SWAT模型在我國八類不同河流類型中的徑流模擬研究進展

何澤鋒 朱海彬

(貴州師范大學 a．地理與環(huán)境科學環(huán)學院; b．中國南方喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001)

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和工農(nóng)業(yè)用水需求的不斷加大，加之近年來氣候的變化以及我國水利工程建設的滯后，致使水資源短缺在一定程度上已經(jīng)成為制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展的一個十分重要的因素。加強中小流域水資源開發(fā)利用與水資源綜合管理是應對水資源緊缺的重要途徑，研究中小尺度流域的水文循環(huán)過程、模擬流域的水資源變化是水資源管理的基礎工作［1］。

利用水文模型對流域水文過程的模擬是目前研究流域水資源時空分布的重要方法之一。近年來隨著我國對水資源開發(fā)和管理的日益重視，SWAT 模型作為一種從國外引進的先進的水文模擬軟件，被廣范應用于我國不同流域的徑流模擬中。

SWAT 模型是一種具有很強物理機制的分布式水文模型，該模型由美國農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)，以日為研究時間步長、以流域為研究尺度［2］。SWAT 模型充分考慮了氣候和下墊面等多種影響因子在空間分布中的不均勻現(xiàn)象，真實地模擬現(xiàn)實世界流域降雨徑流形成的影響，客觀地反映氣候和下墊面等多種因子的空間分布對流域徑流和水儲量變化的影響［3］。

由于我國幅員廣闊，河流眾多，伍光和等(2006)根據(jù)河流徑流的年內(nèi)動態(tài)差異將我國的河流分為八大類型:東北型、華北型、華南型、西南型、西北型、青藏型、內(nèi)蒙古型、阿爾泰型［4］。

1 SWAT 模擬在我國不同類型河流流域徑流模擬的應用情況

1．1 東北型河流

東北型河流主要位于我國緯度較高、氣溫低、蒸發(fā)弱、地表徑流較豐富的東北地區(qū)，這類河流主要以積雪、地下水、降水為補給方式。河流通常在4月開始形成春汛，春汛的延續(xù)時間較長。這類河流主要以松花江、黑龍江等為代表。

目前SWAT 模型在這類河流流域徑流的應用還較少。尹雄銳等(2011)對洮兒河流域徑流進行模擬，結果表明干流水文站月流量過程率定期Nash 效率系數(shù)平均值為0．87，驗證期為0．72，相關系數(shù)都達到0．86以上，模型對于該河流的日徑流模擬的精度也較高，但是對于枯水年的模擬結果較差［5］。劉貴花等(2014)以三江原沼澤性河流為研究區(qū)，模擬結果得出:年徑流模擬校準期和驗證期的Nash 效率系數(shù)、相關系數(shù)R2、相對誤差PBIAS 值分別為0．84、0．94、－5．70和0．91、0．93、－6．46，表明SWAT 模型在三江原沼澤性河流徑流的模擬效果較好［6］。

1．2 華北型河流

華北型河流包括遼河、海河、黃河以北及淮河北側各支流。該類河流每年有兩次汛峰，兩次枯水，3—4月間因上游積雪消融和河冰解凍形成春汛，徑流系數(shù)5% ～20%，夏汛與春汛間有明顯枯水期，有些河流甚至斷流，造成春季嚴重缺水現(xiàn)象。雨季多暴雨，洪水猛烈而徑流變化幅度大。

目前SWAT 模型在這類河流流域的徑流模擬較多。張凱等(2013)以汾河上游為例，得出模擬與實測徑流的Nash效率系數(shù)分別為0．78和0．79，相對誤差為5．8%和8．7%，均小于10%，模型在該流域的模擬效果較好，有較強的實用性［7］。董國強等(2013)等利用SWAT 模型對灤河流域徑流模擬得出:灤縣水文站率定期與驗證期月徑流模擬值與實測值的相關系數(shù)、確定性效率系數(shù)均在0．90以上，相對誤差控制在5．00%左右，表明模型具有較高的模擬精度［8］。

1．3 華南型河流

華南型河流包括淮河南側支流，長江中下游干支流，浙、閩、粵沿岸及臺灣省各河，以及除西江上游以外的珠江流域大部分。這類河流在我國分布最廣。該類河流主要以降雨為補給方式，河流徑流系數(shù)超過50%，具有汛期早、流量大等特征。

