基于 SWAT模型的流域径流模拟

基于 SWAT模型的流域径流模拟

冯晶 李凯娟 方思维

陕西省水文水资源勘测中心， 陕西， 西安 710000

摘 要：研究基于GIS平台，建立了冷水河流域地理信息空间数据库及 SWAT 模型基本属性数据库，将流域划分为31个子流域，223个水文响应单元（HRU）。利用 SWAT-CUP 模型的SUFI-2 算法，进行了模型的校准与验证，表明模型适用于冷水河流域。模型设定了不同土地利用状况研究土地利用方式的转变对流域内径流的影响，模拟了不同气候条件下区域径流的变化，为区域水资源开发利用、防洪减灾等提供了科学支撑。

关键词：冷水河流域；SWAT 模型；SUFI-2 算法；防洪减灾

1.研究区基本情况

南郑县冷水河流域地处米仓山主脊以北，全长 53.5 km，平均比降 29.9‰，流域面积 641.41 km²。研究区年平均气温 14.9℃，年平均降水 970.4 mm，降水主要集中在 7～9 月份。近年来由于汉中地区暴雨中心南移，研究区南部山区碑坝、牟家坝等地，降雨强度大，致灾频率较高。

2.模型建立

冷水河流域模型子流域个数为31，对土地利用类型、土壤类型、坡度类型进行重分类，共划分223个水文响应单元^[1]。

本次径流的模拟主要采用日降水数据，通过 SCS 径流曲线法进行模拟，径流演算主要以日为时间步长；模型主要采用偏正态分布模拟产生日降水量；基于前期气象资料，本文选择 Penman—monteith法来模拟潜在蒸发量；由于本次河道较顺直且宽浅，河道演算方法选取马斯京根法^[2]。

3.模型校准与验证

3.1模型敏感性分析

选取冷水河流域 2000～2014 年月径流数据对模型进行参数敏感性分析，对相关参数进行不确定性分析，通过 SWAT-CUP 模型 SUFI-2 算法调参计算，设定调参调用 SWAT 模型运行2000次，得到模型建立的7个主要影响参数^[3]，CN2、GW_DELAY、ESCO、CH_N2、ALPHA_BF、SURLAG、SFTMP。

3.2模型校准及验证

选取冷水河流域第 10 个子流域的逐月流量来进行模型的校准及验证。校准及验证资料为三花石水文站 2008～2014 年实测逐月流量资料。

根据现有资料，模型校准选取三花石水文站 2008～2011 年 4 年逐月流量资料，进行模型校准。校准期月径流的效率系数 E_ns为 0.85，模型相关系数 R ²为 0.97， P 因子和 R 因子分别为 0.49 和 0.29；研究采用 2012～2014 年 3 年的逐月数据进行径流验证，验证期模型效率系数 E_ns 为 0.89，模型相关系数 R ²为 0.82，P 因子和 R 因子分别为 0.45 和0.51。通过模拟图形及验证系数表明 SWAT 模型对冷水河流域比较适合，适宜在此参数基础上建立模型。

4. 环境变化条件下的径流模拟

4.1土地利用状况变化

土地利用状况变化条件模拟主要设定 3 种情况。以现有的土地利用状况为基础，模拟土地利用方式恶化及水保措施等相对较好的情况，研究土地利用变化对流域水循环的影响^[4]。

从冷水河流域多年平均流量的模拟结果来看，土地利用方式的转变对流域内径流的年际径流变化影响较小。当水保措施较好的情况下，流域内大面积林地及草地对水源的涵养作用明显，遏制了水土流失，有效储存了水量，年径流量相对较小为 10.95 m³ /s；而当林地大面积消亡，植被覆盖率降低，植被储存水量不断减少，水土流失严重，且居民建筑用地及耕地不断增加的情况下，导致部分裸地显现，加剧了水土流失，径流增大为 11.53 m³ /s。

从冷水河流域多年月平均流量的模拟状况来看，土地利用方式的转变对流域径流月变化影响较为明显。雨季（4 月～10月）较枯季（11 月～次年3月）径流的变化显著。在枯水期土地利用方式的转变对径流的影响程度相对较小，相反，在雨季时土地利用方式的转变对径流影响程度较大。雨季的初期土地利用方式的转变相对雨季后期对径流的影响程度大，径流的增幅更为显著。

由土地利用方式转变情景模拟结果的年际及年内的分布来看，植被覆盖率，对流域径流的影响明显。林地的涵养水源作用较为明显，森林植被的大面积分布能够有效的储存水量，减缓坡面径流流速，通过增加土壤的下渗量，减少水土流失。林地的增加也可消减汛期的洪峰，减少流域洪水风险，同时汛期的截存水量在枯水季节可补给径流，解决枯水季节的干旱灾害。林地的减少会加剧径流的年内分配不均，更易造成区域旱涝灾害。因此对于流域内植被的保护及土地资源的合理利用，不但关系着区域水资源含量的多少，同时也是减少区内洪水及干旱灾害的一项重要的措施。

4.2气候变化

结合南郑县近 50 年气候变化规律，按照气温在现状情况下分别+2℃、+1℃、不变、-1℃、-2℃，降水在现状情况下分别+20%、+10%、不变、-10%、-20%，进行分组组合形成 24 种情况，分别探讨了流域内降水及气温影响下的径流年际及年内变化。

由研究区多年年平均径流的模拟结果看，气候因素改变时，年径流量与降水呈正相关，与气温呈负相关。降水对径流的影响程度更大，相对于气温，区域径流对降水因素的响应更高。当降水比较充沛时，区域内气温对径流量影响的变化幅度不显著。降水比较充沛时，气温主要通过影响流域蒸发量来影响土壤前期含水量，降水量直接被用于计算SCS曲线，因此区域内气温对径流的影响不太明显。

研究区多年月平均径流量受枯季及雨季影响明显，但是总体上与多年平均径流与降水和气温的相关性相同。月均径流量与降水成正相关，与气温呈负相关。

流域植被覆盖率较高时，由于植被对水源良好的涵养作用，植被截留，保证了土壤水分，使得月均径流量对降水的响应比气温的响应程度更高。由各种混合的气候组合来看，丰水期径流比枯水期径流对气候组合的响应更为明显。

5.结论

（1）基于GIS平台，利用SWAT模型及SUFI-2 算法，根据实测月径流数据，进行了模型的校准与验证，表明模型适用于冷水河流域。

（2）土地利用方式的转变对流域内年平均径流的影响较小，但对月径流变化影响较为明显，且雨季（4月～10月）较枯季（11月～次年3月）的径流影响更为显著。林地减少将会加剧径流年内分配不均，使得枯季更枯，雨季径流更大，加剧旱涝灾害.

（3）气候因素改变时，区域多年年平均径流量与降水呈正相关，与气温呈负相关，且径流对降水的响应更为显著，尤其当雨季时气温对径流的影响更为微小。其中丰水期径流比枯水期径流对气候组合的响应更为明显。

参考文献：

1. 孟令超.基于SWAT模型的泰山药乡小流域径流模拟研究[D].山东农业大学.2014.

2. 李峰,胡铁松,黄华金.SWAT模型的原理、结构及其应用研究[J].中国农村水利水电.2008.

3. 基于SUFI-2算法的SWAT模型在陕西黑河流域径流模拟中的应用[J].干旱地区农业研究.2014.

4. 熊飞勇.基于SWAT模型的赣江蜀水流域模型的气候/土地利用变化情景下的径流响应研究[D].南昌大学.2015

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