SWAT模型在三峽庫區典型小流域的適應性研究

侯 偉 許新勇 廖曉勇 張 巖 徐 磊 薛 輝 普 羅

（①②④⑤⑥⑦西藏自治區林業調查規劃研究院 西藏拉薩 850000

③中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所 四川成都 610041）

SWAT模型在三峽庫區典型小流域的適應性研究

侯 偉①許新勇②廖曉勇③張 巖④徐 磊⑤薛 輝⑥普 羅⑦

（①②④⑤⑥⑦西藏自治區林業調查規劃研究院 西藏拉薩 850000

③中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所 四川成都 610041）

文章以三峽庫區典型小流域——陳家溝小流域為研究對象，在建立SWAT模型基礎數據庫的基礎上，利用實測數據對模型進行了參數敏感性分析、率定和驗證。結果表明：SWAT模型在陳家溝小流域對徑流、泥沙、總氮、總磷的模擬均滿足模擬效果要求，具有良好的適應性。SWAT模型在三峽庫區典型小流域可應用到徑流量分析、非點源污染負荷估算、關鍵源區識別等領域。

SWAT模型；敏感性分析；率定；驗證；適應性

SWAT模型是一個以天為步長的連續空間分布式流域尺度水文模型，具有較強的物理基礎和較好的空間數據分析、處理、模擬能力，適用于具有不同土壤類型、不同土地利用方式和管理條件下的復雜流域[1]。本文以三峽庫區典型小流域——陳家溝小流域為研究對象，在建立流域SWAT模型數據庫的基礎上，根據實測數據進行參數敏感性分析、率定和驗證，探討SWAT模型在陳家溝小流域的適應性，為流域徑流量分析、泥沙負荷量估算、非點源污染負荷估算提供可靠的模型基礎。

1 研究區概況

陳家溝小流域位于三峽庫區重慶市萬州區長嶺鎮，是長江一級支流五橋河左岸支流，屬于長江二級支流，地理坐標介于30°43′30″～0°46′20″N，108°29′40″～108°31′40″E之間。流域面積8.0km2，相對高差580m，流域出水口距匯入長江的入水口處15.45km，屬典型的紫色丘陵地貌。研究區地勢東南高、西北低，分布有十余條支溝，溝壑縱橫，地形復雜，屬亞熱帶濕潤性季風氣候區，年平均降雨量1100mm，降雨集中在5～10月，約占年降雨量的70%，年均日照時數為924h。土地利用方式以林地和耕地為主，其中林地占到流域面積的35.60%，耕地占到流域面積的50.62%。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，現有植被為人工次生林、灌叢和草被。森林植被主要有馬尾松、柏木、石櫟、桉樹、刺槐、馬桑、黃荊、白茅、旱蓑等；農作物主要有水稻、小麥、油菜、玉米、紅苕等[2]。

研究區流域面積、土壤、土地利用模式和人口密度等在三峽庫區具有一定的代表性，是三峽庫區典型的小流域。

2 基礎數據庫構建

SWAT模型數據庫包括空間數據庫和屬性數據庫，其構建過程需輸入數字高程模型（DEM）、土地利用圖、土壤類型圖、水文水質數據、氣象資料、土壤物理屬性、土壤化學屬性、作物參數及管理措施數據等[3]。主要輸入數據及獲取途徑見表1。通過對地形圖數字化處理，土地利用方式重新編碼，土壤類型自定義化細分，構建空間數據庫；通過查閱《萬縣地區土種志》，運用軟件和經驗公式計算，利用實測和調查數據，構建屬性數據庫[4]。

圖1 陳家溝小流域子流域劃分圖

表1 SWAT模型主要輸入數據及獲取途徑

根據陳家溝小流域的河網實際，確定集水區面積閾值為15ha，共提取了25個子流域，其生成的流域河網與實際水系較相符，劃分結果見圖1。確定土地利用方式的面積閾值為7%，土壤類型的面積閾值為10%，坡度的面積閾值為10%，進而劃分了281個水文響應單元。

