基于相似流域法的SWAT模型模拟黄河中游无资料地区径流

汪银龙， 冯民权， 张 杰

(西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

目前，流域最佳管理措施的有效量化通常会通过水文模型对流域影响的评估来完成[1]。各种模型可以通过水文数据和土地数据的输入进行相应的率定和验证就能满足其适应性[2]。但是我国很多小流域没有实测径流资料，这样对于模型的应用就有一定的地域限制[3]。因此解决无资料地区水文模型的建立问题就越来越重要[4]。

在对无资料地区的径流进行模拟时，首先应该对水文模型的关键参数进行分析[5]。对于解决无资料地区的水文研究的问题大部分学者通过使用区域化参数来提高水文模型的预测精度[6-7]，目前在解决建立缺资料地区水文模型问题的主要方法有参数回归法、参数移植法[8-10]。在法国，Oudin等[11]利用GR4J和TOPMODEL模型对913个流域进行了径流模拟研究，结果表明参数移植法优于参数回归法。Kokkonen等[12]利用参数移植法和参数回归法分别对无资料流域做了水文模拟预测，研究表明这两种方法在无资料地区的水文研究具有很好的适用性。在英国，Kay等[13]利用PDM和TATE模型对119个流域做了水文模拟研究，结果表明参数移植法比参数回归法更适用于PDM模型和TATE模型。赵文举等[14]以石羊河流域为研究对象，通过参数移植法对其进行了径流模拟，结果表明其实用性较好。程艳等[15]利用参数移植法对嘉陵江中游9个无资料中小流域进行了径流模拟。罗吉中等[16]以赣江袁河流域为研究对象，通过在上游建立SWAT分布式水文模型来分析下游无资料流域的径流资料，结果表明这是一种无资料流域进行径流模拟比较好的方法。

综上所述，目前大部分学者利用参数移植法及参数回归法对无资料流域地区进行了径流模拟，但是这些方法所需要流域的条件要求较高，在实际研究中找到符合条件的流域难度较大。为寻求解决无资料地区径流模拟研究问题的简单方法，本文通过面积、距离、水文特征等3个方面寻求黄河中游无资料地区的相似流域，并利用流域面积比例法，将相似流域的实测径流移植到无资料流域径流来研究分布式水文模型 SWAT在黄河中游无资料地区的适应性，为解决无资料的小流域水文研究提供科学的参考基础。

2 研究区概况与模型构建

2.1 研究区概况

板涧河流域和毫清河流域地处山西省南部垣曲县西部，均为黄河的一级支流，而且两条河流相邻，如图1所示。板涧河发源于闻喜县石门乡上阴里，入垣曲县境经朱家庄、毛家湾、解峪入黄河，河道全长69 km，流域面积为370 km2，垣曲县境内河道长43 km，垣曲县境内流域面积228 km2，其年平均降水量为685.6 mm，多年平均蒸发量2 045.2 mm，多年平均气候12.9℃，多年平均径流量3 707.56×104m3。毫清河全长72 km，流域面积为500 km2，其年平均降水量为688.3 mm，多年平均蒸发量3 000.6 mm，多年平均气候13.2℃。

两个流域土地类型多为林地、旱地和低覆盖度草地三大类。土壤类型包括不饱和雏形土、黑色石灰土、简育黑土等。降水不均且土质松软，基本上覆盖了整个流域。

2.2 基础数据处理

在建立SWAT模型时需要很多矢量数据，其中包括DEM数字高程图、土地利用分布数据、土壤类型等，另外也需要该流域的气象及实测径流数据。

使用SWAT模型需要将原土地利用数据和土壤数据进行分类转化，采用已有研究的方法[17-18]，对板涧河流域及毫清河流域的相关矢量图进行转化及分类，具体结果如图2、3。

表1 详细数据及其来源

板涧河内虽有石门水文站，但由于此站位于流域上游，只能获取降水和温度资料，却不能得到整个流域的径流资料。所以在相似流域的基础上，利用流域面积的比例，将毫清河的实测径流进行等比例处理，并将处理后的径流资料移植到板涧河流域进行水文模拟。首先通过距离、流域面积、土地属性相近找到相似的流域[19-20]。本文从2个方面探讨相似流域的选取。

