2023年7月27日发(作者：)

第44卷第2期辽宁师范大学学报(自然科学版)Vol.44 No.2

2021年6月Jun. 2021)JournalofLiaoninormalUniversitNaturalScienceEditiongNy(()

文章编号:102-0240-08:/ DOI10.11679lsxblk2021020240基于SWAT模型太子河流域径流模拟朱正如,

苑

晨,

吕乐婷()辽宁师范大学地理科学学院,辽宁大连 116029)摘

要:在太子河流域建立了SWAT(分布式水文模SoilandWaterAssessmentTool对太子河流域的1研究结果显示:956—2016年水文过程进行了模拟.①模型运行时所用土壤蒸发补偿系数E浅层地下水再蒸发系数GW_R最大冠GW_DELAY、SCO、EVAP、层蓄水量C生物混合效率系数B饱和水力传ANMX、IOMIX、SCS径流曲线系数CN2、导系数S土壤饱和容重S土壤表层到底层的深度SOL_K、OL_BD、OL_Z这几个参数最敏感;率定期和验证期②太子河流域所有水文站的月径流模拟线与实测径流线较接近,SWAT模型月径流模拟效果较好;③太子河流域实际蒸散发量的空间分布呈现由西向东递减的趋势,西部平均蒸散发量约为5东部平均实际蒸散发量约为4太50mm,31mm.西部平均产水量约为149mm.水文站的决定系数R2值均大于0.均大于0.太子河流域5,Nash-Sutcliffe系数(ENS)5,的一些水文参数,会影响模型的模拟结果,如基流α系数A地下水延迟时间LPHA_BF、型,并采用S模型验证与不确定性分析,UFI-2算法进行参数敏感性分析以及参数率定、子河流域产水量的空间分布呈现由西向东递增的趋势,东部平均产水量约为547mm,关键词:太子河;决定系数;SWAT分布式水文模型;SUFI-2算法;Nash-Sutcliffe系数中图分类号:P343.1

文献标识码:A相互影响,直接研究水文循环的过程有一定难度,因此,水文模型成为研究水文循环过程的重要工具.1]水文模型可以分为系统理论模型、概念性模型和物理模型[三大类.其中,物理模型一般都是分布式模自然界的水文循环过程是一个复杂的过程.在水文循环的过程中,由于外界多种因素相互作用和)型,又称分布式水文物理模型(目前,国内外学者多用水文物理模[])、农业集水区研究单元模型AloicalLandUseChaneCRU4(AriculturalCatchmentsResearchggg[,][])模型等等.随着社会的进步与发展以及“技SWAT38模型、VIC9(VariableInfiltrationCaacit3S”py[]2]-6(型研究有关流域水环境问题[常见的分布式水文物理模型有水文土地利用模型3Hdro-y[])、、UnitSTREAM7(SatialToolsforRiverBasinEnvironmentAnalsisandManaement)pyg术(指遥感技术、地理信息系统和全球定位系统的统称)的出现,这些分布式水文物理模型得到了更多的数据支持.采用日为时间连续计算,综合考虑了土壤类型、土SWAT模型在进行区域尺度的评价中,地利用类型等因素的影响,因此,在评价资源的过程中较别的模型更有优势.[0],直到1它才被美国SWAT模型的前身是河道演算ROTO模型和SWRRB模型1994年,

收稿日期:2021-02-18,:作者简介:朱正如(女,辽宁本溪人,辽宁师范大学副教授,博士.1969-)E-mailzhenruzhu@第2期朱正如等:

基于SWAT模型太子河流域径流模拟 241它的发展经历了3融合了河道验算模块的、基于GAronld博士整理而成.0多年的历史,IS基础之上的11]半分布式水文模型[该模型主要被用来预测当流域内土壤、土地利用方式和管理方式变化时,土地.管理对水、泥沙及化学物质影响的变化.它是研究自然界中土壤、生态等与水文之间的关系的基础.依据遥感和地理信息数据,如水量、水质及农药转SWAT模型还可以模拟不同的水文物理化学过程,移等.[2]在国外,有学者利用SWAT模型预测大空间尺度降雨问题,如J将SWAT模型aakrishnan等1y和雷达降雨数据整合,解决了降雨数据缺测或数据难以获取的问题.此外,国外还有学者利用SWAT[3]模型管理农业问题,如M利用SWAT模型对小尺度农业流域的几种管理方案进行比较和iseon等1评估,选择出最优的管理方案对流域进行管理.在我国,最开始研究和应用SWAT模型是2王中000年.14]根等[利用SWAT模型模拟研究了我国西北寒区的水文过程,如对水质水量进行定量模拟、融雪和15]冻土对水循环的影响等.如今,如曾昭霞等[利用SWAT模型优化调SWAT模型有了新的发展方向,]16整了小流域粮食产量稳定与施肥空间的关系,梁犁丽等[利用SWAT模型模拟预测鄂尔多斯遗鸥保]17护区湖泊湿地集水区的生态需水量,王军德等[利用SWAT模型研究西北干旱区祁连山系杂木河流域的最佳水源涵养效应生态模式.1

