新安江模型和SWAT模型的对比应用研究

2.1.1 蒸散发计算 一般情况下，流域蒸发量主要取决于土壤蒸发量。因此新安江模型中仅考虑土壤蒸发。
流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的 不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散。对于蒸散发能力的推求，多采用水 面蒸发实测值换算得到。
2.1.2 产流计算 新安江模型采用蓄满产流，用蓄水容量面积分配曲线来考虑土壤缺水量空间分布不均匀
与新安江模型不同，SWAT 模型要求多种类型的资料输入。分列如下：
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（1）地形资料：采用 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）发布的 1°×1°DEM 地图。
（2）土壤及土地利用资料：分别采用 FAO（Food and Agriculture Organization）提供的 1°×1°的土壤图和 USGS（U.S. Geological Survey）提供的同精度的土地利用地图。
2.2.1 地面径流 当降雨强度超过地面下渗率时，就会产生地面径流。SWAT 提供了两种方法来计算地
表径流：SCS 曲线法和 Green & Ampt 方法。SCS 曲线法是一种经验方法，来自于对美国境 内小流域 20 余年降雨径流关系的分析。SWAT 给出了一系列依据来确定不同土地利用和土 壤类型情况下的模拟产流量。Green & Ampt 法描述的是在地面始终有超渗水量情况下的下 渗。模型引入 Green-Ampt Mein-Larson 超渗降雨方法作为计算地表径流的可选项。Green & Ampt 方法要求日内时段降雨资料。
2.1.4 汇流计算 对计算出的各种径流成分分别进行汇流计算。地表径流的坡地汇流可采用单位线法或线
性水库；壤中流汇流可采用线性水库或滞后演算法模拟；地下径流汇流可采用线性水库方法。 河道洪水演算可采用 Muskingum 方法或滞后演算法。
2.2 SWAT 模型原理
考虑流域内下垫面特性和气候因素的空间分布不均，SWAT 首先将整个研究区细分为 若干个子流域，对每个子流域分别进行模拟计算，再将各子流域的模拟结果叠加在一起作为 整个流域的模拟结果。子流域内的水文过程模拟可以分为两大部分，即坡面水文循环过程和 河道水文循环过程。前者控制每个子流域内主河道的水量，沉积物，氮和化学物质等的输入， 后者确定水、沙等从河网汇集到流域出口的过程[2]。
其他影响小的变量仅做微调或根据流域状况赋值。主要参数率定结果见表 2。
序号
表 2 SWAT 模型部分参数值
Table 2 Calibrated parameters in the SWAT model
参数意义
参数
参数值
1
土壤蒸发补偿系数
ESCO
0.63
2
植物蒸腾补偿系数
EPCO
0.65
3
初始土壤含水量
SWAT 模型提供了三种方法来计算可能蒸发：Penman-Monteith 法[3]，Priestley-Taylor 法[4]和 Hargreaves 法[5]。如果使用者有用其他方法得到的可能蒸发值，模型也可以读入日可 能蒸发值。三种模拟方法中，Penman-Monteith 法要求输入太阳辐射，气温，相对湿度和风 速资料，Priestley-Taylor 法要求输入太阳辐射，气温和相对湿度资料，而 Hargreaves 法只需 要气温资料。
78
10
径流曲线数
SPAS
71
CN
AGRR
80
AGRL
79
FRST
62
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5．结果及分析
5.1 模拟结果
选用相对误差和 Nash-Suttclife 系数（Ens）来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果。
新安江模型与 SWAT 模型的模拟结果分别见表 3 和表 4。
本文从原理和结构方面，将两个模型做了简单比较，并将二者分别应用于伊河Байду номын сангаас游地区。 模拟结果显示，两个模型的精度相当，且模拟效果都较满意。
2．原理概述
2.1 新安江模型原理
考虑降水和流域下垫面分布不均匀的影响，新安江模型的结构设计为分散性的，通常以 一个雨量站为中心，按泰森多边形法划分计算单元，对每个单元流域分别做汇流计算，得出 各单元流域的出口流量过程，再分别将出口以下的河道洪水演算至流域出流断面，最后将同 时刻的流量相加即得流域出口的流量过程。分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流 计算四个层次。
表 3 新安江模型模拟结果
Table 3 The simulation results of Xinanjiang model
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序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

表 1 新安江参数值
Table 1 Calibrated parameters in the Xinanjiang model
参数意义
参数
蒸散发折算系数
模型按泰森多边形法将流域分为 7 块计算面雨量，见图 1。采用三层蒸散发模型和蓄满 产流模型计算蒸发量和产流量，三水源划分，河道汇流采用 Muskingum 方法。
图 1 新安江模型子流域划分方案 Fig.1 Subbasin division of the Xinanjiang model
3.1 SWAT 模型构建
的问题。假定在流域的任一地点上，土壤含水量达到田间持水量前，降水全部补充土壤含水 量，不产流；当土壤蓄满后，其后续降雨量全部产生径流。这种产流机制比较接近或符合土
1本课题得到国家自然科学基金（项目编号：50479017）的资助。
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壤缺水量不大的湿润地区。

