基于SWAT模型的中長期洪水徑流預(yù)測研究

卜 玉

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

SWAT模型能夠考慮大范圍降水受人類活動(dòng)、氣候變化等諸多因素影響，有效預(yù)測未來水文變化情況。經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，SWAT己經(jīng)在國內(nèi)外很多領(lǐng)域得到應(yīng)用并驗(yàn)證，包括泥沙、徑流、水質(zhì)等方面的研究，其中徑流模擬應(yīng)用最為廣泛。如廖亞一等在SWAT模型中引入蒙特卡洛隨機(jī)采樣法，探討了徑流模擬結(jié)果受不確定性氣候數(shù)據(jù)輸入的影響；王博威等綜合利用土壤信息數(shù)據(jù)和SWAT模型，從空間分布上揭示了流域徑流變化特征。以上研究主要是考慮氣候變化、人類活動(dòng)、土地利用變化等因素，利用SWAT模型探討其對(duì)徑流的影響，而對(duì)中長期洪水徑流預(yù)測的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，文章結(jié)合土地利用圖、土壤圖和DEM數(shù)據(jù)，通過提取水文特征相關(guān)參數(shù)生成流域河網(wǎng)，并合理劃分子流域、水文響應(yīng)單元和流域邊界，將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入SWAT模型實(shí)現(xiàn)饒陽河流域的徑流模擬，評(píng)價(jià)分析了流域內(nèi)水文水資源，校準(zhǔn)和驗(yàn)證了模型的精準(zhǔn)度及其適用性[1-6]。

1 研究區(qū)概況

繞陽河屬遼河下游支流，主要流經(jīng)阜新、新民、遼中、黑山、臺(tái)安、盤山等地區(qū)，最后匯入遼河，全長290km，總面積10360 km2，主要支流有月牙子河、沙子河，流域內(nèi)植被覆蓋率為28%，水土流失嚴(yán)重。季節(jié)性河流暴雨洪水特征較為明顯，產(chǎn)流類型屬于超滲產(chǎn)流，洪水暴漲暴落、量大峰高、匯流歷時(shí)短，洪峰峰型呈尖瘦型，漲落水歷時(shí)相近，洪水流速大，破壞力強(qiáng)，危害性更大。饒陽河屬大陸性季風(fēng)氣候，由于地理與氣候條件雙重作用所致，汛期七、八月份，次洪水總量占月徑流量較大，一般處于40%-60%范圍。

2 SWAT模型的構(gòu)建

2.1 基于柵格DEM流域信息的提取

DEM是子流域劃分、生成河網(wǎng)和流域邊界條件的重要數(shù)據(jù)，也是洪水徑流模擬的基本數(shù)據(jù)，見圖1。

運(yùn)行軟件完成DEM數(shù)據(jù)加載后，應(yīng)按照以下流程提取水文信息，主要步驟為：①投影修改，在WGS-1984-UTM-Zone-51N投影坐標(biāo)系下加載DEM數(shù)據(jù)；②Mask 掩膜加載，為了提高運(yùn)算效率，減少模型不必要的運(yùn)算量，流域劃分時(shí)僅僅考慮掩膜覆蓋部分，從而生成河網(wǎng)圖；③子流域最小面積閾值設(shè)定時(shí)要充分考慮流域現(xiàn)狀和研究區(qū)覆蓋范圍，完成劃分后自動(dòng)生成各子流域間的拓?fù)潢P(guān)系和河網(wǎng)水系，在此基礎(chǔ)上計(jì)算確定各子流域的高程、面積、坡度、形狀系數(shù)等特征值，最后完成流域的分割；④檢查調(diào)整，可以直接手動(dòng)刪除劃分不合理的子流域[7]。

圖1 繞陽河流域 DEM

文章所用DEM數(shù)據(jù)精度達(dá)到30m，運(yùn)行模型提取饒陽河。將整個(gè)研究區(qū)域(2234.558km2)劃分成面積從1.357km2到172.107 km2不等的55個(gè)子流域，地形坡度介于2.527°-10.814°，高程處于49.480m-312.623m，統(tǒng)計(jì)信息如表1，各子流域編碼分布見圖2。

表1 信息特征值

2.2 生產(chǎn)水文響應(yīng)單元

水文響應(yīng)單元(HRU)主要是指下墊面特征單一或相似的流域最小單元，各單元內(nèi)的水文特征非常相似[8-9]。為了更好地實(shí)現(xiàn)徑流模擬，全面真實(shí)的反映下墊面分布特點(diǎn)，有必要合理劃分各子流域的HRU，以保證每個(gè)HRU都有相應(yīng)土壤和土地利用類型相對(duì)應(yīng)。運(yùn)行SWAT模型并加載土地利用圖與索引表、土壤圖和類型表，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行重分類，結(jié)果見圖3。

圖2 繞陽河流域子流域編碼圖

圖3 繞陽河流域土地利用/覆被重分類

在流域下墊面條件完成疊加的基礎(chǔ)上，應(yīng)按以下步驟劃分水文響應(yīng)單元[10]：首先，結(jié)合不同土壤和土地類型屬性表明確最小類型比例；然后，合理設(shè)定最小閾值為10%，在劃分HRU過程中若某土壤或土地類型面積比低于10%則不予考慮，重新按比例計(jì)算剩下的面積，從而保證流域下墊面水平相似以及每個(gè)HRU都只有一重類型，按以上原則生成的HRU共有150個(gè)。

2.3 氣象數(shù)據(jù)的讀入

在完成HRU劃分后即可讀入氣象數(shù)據(jù)，流域內(nèi)的降雨數(shù)據(jù)、太陽輻射、風(fēng)速、濕度、蒸散發(fā)、氣溫等氣象數(shù)據(jù)分別來源于東白城子水文站和阜新氣象站1996-2006年監(jiān)測資料。

