǔ)、充分考慮空間異質(zhì)性的分布式水文模型較概念性的集總式水文模型具有較好的模擬精度，正逐步成為當(dāng)今流域水文水資源和物質(zhì)運(yùn)移規(guī)律模擬研究與評(píng)估的重要工具。分布式水文模型的模擬精度很大程度上依賴(lài)于地理空間數(shù)據(jù)的精度，空間數(shù)據(jù)精度越高，越有利于準(zhǔn)確描述流域特征；但同時(shí)也會(huì)增加數(shù)據(jù)收集與處理的難度，降低模型對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度。分布式水文模型模擬精度與空間數(shù)據(jù)精度不是正相關(guān)的，研究分布式水文模型模擬結(jié)果對(duì)空間數(shù)據(jù)精度變化的響應(yīng)方向與響應(yīng)程度，選取合適精度的空間數(shù)據(jù)，對(duì)提高模型運(yùn)行效率具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型[1]是一個(gè)廣泛應(yīng)用的區(qū)域水文水資源評(píng)估工具，很多學(xué)者利用SWAT模型對(duì)產(chǎn)流量，泥沙、氮、磷等物質(zhì)輸移等方面進(jìn)行了預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，并對(duì)空間數(shù)據(jù)精度對(duì)模型模擬精度的影響進(jìn)行了探討。筆者利用綜合分析方法，評(píng)述空間數(shù)據(jù)精度對(duì)SWAT模型模擬結(jié)果的影響，綜合分析數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)分辨率、子流域和水文響應(yīng)單元(Hydrological Response Units， HRU)數(shù)量、土地利用和土壤分布空間分辨率、氣象站點(diǎn)數(shù)量等對(duì)流域流量、泥沙、污染物等模擬結(jié)果的影響，以期為SWAT模型的應(yīng)用和改進(jìn)提供參考，提高模型模擬精度和運(yùn)行效率。

1SWAT模型概述

SWAT模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開(kāi)發(fā)的，具有一定物理基礎(chǔ)和流域尺度的分布式水文模型[1]，主要用來(lái)模擬管理措施、土地利用變化以及氣候變化等對(duì)水文生態(tài)過(guò)程的影響，模擬的對(duì)象主要是徑流、泥沙和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以對(duì)流域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)地模擬，結(jié)果可以分年、月、日3種時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行輸出[2]。

SWAT模型首先將整個(gè)研究區(qū)依據(jù)自然匯水區(qū)域劃分為若干子流域，在子流域內(nèi)通過(guò)疊加土地利用、土壤分布以及坡度(SW AT 2009及以上版本)等數(shù)據(jù)生成若干HRU，HRU是模型模擬的最小地理單元，所有的產(chǎn)流、產(chǎn)沙計(jì)算首先在HRU上進(jìn)行，然后匯總得到子流域內(nèi)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量，最后所有子流域內(nèi)的徑流、泥沙通過(guò)河道輸移至流域出口。

模型地表產(chǎn)流計(jì)算有2個(gè)選擇：SCS-CN徑流曲線(xiàn)數(shù)法[3]和Green-Ampt入滲法[4]，2種方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)的要求不同，地表產(chǎn)沙量則使用修正的土壤流失方程(MUSLE)[5]。

2空間數(shù)據(jù)精度對(duì)流域水文模擬的影響

SWAT模型所需數(shù)據(jù)主要有空間數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)。文本數(shù)據(jù)主要用來(lái)存儲(chǔ)氣象、水文觀測(cè)、植物生長(zhǎng)和土壤理化性質(zhì)等參數(shù)數(shù)據(jù)，用于獲取地理參數(shù)、進(jìn)行流域離散空間數(shù)據(jù)的精度對(duì)模型模擬影響顯著。模型所需的主要空間數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　SWAT模型所需主要空間數(shù)據(jù)

2.1DEM分辨率對(duì)SWAT模型模擬精度的影響

DEM分辨率影響流域平均坡度、流域面積、河道長(zhǎng)度等關(guān)鍵地理參數(shù)的偏差，隨流域面積的增加，這種偏差的影響減弱[6]。流域地形參數(shù)獲取是分布式水文模型進(jìn)行水文模擬的基礎(chǔ)，不同分辨率的DEM所提取的流域邊界與最長(zhǎng)河道差異不明顯，但是對(duì)河網(wǎng)總長(zhǎng)以及局地的坡度影響顯著[7]。反映到流域水文和物質(zhì)運(yùn)移上，則直接影響匯水面積、匯流和物質(zhì)運(yùn)移的路徑和速率等。