研究区概况究得出的结论可以为合理分配流域水资源和解决太子河水污染问题提供基础信息和科学依据.本文在太子河流域建立SWAT分布式水文模型,用此模型模拟了太子河流域的水文循环过程,研/全省面积的1太子河上游位于长白山中部山区,一般都在海拔5流域内森林茂密,植被10.00m以上.良好.河床为单式V型河槽,床面多为卵石粗砂组成,无显著冲淤,河床比较稳定.中上游有大小支流近百条,流域面积大于100km2的有9条.太子河流域属于温带大陆性季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,夏秋常受热带气旋影响.全2,太子河是辽宁省较大河流之一,流贯辽阳、本溪境内.太子河全长4流域面积1是辽宁64km,3883km年日照充足,年平均气温在5~1流域多年平均降水量为5流域中的林地、耕地、水体0℃,00~800mm.)和建设用地面积占流域总面积9图18%以上(.Fi.1 SchematicdiaramoflanduseinTaiziRiverbasingg图1

太子河流域土地利用方式示意图 242辽宁师范大学学报(自然科学版)第44卷2

数据来源与研究方法2.1

数据来源(),数据(空间分辨率为3以及用于土地利用解译的LDiitalElevationModel0m)andsat8遥感影像数g据(空间分辨率3解译利用的工具是E解译出土地利用图K达到了中0m).NVI5.1,aa系数为85%,pp流域内一共有7个水文站点:梨庇峪,桥头,本溪,小市站,南甸,郝家店,二道河子,这些站点的实测径本文建立SWAT模型所需基本地理数据是从地理空间数据云官网下载的数字高程模型DEM]18-19分辨率遥感影像精度使用要求[土壤数据(分辨率为1k是由中国科学院南京土壤研究所提供..m):///)下载所得.2.2

研究方法2.2.1 SWAT分布式水文模型、、,相对湿度数据)太阳辐射数据)风速数据)从中国气象科学数据共享服务网(HMD(SLR(WND(ht-、、流数据是通过查阅资料室的水文年鉴整理出来的.气象数据包括P降水数据)气温数据)CP(TEM(]20;模型模拟两个阶段:陆地阶段和汇流阶段.陆地阶段决定子流域中水、沙等的输入量[汇流阶段控制它能够模拟流域内的生态水文要素的长期变化.SWAT分布式水文模型是一个物理基础的模型,水、沙等输出量.每个子流域SWAT模型根据数字高程模型及实际水网将流域划分成若干个子流域,公式如下:中土地利用和土壤类型的唯一组合就被定义为水文响应单元(HRU).SWAT模型利用水量平衡原理,,SWt=SW0+∑(Rdaurf-Ea-wseew)y-Qsp-Qgi=1t其中,SWt表示土壤最终含水量,SW0表示第i天土壤初始含水量,t表示时间,Rday表示第i天的降水量,QsEa表示第i天的蒸散发量,wsurf表示第i天地表径流,eep表示第i天离开土壤剖面底部的渗透水2.2.2 SWAT-CUP及SUFI-2算法流和旁通水流水量,Qgw表示第i天的回归流的水量.()11SWAT-CUP中SUFI-2算法能够进行分析模型参数的敏感性等验证-2算法是一种反向验证[])模型的率定和验证需要借助SWAT软件进行.-CUP(CalibrationandUncertaintroramsyPg模型适用性的方法,它通过程序对参数进行多次迭代,将参数范围不断精确,最终选定最适合模型的取22]值范围[模型的不确定性就是通过该取值范围模拟得出的结果综合评估..值对SWAT模型的模拟效果进行综合评价.确定性系数R2能够评价实测值与模拟值序列变化趋势的一致性,表示实测值与模拟值的变化趋势完全一致,表示实测值与模拟值吻R2为1时,R2偏离1越远,合程度越低.表示模拟值与实测值相差越小,模拟效果越好;反之,则表示模拟值与实ENS与1越接近,测值相差越大,模拟效果越差.Nash-Sutcliffe效率系数ENS计算公式如下:本文利用SWAT并结合流域实测-CUP计算得到确定性系数R2和Nash-Sutcliffe效率系数ENS,ENS=1-i=1n其中,Q0为实测值,Qp为模拟值,Qan为实测数据个数.vg为实测平均值,i=1Q∑(Q∑(n02-Qp)02-Qavg).()2第2期朱正如等:

基于SWAT模型太子河流域径流模拟 2433

太子河流域SWAT模型构建3.1

子流域划分此生成河网.本文将太子河流域划分成了90个子流域.河流数据和流域内的水文站点数据,以SWAT模型需要用到DEM数字高程模型数据以及水系、3.2

建立土壤数据库,的太子河流域土壤有关参数,对太子河流域的土壤进行了重分类并构建了流域的土壤数据库(表1)]23来替换SWAT模型原有的用户土壤数据库[.本文采用的是1∶100万的土壤数据,结合SWAT模型的土壤类型划分标准和SPAW软件计算SNAMCalcaricCambisolsCalcaricReosolsgHalicPhaeozemspCalcaricPhaeozemsGleicPhaeozemsyCumulicAnthrosolsHalicSolonchakspHalicLuvisolspGleicLuvisolsyEutricCambisols,m,bodiesTable1 MainsoilarametersofTaiziRiverbasinusersoildatabasepNLAYERS222222222222HYDGRPCCSOL_BD1.281.271.301.291.281.291.341.341.131.241.261.271.161.251.291.2811.281.31.291.531.531.531.531.3SOL_AWC15.415.414

13.714.614.27.608SOL_K28.1624.7330.2422.5725.4325.7874.5570.8913.297.72表1

太子河流域SWAT土壤数据库主要参数SOL_CBN0.650.430.750.471.950.670.980.692.940.381.120.820.540.380.740.360.830.280.3700001USLE_K0.170.180.170.170.130.170.140.130.160.170.170.170.150.150.170.170.160.160.160.170000BBBBAADDCCCC14.815.116.715.715.714.714.214.212.8141426.3827.642.356.76BBBBBB27.6716.8425.0310.4627.8922.6611.0811.0811.0811.08DDDD13.828.328.328.328.3

注:SNAM为模型中土壤名称;NLAYERS表示土壤分层数;HYDGRP表示土壤水文学分组;SOL_BD表示土壤表示USLE土壤侵蚀力因子湿密度;SOL_AWC表示土壤层有效持水量;SOL_K表示饱和导水率;SOL_CBN表示土壤层中有机碳含量;USLE_K3.3

建立气象数据库分别做好气象有数据的索引表,将建立好的索引表添加进模型的天气发生器中,建立太子河气象敏感性分析、校准与验证3.4 SWAT模型运行、数据库后,索引表会链接各子流域,然后模型分配气象资料给各子流域.完成数据库文件的建立之后,在SWAT模拟设置中写入想要模拟的起止时间及预热年,即可开始 244辽宁师范大学学报(自然科学版)第44卷运行.在SWAT模型中,有很多参数会对径流与泥沙模拟结果有影响,本文在分析了参数的敏感性及查阅相关文献的基础上,选择了几个对模型影响较大的参数.当SWAT模型运行成功后,将模拟结果代入SWAT不断验算、调整SWAT模型中敏感性较高的参数,使模型准确率更高,模拟结-CUP软件,果更符合实际的数据,这就是模型的率定与验证.经过率定和验证的SWAT模型可以用来更准确地模拟太子河流域的水文过程.参数率定通过S其中,UFI-2算法实现,1976—1977年为模型预热期,1978—1981年为模型率定期,由于SWAT模型在建立阶段输入了很多参数,很多数据对径流有不1982—1984年为模型验证期.同大小的影响.本文通过敏感性分析,选择了对模拟影响较大的1表2为率定参数及0个参数进行率定.它们的物理意义、调参方式和参数初始范围、最终选取值.表2

参数敏感性分析结果、物理意义、初始范围和最终值物理意义基流alha因子p调参方式VVVVVRRRRR,,Table2 Theresultshsicalsinificanceinitialraneandfinalvalueofparametersensitivitnalsispyggyay参数名称ALPHA_BFESCO初始范围0~1 0~5000.01~1

