改進的SWAT模型對介休市水文過程的模擬研究

冀瑞鋒，王瑞芬

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

1 研究區(qū)概況

介休屬太岳山脈，地處太岳山北部，整個地勢呈南高北低形態(tài)，平川、丘陵、山區(qū)各占三分之一，大部分面積海拔高度介于740 m～2487 m之間，主峰有綿山、天峰山等，最高峰在綿山艾蒿坡，最低處位于汾河出境的義棠鎮(zhèn)田村。介休北部為平原，地勢開闊，土壤肥沃，是全區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要基地；中部為起伏緩和的丘陵區(qū)；南部為分布較廣的山區(qū)。

2 模型結構

分布式水文物理模型（Soil and Water Assessment Tool）是研究流域水文、生態(tài)、環(huán)境問題的重要工具，同樣也是研究自然界中土壤、生態(tài)等與水文之間的關系的基礎[1]。SWAT模型在水資源研究和非點源污染研究領域得到廣泛的應用。改進的SWAT模型對比實測和模擬徑流系列的相對誤差（Re）、相關平方系數(shù)（R2）以及Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NS為模型評價指標，得到SWAT模型在地理位置、地形及氣候各異地區(qū)的徑流模擬均有較好的適應性的結論，采用模型參數(shù)移用的方法，可快速獲得工程所在地與降雨相同年限的徑流系列[2～3]。

2.1 數(shù)字高程模型（DEM）

汾河流域汾河二壩—義棠之間流域改進后SWAT模型構建采用的數(shù)字高程模型（DEM）是對地形地貌離散狀況的數(shù)字表達，也是水文模型的水系生成、子流域劃分和水文過程模擬的關鍵輸入數(shù)據(jù)?？紤]到建模中氣象和水文站點的密度及模型模擬效率，將DEM網(wǎng)格處理成500 m×500 m分辨率網(wǎng)格。

2.2 子流域劃分

在Arcgis界面下選擇4×108m2為臨界集水面積，DEM數(shù)據(jù)中包含了豐富的地形、地貌及水文信息，基于網(wǎng)格的DEM已提出了多種算法計算水流路徑、自動生成河網(wǎng)和進行子流域劃分等。這些算法都已成功集成到GIS軟件及各種水文分析軟件中[4]，通過對DEM圖的處理計算，將義棠以上流域劃分為36個子流域[5]（見圖1）。其中的兩個子流域涵蓋了整個介休市。

圖1 汾河二壩—義棠之間流域子流域劃分圖

2.3 土地利用數(shù)據(jù)庫

土地利用類型是重要的下墊面信息，可以反映不同的土地覆蓋及水文特性，在產(chǎn)匯流的過程中非常關鍵。本次采用汾河流域2000年比例尺為1∶25萬的土地覆蓋數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)內(nèi)容包括森林、草地、農(nóng)田、聚落、濕地與水體、荒漠等6個一級類型和25個二級類型。數(shù)據(jù)庫構建過程中，采用Arcgis軟件合并獲取的研究區(qū)土地利用類型圖，并采用流域邊界對其進行切割，從而得到研究區(qū)的土地利用類型圖。建立土地利用類型查找表，當改進后SWAT模型加載土地利用類型圖成功后對其進行重分類，并最終得到改進后SWAT模型構建所需的土地利用類型圖。研究區(qū)土地利用重分類和重分類后的土地利用類型的對應關系見表1，重分類后研究區(qū)的土地利用類型圖見圖2，其中耕地和林地占了主要部分。

圖2 汾河二壩—義棠之間流域土地利用圖

表1 研究區(qū)土地利用重分類和重分類后的土地利用類型的對應關系

2.4 土壤數(shù)據(jù)庫

分布式水文模型中，土壤的類型以及土壤物理化學性質(zhì)對于流域內(nèi)部水量的調(diào)節(jié)、降水在土壤中的下滲、側向運動，有較大的重要性。本次采用汾河義棠以上流域1∶100萬土壤分布圖，根據(jù)流域的實際情況進行概化處理，最終重分類出7類土壤類型，具體見圖3。

圖3 汾河二壩—義棠間流域土壤類型圖

具體數(shù)據(jù)庫建立步驟包括：

（1）查詢中國土壤數(shù)據(jù)庫，獲得相關土壤類型的有效信息（土層厚度，有機質(zhì)含量，國際制下的顆粒比重等）；

（2）采用雙參數(shù)修正的經(jīng)驗邏輯生長模型將國際制轉化成美國制；

（3）通過SPAW軟件，計算土壤有效含水量、土層濕容重、土壤飽和滲透系數(shù)等參數(shù)；

（4）通過經(jīng)驗公式計算土壤可侵蝕因子K。

2.5 氣象數(shù)據(jù)庫

對于劃分出來的每個子流域，SWAT模型將選取距離子流域中心最近的站點數(shù)據(jù)，插值到流域中心位置，作為整個子流域的面數(shù)據(jù)。本次采用的4個氣象站點，主要收集了改進后SWAT模型所需要的逐日降雨資料，日最高最低溫度、平均相對濕度、輻射量、平均風速。由于這些變量的空間分布差異相對較小，且4個氣象站空間分布相對均勻，本次直接使用。文中采用氣象站點的詳細信息見表2。