3 參數敏感性分析

SWAT模型涉及的參數較多，不同輸入參數的變化對結果讀取的影響差別不同，因此需篩選敏感性參數，對敏感性參數進行調整，能夠提高模型運行效率和準確度。

3.1 參數敏感性分析方法

采用LH-OAT（Latin Hypercube One factor Ata Time）靈敏度分析法，對參數進行靈敏度分析，根據靈敏度值大小對參數評價分級。靈敏度評價分級標準見表2。

表2 靈敏度評價分級表

3.2 參數敏感性分析結果

運用SWAT模型中的Sensitivity Analysis模塊分別針對徑流、泥沙、總氮、總磷的影響參數進行了敏感性分析，根據靈敏度值的大小，選取20個對結果影響較大的參數進行了敏感性權重排序。綜合考慮各參數對徑流量、泥沙輸移、總氮負荷、總磷負荷的影響，結合各參數靈敏度值，得到影響水文過程顯著的17個參數，詳見表3。

表3 參數靈敏度等級分類表

4 參數率定和驗證

對模型進行參數率定和驗證，通常需將實測數據分為兩部分，分別應用于模型參數率定和模型驗證。由于在模型運行初期，許多變量（如地下水深度、土壤含水量等）的初始值為零，對模型模擬結果影響較大，故在模型運行初期需有“預熱”階段，需要合理估計模型的初始變量。將2008年數據作為“預熱”階段，2009～2010年作為率定期，2011～2012年作為驗證期。

選擇在自動調參的基礎上結合手動調參完成參數率定。自動調參是運用SWAT模型自帶的SCE-UA數學算法進行；手動調參是通過人工調整模型參數，考察模擬值與觀測值的吻合程度，模型參數的變化范圍參考《SoilandWater Assessment ToolUser’sManual Version 2005》[5]。

4.1 模擬效果評價指標

采用實測值與模擬值之間的平均相對誤差----RE、可決定系數R2和Nash-Sutcliffe模擬效率系數Ens評價率定期和驗證期模擬的效果，進而評價模型的適用性[6]。一般情況下，實測值和模擬值相對誤差在20%以內，Ens大于0.5，R2大于0.6，說明模擬效果在可接受的范圍內。模型效率評價標準見表4。

表4 模型效率評價標準

4.2 率定和驗證結果

對陳家溝小流域逐月徑流、泥沙、總氮、總磷數據進行率定和驗證。由于降雨是產流、產沙和發生非點源污染的原始驅動力，于是選擇每年的4～10月雨季的數據作為率定和驗證的對象。

4.2.1 徑流部分率定和驗證

月徑流量率定期和驗證期的模擬結果見表5和圖2。從圖表可以看出月徑流量的模擬值與實測值吻合度較為理想，率定期的吻合程度優于驗證期。率定期平均相對誤差為9.61%，最大誤差為-22.49%，最小誤差為4.74%，誤差最大值出現在2009年8月；驗證期平均相對誤差為14.95%，最大誤差為-23.28%，最小誤差為-2.72%，誤差最大值出現在2011年8月。由此可以看出，驗證期的模擬穩定性不如率定期好，誤差變化范圍相對較大；率定期和驗證期最大誤差均超過了20%，且誤差較大的數據多集中于徑流量較大的月份，模擬值小于實測值，說明SWAT模型在模擬月徑流量時，受降雨量的影響、特別是單次暴雨影響，響應有一定的滯后性，致使在強雨季模擬值誤差偏大且模擬值偏??；雖然率定期和驗證期個別數據模擬誤差略大，但是絕大多數都在±20%以內，且R2和Ens值均達到極好或非常好的水平，表明SWAT模型在研究區對月水平下的徑流模擬具有較好的適用性。