(1)距离相近法：距离相近法是寻求研究范围内与无资料流域在空间距离上最接近的相似流域。

(2)属性相似法：属性相似法是选取流域的某些属性(气象、土壤、地形等)计算2个流域的相似度。本文选取了4个产汇流中主要涉及的流域属性：多年平均降雨量(P)(气候特征)、平均坡度(S)(地形特征)、林地覆盖率(F)(植被特征)以及土壤有效含水率(AWC)(土壤特征)来计算流域水文过程相似性，见表2。

由图2、3知，板涧河与毫清河的土地利用及土壤类型很相似，其中土地利用率分别为67%、72%，两个流域都具有9种土壤类型，且完全相同，各种土壤类型占比接近。由表2知，4种影响产汇流的主要流域属性十分接近。由此可见，板涧河与毫清河具有很高的相似度。

图1 板涧河流域地理位置

图2 土地利用分布

图3 土壤类型分布

河流名称面积/km2多年平均雨量/mm平均坡度/(°)年平均温度/℃林地覆盖率/%平均高程/m土壤有效含水量板涧河370685.655.312.967878100毫清河500688.352.813.272825100

2.3 SWAT模型构建

构建SWAT模型首先要对毫清河流域进行子流域划分，并设定河道阈值和子流域出口，毫清河流域河道阈值为500，子流域出口为入黄口。然后对研究流域进行HRU分析，根据不同的土地利用和土壤类型将毫清河流域各个子流域划分为若干个水文响应单元。

本文采用“Burn in”凹陷化算法对DEM高程图进行处理并提取流域及河网，生成的流域集水面积约为498.4 km2，采用土地利用/土壤类型方法生成 HRU，设置值分别为10和20。根据参数的设置以及软件的运行将毫清河流域划分为21个子流域和102个HRU(图4)。

图4 毫清河子流域划分

3 结果与分析

3.1 相似流域的参数敏感性分析与率定

敏感性反映了相关参数对模型稳定性的影响程度或敏感性程度[21]。其结果S有3种表达方式：绝对值、相对值、离差[22]。为分析对比各关键参数对模型的敏感性程度，一般方法是采用相对敏感性值，对参数敏感性进行归一化，其敏感性指数I的公式为：

(1)

式中：指数I不受O和Fi的单位大小的影响，使模型关键参数之间具有很好的可比性，将敏感性指数分为4个等级如表3，I值的大小反映了参数敏感性的强弱[23]。

表3 敏感性分类

对毫清河所建立的SWAT模型进行率定，共选取18个模型参数进行参数敏感性分析，经过200次循环分析，获得模型前4位敏感参数如表4。并通过SWAT-CUP对其中4个关键敏感参数进行自动率定，然后根据率定结果采用手动率定对率定结果进行针对性调整，以提高模型的模拟精度。参数手动率定结果如表5。

表4 参数敏感性分析结果

表5 SWAT模型参数值域及率定最终值

3.2 板涧河流域径流模拟结果评价

以构建SWAT模型为基础，利用流域面积的比例，将毫清河的实测径流进行等比例处理，并将处理后的径流资料移植到板涧河流域，利用SWAT- CUP对模型进行率定，以效率系数(NS)和决定系数(R2)两个模型系数来评价模型在研究区的适用性[24]。根据这两类评价指标的综合效果，一般认为R2>0.7、NS>0.6时模型的拟合精度令人满意。

基于SUFI-2算法对SWAT模型进行率定、验证和评价，选取2008-2009为模型预热期，2009-2013为模型的率定期，2013-2016为模型的验证期，对板涧河流域的日、月径流进行模拟，其径流模拟的最终结果如图5和6，径流模拟结果综合评价如表6。

由图5中可知：板涧河流域属于夏雨型，径流具有明显的单峰特征。该流域冬季气候低且无降水，冰雪消融停顿，径流极小，一般无径流，随着春季的到来，气温升高，冰雪开始融化，径流稍有增加，在3月份时会出现一个小小的峰值即春汛。6月进入夏季，降雨明显增多，径流量随之变大，在8月到9月之间达到高峰，说明了夏季径流的主要来源是降雨。整体观察模型模拟的径流数据与相似河流(毫清河)的实测流量拟合程度较好，且在降雨较多的夏季时期模拟效果更理想，这说明SWAT模型更适合在降雨充沛，径流大的地区。