DEM作為SWAT模型提取地形參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并不是分辨率越高，模型模擬的結(jié)果就越準(zhǔn)確，DEM分辨率的選取要以模擬的對(duì)象和目標(biāo)不同而有所差異。A. S. Cotter等[8]在18.9 km2的流域尺度范圍內(nèi)研究表明，DEM分辨率在30～300 m范圍內(nèi)時(shí)流量、泥沙、硝態(tài)氮(NO3-N)、總磷(TP)的模擬精度可以滿(mǎn)足要求。在這一流域尺度上，地表徑流隨DEM分辨率的變化并不敏感。分辨率提高，地表徑流模擬結(jié)果沒(méi)有顯著改善，但泥沙和NO3-N的模擬出現(xiàn)了較大的誤差。Shen Z.Y.等[9]在流域面積為4 426 km2大寧河流域利用分辨率為40 m×40 m、90 m×90 m和200 m×200 m的DEM數(shù)據(jù)模擬得到的流量結(jié)果與利用分辨率為30 m×30 m的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果最大相對(duì)誤差為2.09%，泥沙模擬結(jié)果的最大相對(duì)誤差達(dá)到19.18%。泥沙負(fù)荷受地表產(chǎn)沙量和河網(wǎng)輸移能力影響，不同分辨率DEM提取的坡度值影響修正土壤流失方程(MUSLE)產(chǎn)沙的計(jì)算[10]；同時(shí)泥沙在運(yùn)輸過(guò)程中的沉積和沖刷受到河網(wǎng)內(nèi)水流流速的影響，而流域內(nèi)坡度的變化影響地表徑流與河道中水的流速，進(jìn)而影響泥沙的輸移。

DEM分辨率還影響流域洪峰發(fā)生時(shí)間。隨著分辨率的降低，模擬的洪峰流量出現(xiàn)滯后現(xiàn)象[11]。在整個(gè)流域尺度上不同分辨率的DEM提取的平均坡度差異相對(duì)較小[12]，但是在子流域或水文響應(yīng)單元尺度上坡度的變化較大，低分辨率的DEM會(huì)造成局部坡度的減緩，降低了匯流速度。

DEM分辨率對(duì)硝態(tài)氮(NO3-N)和流量的模擬結(jié)果影響較為一致，總磷(TP)對(duì)DEM的響應(yīng)與泥沙的響應(yīng)一致[8-9]。I. Chaubey等[13]研究發(fā)現(xiàn)分辨率在30～1 000 m之間，徑流量和NO3-N荷載隨著DEM分辨率的降低而減少，而TP荷載隨DEM分辨率的變化趨勢(shì)不定，分辨率在100～200 m之間時(shí)才能保證徑流量、NO3-N、TP的模擬誤差小于10%。2.2子流域和水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐謱?duì)模擬精度的影響

流域離散是分布式水文模型的基礎(chǔ)，子流域的數(shù)量和面積對(duì)模擬結(jié)果影響差異極為顯著，子流域離散方案產(chǎn)生的模擬偏差，可能會(huì)超過(guò)模型參數(shù)率定所產(chǎn)生的偏差[14]。

子流域數(shù)量過(guò)多、劃分過(guò)細(xì)時(shí)產(chǎn)生了較多過(guò)于狹長(zhǎng)或過(guò)小的虛假子流域，導(dǎo)致不真實(shí)的水文模擬[15-16]；但當(dāng)亞流域劃分?jǐn)?shù)量較少時(shí)，對(duì)流域描述不夠充分導(dǎo)致模擬輸出結(jié)果不穩(wěn)定，難以達(dá)到理想的預(yù)測(cè)精度。

