SWAT在干旱半干旱地区的应用研究——以窟野河流域为例

SWAT在干旱半干旱地区的应用研究——以窟野河流域为例程磊徐宗学∗罗睿米艳娇(北京师范大学 水科学研究院 水沙科学教育部重点实验室，北京 100875)摘要：SWAT是一个基于物理机制的分布式流域水文模型，其产流机制中对于地表径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流的模拟方法比较实用，能够适用于不同气候条件和下垫面条件下的产汇流情况。

本文将SWAT 应用到黄河中游干旱半干旱区多沙粗沙典型流域之一窟野河流域，模拟了1980～1985年的日流量和月平均流量过程，分析并探讨了SWAT产流机制对水源划分和径流形成过程的影响。

结果表明，水量平衡相对误差在10%左右，但Nash-Sutticliffe效率系数都较低。

本文对结果进行了初步分析，认为SWAT产流机制不能有效模拟位于干旱半干旱地区的窟野河流域的壤中流、基流和春汛流量过程，并探讨了SWAT在干旱半干旱地区产流模拟可能存在的问题和研究深入的方向。

关键词：SWAT；产流机制；窟野河流域；干旱半干旱区SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）研制开发的，在SWRRB模型的基础上吸纳了CREAMS、GLEAMS、EPIC、ROTO等模型的优点发展而来，是一个基于物理过程并能够模拟不同土地利用和多种农业管理措施对流域的水、泥沙、营养物质、杀虫剂等输送迁移影响的分布式流域水文模型[1]，其独特的分布式结构和运行控制方式使之具有高效连续模拟的优点[2]，其源代码公开、与地理信息系统结合的前处理等都使得SWAT具有旺盛的生命力[3]。

自1994年以来，SWAT经过不断改进和完善，先后发布了94.2、96.4、98.1、99.2、2000等不同版本，最新版本为SWAT2005，并在欧洲、亚洲、非洲等27个国家和地区得到了推广和应用[4]。

在美国和欧洲多条流域，SWAT被广泛应用于农业非点源污染的管理和控制领域，并取得了较好的效果[5-6]。

国内SWAT的应用和研究从2000年前后起步，经过快速发展，已广泛地用于水量和非点源模拟之中[7]。

SWAT在西北寒旱区黑河流域[8-9]、黄河流域[10]、黄河兰州以上[11]、汉江褒河上游江口流域[12]等地区的水量模拟中都取得了较好的结果；在官厅水库[13]、潘家口水库[14]、潮白河流域[15]等地区的水沙或营养物质模拟中效果也很好；张建云[16]等曾把SWAT与其他模型一起用于气候变化对水资源的影响研究，其中用SWAT 对黄河中游干旱半干旱区三川河流域水量进行了模拟，效果一般。

从国内外的应用研究来看，SWAT在湿润、半湿润的水沙和营养物质模拟中效果较好，经过改进的SWAT在寒旱区的融雪径流模拟中也能取得较好的效果，然而SWAT在干旱半干旱地区的水沙模拟情况较少涉及，对SWAT产流机制的探讨亦不多见。

本文将SWAT应用到黄河中游干旱半干旱地区的窟野河流域，分别进行月径流和日径流的模拟，并分析了SWAT的水源划分及其演算过程，从产流机制上探讨了SWAT在干旱半干旱地区的适用性和局限性。

1.研究区概况窟野河是黄河中游一条主要支流，是黄土高原侵蚀地区的典型河流，流经内蒙、陕西两省，地理坐标范围为E109°28′～110°45′，N38°22′～39°50′，流域面积8706km2，海拔高基金项目：国家自然科学基金（50579003）和“十一五”国家科技支撑计划资助项目（2006BAB06B01-09-01）。

第一作者简介：程磊（1982—），湖北丹江口市人，在读博士生，主要研究方向流域水沙过程分布式模拟。

E-mail: charlie@通讯作者简介：徐宗学（1962—），山东淄博人，教授，博士生导师，主要从事水文与水资源相关研究。

E-mail: zxxu@度在800～1300m 之间，地势呈西北高、东南低。

从气候类型上看，窟野河流域位于黄河中游干旱半干旱地区，北部属干旱区，南部属半干旱区。

流域地处黄土高原和毛乌素沙漠过渡地带的东段，受大陆季风影响较大，冬季严寒雪少，春季干旱雨稀，夏季常有暴雨，秋季降霜冻早。

流域下垫面条件复杂，上游是风沙草原区，中下游是黄土丘陵沟壑区；地表植被稀少，林草覆盖面积不足10%；流域内水系比较发达，冲刷沟发育相当充分，多呈树枝状分布，沟壑密度5～9 km /km 2，谷深多在100m 以上。

从1950s～2003年的数据统计来看[17]，流域多年平均降水量415mm，降水时空分布极不均匀。

时间上，年内分配不均，6～9月降水量占年降水量的75%～81%；最大月降水量出现在7月、8月两月，两月降水量之和占年降水量的50%～60%，并且多暴雨。

空间上，流域内降水量东多西少、南多北少。

窟野河流域多年平均径流量5.995×108m 3，地下径流约占28%，径流主要来源于降水补给，多年平均径流深在50～104mm 之间，径流的年内、年际分布取决于降水量的时空分布，径流的年际变化大于年降水的年际变化。