表5 月徑流模擬結果評價

4.2.2 泥沙部分率定和驗證

月泥沙負荷率定期和驗證期的模擬結果見表6和圖3。從圖表可以看出月泥沙負荷量的模擬值與實測值具有一致的變化趨勢，率定期的平均相對誤差優于驗證期，但是驗證期的可決定系數和Ens模擬效率系數優于率定期。率定期平均相對誤差為15.42%，最大誤差為37.49%，最小誤差為-3.819%，誤差最大值出現在2010年9月；驗證期平均相對誤差為17.01%，最大誤差為38.56%，最小誤差為2.57%，誤差最大值出現在2011年10月。由此可以看出，率定期和驗證期雖然有個別偏差較大，但是絕大多數都在±20%以內。研究區域是以水力侵蝕為主的地區，在降雨充沛，徑流量大時，泥沙負荷量就會增大，由于徑流模擬的滯后性，導致泥沙負荷模擬也表現出一定的滯后性；在產沙量較大的月份，雖然模擬相對誤差不大，但是絕對誤差較大，且表現為模擬值小于實測值，雖然率定期平均相對誤差優于驗證期，但是率定期絕對誤差整體水平大于驗證期，從而R2和Ens值均小于驗證期；率定期和驗證期R2和Ens值均達到好和非常好的水平，表明SWAT模型在研究區對月水平下的泥沙負荷量模擬具有良好的適用性。

圖2 2009～2012年陳家溝小流域流量模擬值與實測值比較

表6 月泥沙負荷模擬結果評價

圖3 2009～2012年陳家溝小流域泥沙負荷量模擬值與實測值比較

4.2.3 總氮部分率定和驗證

月總氮負荷率定期和驗證期的模擬結果見表7和圖4。從圖表可以看出,月總氮負荷量的模擬值與實測值總體變化趨勢一致，率定期模擬效果優于驗證期。率定期平均相對誤差為13.06%，最大誤差為25.64%，最小誤差為2.23%，誤差最大值出現在2008年5月；驗證期平均相對誤差為18.79%，最大誤差為36.20%，最小誤差為5.62%，誤差最大值出現在2012年7月。由此可以看出，率定期的誤差變化范圍明顯小于驗證期，模擬穩定性優于驗證期；總氮負荷量最大值的模擬在不同的年份大于實測值或小于實測值，表現為無規律性；雖然率定期和驗證期個別數據模擬誤差偏大，但是絕大多數都在±20%以內，且R2和Ens值均達到好或非常好的水平，表明SWAT模型在研究區對月水平下的總氮負荷模擬具有良好的適用性。

表7 月總氮負荷模擬結果評價

圖4 陳家溝小流域總氮負荷量模擬值與實測值比較

4.2.4 總磷部分率定和驗證

月總磷負荷率定期和驗證期的模擬結果見表8和圖5。從圖表可看出月總磷負荷模擬值與實測值具有一致變化趨勢。率定期平均相對誤差為19.45%，最大誤差為49.20%，最小誤差為-4.17%，誤差最大值出現在2010年10月；驗證期平均相對誤差為22.25%，最大誤差為51.73%，最小誤差為4.06%，誤差最大值出現在2011年8月。由此可看出，率定期模擬效果優于驗證期，且驗證期平均相對誤差超過20%?？偭棕摵闪孔畲笾的M均小于實測值，從而導致總磷年模擬值小于實際值；率定期三項模擬效果評價指標均達到要求，R2和Ens值均達到好的水平，但是RE已接近20%；驗證期雖R2和Ens值也在好的水平范圍，但RE值已超過20%?？傮w來看，R2和Ens值滿足模擬要求，僅有驗證期RE值略大于20%，表明SWAT模型在研究區對月水平下的總磷負荷模擬具有一定的適用性，年水平下的模擬會略小于實際值。

表8 月總磷負荷模擬結果評價

圖5 2009～2012陳家溝小流域總磷負荷量模擬值與實測值比較

5 模型運行參數確定

經過參數靈敏性分析、率定和驗證，最終確定對模擬影響顯著的參數值。表9是土壤可利用水量Sol_Awc（mmH2O/mmsoil）和土壤深度Sol_Z（mm）的取值；表10是SCS徑流曲線Cn2、林冠最大截流量Canmx（mmH2O）、USLE方程水土保持系數Usle_P的取值；表11是其他顯著性參數的取值。