林凱榮等(2013)用該模型對東江流域的徑流模擬，研究表明，SWAT 模型在東江流域3 個子流域的適用性較好，校準期日徑流模擬和月徑流模擬的相對誤差Re 均在10%以內(nèi)，日徑流模擬的決定系數(shù)R2均在70%以上，月徑流模擬的決定系數(shù)均在80%以上，Nash 效率系數(shù)基本達到70%;驗證期月徑流模擬的決定系數(shù)R2和Nash 效率系數(shù)均在70%以上。相對誤差基本在±20%以內(nèi)，可以滿足該流域的水資源評價與規(guī)劃的要求［9］。陳小鳳(2009)利用SWAT 模型對白蓮河流域徑流模擬研究。模擬結果表明:SWAT 模型基本能反映白蓮河流域的日徑流水文過程，具有一定的適用性［10］。

1．4 西南型河流

西南型河流包括中、下游干支流以外的長江、漢水、西江上游及云貴高原的河流。該類河流徑流一般不受降雪和冰凍的影響。徑流與降水變化規(guī)律一致，7—8月洪峰最高，流量最大，2月份流量最小。河谷深切，洪水危害不大。目前對于該類型河流流域的模擬還較少，盧曉寧等(2010)利用SWAT 模型對忠縣蝦子嶺流域地表徑流進行了模擬，認為SWAT 模型在該地區(qū)具有一定的實用性［11］。

1．5 西北型河流

該類河流主要包括新疆和甘肅河西地區(qū)發(fā)源于高山的河流。該類河流主要依靠高山冰雪補給。10月—次年4月為枯水期，3—4月有不明顯的春汛，7—8月間出現(xiàn)洪峰。產(chǎn)流區(qū)主要在高山區(qū)，出山口后河水水量滲漏，愈向下游水量愈少，大多數(shù)河流消失于下游沙漠中，少數(shù)匯入內(nèi)陸湖泊。

白淑英等(2013)應用SWAT 模型對開都河流徑流進行模擬，結果表明:模擬結果與實測徑流較吻合，校準期效率系數(shù)為0．58，平均相對誤差為－5．7%，線性擬合度為0．8，驗證期的結果與校準期接近，均達到了模型的評價標準，結果具有較好的可信度［3］。賴正清等(2013)以黑河中上游為例，對河流徑流模擬后得出驗證期的模型效率系數(shù)ENS 和決定系數(shù)R2分別為0．70、0．75，取得了較好的模擬結果［12］。

1．6 青藏型河流

青藏型河流主要位于我國青藏高原地區(qū)，青藏高原內(nèi)部河流以冰雪補給為主，東南邊緣的河流主要為雨水補給，7—8月降雨最多，冰川消融量最大，故流量也最大。

SWAT 模型在這類河流流域中的模擬還非常少，慕星(2014)利用SWAT 模型對寶庫河流域日徑流進行了模擬，結果表明:模擬的相對誤差為16．9%，Nash 效率系數(shù)Ens 為0．76，相關系數(shù)R2為0．72，模擬結果具有一定的實用性［13］。

1．7 內(nèi)蒙古型河流

內(nèi)蒙古型河流主要位于我國內(nèi)蒙古及寧夏地區(qū)，該類河流以地下水補給為主，或兼有雨水補給。夏季徑流明顯集中，水位隨暴雨來去而急速漲落，雨季的幾個月中都可以出現(xiàn)最大流量，冰凍期可長達半年。

SWAT 模型在這類河流流域中的模擬也還相對較少，有部分學者對這類流域進行了模擬，姚蘇紅等(2013)對內(nèi)蒙古閃電河流域徑流進行了模擬研究，結果表明:實測與模擬的逐月流量總體較為接近，率定期和驗證期的Nash 效率系數(shù)均大于0．60，實測與模擬的月流量之間的相關系數(shù)在0．65以上，率定期的多年平均相對誤差小于5%。模型參數(shù)經(jīng)多次率定之后，能夠較好地模擬干旱半干旱地區(qū)的徑流過程，在同類地區(qū)具有一定的適用性［14］。

1．8 阿爾泰型河流

阿爾泰型河流位于我國阿爾泰山地區(qū)，我國境內(nèi)屬于此型的河流為數(shù)很少，以積雪補給為主，春汛明顯，汛期一般出現(xiàn)在5—6月。目前還沒有學者對這類河流流域利用SWAT模擬對其進行模擬。