子流域劃分對(duì)流域產(chǎn)流模擬影響較小，而對(duì)產(chǎn)沙模擬影響較大。郝芳華等[17]對(duì)面積分別為4 623 km2和486 km2的2個(gè)流域中相同子流域劃分方案對(duì)模擬結(jié)果影響的研究表明，子流域數(shù)量為4和127時(shí)產(chǎn)流模擬的相對(duì)誤差分別為6.3%和1.3%，而產(chǎn)沙模擬的相對(duì)誤差達(dá)到了60%和34.3%，最佳子流域數(shù)分別為24個(gè)和37個(gè)。盧文喜等[15]在流域面積為4 843.5 km2的石頭口門(mén)水庫(kù)匯流區(qū)的研究表明：子流域數(shù)量分別為5和59時(shí)對(duì)產(chǎn)流、產(chǎn)沙影響的相對(duì)誤差分別為3.1%和76%，最佳子流域數(shù)為25個(gè)。子流域數(shù)量存在閾值，在閾值范圍內(nèi)流域產(chǎn)沙模擬結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，若超出該閾值范圍，模型會(huì)低估產(chǎn)沙量[10]。雖然不同子流域劃分方案對(duì)地表徑流模擬的影響較小，但是對(duì)水量平衡各組分如蒸散、入滲和土壤含水量的影響較大[18]。對(duì)流量、泥沙、NO3-N和無(wú)機(jī)磷模擬的最適子流域面積占流域總面積的比例分別為4%、3%、2%和5%[18-19]，所以在子流域劃分過(guò)程中要根據(jù)模擬目標(biāo)的優(yōu)先權(quán)確定最合適的子流域面積閾值。

泥沙模擬對(duì)子流域以及水文響應(yīng)單元的響應(yīng)具有空間異質(zhì)性。有研究發(fā)現(xiàn)在流域上游產(chǎn)沙量對(duì)子流域和水文響應(yīng)單元的劃分?jǐn)?shù)量較為敏感，而在流域出口處泥沙荷載受影響較小[20]，這是流域有限的輸移能力導(dǎo)致的[21-22]，在坡面上產(chǎn)出的泥沙最終沒(méi)能輸出到流域出口，而是在某個(gè)地方沉積起來(lái)。

2.3土地利用/覆蓋和土壤圖像精度對(duì)模擬結(jié)果的影響

土地利用和土壤圖精度主要通過(guò)影響SWAT模型中水文響應(yīng)單元(HRU)生成的數(shù)量而影響模擬結(jié)果[23-24]。研究[9]表明土地利用圖精度的變化可能導(dǎo)致森林、農(nóng)地、城鎮(zhèn)等土地利用面積出現(xiàn)偏差。土地利用圖精度降低會(huì)造成林地面積偏低而農(nóng)地面積偏高，農(nóng)地因覆蓋情況和耕作措施等比森林產(chǎn)生更多的泥沙[25-26]。A. S. Cotter等[8]研究發(fā)現(xiàn)土地利用數(shù)據(jù)精度對(duì)河川流量和NO3-N模擬影響不明顯，但是對(duì)泥沙和TP的模擬影響較大?？刂祁A(yù)測(cè)誤差在10%以?xún)?nèi)，適宜的土地利用圖像分辨率為30～500 m。

