分布式水文模型SWAT在國外水利水電工程水文設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何關(guān)洪

摘 要：SWAT為當(dāng)前比較流行的分布式水文模型，文章以所處不同大陸，地形、植被、土壤及氣候類型各異的東南亞老撾南木恩水電站、東非烏干達(dá)恩庫西河水電站和歐洲黑山共和國莫拉查河規(guī)劃梯級水電站工程為例，通過收集地形、植被、土壤及氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以SWAT為工具建立分布式水文模型。對比實(shí)測和模擬徑流系列的相對誤差（Re）、相關(guān)平方系數(shù)（R2）以及Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（Ens）為模型評價(jià)指標(biāo)，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(yīng)性的結(jié)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。模型方法的成果可作為徑流成果的合理性檢驗(yàn)，甚至可作為推薦的徑流成果使用。

關(guān)鍵詞：分布式水文模型；SWAT；國際工程；參數(shù)移用

中圖分類號：P334 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0161-03

Abstract： SWAT is a popular distributed hydrological model. Taking as examples three hydropower projects， i.e.， the Nam Mouan Hydropower Station in Laos， East Asia， the Nkusi River Hydropower Station in Uganda， East Africa， and the planned cascaded power station on the Moracha River in the Republic of Montenegro， Europe， which are situated in different contenents with different types of topography， vegetation， soil and climate， this paper collects basic data of the topography， vegetation， soil and climate， and intends to establish the distributed hydrological model using SWAT as a tool. Through the comparison of the observed and simulated runoff series' relative error （Re）， correlation coefficient of square （R2） and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient （Ens） as the evaluation indexes of the model， it is concluded that the SWAT model has good adaptability to runoff simulation in areas different in geographical location， topography and climate， and the runoff series with the same years of rainfall can be quickly obtained using the method of model parameter transfer. The results of the model can be used as the rationality test of runoff results， even as the recommended runoff results.

Keywords： distributed hydrological model； SWAT； international project； parameter transfer

1 概述

在水文資料缺乏區(qū)域進(jìn)行水利水電工程建設(shè)時，由于工期的限制，不可能進(jìn)行長期的徑流觀測。由于資料短缺嚴(yán)重，傳統(tǒng)上水文計(jì)算方法主要包括水文比擬法、參數(shù)等值線圖法、徑流系數(shù)法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法等，在缺資料地區(qū)進(jìn)行水文分析計(jì)算時，上述方法難以滿足要求。

論文引入的分布式水文模型SWAT是美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS， Agricultural Research Service）研發(fā)的基于尺度的一個長時間的分布式流域水文模型[1]，該模型能進(jìn)行長時間的模擬，在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于徑流模擬、土壤侵蝕、污染物運(yùn)移等領(lǐng)域[2]。Ndomba等探討了SWAT模型在水文資料缺乏的坦桑尼亞潘加尼河中的應(yīng)用效果，結(jié)果相對滿意。Yong等[3]以三峽庫區(qū)大寧河上游流域?yàn)檠芯繉ο?，?yīng)用SWAT模型比較了單站點(diǎn)與多站點(diǎn)率定方法的模擬效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法均能取得良好的效果。Immerzeel等[4]探討了利用遙感蒸散發(fā)資料率定缺資料地區(qū)SWAT模型的效果。陸志翔等將SWAT模型用于水文資料稀缺的伊犁河上游流域，結(jié)果表明模型能夠較好地再現(xiàn)流域的水文過程。張新華等[5]利用SWAT模型對贛江袁河的流量進(jìn)行了模擬，并結(jié)合負(fù)荷歷時曲線法（LDC）實(shí)現(xiàn)了流域分區(qū)、分期、分類和分級的總量分配方案，徑流模擬精度較高。李紅霞等[6]以袁河流域?yàn)檠芯繉ο?，論證了SWAT模型在水文資料缺乏流域中的應(yīng)用可行性。羅吉忠等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，以流域內(nèi)有水文資料區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)構(gòu)建SWAT模型，通過模型參數(shù)移用推求中下游無水文資料地區(qū)徑流過程的方法物理成因明確，能夠考慮流域水循環(huán)特征，可以用于缺資料流域的徑流推求。