新安江模型和 SWAT 模型的对比应用研究1
李晓，李致家
河海大学水文水资源学院，南京 (210098)
E-mail：lixiaolsm@
摘 要：新安江模型是我国第一个完整的流域水文模型，在国内应用多年，效果显著。SWAT 模型是美国农业部开发的长时段模拟分布式流域水文模型，可以对流域水循环、侵蚀、有机 物和杀虫剂等的输移变化进行模拟。本文分别介绍两个模型的原理和结构，将其应用于伊河 上游潭头流域，并将模拟结果进行比对，结果表明，二者对研究流域的模拟结果精度相当。 关键词：新安江模型，SWAT 模型，日径流模拟，伊河上游地区
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2.2.3 土壤水 水分在土壤中有多种运动形式：可经由植物吸水和蒸发离开土壤，或是经过表土进入地
下含水层，还有一部分水在适当条件下成为壤中流并对径流有所贡献。在这些不同的路径中， 植物吸水对土壤水运动影响最大。 2.2.4 地下水
SWAT 将每个子流域的地层分为两层。浅层为非承压层，其中的浅层地下径流汇入子 流域内的河流；深层为承压层，其中的深层地下径流可以汇入子流域外的河流。 2.2.5 河道汇流
（3）气象资料：因国内难以找到完整的天气模拟器资料，故移用美国同纬度、同气候 带、相近高程站点的数据。
（4）日降雨和径流资料：采用流域内陶湾、栾川、庙子、白狮、河西、大清沟、潭头 7 个站点 1980～1990 年共 11 年的降雨资料，以及潭头站同系列的实测流量资料。
将资料输入 SWAT 模型，按水系分布情况划分为 16 个子流域（见图 2），每个子流域又 按土地利用状况和土壤特性分为若干个水文响应单元（HRU），作为模拟基本单元。蒸发方 面，为尽量减少移用天气模拟器引起的误差，选用 Hargreaves 法计算蒸发。地表产流采用 SCS 曲线法。河道汇流采用变动存储系数法。
2.2.2 蒸发 SWAT 模型将陆面蒸发分为冠层蒸发，植物蒸腾，升华和土壤蒸发四个部分。被冠层
截留的水量可全部用于蒸发；地面有积雪时，雪层会发生升华；土壤中的自由水也可以被蒸 发；同时植物因生命活动会将大量水分从根部输送到茎叶，并经由蒸腾作用进入大气中。
以日蒸发计算为例，SWAT 模型首先确定该日的可能蒸发（PET），在可能蒸发量确定 后，便可计算实际蒸发。首先蒸发冠层截留的全部水量，接着计算最大蒸腾量，最大升华量 和最大土壤蒸发量。然后计算实际升华量和实际土壤蒸发量。升华只在有积雪时发生，而只 有在没有雪层覆盖时才会计算土壤蒸发。
图 2 SWAT 模型子流域划分方案 Fig.2 Subbasin division of the SWAT model
4．参数率定
4.1 新安江模型参数率定
新安江模型的参数不多，大都有明确的物理意义，参数之间基本上是相互独立的。而且 新安江模型在国内应用多年，积累了相当丰富的经验，相较于 SWAT 模型，参数率定比较 容易。具体结果见表 1。
河道汇流主要考虑水、沙、营养物（氮，磷）和农药在河网中的运动，包括主河道汇流 和水库汇流计算。主河道计算可采用变动存储系数法或 Muskingum 方法，分为水、泥沙、 营养物和化学物质等四部分。对于水库出流，有三种计算方法：（1）直接输入实测出流资 料；（2）对无观测值的小水库，可定义一个出流值；（3）对大水库需要确定月调控目标。
FFCB
1.06
4
地下水蒸发系数
GW_REVAP
0.02
5
主河道曼宁系数
CH_N
0.05
6
主河道冲积层有效水力传导度
CH_K
7
基流α 因子
ALPHA_BF
50 0.925
8
边滩的基流α 因子
ALPHA_BNK
0.95
1层
0.23
9
土壤有效含水量
SOL_AWC
2层
0.22
3层
0.23
FRSE
56
MESQ
2.1.3 分水源计算 按蓄满产流模型计算出的总径流量中包括了各种径流成分，由于各种水源的汇流规律和
汇流速度不相同，相应采用的计算方法也不同。因此需进行水源划分。三水源的水源划分结 构应用了山坡水文学的概念，用自由水蓄水库结构进行水源划分，采用流域自由水蓄水容量 面积分配曲线来考虑流域内自由水蓄水容量分布不均匀的问题。按蓄满产流模型计算出的总 径流量，先进入自由水蓄水库调蓄，再划分为地表径流、壤中流和地下径流。