0.02~2

0~100 5~60-0.5~0.5-0.8~0.8-0.5~0.5-0.5~0.5最终值0.64446.160.570.060.9037.66-0.450.340.02-0.1GW_DELAYGW_REVAPCANMXBIOMIXSOL_KSOL_ZCN2地下水延迟时间/d土壤蒸发补偿系数浅层地下水蒸发系数最大冠层截流量/mm生物混合效率湿润条件Ⅱ下的初始SCS径流曲线(·m-3)土壤饱和容重/mgSOL_BD(土壤饱和水力传导度/mm·h-1)土壤表层到底层的深度/mm小市、本溪、桥头、南甸、二道河子、梨庇峪和郝家店水文站月径流模拟的结果较好(表3

结果表明,)和图2率定期各站月径流模拟值与实测值的确定性系数R2几乎均在0..5以上,ENS效率系数除小市)站(图2为0.其余水文站均在0.可利用太子河流域SWAT模型进一步探索流域水文过程a4,5以上.中的空间不均匀性.表3

太子河流域主要水文站月径流模拟结果Table3 TheresultsofmonthlunoffsimulationformainhdrometricstationsinTaiziRiverbasinyry水文站小市站本溪率定期1978—1981年桥头南甸二道河子梨庇峪郝家店R20.500.550.590.610.510.530.52ENS0.400.510.500.580.540.580.55验证期1982—1984年0.520.510.500.580.520.550.53R2ENS0.610.630.590.660.590.610.64第2期朱正如等:

基于SWAT模型太子河流域径流模拟 245))Fi.2 Calibration(1978—1981andvalidationperiod(1982—1984simulationresultsofgmonthldroloicalstationsinTaiziRiverbasinyhyg)、)图2

太子河流域主要水文站月径流率定期(验证期(模拟结果1978—19811982—19843.5

探索流域水文过程的空间差异()()际蒸散发量和产水量进行了统计计算,其空间分布状况见图3及图3ab.经过验证,该SWAT模型适用于太子河流域.本文利用SWAT模型的输出数据对各子流域的实)流域实际蒸散发量的空间分布(图3呈现由西向东递减的趋势.其中,鞍山市和辽阳市南部土地a利用类型基本为耕地,水分通过土壤的蒸发作用和植物叶片的蒸腾作用蒸发,故实际蒸散发量较高,约()为5本溪市实际蒸散发量较低,约为4图3表示太子河流域产水量的空间分布,流域50mm,31mm.b产水量空间分布呈现由西向东递增的趋势,与实际蒸散发量空间分布相反.其中,本溪市土地利用类型基本为林地,故产水量较高,约为5辽阳市和鞍山市产水量较低,约为147mm,67mm. 246辽宁师范大学学报(自然科学版)第44卷4

结论与展望Fi.3 ThesatialdistributionofaveraeannualevaotransirationandrunoffsimulationofTaiziRiverbasingpgpp))图3

太子河流域实际蒸散发量(和产水量(的空间分布ab型和S结论如下:UFI-2算法对该流域的径流过程进行了模拟,本文以太子河流域为研究对象,在太子河流域建立了SWAT分布式水文模型,并采用SWAT模系数R2值均大于0.均大于0.满足模型流域适应性的要求,因此,5,Nash-Sutcliffe系数(ENS)5,SWAT模型适用于太子河流域.()太子河流域平均实际蒸散发量为4空间分布呈现由西向东递减的趋势,西部平均蒸散272mm,()太子河流域内所有水文站的月径流模拟与实测径流线较接近,率定期和验证期水文站的决定1发量约为5东部平均实际蒸散发量约为4平均产水量约为2空间分布呈现由西50mm,31mm,74mm,149mm.向东递增的趋势.与实际蒸散发量空间分布相反,东部平均产水量约为5西部平均产水量约为47mm,()从太子河流域的土地利用图中可以得知,太子河流域存在很大面积的农业用地,可能会产生非324],点源污染的情况[SWAT模型正好可以为农业非点源污染的研究和农业水资源管理提供研究的平台,从而解决太子河流域的非点源污染问题.但是在我国,由于对这方面的研究起步比发达国家晚,一些数据资料无法免费得到,这就大大限制了SWAT模型的发展,对农业非点源污染问题的研究有很大影响.因此,我国应该提高基础数据的共享水平,让SWAT模型更好地解决我国的水资源污染问题.参考文献:[]]():陈晓宏.流域水文模型研究进展[水文,1

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