SWAT模型在洮河地表径流模拟中的应用研究

期内径流模拟的Ｅ ｍ系数及平均相对误差 Ｒ 见表 ２ 月模拟 Ｅ ，
的Ｅ 系数均在 Ｏ ５ ． 以上 ， ８ 日模拟 的结果 虽然稍差 ， Ｅ 但 ｍ系 数也多在 Ｏ Ｏ ． 以上 ； ７ 相对误差除大石寨与洮南站验证期大于 １％ ０ 以外 ， 其他均小于 ５ 。据此判断 ， ％ 模型模拟效果较好 ， 篇 幅所 限，文中仅给出下游洮南水文站的月径 流模拟 曲线 ， 见
域， 总面积约 ３ｏ 万 ｋ 。 ． ６ ｍ２
１ 基 础 数 据 ． ３
对洮儿河地表径流过程进行模拟 ， 以探讨该模型在半 干旱地
区流域水循环过程模拟的适用性 ， 为流域水 资源 管理 提供基
模型运行需 要的基础数据包括 ＤＥ 土地利用 、 Ｍ、 土壤 类
型、 水文气象等数据 。此次研究使用 的 Ｄ Ｍ 数 据来 自美国 Ｅ
１ 子 流 域 与 ＨＲｕ 的划 分 ． ５
由于洮儿河流域下游地区地势平坦 ， 基于 Ｄ Ｍ 提取数 Ｅ
字 河网难度 较大。针对这一难题 ， Ｓ 将 ＨＰ格式的数字化水 系 导 入 Ｓ Ｔ中 ， ＷＡ 使用 “ ｕ Ｉ＂ Ｂ ｍ 方法提取河网。 ｎ 在闸坝断面及 水 文站控制断面设置子 流域 出口 ， 选择黑帝庙 水文站为流域
目标描述为 “ 在比较大的流域 内 ， 模拟不同管理措施对产水 、 产沙以及农业化学物质产生的影响 ， 能预测流域 １０ 以内 ０年
的总径 流量 、 泥沙流失量和营 养物负荷 ” Ｓ Ｔ模型是 目前 。 ＷＡ
干 旱季风气候区 ， 气候特征是春季干旱多风沙 ，夏季炎热 短 暂， 秋季干燥凉爽 ， 冬季寒冷漫长 。流域中下游地区是东北商 品粮基地的重要组成部分 ， １９ 年以后 ， 自 ８ ９ 洮儿河流域进 入
过程最为敏感的 １ 个参数 ， １ 其结果见表 １ 。表 １ 所示 的参数 排序及敏感值是基 于对洮南站 日径流过程模拟得 出的 ， 其它
站点的敏感性分析选 出的最为敏感的参数与此有所不 同， 在 此不做赘述。
表 １洮南站 日径流模拟参数敏感性分析结果
要 求确定一 个主要灌溉水源及其他水源取水顺序 ， 利用主 先 要 水源灌溉 ， 段内水源 可满足灌溉 需水时 ， 当时 此时 多水源 可转化为单 一水源灌 溉 ， 该水源不 满足灌溉需水时 ， 水 若 按 源取水顺序依次取用其他水源补充灌溉 。 ２将 水田部分 的模拟分为生育期和非生育期两段 ： ） 非生 育期 内 ， 田与旱地 的水文过程 相同 ， 水 直接采用模型 中的水
础依据和手段。
Ｎ Ｓ Ａ Ａ网站免费提供的 Ｓ Ｒ ０ Ｔ ａ ｍ分辨率的数据； Ｍ９ 土地利用
数 据来 自于 中 国科学 院东 北地 理 与农 业生 态研 究所 根 据 Ｔ ￣ Ｍ 影像解译的 １ ０ 土地利用图 ；土壤数据 来源 于 Ｍ Ｔ ：万 １ 中国科学院南京土壤所做的 １ ０ 万的空间分布图 ，土壤属 ：０ １ 性通过查阅 《 吉林土壤》《 、自城土壤 》《 、内蒙古土壤 》 等相 关 资料确定 ； 水文气象数据包括 流域内 １９－２０ 年 １ 个 雨 ９２ ０３ ６ 量站 日 观测数据、 个水文站 日流量数据 ， ５ 以及 ７ 个气象站的 降水量 、 最高最低气温 、 平均相 对湿度 、 风速 、 日照时数 等 日
洮儿河发源于内蒙古 自治区兴安盟科右前旗大兴安岭
高岳山 ， 沿程有较大的支流归流河 、 蛟流河汇 入 ， 流至 月亮 泡 注入嫩 江 ， 河道全长 ５ ３ｋ 流域面积为 ３ ７ ｍ２其中山 ６ ｍ， ３０ ０ｋ ， 区面积 占 ６ ％， ５ 丘陵 、 平原 占 ３ ％。洮儿河流域属于北 温带 半 ５
２１ 第 ６ ０２年 期
［ 文章编号 ］０ ２ ６ ４ ２ １ ）６ ０ ５ ３ １０ —０２ （０ ２０ —０ ３ —０
东 北水 利水 电
水文 水资 源
Ｓ Ｔ模型在洮儿河地表径流模拟中的应用研究 ＷＡ