針對水利水電工程所處地理位置、地形及氣候條件的差異，本研究分別對東南亞以山區(qū)為主，熱帶季風(fēng)氣候的老撾南木恩水電站、以平坦高原為主，熱帶草原氣候的東非烏干達(dá)恩庫西河電站及以山區(qū)為主、地中海氣候的歐洲黑山共和國莫拉查河梯級電站為研究對象，以探索SWAT模型在不同氣候及地形條件下缺資料地區(qū)水電工程水文計(jì)算中的應(yīng)用。

2 流域、資料與方法

2.1 流域概況

2.1.1 南木恩電站。南木恩水電站位于南木恩河上游，南木恩河為湄公河的二級支流，發(fā)源于老撾波里坎賽省北部和越南交界的山區(qū)，流域面積4256km2。地貌類型以山區(qū)為主，海拔210m～2292m。南木恩河流域?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)型氣候，每年5月～10月為雨季，降雨量占全年的80%以上；11月～翌年4月為旱季，降雨量占全年的比重不到20%。南木恩水電站流域面積為1500km2，流域平均高程870m，電站以上流域多年平均降雨量為1981mm。南木恩電站壩址徑流將移用以鄰近南杉河流域波利坎水文站1987年～2006年月徑流率定的模型參數(shù)計(jì)算得到，波利坎站流域面積2230km2，多年平均流量135m3/s，多年平均降雨量2968mm。

2.1.2 恩庫西河電站。恩庫西河為尼羅河支流，流域位于東經(jīng)30°39′～31° 25′，北緯0° 39′～1°15′之間，流域面積為2926km2。流域地貌為平坦高原為主，海拔在1000m～1300m之間。恩庫西河流域?qū)贌釒Р菰瓪夂?，多年平均氣溫?0℃左右，恩庫西河流域降雨分配為明顯的赤道雙雨季，每年3月～5月、8月～11月為雨季，其余月份降雨較少，為旱季，恩庫西河流域年降雨量在900mm～1500mm之間。恩庫西電站位于恩庫西河口瀑布上游，電站壩址徑流將以移用流域中游恩庫西河水文站2003年～2010年率定的模型參數(shù)計(jì)算得到，恩庫西河水文站流域面積1815km2，多年平均流量6.16m3/s，多年平均降雨量1100mm。

2.1.3 莫拉查河梯級電站。莫拉查河位于黑山共和國東南部，為黑山最大河流，發(fā)源于該國中部的Rzaa山區(qū)，河流流向大體由北向南流經(jīng)該國首都波得哥里察，注入黑山和阿爾巴尼亞界湖斯庫臺湖。流域地貌類型以山區(qū)為主，下游地區(qū)為河谷平原，地形北高南低，海拔在0m～2235m之間。莫拉查河流域大都屬于地中海氣候，兼具海洋氣候的特點(diǎn)，冬季溫和多雨，夏季溫暖干燥。流域內(nèi)降水呈東南向西北遞減的趨勢，東南的波得哥里察年降水量為1661mm，而流域西北部的降水高達(dá)2352mm。莫拉查河4個梯級水電站位于莫拉查河上游干流，從上到下4個梯級控制流域面積分別為427km2、475km2、527km2和818km2。莫拉查河梯級電站壩址徑流將以移用莫拉察河中游波得哥里察水文站1981年～1990年月徑流系列率定的模型參數(shù)計(jì)算得到，波得哥里察水文站以上流域面積2628km2，多年平均流量139m3/s，水文站以上流域多年平均降雨量2020m。

2.2 原始數(shù)據(jù)

完整的SWAT建模需要?dú)庀蟆EM數(shù)據(jù)、土地利用和土壤空間遙感數(shù)據(jù)，工程附近水文站的實(shí)測徑流系列將被用于流域模型參數(shù)率定。

2.2.1 氣象。南木恩流域雨量站數(shù)據(jù)來自APHRODITE（Asian Precipitation-Highly Re-solved Observational Data Integration Towards Evaluation of Water Resources）1986年到2007年逐日降水系列；恩庫西河電站及黑山莫拉查梯級電站所在區(qū)域沒有受到APHRODITE數(shù)據(jù)的覆蓋，其徑流計(jì)算的雨量數(shù)據(jù)來源于CFSR（NCEP Climate Forecast System Reanalysis）公布的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)系列為1979年1月1日至今。采用工程附近來自于世界氣象組織（WMO）氣象站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸入模型生成天氣發(fā)生站模擬除降雨外的其他氣象要素，南木恩電站氣象代表站為北汕站，恩庫西河電站為姆本德站，黑山4個梯級電站氣象代表站為波得哥里察站。

