甘肃梨园河流域SWAT径流模拟与预报_薛天柱

2 SWAT 模型数据库的建立
SWAT 建模所需的数据库有两种类型： 空间数 据库和属性数据库。空间数据库主要包括数字高程 模型、土地利用类型、土壤类型，属性数据库主要包 括土壤属性数据库、气象数据库、流域控制站点的流 量资料。数据库中数据的存储形式主要为栅格图、 矢量图和二维数据表。空间数据库采用栅格数据或 矢量数据输入，属性数据库文件以二维数据表 DBF 格式进行存储。格式的转换处理由 ARCGIS、ARCVIEW、MICROSOFT EXCEL 等 工 具 完 成，在 SWAT
图 1 研究区 DEM 图
土地利用类型和土壤类型数据的转化。投影研 究区附近的各以县为单位土地利用类型图，然后合 并土地利用类型图单元的 COVERAGE 格式文件， 再用流域边界对已合并好的土地利用类型文件进行 切割，然后对具有流域边界的土地利用类型代码进 行重分类并赋值，最后将处理好的 SHAPE 文件转换 为 GRID 文件，得土地利用重分类图。土壤类型图 是将获得的全国土壤图的 COVERAGE 格式转换为 SHAPE 格式文件，对其进行投影变换，并用研究区 的流域边界进行切割，得到研究区的土壤类型图，再 将土壤类型图的 SHAPE 格式转换为 GRID 格式，预 处理完成后，为了满足 SWAT 模型的模拟需要，将 土壤类型概化为 12 个亚类，得研究区土壤类型图。 2． 2 属性数据库
模型中，无论选择何种格式输入模型数据库，空间数 据都必须选择一致的投影坐标系，本文利用 Arc / Info Workstation 中的 Project 命令完成对所有空间数 据的投影变换工作。 2． 1 空间数据库
数字高程模型是 SWAT 模型进行流域边界勾 画、子 流 域 划 分、河 网 水 系 生 成、各 水 文 参 数 提 取、 HRU 划分的基础。将原始的数字高程模型 DEM 应 用 ArcGIS 工具将研究区切割出来，而后进行投影变 换、网格大小重分类等处理，得到构建 SWAT 模型 所需要的数据格式，图 1 为根据流域边界抽取出来 的研究区高程图。
区域气候类型属于大陆性干旱气候，降水主要 在 6 － 9 月份，多年平均降水量为 160． 7 mm，蒸发量 2337． 6 mm，多 年 平 均 气 温 7． 5℃ ，极 端 最 高 气 温 37． 5℃ ，极端最低气温 － 26． 8℃ 。梨园河流域上有 水文站两处，一处为干沟门水文站，1984 年下迁至 肃南县城内，更名为肃南站，距干沟门站约 5． 0 km， 集水面积为 1 080 km2 ，另一处为梨园堡水文站，控 制流域面积为 2 240 km2 ，1990 年撤销，移交鹦鸽嘴 水库代测。研究区土壤类型可分为 7 个土类，12 个 亚类，土壤垂直带谱非常显著，植被类型也呈现明显 的垂直过渡带，从高海拔祁连山到出山口冲积平原 地带，植被类型从林地过渡为荒滩、草地。
口增长与生态环境、工农业用水等之间的关系，需从 多方面进行考虑，一个重要的环节就是要掌握区域 水资源现状及其变化趋势。分布式模型可以通过参 数的时空变化来模拟流域的径流过程和预报气候变 化的水文响应，为流域的土地利用规划、水土保持措 施、防洪减灾、水资源的合理开发等多方面制订方案 提供科学依据，以实现流域一体化管理。SWAT 模 型作为基于物理机制的分布式流域水文模型［3 － 5］， 对水文过程的空间变化、输入数据、边界条件及流域 特性等要素的非均质性有一个清晰的定义，能够较 精确的模 拟 流 域 的 径 流 过 程，评 价 流 域 水 资 源 量。
黑河是我国第二大内陆河，位于西北地区河西 走廊的干旱区。自 20 世纪 60 年代以来，随着黑河 流域人口增长和经济发展，用水量不断攀升，造成下 游地区河流干涸、地下水位下降、林木枯亡、草场退 化、沙尘暴肆虐等生态环境问题［1 － 2］。梨园河作为 黑河的一级支流，同样面临着这些生态和环境问题， 在其上游，由于矿产资源的开发，河道水质遭受了不 同程度的污染，威胁着人类的健康。同时，梨园河灌 区是黑河流域的大型自流灌区，且在梨园河上建有 15 座径流引水式梯级小水电站，研究区位于梨园河 出山口前，是灌区和梯级水电站的源头，如何处理人
Abstract： Data regarding to Liyuan River basin were collected to establish a data － base． Then，a physically based distributed hydrological model （ SWAT） was used to simulate the surface runoff from 1990 to 1999 on the basis of this data － base． After that，the analog value was compared with the actual one，we could get the results that the relative error is less than 10% ，the correlation and Nash － Sutcliffe coefficients are both above 0． 