葉許春等[23]在面積為1.55萬(wàn)km2的鄱陽(yáng)湖上游的研究表明，在土地利用和土壤分布閾值(模型中生成水文響應(yīng)單元時(shí)對(duì)土地利用和土壤面積比例的設(shè)定)設(shè)置固定的情況下，將精度為1∶100萬(wàn)和1∶300萬(wàn)的土壤分布圖與土地利用圖疊加，前者生成水文響應(yīng)單元數(shù)量是后者的2倍多。模型校準(zhǔn)前后，低精度土壤數(shù)據(jù)徑流模擬結(jié)果略好于高精度土壤數(shù)據(jù)，二者之間的差別不明顯。這表明在較大尺度SWAT模型的模擬中，土壤數(shù)據(jù)精度的提高不一定會(huì)改善模型的模擬結(jié)果。雖然SWAT模型對(duì)土壤理化性質(zhì)非常敏感，但是土壤空間數(shù)據(jù)精度對(duì)模擬結(jié)果影響較小[6]。H. V. Singh等[27]利用SWAT模型和Tukey-Kramer統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)了2種土壤數(shù)據(jù)類(lèi)型美國(guó)州級(jí)土壤地理數(shù)據(jù)庫(kù)(STATSGO)與土壤調(diào)查地理數(shù)據(jù)庫(kù)(SSURGO)對(duì)關(guān)鍵污染源區(qū)(Critical Source Area，CSA)確定的影響。在沒(méi)有進(jìn)行泥沙校準(zhǔn)的情況下，低分辨率STATSGO與高分辨率SSURGO土壤數(shù)據(jù)比較，前者獲得的泥沙總負(fù)荷要高于后者，這是因?yàn)槔玫头直媛释寥罃?shù)據(jù)獲得了較高的土壤可蝕性因子和較高的地表徑流。M. Geza等[24]研究以上2種分辨率土壤數(shù)據(jù)對(duì)徑流、泥沙和污染物模擬的影響，發(fā)現(xiàn)利用高分辨率土壤數(shù)據(jù)獲得的水文響應(yīng)單元的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于低分辨率土壤數(shù)據(jù)，流量以及可溶性的營(yíng)養(yǎng)元素的荷載的預(yù)測(cè)結(jié)果也是高分辨率土壤數(shù)據(jù)高于低分辨率土壤數(shù)據(jù)；但是由高分辨率土壤數(shù)據(jù)獲得的泥沙以及附著在泥沙上的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)荷載的模擬結(jié)果要低于用低分辨率土壤數(shù)據(jù)獲得的模擬結(jié)果。與實(shí)測(cè)日均流量相比，在校準(zhǔn)之前低分辨率土壤數(shù)據(jù)模擬得到的流量結(jié)果要好于利用高分辨率土壤數(shù)據(jù)模擬得到的結(jié)果。李潤(rùn)奎等[28]在面積為19.5 km2的Brewery Creek流域上的研究表明：SWAT模型的徑流模擬對(duì)高分辨率的土壤數(shù)據(jù)敏感性較弱，在模型的校正前后，2種土壤數(shù)據(jù)的徑流模擬結(jié)果近似。這是因模型采用SCS-CN方法來(lái)估算地表徑流，徑流曲線(xiàn)數(shù)(Cruve Number，CN)的確定與土壤因素相關(guān)的是4個(gè)水文土壤組，再精細(xì)的土壤圖最后也會(huì)被歸結(jié)為4種水文土壤組，在此過(guò)程中存在著土壤信息的概化；所以高分辨率的土壤分布圖不一定就能得到好的模擬結(jié)果。

2.4降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的影響

降水?dāng)?shù)據(jù)主要有2種形式，一是傳統(tǒng)氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還有一種是基于遙感等技術(shù)獲取的分布式的降水?dāng)?shù)據(jù)。降水作為水文循環(huán)的開(kāi)始和初始動(dòng)力來(lái)源，其數(shù)據(jù)的好壞會(huì)對(duì)水文模型的模擬精度產(chǎn)生影響。SWAT模型將離子流域幾何中心最近的降水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為該子流域的降水?dāng)?shù)據(jù)[29]。研究發(fā)現(xiàn)利用分布式的降雨數(shù)據(jù)比用均一化的數(shù)據(jù)模擬的徑流深精度有明顯提高[30]。SWAT模型對(duì)所模擬研究區(qū)的面積大小沒(méi)有特殊要求，但是流域面積越小就需要越密集的降水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)保證模擬的精度[31]。泥沙荷載的模擬精度隨著雨量站數(shù)量的增加有了很大的提升，但是徑流和硝酸鹽的模擬結(jié)果變化很小[32]。

下一代雷達(dá)氣象系統(tǒng)(NEXRAD)是一個(gè)能夠提供雷雨、冰雹、山洪、降雨等多種氣象信息的數(shù)據(jù)系統(tǒng)[29]。NEXRAD反射率數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為多種形式的分布式降雨數(shù)據(jù)產(chǎn)品，比較常用的有StageⅢ和MPE數(shù)據(jù)[33-34]。利用StageIII和MPE降雨數(shù)據(jù)產(chǎn)品模擬的結(jié)果要好于利用氣象站點(diǎn)的降雨數(shù)據(jù)得到的模擬結(jié)果[33-35]。降雨監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)不到一些對(duì)地表徑流產(chǎn)生貢獻(xiàn)的局部降雨事件，而NEXRAD降雨數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了這方面的不足，這表明NEXRAD降雨數(shù)據(jù)可以在沒(méi)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或者監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較稀疏的地區(qū)替代監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行水文模擬。