李成振 陈晓霞 孔庆辉 ｚ ， ， ， 鹏 ｚ丁元芳 ２ 付 ，
（． １ 中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 １０６ ； ３０ １ ２ ． 松辽水利委员会水文局（ 信息中心 ） ， 吉林 长春 １０２ ） ３０ １
采用 自动校准 法进 行模型校准 ， 自动校准后的模型参数往往 仍不能满 足要 求或不是最优参数组合 ， 这时需在此基础上再 对部分参数进 行手动调整 ， 型输 出满 足预期的要求 。在 使模 模型校准 的时 间尺度上 ， 先对 年均值做校准 ， 展至月、 首 再扩 日； 在空间尺度上 ， 从流域上游测站开始校准 ， 向下游逐步展 开 ， 准下游 测站时 ， 当校 将不再 修改 已经校准好 的上游测站 集水区域 的相关参 数 。在模拟 方法上 ，地表 产流计算选用
复 杂背景的大流域 ， 主要用来 预测人类活动 对水 、 、 沙 农业 、 化学物 质的长期影响 ， 的运 行以年 、 、 模型 月 日为时 间单位 。 不适合对单一事件进行细 节模拟 。ＷＡ Ｓ Ｔ模型主要的模块有 水 文模 块、 象模 块 、 业管理模块 、 壤温度模块 、 物生 气 农 土 作 长模块 、 泥沙模块 、 药／ 农 杀虫剂模块 、 营养物质模块 、 河道物
Ｓ ＣＳ曲线 法 ， 散发 计算 采用 Ｐ ｎ ｎ Ｍｏ ｔ￣ 法 ， 蒸 ｅｍａ — ｎｅ ｉ 河道 汇 流采用马斯京根法 。
２１ 参 数 敏 感 性 分 析 结 果 ．
综合评价是指对模拟时间内所有样本统一进行评价 ，
它反映了长时间模拟结果的整体水平。 目前 ， 针对 Ｓ Ｔ ＷＡ 的 研究基本采用该评价方法。经统计分析 ， 各水文测站各模拟
［ 要 ］本研 究对 Ｓ Ｔ模型 的灌溉模块进行 了修 改， 摘 ＷＡ 在此基础 上 ， 构建 了洮儿 河流 域水循环
模 型 ，利 用水文站 实测径流资料对模型进行 了率定 ，并分别利 用综合评价指标与分 时段评价指
标， 对模拟结果进行 了评价。 结果表明 ， Ｔ模型对丰水年 的模拟效果相 当 ， Ｓ ＷＡ 好 平水年 的模拟效
采用 一个子流域 划分 为多个 ＨＲＵ 的方式 划分 ＨＲＵ，
∑ （ 一 Ｑ）
＝一 １ ｛Ｌ———＿ （） １
土地利用 、土壤面积及流域坡度的最小阈值比均定为 １％ ０。
流 域 内水 田 为农 业 用 水 大户 ，故在 “ ａｄＵｓ Ｔ ｈ ｌ Ｌｎ ｅ Ｍ￣ ｏ ｄ Ｅ ｅ ｔ ｎ 选项 卡中添加 “ Ａｅ ， ｘ ｍｐ ｏ ” ｉ Ｒ ｃ”这样 水田面积便不会 因低 于 设定 的土地利用阈值而被忽略 。采用上述 方法 ， 研究区共 划分 ３０个 ＨＲＵ。 ９
循环过程 ； 生育期内 ， 根据水田水量平衡来计算。 模型中设定
生育期的开 始和 结束时间 ， 以及不 同时期的水稻最低和最高 允许水深 。 当降水使 田面水深高于最高允许水深时产生地表
径流 ； 当田面水深 低于最低 允许 水深时进行灌溉 ； 田蒸散 水 发按蒸 发能 力计 算 ； 田渗漏 采用稳定下渗 处理 ； 育期结 水 生 束排光水 田水 量。
经过运行 Ｓ Ｔ敏感性 分析模块 ，得到对研 究区径 流 ＷＡ
・
３ ６ ・
２ １ 年第 ６ ０２ 期
东北水利水电
水文水资源
６ ２ ８ ＾｜ ∞ ８ ∞ 加、 ４ Ｏ６∞ ８ ∞ ∞ ，ｏ ＾ 表 ３ 各水文站月径流模拟分时段评 价表
袭 ２ 各水 文站模型校准期及验证期径流模拟综合评价表
０９ — ． ．１ ２０ ０７ ．７ ２２ ．
２２ 模 型 校 准及 验 证 结 果 ．
通常 采用 Ｎｍ —ｕ ｃｆ ｈ ｓａ ￣ ｅ系数 Ｅ Ｓ与相对 误 差 Ｒ Ｎ Ｅ来
评价模型模 拟值与实测值之 间的拟合度口Ｅ Ｓ Ｒ ，Ｎ 与 Ｅ的计算 表达式分别为 ：