表2 汾河二壩—義棠之間流域氣象站點位置信息

2.6 重點斷面徑流過程模擬

由于介休市行政區(qū)劃邊界較小，數(shù)據(jù)難以獲取，為了保證獲取更高精度的結果，本研究同時采用中國氣象網(wǎng)上發(fā)布的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集和氣象站點的降水量求解面平均雨量，站點分布見圖4。

圖4 介休市及周邊雨量站點分布圖

利用2004年～2013年的數(shù)據(jù)用于率定好的SWAT模型的檢驗，義棠站實測模擬月徑流結果評價指標及對比圖見表3和圖5。

表3 介休市改進SWAT模型月模擬率定檢驗結果

圖5 改進后SWAT模型模擬的義棠斷面徑流過程

以2004年～2013年義棠斷面流量過程驗證率定后改進的SWAT在介休市的適用性，模擬結果的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.751，相關系數(shù)為0.892，水量平衡系數(shù)為0.98，模型模擬效果較好，證明參數(shù)在嵌套式流域區(qū)劃中是可行的，移植性高。因此，所率定得到的改進SWAT模型在介休市地表水資源狀況模擬中有較好的適用性。

2.7 重要河流徑流量模擬

34號子流域和36號子流域涵蓋了介休市整個行政區(qū)，34號子流域涵蓋了介休市張澗河和樊王河等支流及流經(jīng)介休市部分汾河的上半段，36號子流域涵蓋了介休市的龍鳳河、侯堡河及流經(jīng)介休市汾河的剩余部分。結合全國水資源綜合規(guī)劃技術大綱，研究采用34號子流域和36號子流域模型輸出的產(chǎn)流量計算重要河流的徑流量，作為地表水資源量。以驗證期2004年～2012年為例，見圖6。

圖6 基于改進SWAT模擬的介休市地表水資源量

2.8 土壤含水量模擬

由于在構建SWAT土壤庫時，依據(jù)類型的不同設定不同的層數(shù)，SWAT模型輸出為子流域各時段末土壤剖面的含水量，單位為mm，研究中將毫米土壤含水量轉化為土壤含水率，34號和36號子流域土壤含水率的模擬過程見圖7、圖8。

由圖7、圖8可以看出，34號子流域土壤含水率均值在0.25左右，而36號子流域的土壤含水率均值在0.2左右，36號子流域土壤含水率降低，與介休市地下水開采量大相關，涵蓋介休市大部分的36號子流域因為土地利用和人為地下水開采量大造成土壤含水率相對較低。

2.9 蒸散發(fā)量模擬

改進SWAT模型輸出ET為時間步長內(nèi)子流域的實際蒸散發(fā)量。研究利用改進后的SWAT模擬了2000-2013年的ET，進行數(shù)據(jù)融合后分析了介休市14年來的ET時空格局變化，為后續(xù)相關規(guī)劃提供依據(jù)。

3 模擬結果

模型的率定就是尋找使模型的模擬值與對應實測值盡可能一致的參數(shù)。文中采用SWAT-CUP軟件自帶的SUFI-2模塊進行參數(shù)的自動率定。對每一個控制區(qū)域，選取參數(shù)進行敏感性分析，以義棠控制站1981年～2003年月徑流量Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NS為目標函數(shù)進行SWAT月模型模擬的率定，以2004年～2013年月數(shù)據(jù)進行驗證。各區(qū)域的的率定驗證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)見表4(率定驗證期的第一年為模型預熱期)，并給出了實測值與模擬值的相關系數(shù)。

表4 SWAT模型月模擬率定檢驗結果

汾河二壩—義棠之間流域所構建的SWAT模型，對1981-2013整個模擬期的模擬結果見圖9，整個模擬期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.842，相關系數(shù)為0.931，模型模擬效果較好。

圖9 SWAT模型模擬的徑流(1981年～2013年)

4 結語

應用改進后的SWAT模型，對介休市水過程模擬，較好的模擬了義棠斷面徑流過程，地表水資源量、土壤含水量、蒸散發(fā)量等，所構建的SWAT模型適用性良好，為SWAT模型的發(fā)展和應用提供有力的支持。