3結(jié)論與討論

1)空間數(shù)據(jù)的分辨率不是越高越好，數(shù)據(jù)選取時(shí)要根據(jù)模擬的指標(biāo)、可能影響指標(biāo)模擬的因素等進(jìn)行選擇。一些數(shù)據(jù)對(duì)模擬的影響存在上下閾值現(xiàn)象，過(guò)高或過(guò)低分辨率的數(shù)據(jù)都可能降低模型模擬的精度。

2)子流域劃分?jǐn)?shù)量過(guò)多形成很多過(guò)于狹窄或虛假子流域?qū)е虏徽鎸?shí)的水文模擬。子流域面積占流域總面積的5%左右時(shí)，對(duì)各指標(biāo)的模擬精度均能達(dá)到要求。子流域劃分對(duì)流域產(chǎn)流模擬影響較小，而對(duì)產(chǎn)沙模擬影響較大。泥沙荷載在上游對(duì)子流域劃分較為敏感，但流域河網(wǎng)有限的泥沙輸移能力使得整個(gè)流域出口處的泥沙荷載變化不是很明顯。

3)分布式的降水?dāng)?shù)據(jù)可以監(jiān)測(cè)到對(duì)地表徑流貢獻(xiàn)較大的局地降水事件，所以在地表徑流模擬上要比利用氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)模擬得到的結(jié)果精度要高，依靠遙感等手段獲取的分布式氣象數(shù)據(jù)可以用于在無(wú)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足的區(qū)域進(jìn)行水文要素模擬。

4)研究結(jié)果不一定適用于所有的分布式水文模型，因?yàn)樗哪Ｐ驮趨?shù)選取或者算法選擇上存在著差別，所以相同的數(shù)據(jù)通過(guò)不同模型計(jì)算得出的結(jié)果也可能會(huì)存在很大差別。此外，模型運(yùn)行結(jié)果在很大程度上還會(huì)受到研究區(qū)流域面積的影響。由于研究案例中研究區(qū)流域面積的差異，所得結(jié)論并不是一定適合于所有的研究。

4參考文獻(xiàn)

[1]Arnold J G, Srinivasan R, Muttiah R S, et al. Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development [J]. Journal of the American Water Resources Association, 1998, 34(1): 73.

[2]Gassman P W, Reyes M R, Green C H, et al. The soil and water assessment tool: historical development, applications, and future research directions[J]. Transactions of the ASABE, 2007, 50(4):1211.

[3]Soil Conservation Service (SCS). National Engineering Handbook, Section 4, Hydrology [M].Washington D C: U.S.Department of Agriculture, 1972.

[4]Heber Green W, Ampt G A. Studies on soil phyics [J]. The Journal of Agricultural Science, 1911, 4(1): 1.

[5]Williams J. Sediment routing for agricultural watersheds [J]. Journal of the American Water Resources Association, 1975, 11(5): 965.

[6]Di Luzio M, Arnold J G, Srinivasan R. Effect of GIS data quality on small watershed stream flow and sediment simulations [J]. Hydrological Processes, 2005, 19(3): 629.

[7]吳軍, 張萬(wàn)昌. SWAT徑流模擬及其對(duì)流域內(nèi)地形參數(shù)變化的響應(yīng)研究 [J]. 水土保持通報(bào), 2007, 27(3): 52.

Wu Jun, Zhang Wanchang. Responses of runoff simulations to the change in topographic parameters based on SWAT model [J].Bulletin of Soil and Water Conservation, 2007, 27(3): 52. (in Chinese)

[8]Cotter A S, Chaubey I, Costello T A, et al. Water quality model output uncertainty as affected by spatial resolution of input data [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2003, 39(4): 977.

[9]Shen Z Y, Chen L, Liao Q, et al. A comprehensive study of the effect of GIS data on hydrology and non-point source pollution modeling [J]. Agricultural Water Management, 2013, 118(0): 93.

[10] 邱臨靜, 鄭粉莉, Runsheng Y. DEM 柵格分辨率和子流域劃分對(duì)杏子河流域水文模擬的影響 [J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(12): 3754.

Qiu Linjing, Zheng Fenli, Yin Runsheng. Effects of DEM resolution and watershed subdivision on hydrological simulationin the Xingzihe watershed [J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(12): 3754. (in Chinese)

[11] 吳軍, 張萬(wàn)昌. DEM分辨率對(duì)AVSWAT2000徑流模擬的敏感性分析 [J]. 遙感信息, 2007(3): 8.