从地域分布来看，径流深和径流系数与降水的走势基本吻合，同是西小东大、北小南大。

7～10月径流量占年径流总量的57.9%～73.3%；洪峰多出现在7～8月，占年径流量的比重很大；因河川冰雪消融有春汛，3月份径流量在9.3%～15.8%之间。

2. SWAT 的水源划分与演算SWAT 模拟的径流成分包括坡面地表径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流4部分。

到达地面的降水，由改进的SCS 曲线数方法或Green & Ampt 方法计算地表径流；下渗的水分成为土壤水，土壤水在土层间进行再分配，壤中流计算采用动态蓄量模型；渗漏到更深层的土壤水补给地下径流，浅层地下径流能够补给河流和深层地下径流，也能够被蒸发和灌溉等消耗；深层地下径流可以流到流域之外[18]。

由于地表径流计算方法之一Green & Ampt 方法需要以小时为单位的降雨数据，在应用中使用较少，基于数据的限制，本文采用改进SCS 曲线数法进行模拟分析。

2.1 地表径流计算在SWAT2005中，地表径流的计算用改进的SCS 曲线数方法进行计算，对滞留量和CN 值两个参数提供了可供选择的修正的计算方法。

(1) 滞留量的改进计算传统的方法是滞蓄量随着土壤含水量的变化而变化，计算方法如下：()max 121exp SW S S SW w w SW ⎛⎞=−⎜⎟⎜⎟+−⋅⎡⎤⎣⎦⎝⎠ （1）式中：S 为日土壤滞蓄量；S max 为日最大可能滞蓄量；SW 为当日土壤含水量；w 1、w 2为形状系数。

最大滞蓄量可以在推求CN 值时求得，形状系数是与土壤凋萎含水量、田间含水量和饱和含水量相关的参数。

SWAT2005中，提出了一种滞蓄量随着植物累计蒸散发量变化而变化的计算方法，CN 2值计算也进行了相应的改进。

0max exp prev prev day surf cncoef S S S E R Q S −−⎛⎞=+⋅−−⎜⎟⎝⎠（2）式中：S 为日土壤滞蓄量；S perv 为前一天土壤滞蓄量；S max 为日最大可能滞蓄量；E 0为日潜在蒸散发量；cncoef 为权重系数，用于计算滞蓄量和CN 值之间的关系，与植物的蒸散发有关；R day 、Q surf 定义同前。

(2) CN 2值计算SCS 曲线数法假定前期湿润状况AMC （Antecedent Moisture Content ）分为三种情况，传统的CN 值确定是先假定流域处于一般条件之下（AMC II ），然后通过CN 2值转换表得到干旱条件（AMC I ）下的CN 1值和湿润条件（AMC III ）下的CN 3值。

CN 2值与土壤的渗透性、土地覆被/利用、田间管理水平等因素密切相关，在SWAT2005中，CN 2是植被蒸散发的函数，前期土壤湿度对CN 2的影响较大，当日土壤含水量对CN 2的影响相对较小；CN 1、CN 3的值并没有采用查表的方式得到，而是通过相应的经验公式进行计算。

传统的方法中，CN 2是在坡度为5%条件下得到的，Williams 在1995年提出了CN 2值坡度订正方法[19]，但SWAT2005没有对CN 2进行坡度订正，研究者可以根据需求进行订正。

2.2 壤中流计算渗入土壤的水量是当日净雨与地表径流量的差值，扣除渗漏出土壤底层的水量之后即为当日滞留在土壤层内的水分，这部分水分在不同的土壤层之间进行再分配。

w inf day surf R Q =− （3）式中：w inf 为入渗量；R day 为扣除初损的降水量；Q surf 为经过修正的地表径流量。

在SWAT 土壤水分计算中，考虑了表层土壤龟裂对表产流量的影响，计算出地表径流量后，估算土壤层龟裂导致水量提前穿透引起的地表径流减少量，并对地表径流进行修正。

SWAT 中假定，只有在上层土壤达到田间持水量且下层土壤未饱和的情况下，多余的水分才有可能下渗到下层土壤，上下两层之间水分传输量用蓄量演算方法计算。

,,1exp perc ly ly excess perc t w SW TT ⎛⎞⎡⎤−Δ=⋅−⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎣⎦⎝⎠ （4）式中：w perc,ly 为下渗到下层的水量；SW ly,excess 为该层可能渗透的水量；Δt 为计算时长（h ）; TT perc 为水分运动时间，是每层饱和含水量和田间持水量的差值与饱和导水率的比值。

SWAT 中采用动态蓄量模型对壤中流进行计算，并假定只有在水分达到田间持水量之后才产流，最大产流量为大于田间持水量的部分。

土壤层中壤中流计算公式如下：,20.024ly excess sat lat d hill SW K slp Q L φ⋅⋅⋅⎛⎞′=⋅⎜⎟⋅⎝⎠ （5）式中：Q'lat 为坡面壤中流产流量；SW ly,excess 为壤中流可能产流量，假定为饱和含水量与田间持水量的差值；K sat 为土壤层饱和水力传导率（mm ·h -1）；slp 为子流域平均坡度；d φ为土壤孔隙率；L hill 为坡长。

2.3 地下径流的计算在SWAT 中，浅层地下径流为地下浅层饱水带中的水流，深层地下径流为地下承压饱水带中的水流。

浅层地下水与土壤水和深层地下水之间都存在相互交换关系。

补给地下水的土壤水量w seep 为最底层土壤下渗的水量与提前从土壤剖面渗漏出的水量之和，扣除补给深层地下水量即为浅层地下水量；浅层地下水也会因为毛管力的作用向上扩散或被根系较深的植被蒸腾作用消耗，在SWAT 中定义为revap 。

同时，浅层地下水水平运动补给河流，且假定浅层饱水带中的水位大于给定的临界值才产流；向下运动补给深层地下水，补给量的大小与地下水的总补给量成正比关系。