2.4 模型文件的讀入

讀入氣象數(shù)據(jù)后，應(yīng)用Write ALL命令即可自動(dòng)輸入數(shù)據(jù)[11]。根據(jù)土壤分配-土地利用特征和模型的流域特征會(huì)自動(dòng)提取這些輸入的數(shù)據(jù)，主要包括水文響應(yīng)單元(.hru)、主河道(.rte)、土壤(.sol)、子流域(.sub)、流域結(jié)構(gòu)(.fig)、氣象(.wgn)等文件，流程如圖4。

圖4 SWAT模型輸入文件流程

3 中長期洪水徑流預(yù)測

3.1 SWAT模擬方法

在寫入徑流模擬所需文件后，合理選擇河道演算、潛在蒸發(fā)和徑流計(jì)算方法[12-13]?？紤]到所獲取的降雨資料以日為單元，所以選擇徑流演算時(shí)間以日為單位的SCS徑流曲線法。由于已獲取流域內(nèi)的風(fēng)速、氣溫、太陽輻射、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)，故對(duì)蒸發(fā)量模擬選用Penman-monteith 法。根據(jù)相關(guān)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，徑流模擬時(shí)選用馬斯京根法。采用以上所述方法，結(jié)合1996-2002年觀測數(shù)據(jù)模擬饒陽河月徑流特點(diǎn)。

3.2 參數(shù)率定和驗(yàn)證

SWAT模型的參數(shù)較多，若直接調(diào)參沒有明確的目標(biāo)，并且工作量較大，難以達(dá)到預(yù)期的效果。因此，在調(diào)參前必須詳細(xì)掌握各類參數(shù)的特征及其敏感性，通過調(diào)整敏感性參數(shù)以保證工作效率。

實(shí)際上，參數(shù)率定就是通過對(duì)參數(shù)值的合理調(diào)整促使觀測值與模擬值更加接近，其主要有地表特點(diǎn)、土地類型、地下徑流、土壤、植被等參數(shù)[14-18]。本研究借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)實(shí)例，選取與降雨產(chǎn)流、地表徑流等密切相關(guān)的敏感性參數(shù)見表2，校準(zhǔn)步驟見圖5。

表2 WAT 模型主要率定參數(shù)

圖5 模型的校準(zhǔn)步驟

針對(duì)率定參數(shù)，應(yīng)用流域1996-2002年月徑流實(shí)測出口數(shù)據(jù)手動(dòng)校準(zhǔn)模型參數(shù)，并以2003-2006年月徑流實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)，見圖6。

3.3 模擬結(jié)果分析

采用相對(duì)誤差RE、相關(guān)系數(shù)R2以及納什效率系數(shù)ESE分析模擬效果，即RE值越小、R2值和ESE值越大則模擬效果越好。一般條件下，以RE<0、R2>0.6、ENS>0.6作為模擬效率、吻合程度、模擬精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

考慮到不同時(shí)段數(shù)據(jù)獲取的連續(xù)性，徑流實(shí)測數(shù)據(jù)來源于1996-2006年東白城子水文站觀測資料，模擬與實(shí)測徑流值見表3和見圖6-7。

從表3可以看出，SWAT模型可以精準(zhǔn)地反映不同時(shí)期繞陽河的徑流狀況，其中校準(zhǔn)期月均徑流量實(shí)測和模擬為12.926m3/s、11.786m3/s，驗(yàn)證期為28.474m3/s、28.811m3/s；校準(zhǔn)期實(shí)測值與模擬值的相關(guān)系數(shù)0.704、相對(duì)誤差8.818%、效率系數(shù)0.711，驗(yàn)證期依次為0.699、1.183%、0.697。

表3 月徑流的模擬結(jié)果

(a)月徑流模擬結(jié)果 (b)月徑流相關(guān)關(guān)系

3.4 模型分析與評(píng)價(jià)

一般條件下，若徑模型輸出期望值接近0.6，則代表模型可以準(zhǔn)確地模擬該區(qū)域徑流。將確定性系數(shù)ENS按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》劃分成甲、乙、丙評(píng)價(jià)等級(jí)，等級(jí)劃分見表4。

表4 確定性系數(shù)等級(jí)

結(jié)合表3模擬結(jié)果，驗(yàn)證期和校準(zhǔn)期模型的納什效率系數(shù)為0.697、0.711，依據(jù)表4等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)隸屬于丙級(jí)和乙級(jí)；驗(yàn)證期和校準(zhǔn)期模模擬值與實(shí)測值總體相差不大，相關(guān)系數(shù)為0.699和0.704，兩者存在密切聯(lián)系。所以，SWAT模型能夠客觀地反映徑流變化過程，利用該模型模擬饒陽河流域徑流特征具有較強(qiáng)適用性和可行性。

4 結(jié) 論

以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取河道坡度、平均高程、集水面積等流域水文信息，并將整個(gè)研究區(qū)域劃分成面積從1.357km2到172.107 km2不等的55個(gè)子流域。為保證流域下墊面水平相似以及每個(gè)HRU都只有一重類型，合理設(shè)定土壤類型和土地利用面積閾值均為10%，從而生成150個(gè)HRU，分布式描述整個(gè)流域范圍。

SWAT模型的模擬精度和可信度較高，計(jì)算誤差未超過允許的范圍，可以真實(shí)反映流域徑流狀況，科學(xué)評(píng)價(jià)分析流域水文水資源。在中長期洪水預(yù)測中，引用SWAT模型建立水文響應(yīng)單元，通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等參數(shù)的率定，建立了適合的預(yù)測模型，在一定程度上填補(bǔ)了洪水中長期預(yù)測的空白。