总出 口， 采用模 型推荐 的子流域划分 阈值划分子 流域 ， 结果 共划分子流域 ３ 个 。 ５
果 次之 ， 枯水年 的模拟结果不太理想 ， 但考虑研究区的实际情况 。 整体模拟结果还是令人 满意 的。 ［ 关键词 ］ ＷＡ Ｓ Ｔ模型 ； 灌溉模块 ； 洮儿河流域 ； 综合评价指标 ； 时段 评价指标 分 ［ 中图分类号］ Ｖ１ １．； Ｖ１９１ Ｔ ２￣ Ｔ ３． ２ ６ ［ 文献标识码 ］ Ａ 质演算模块 、 水库内演算模块 。模 型的开发者将 模型开 发的
连续枯水年 ， 干旱已成为 目前制约 当地农 业生产的瓶颈 。 水资
比较先进的流域水量 、 水质综合 模型 ， 自开发 以来已经在美
国、 加拿大 、 欧洲 、 亚洲等地区得 到广泛的应用与验证Ｉ 。 ２ － － ￣
１ 模 拟 范 围 ． ２
由于洮儿河黑帝庙水文 站以下地区地势平坦 ，区内泡
研究区农业灌溉用水占总用水量的 ８％ ５ 左右，准确模
拟 农业 灌溉用水过程是 流域水循环模 拟成败的 关键 。针对
・
３５ ・
水文水资源
溉模块进行 了如பைடு நூலகம்下修改 ：
东北水利水 电
２ １ 年第 ６ ０２ 期
Ｓ ＷＡＴ模型 在灌 区水 循环 模拟方面存 在的一些缺陷 ［ 对灌 ４ １ ， １根 据文 献［ ］ ） ４ 的方法构建 了多水源灌溉模块 。该方 法
观测数据。
１ 农 业 灌 溉 模块 的 改进 ． ４
１研究区 Ｓ ＷＡＴ模 型 的构建
１ Ｓ Ａ ． Ｗ Ｔ模 型 简 介 １
Ｓ Ｔ模 型是由美国农业部农业 研究中心研制开 发的 ＷＡ
—
个基于物理过程 、 用来模拟 连续 时间的流域分布￣ ｖ － ｋ文模 － Ｌ
型， 适用于具有 不同土壤 类型、 地利用与土 地管理措施 等 土
程 度越好 。 若 为负值 ， 明模型模拟平均值比直接使用实 说 测平均值的可信度更低 。 一般情况下 ， 对大流域 、 长时间的模 拟 ， Ｅ ０ ０且 Ｒ ＜ ０ｄ 模拟结果是可 以接受的日 当 ＞ ． ５ Ｅ ２ Ｖ￣， 。文 中将根据式（ ）式 （ ） １ 、 ２ 建立综合评价指标及分时段评价指标 对模拟结果进行评价。 １ 综合评价 ）
水 文站 年份 ／ ．
ｎｒ’ ｌ‘
／ 水文
０９ ４３ ． ３ ． ０５ －６１ ．４ ． ０５ １ ． ．１ ３１
／ ｎｒ－ Ｓ’
／
１９ ２ ． ９４ ０ ４ １９ １． ９５ ０ ７ １９ ９６ ８５ ．
１ ９ １ ． ９４ ２０ １９ ９５ １ ９ ９６ ４３ ． ３９ ．
感性分析的结 果 ， 选择较为敏感的参 数进行模型校准。首先
式 中 ： Ｑ 为实 测值 ， Ｖ ； ｍ ｓＯ 为模拟值 ， Ｖ ； 为实测值 平 ｍ ｓ 均值 。 ￣ ；为样本数。 Ｅ ＝时 ， 模拟值与实测值完 ｍ／ ｎ ｓ 当 ｌ 表示 全—致 。 通常 在 ｏ １ ￣ 之间 ， 越大 ， 计算值与观测值匹配
源量的不足及水资源年内分配与农作物 生长 需求的不匹配 ， 严重影响作物产量 ， 制约了当地粮食生产 。 加之近年来人类开
发利用强度过大 ， 该地区草原退化 、 湿地萎缩 、 土地沙化 、 盐碱 化等生态环境问题 日益突 出Ｉ ｌ ｌ 。此次研究拟应用 Ｓ Ｔ模 型 ＷＡ
沼星罗棋布 ， 不利于流域边 界的提取 ， 内地表产流量 不 且区 大 ，故此次研究模拟 范围选择 黑帝 庙水文站 以上的汇流 区
∑（
产ｌ
） ‘
∑（ ） 一
Ｒ ＝ Ｌ 一 Ｅ
问
Ｘ０ Ａ ｌ￣
（） ２
２ 流域 水循 环 模拟
选择大 石寨 、 镇西 、 务本 、 洮南 ４ 水文站的 实测流量 个 过 程进行模型校 准 ，采用各站 １９— １９ 年观测 资料进行 ９４ ９７ 模型校准 ， ９－ ２０ 年资料进行模型验证 ， ９ 年 资料用 １ ８ ０１ ９ １ ３ ９ 于模型预热 。 型校准之前 ， 模 先进行参数敏感性分析 ， 根据敏