Wu Jun, Zhang Wanchang. Sensitivity analyses of rainfall runoff simulations withAVSWAT2000 on effects of different spatial resolution DEMs [J]. Remote Sensing Information, 2007(3): 8. (in Chinese)

[12] Chaplot V. Impact of DEM mesh size and soil map scale on SWAT runoff, sediment, and NO3-N loads predictions [J]. Journal of Hydrology, 2005, 312(1/2/3/4): 207.

[13] Chaubey I, Cotter A, Costello T, et al. Effect of DEM data resolution on SWAT output uncertainty [J]. Hydrological Processes, 2005, 19(3): 621.

[14] Kim J G, Park Y, Yoo D, et al. Development of a SWAT patch for better estimation of sediment yield in steep sloping watersheds [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2009, 45(4): 963.

[15] 盧文喜, 伊燕平, 張蕾, 等. 不同亞流域劃分?jǐn)?shù)量對(duì) SWAT 模型模擬結(jié)果的影響 [J]. 水電能源科學(xué), 2010, 28(10): 23.

Lu Wenxi, Yi Yanping, Zhang Lei, et al. Influence of different watershed subdivision numberson simulation results of SWAT model [J]. Water Resources and Power, 2010, 28(10): 23. (in Chinese)

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

[17] 郝芳華, 張雪松, 程紅光, 等. 分布式水文模型亞流域合理劃分水平芻議 [J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2003, 17(4): 75.

Hao Fanghua, Zhang Xuesong, Cheng Hongguang, et al. Discussion on reasonable subdivision level of watershedfor distributed hydrologic model [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(4): 75. (in Chinese)

[18] Tripathi M, Raghuwanshi N, Rao G. Effect of watershed subdivision on simulation of water balance components [J]. Hydrological Processes, 2005, 20(5): 1137.

[19] Jha M, Gassman P W, Secchi S, et al. Effect of watershed subdivision on swat flow, sediment, and nutrient predictions [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2007, 40(3): 811.

[20] Fitzhugh T W, Mackay D. Impacts of input parameter spatial aggregation on an agricultural nonpoint source pollution model [J]. Journal of Hydrology, 2000, 236(1): 35.

[21] Fitzhugh T, Mackay D. Impact of subwatershed partitioning on modeled source-and transport-limited sediment yields in an agricultural nonpoint source pollution model [J]. Journal of soil and water conservation, 2001, 56(2): 137.

[22] Chen E, Mackay D S. Effects of distribution-based parameter aggregation on a spatially distributed agricultural nonpoint source pollution model [J]. Journal of Hydrology, 2004, 295(1): 211.

[23] 葉許春, 張奇, 劉健, 等. 土壤數(shù)據(jù)空間分辨率對(duì)水文過(guò)程模擬的影響 [J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2009, 28(4): 575.Ye Xuchun, Zhang Qi, Liu Jian, et al. Effects of spatial resolution of soil data on hydrological processes modeling [J]Progress in Geography, 2009, 28(4): 575. (in Chinese)

[24] Geza M, Mccray J E. Effects of soil data resolution on SWAT model stream flow and water quality predictions [J]. Journal of Environmental Management, 2008, 88(3): 393.

[25] Shen Z Y, Hong Q, Yu H, et al. Parameter uncertainty analysis of non-point source pollution from different land use types [J]. Science of The Total Environment, 2010, 408(8): 1971.

[26] Nie W, Yuan Y, Kepner W, et al. Assessing impacts of landuse and landcover changes on hydrology for the upper San Pedro watershed [J]. Journal of Hydrology, 2011, 407(1/2/3/4): 105.

[27] Singh H V, Kalin L, Srivastava P. Effect of soil data resolution on identification of critical source areas of sediment [J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2010, 16(3): 253.

[28] 李潤(rùn)奎, 朱阿興, Augello P C, 等. SWAT 模型對(duì)高精度土壤信息的敏感性研究 [J]. 地球信息科學(xué), 2007, 9(3): 72.

Li Runkui, Zhu Axing, Augello P C, et al. Sensitivity of SWAT model to detailed soil information [J]. Geo-Information Science, 2007, 9(3): 72. (in Chinese)

[29] Douglas-Mankin K, Srinivasan R, Arnold J. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model: Current developments and applications [J]. Transactions of the ASABE, 2010, 53(5): 1423.