2.2.2 地形。采用空間分辨率為30m的ASTER GDEM（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model）數(shù)字高程模型建模。

2.2.3 土地利用。采用來自歐空局的全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)（GlobCover 2009）輸入模型，采用美國食品和農(nóng)業(yè)組織的地表覆蓋分類系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行植被分類。

2.2.4 土壤。土壤數(shù)據(jù)為世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Data base），空間分辨率為1km，采用FAO-90分類系統(tǒng)分類。

2.3 研究方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取對徑流影響較大的模型參數(shù)，其余參數(shù)采用默認(rèn)值，以水文站模擬徑流和實(shí)測徑流的3個精度評價(jià)指標(biāo)為準(zhǔn)，采用試錯法率定模型參數(shù)，移用率定好的模型參數(shù)計(jì)算得水利水電工程相關(guān)的徑流系列，并與水文比擬法的計(jì)算成果相比較。

3 結(jié)果及分析

根據(jù)水文站已有徑流資料，率定水文站以上流域模型參數(shù)，通過反復(fù)調(diào)參，模擬徑流與實(shí)測徑流吻合良好，R2>0.7，Ens>0.7，模擬達(dá)到了優(yōu)良的水準(zhǔn)（如表1），說明在掌握現(xiàn)有的空間地形、土壤、植被及降雨氣象數(shù)據(jù)的情況下，SWAT模型在不同條件地區(qū)的徑流模擬都能取得較好的效果。

將以上述水文站率定驗(yàn)證后的模型參數(shù)移用至對應(yīng)壩址以上流域，模擬得各電站壩址徑流系列，南木恩電站壩址的模擬多年平均流量與以壩址下游Chomthong水文站為依據(jù)站采用面積比與降水量之比計(jì)算所得的同期多年平均流量相比僅相差1.0m3/s，其余電站壩址模擬多年平均流量與采用水文比擬法計(jì)算的多年平均流量相差也不大。說明在掌握現(xiàn)有的空間地形、植被、土壤及降雨氣象數(shù)據(jù)的情況下，移用水文站率定模型參數(shù)模擬壩址徑流的方案在這些水電工程中取得了成功。

4 結(jié)論

（1）采用SWAT模擬處于亞、歐、非三大洲的不同氣候、不同地形的流域水文站的徑流系列，對比模擬徑流與實(shí)測徑流發(fā)現(xiàn)，模擬精度高，基本都達(dá)到了優(yōu)良的級別，模型具有很好的地區(qū)適應(yīng)性；（2）通過對比SWAT模型成果與水文比擬法等常規(guī)方法的成果可以發(fā)現(xiàn)，參數(shù)移用的方案是基本可行的，與水文比擬法相比，參數(shù)移用方法還能根據(jù)降水系列計(jì)算得到壩址更長的徑流系列，可通過模型的方法延長工程所需的徑流系列。

參考文獻(xiàn)：

[1]Arnold J G，Srinivasan R，Muttiah R S，etal. Large area hydrologic modeling and assessment Part I ： Modeldevelopment[J]. American Water Resource Association， 1998， 34（1）：73-89.

[2]郭曉軍，崔鵬，朱興華.典型泥石流流域蔣家溝的降水—徑流模擬[J]. 水土保持通報(bào)，2011，31（1）：176-178.

[3]Yongwei G， Zhenyao S， Ruimin L， et al. A comparison of single-and multi-gauge based calibratioNS for hydrological modeling of the Upper Daning River Watershed in China's Three Gorges Reservoir Region[J].2012.

[4]Immerzeel W， Droogers P. Calibration of a distributed hydrological model based on satellite evapotraNSpiration [J]. Journal of Hydrology，2008，349（3）：411-424.

[5]張新華，肖玉成，陳奕，等.缺資料流域的非點(diǎn)源污染模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2011，43（5）：59-63.

[6]張新華，李紅霞，肖玉成，等.缺資料流域水污染物總量分配方法研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2011，9（2）：136-142.

[7]羅吉忠，張新華，肖玉成，等.基于SWAT模型的缺資料流域徑流模擬研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：80-86.