表9 Sol_Aw c、Sol_Z參數取值

表10 Cn2、Canm x、Usle_P參數取值

表11 其他顯著性影響參數取值

6 結論

SWAT模型在陳家溝小流域對徑流、泥沙、總氮、總磷的模擬均滿足模擬效果要求，雖然個別模擬偏差較大，但是總體控制在20%以內的可接受范圍。由于模型模擬誤差的累積效應，徑流的模擬效果較好，總磷的模擬效果相對一般，在模擬最大值時，模型表現出一定響應的滯后性?？傊?，模型三項模擬效果評價指標達到模擬要求。雖然模擬值與實測值有一定偏差，但總體趨勢一致，在宏觀層面具有實際應用意義，月水平下模擬陳家溝小流域徑流量、泥沙負荷量、總氮負荷量、總磷負荷量具有適應性。

[1]張榮飛,王建力,李昌曉.土壤、水文綜合工具（SWAT）模型的研究進展及展望[J].科學技術與工程,2014,14(4)：137-142.

[2]涂恩強,廖曉勇,陳治諫.三峽庫區典型小流域降雨因子對產流的影響分析[J].水土保持通報,2010,30(5)：7-11.

[3]郝芳華,程紅光,楊勝天.非點源污染模型理論方法與應用[M].北京：中國環境出版社,2006：23-25.

[4]侯偉,廖曉勇,張巖,等.三峽庫區典型小流域SWAT模型基礎數據庫構建[J].西藏大學學報(自然科學版),2015,30(2)：118-124.

[5]MoriasiDN,Arnold JG,Van Liew MW etal.Model Evaluation Guidelines for Systematic Quantification of Accuracy inWatershed Simulations[J].Transactionsof the Asae,2007,50(3)：885-900.

[6]余煒敏.三峽庫區農業非點源污染及其模擬研究[D].重慶：西南農業大學,2005.

Study on theadaptability ofSWATmodel in a typicalsmallwatershed of ThreeGorgesReservoir Area

HouWei①Xu Xin-yong②Liao Xiao-yong③Zhang Yan④Xu Lei⑤Xue Hui⑥Puluo⑦

（①②④⑤⑥⑦Forestry Inventory and Planning Instituteof TibetAutonomousRegion,Lhasa 850000,Tibet;
③Institute ofMountain Hazardsand Environment,Chinese Academy ofSciences&Ministry ofWater Conservancy,Chengdu 610041,Sichuan）

A typical small watershed,Chenjiagou small watershed in Three Gorges Reservoir area as the research object,the parameters sensitivity analysis,calibration and verification of themodelweremade with the measured databased on the establishing of the SWATmodel foundation database.The results showed thatSWAT model canmeet the requirementsin the simulating the runoff,sediment,totalnitrogen and total phosphorus in the Chenjiagou smallwatershed with welladaptability.SWATmodel can further be applied to fieldsof runoff volume analysis,non-point pollution source loading estimation and the key source area recognition of the typical small watershed in the Three Gorges Reservoir area.

SWATmodel;sensitivity Analysis;calibration;validation;adaptability

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2016.02.017

S157.1

A

1005-5738（2016）02-102-008

[責任編輯：索郎桑姆]

2016-09-21

2010年度中科院西部之光重點項目“三峽庫區稻田氮磷高效利用與流失阻空技術體系研究與示范”階段性成果，項目號：Y0R2050050

侯偉，男，漢族，河南駐馬店人，西藏自治區林業調查規劃研究院助理工程師，主要研究方向為森林水文、荒漠化研究。

簡介：廖曉勇，男，漢族，四川自貢人，中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所副研究員，主要研究方向為土壤學、農業生態學。