[30] Hernandez M, Miller S N, Goodrich D C, et al. Modeling runoff response to land cover and rainfall spatial variability in semi-arid watersheds [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2000, 64(1): 285.

[31] Andréassian V, Perrin C, Michel C, et al. Impact of imperfect rainfall knowledge on the efficiency and the parameters of watershed models [J]. Journal of Hydrology, 2001, 250(1): 206.

[32] Chaplot V, Saleh A, Jaynes D B. Effect of the accuracy of spatial rainfall information on the modeling of water, sediment, and NO3-N loads at the watershed level [J]. Journal of Hydrology, 2005, 312(1/2/3/4): 223.

[33] Sexton A M, Sadeghi A M, Zhang X, et al. Using NEXRAD and rain gauge precipitation data for hydrologic calibration of SWAT in a northeastern watershed [J]. Transactions of the ASAE, 2010, 53(5): 1501.

[34] Tuppad P, Douglas-Mankin K, Koelliker J, et al. NEXRAD Stage III precipitation local bias adjustment for streamflow prediction [J]. Transactions of the ASABE, 2010, 53(5): 1511.

[35] Moon J, Srinivasan R, Jacobs J. Stream flow estimation using spatially distributed rainfall in the Trinity River basin, Texas [J]. Transactions of the ASAE, 2004, 47(5): 1445.

(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Impact of spatial data on the accuracy of watershed hydrological simulation of SWAT model

Chen Xiangyi1, Xiao Wenfa1,2, Huang Zhilin1,2, Zeng Lixiong1,2

(1. Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, 100091, Beijing, China; 2. Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China,Nanjing Forestry University, 210037, Nanjing, China)

Abstract:The simulation accuracy of watershed hydrological model depends largely on the description of the watershed characteristics of the input data. High resolution input data can accurately describe the watershed characteristics, and at the same time increase the difficulty of data collection and processing. So it is meaningful to study the response of the model simulation results to spatial data resolution, which would help to improve model running efficiency without reducing model simulation accuracy. Based on the previous studies, taking the SWAT for example, we review the impact of data quality on the accuracy of watershed hydrological simulation, mainly including the resolution of DEM (digital elevation model), the delineation of watershed, the quality of land use/land cover (LU/LC) and soil maps, the number and distribution of weather and precipitation gauge stations. The main conclusions are as follows: 1) Threshold of resolution of spatial data exists in the simulation of different subjects (runoff, sediment, nutrient, etc.), and too high or too low resolution of spatial data could result in the decrease of simulation accuracy. 2) The impact of DEM resolutions on the relative error of flow simulation results is far less than the relative error of sediment simulation, and the simulation results of inorganic nitrogen and organic phosphorus are consistent with the results of flow and sediment, respectively. 3) Further improvement of DEM resolution does not always result in the improvement of simulation accuracy after the resolution reaching certain accuracy, while the decrease of slope degree caused by the decrease of DEM resolution would decrease the flow production and delay the summit of peak flow. 4) The number of subwatersheds has little impact on the simulation of flow, but significantly influences the simulation of sediment. The number of subwatersheds and HRUs has significant impact on the upstream sediment yield, while it has little impact on the sediment load at the outlet of the watershed. 5) Effects of resolution of spatial landuse data and soil data on the simulation results of the model mainly result from their impact on the generation of HRUs. 6) The spatially distributed precipitation data could increase the accuracy of surface runoff simulation, because the distributed precipitation data could embody the locally intensified rainfall events that could significantly influence the surface runoff. The results could provide references for the development, application and improvement of watershed hydrological model and increase the accuracy of hydrological model simulation.

Keywords:distributed hydrological model; SWAT; data quality; resolution; hydrological simulation; spatial data; subwatershed

收稿日期：2015-02-11修回日期： 2015-11-04

第一作者簡(jiǎn)介：陳祥義(1986—)，男，博士研究生。主要研究方向：水土保持與流域水文模擬。E-mail:chenxiangyichen@163.com ?通信 黃志霖(1966—)，男，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：水土保持與流域水文模擬。E-mail：hzlin66@caf.ac.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.2；P334+.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3007(2016)01-0138-06

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.017

項(xiàng)目名稱(chēng)： 科技支撐計(jì)劃課題“長(zhǎng)江防護(hù)林質(zhì)量調(diào)控與高效經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究與示范”(2015BAD07B04)