2 SWAT 模型在我國流域徑流模擬中存在的問題

SWAT 模型應用我國流域徑流的模擬起步相對較晚，但發(fā)展較快，特別是近年來SWAT 模擬對河流徑流模擬的研究逐漸增多，但SWAT 模型在我國的八類河流徑流模擬中也還存在一些問題。

(1)SWAT 模型是美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的軟件，模型自帶的土壤、植被等基礎數(shù)據(jù)及模型的許多基礎模塊都是根據(jù)美國的自然環(huán)境研究的，模型在我國的許多河流流域的徑流模擬效果并不太理想;由于模型所需要的基礎數(shù)據(jù)較多，而模擬結果的精度往往跟所收集的數(shù)據(jù)的多少與數(shù)據(jù)的精度有很大的關系，數(shù)據(jù)的精度往往直接影響模擬結果的好壞，但我國許多地區(qū)缺乏相應的氣象、水文等監(jiān)測站點，致使氣象、水文等數(shù)據(jù)的收集不是很全面，許多地區(qū)由于數(shù)據(jù)的缺乏而難以將模型應用在這些地區(qū)。對于模型所需要的數(shù)字高程、土壤、植被等數(shù)據(jù)我國目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范，大多數(shù)學者研究所用的數(shù)據(jù)精度差異很大，這就導致不同學者對同一流域徑流的模擬得出完全不同的結果。

(2)SWAT 模擬在我國流域徑流中模擬越來越多，模型在我國的應用得到了很好的推廣，但將SWAT 模型應用于我國不同類型的河流的模擬存在很大的差異。在我國八大類河流中，SWAT 模型應用得較多的是東北型河流、華北型河流、西北型河流所在的流域，而對于華南型河流、青藏型河流、內(nèi)蒙古型河流、阿爾泰型河流等河流所在的流域的研究則較少。由于不同類型河流的水文特征存在很大的差異，河流所在地區(qū)的地理環(huán)境往往存在很大的差異，模型在某些地方的模擬效果較好，在另外的一些地區(qū)模擬的結果不一定會很好。

(3)目前雖然有部分學者提出了SWAT 模型在我國一些流域中模擬存在的一些問題，如SWAT 模型對于流域在枯水期的徑流模擬精度相對較差，對于出現(xiàn)大的暴雨的年份的模擬效果也不太理想。相應學者也對出現(xiàn)的問題對模型進行了一定的改進與完善。但對于模型在我國不同流域模擬中存在的問題缺乏系統(tǒng)的總結，也沒有對SWAT 模型進行相應模塊的完善，致使SWAT 模型很難按照不同類型河流流域的特征進行推廣。

3 展望

SWAT 模型在我國流域中的應用旨在對流域水文過程的重現(xiàn)以及對于流域水文過程的預測，模擬結果可為我國流域水資源管理、水資源開發(fā)等提供依據(jù)。我國雖然應用SWAT 模型對許多流域進行了研究，在模型應用方面積累了一定的經(jīng)驗，但對于模型模擬精度的提高、模型的推廣應用，有許多方面還有待進一步改進與完善。

(1)對模型所需要的相關基礎數(shù)據(jù)進一步完善。由于數(shù)據(jù)對模型模擬結果的好壞起到很關鍵的作用，雖然SWAT 模型對于缺少部分氣象數(shù)據(jù)仍可以模擬出結果，但模擬出的結果精度往往較差，因此，有必要對模型所需要的土壤、植被、數(shù)字高程、氣象、水文等基礎數(shù)據(jù)進一步完善并進行統(tǒng)一的規(guī)范。

(2)針對我國不同類型河流對模型進行改進與完善。目前對于我國不同類型河流流域的研究并不均勻，對于不同流域所存在的問題缺乏必要的總結等情況，有必要按照不同類型河流流域對其進行相應的總結并對模型進一步完善，因為同一類河流在水文特征、河流所在地的氣候等方面具有很大的相似性。對模型相應模塊的完善，對于后繼對類似河流流域的研究具有很重要的意義。

(3)與其他水文模型結合應用。任何模擬都有其優(yōu)缺點。在對SWAT 模型本身的改進完善的同時可以結合其他水文模型對流域的模擬，這樣可以提高模擬的精度?？傊?，對于SWAT 模型的改進與完善是一個循序漸進的過程，這需要相關學者后繼的研究與不斷完善。

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