80． It indicated that the established SWAT model can be applied to the surface runoff simulation of Liyuan River basin． Lastly，meteorological data predicted by auto － regressive model and time domain analysis is added to SWAT model to predict surface runoff of the years（ 2009 － 2018） ． The results show that there is an apparent downtrend of runoff during this period． Through analying the response of the runoff to climate changes，it is found that the response of runoff to temperature is more sensitive than that of runoff to precipitation． Key words： SWAT model； surface runoff simulation； Liyuan River basin
XUE Tianzhu1 ，MA Can1 ，WEI Guoxiao1 ，YANG Jiali2 ，XU Xiang1
（ 1． Key Laboratory of Western China＇s Environmental Systems，Ministry of Education，Lanzhou University， Lanzhou 730000，China； 2． Hydrology Bureau of Songxi County of Fujian Province，Nanping 353500，China）
数 Ens 均大于 0． 80，模拟效果较好，认为 SWAT 模型可适用于梨园河流域的地表径流模拟。而后结合自回归模型
和时域法预测的气象数据，加载到已率定的 SWAT 模型中预测 2009 － 2018 年地表径流。结果表明： 预测期径流深
呈下降趋势，分析径流对气候变化的水文响应，认为径流对气温的水文响应的敏感性较径流对降水的敏感性高。
关键词： SWAT 模型； 地表径流模拟； 梨园河流域
中图分类号： P338． 2
文献标识码： A
文章编号： 1672-643X（ 2011） 04-0061-05
SWAT runoff simulation and predictions in Liyuan River basin of Gansu Province
1 研究区概况
梨园河是黑河的一级支流，位于黑河干流以西， 全长 169 km，年径流量 2． 37 亿 m3 ，为张掖市第二大 河流。发源于祁连山北坡海拔高程 4 600 m 的锅盖 沟与马圈沟，上游称隆畅河，至梨园堡出山口段称为 梨园河，集水面积为 2 240 km2 ，河流出山后于野沟 湾汇入黑河，此段称为大沙河。流域呈长条状，区域 内总的地势是西南高，东北低。本文构建的 SWAT 模型以梨园河段的鹦鸽嘴水库入口处为控制点，研 究区在 99°00' ～ 100°00'E，38°30' ～ 39°15'N 的范围 内，面积 1 683． 3 km2 。
第4 期
薛天柱 ，等： 甘肃梨园河流域 SWAT 径流模拟与预报
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壤数据库查得各土壤类型中的颗粒百分含量，应用 MATLAB 软件编程进行三次样条插值法计算得到以 美制标准为基础的 CLAY、SILT、SAND、ROCK 的百 分含量，应用土壤水特性软件 SPAW 计算 SOL_BD、 SOL_AWC、SOL_K 等参数，通过查阅甘肃省土壤志、 甘肃 省 土 种 志 和 张 掖 市 土 壤 志 等 资 料 得 到 SOL_ZMX、SOL_Z、SOL_CRK 等参数，另外部分参数 采用模型默认值。SWAT2000 自带了单一的植物生 长模型来模拟所有类型的植被覆盖状况，通过一个 名为 CROP． DAT 的数据库文件进行存储和调用。
（ 1． 兰州大学 西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2． 福建省松溪县水利局，福建 南平 353500）
摘 要： 以甘肃梨园河流域为研究对象，收集相关资料组织数据库，建立 SWAT 分布式流域水文模型，并模拟 1990
－ 1999 年月地表径流过程。通过比较模拟值与实测值得相对误差 Re 小于 10% ，相关系数 R2 和 Nash － Sutcliffe 系
SWAT2000 使用了 7 个数据库来存储模型有关 的属性信息，包括土壤类型、土地利用 / 植被覆盖、气 象数据、耕作、营养成分和农药及农业管理模式等。 土壤的物理属性决定了土壤剖面中水和气的运动和 交换状况，并影响着每一个水文响应单元中的水文 过程，主要包括土层厚度、有机碳含量、土层可利用 的有效水量、土壤的饱和水力传导度等。从全国土