图5 板涧河月流量模拟结果

图6 板涧河日径流量模拟结果

由图6中可以看出，板涧河流域属于夏雨型降雨，1-4月降雨几乎为零，而到了夏季的时候，降雨明显增多，径流也是在8-9月间形成了高峰。虽然日径流模拟流量与实测流量的走势基本相似，但是在每年7-9月的峰值处，模拟径流明显高于实际径流，在每年1-3月的枯水期，由于属于冬季时期，冰雪也未开始融化，因而实测径流几乎为零，而模拟径流却大于实测径流。这是由于 SWAT模型通过处理多种土壤参数、土地利用下，预测复杂流域中水体、土地利用、土壤类型等对径流长期的影响，而对于短期洪峰的模拟效果不是很理想。

表6 板涧河径流模拟结果评价

由表6可以看出，在整个率定期间月径流模拟量的决定系数R2为0.76大于0.7，效率系数NS为0.70大于0.6，表明在率定期月径流量模拟效果要较好，但是整体实测流量的峰值要小于模拟流量峰值；验证期的模拟月经流决定系数R2为0.82大于0.7、效率系数NS为0.74大于0.6，表明验证期的模拟效果较优，整体模拟效果好于率定期。然而2010年和2011年7-9月的模拟月经流值较实测值偏高，这是由于在该时间段降雨量较大且较集中，排水会变得很快，但SWAT模型计算地表径流时，加入了低洼地区的排水量，使得模拟径流量偏大。日流量率定期的R2为0.70等于0.7，NS为0.64大于0.6，表明率定期日流量模拟效果较好；在验证期，决定系数R2为0.78大于0.7，效率系数NS为0.68大于0.6，较率定期好些，相对于月径流的模拟结果，日径流模拟结果相对不理想。综上所述，在实测径流由相似河流毫清河代替下，板涧河流域SWAT月径流模拟效果较好，其决定系数R2、效率系数NS均高于模型评价标准，其中验证期的模拟效果好于率定期，表明利用相似河流法的SWAT模型模拟无实测资料的板涧河流域的月径流是可行的，其模拟结果理想。

3.3 相似流域参数移植效果验证

本文采用参数移植法将毫清河的率定参数移植到板涧河流域，进行水文模拟。为了验证参数的移植效果，运用上游的石门水文站资料对模型进行率定验证,以月径流为例，如图7。

图7 石门水文站月经流模拟

在整个验证期间月径流模拟量的R2为0.74大于0.7，效率系数NS为0.72大于0.6，表明在验证期月径流量模拟效果要较好。由图7可知，整体模型模拟的径流数据与石门站的实测流量拟合程度较好，说明将毫清河的模型参数移植到板涧河进行水文模拟具有很好效果，进一步验证了采用相似流域法在无资料地区建立SWAT水文模型具有很好的适用性。

4 结 论

本文针对板涧河及毫清河的小流域特征，在对SWAT模型构建的过程中，结合流域 DEM高程图、已测水系、土地类型图、土壤类型图、水文气象等数据，对域进行合理的流域提取，采用SUFI-2算法对模型进行参数率定，并将毫清河流域的率定参数移植到板涧河流域，得出以下主要结论：

(1)以分析板涧河及毫清河流域河网结构及其水文特征为前提，根据相似流域之间的面积比例对径流资料进行等比例处理，处理后的径流资料可以在相似流域的水文模拟验证时得到很好的运用。

(2)对SWAT模型的参数敏感性分析可知，影响毫清河流域径流的前两个参数分别为径流曲线数、基流α系数，其余如地下水延迟天数和浅层地下水产生基流的阈值深度对径流的形成也有不同程度的影响。

(3)在参数移植的情况下，经过多次模型参数率定验证后，得到月、日模拟流量与实测流量的决定系数R2和效率系数NS，可以看出月径流量模拟效果优于日径流模拟效果，而且两个模型评价指标均满足模型评价要求。总体而言，虽然短时间尺度径流模拟效果不是很理想，但SWAT模型对板涧河流域月径流模拟效果较好，说明利用相似流域法的SWAT模型模拟在无实测资料小流域地区的月径流模拟具有一定的适用性。