武海霞，任瑞瑞，陶 涛，郭爱科，耿宝江

(1.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038；2.河北省水资源高效利用工程技术研究中心，河北 邯郸 056038；3.海河水利委员会漳河上游管理局，河北 邯郸 056000；4.南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津 300000)

伴随着流域内人口增加，城市化发展和经济的快速增长，地区水资源需求量急剧增加，而河道流量减少或断流、地下水超采严重、水资源污染加剧等一系列问题的存在，给流域内水资源系统带来更加严峻的挑战[1- 3]。浊漳河流域是山西省重要的工农业、能源和化工基地，近年来，随着气候变化和人类活动的影响，该地区的水资源紧缺和水事矛盾问题进一步恶化[4- 6]。针对该地区的水资源问题学者们进行了相关研究，高云明、万思成等[7- 8]采用多种数理统计分析方法，发现漳河流域年径流量呈显著性减少趋势，20世纪70年代中后期变异点后，年径流量比变异点前明显偏小。王喆[9]量化分析了气候变化和人类活动对漳河流域地表水资源的影响，采用累积量斜率比较法分析发现人类活动是影响漳河上游流域地表水资源的主要因素，对地表径流的贡献率达到74.13%～91.85%。精确地模拟径流过程是实施水资源管理的重要部分，分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)为径流模拟和流域水文循环提供了有效手段，SWAT模型同时考虑了地形、气象、土壤、植被、土地利用等多种因素对水文过程的影响，在模拟流域水文过程方面有着独特优势，因此该模型被广泛地应用于径流模拟方面的研究[10- 13]。参数率定在大尺度流域SWAT模型构建中是非常重要的环节，参数率定结果的准确性直接决定了流域模型的适用性，而水文模型参数通常采用迭代优化算法自动率定，难以获得唯一的数值解，异参同效现象给模型率定结果造成很大不确定性[14- 17]。

本文选取SWAT模型进行浊漳河流域径流模拟，运用SWAT-CUP内嵌的SUFI- 2算法分析浊漳河流域参数敏感性、对所选参数进行率定和验证，以期为研究SWAT模型在浊漳河流域的适用程度、为该地区水资源的合理开发，保障流域地区用水安全、保持流域和谐稳定奠定基础。

1 研究区概况

浊漳河是海河流域漳卫河水系漳河上游的一条支流水系，地处北纬35O52′～36O31′，东经 112O26′～113O25′之间，流经晋中、长治两市的 13 个县、市、区，流域面积为 11688 km2，其具体的地理位置如图 1所示。浊漳河流域属于暖温带气候区，年均气温10 ℃左右，年均降水量为583mm。浊漳河发源于长子县，上游分为北、南、西三大支流俗称北源、南源、西源，呈扇形。

图1 浊漳河流域位置

2 研究方法

2.1 SWAT模型

SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型由美国农业研究局和德克萨斯大学于1994年联合开发的基于过程的水文模型，可用于模拟河流小流域尺度的地表及地下水质分布式水文模型，它可以在水文响应单元的空间尺度上模拟地表径流、土壤温度、产沙输沙、作物生长、养分(氮、磷) 流失等多种过程，可预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的影响，为流域尺度的农业管理、供水管理和气候变化影响研究提供水循环模拟、评价和管理工具[18- 19]。该分布式水文模型在水文响应单元上的产流过程基于以下水量平衡方程式：

(1)

式中，SWt—土壤最终含水量，mm；SW0—第i天的土壤初始含水量，mm；t—时间，d；Rday—第i天的降水量，mm；Qsurf—第i天的地表径流量，mm；Ea—第i天的蒸散发量，mm；Wseep—第i天从土壤剖面进入包气带的水量，mm；Qgw—第i天回归流的水量，mm。

本次流域水文模拟可分为以下几个步骤:①加载浊漳河流域的 DEM 数据，划分各个子流域；②加载气象数据以及水库入水口的相关参数；③添加处理好后的浊漳河流域土地利用图、土壤类型图和坡度划分，其后确定水文响应单元；④启用 SWAT 模拟运算。

2.2 SUFI- 2算法

SWAT-CUP工具内嵌了5种算法，该工具不仅能提高参数率定效率，同时能进行参数敏感性分析和不确定性分析。SUFI- 2 算法考虑了输入数据、模型 结构、参数及观测数据等的不确定性，并将其反映在率定后的参数范围内，得到了比较广泛的应用，该算法采用 P-factor 和 R-factor 两个指标来评价参数的不确定性;P-factor 表示 95%置信区间包含的观测数据的百分数；R-factor 表示 95%置信区间内样本的密集程度，具体用观测数据标准差划分的 95PPU区间的平均宽度来衡量。P-factor 的取值范围是 0～100%，R-factor 的取值范围是 0～+∞，理论上P-factor 越接近1，R-factor 越接近 0，表示模拟结果越接近观测数据。然而P-factor的增大会导致R-factor增大，因此在率定的过程中需要找到两个指标的相对最佳值。

SUFI- 2算法步骤: ①结合已有文献的经验以及SWAT-CUP使用手册选择相对较大的参数范围;②按照SUFI- 2算法要求，设定参数范围等文件并选择目标函数;③对参数的推荐范围进行多次迭代，直至迭代结果符合要求停止。

3 模型数据准备

SWAT模型所需的基础数据库主要包括数字高程(DEM)、土壤、土地利用类型和水文和气象测站系列数据等，模型所需基础数据的详细描述见表 1，数字高程(DEM)如图2所示。DEM数据来源于国际科学数据服务网站，河网水系图来源于国家基础地理中心，土壤数据来源于HWSD数据库，初始土地利用图通过数字化海河流域南部的土地利用图片得到，气象数据来自于SWAT官网1980—2011 年的日气象数据。流域出口站点为天桥断水文站，水文数据来源于山西省水资源公报及水文年鉴1980—2011 年月径流实测数据。根据SWAT模型对输入数据格式的需求对前期搜集的基础数据进行处理，处理后的土壤属性图及土地利用图如图3—4所示。

表1 SWAT 模型所需基础数据

图2 浊漳河流域DEM图

图3 研究区土壤属性图

图4 研究区土地利用图

4 结果与分析

4.1 参数敏感性分析

SWAT 模型运行中参与计算的参数众多，导致模型的运行时间较长，同时在很大程度上增加了模型模拟结果的不确定性，为了尽可能提高模型适用性，减少“异参同效” 现象，需要进行相关参数的敏感性分析，首先删减掉对研究区径流模拟结果影响较小的参数，然后进行参数敏感性排序，选取重要的敏感性参数进行模型的率定和验证[20- 22]。本次研究中选用径流曲线系数(CN2)、最大冠层蓄水量(CANMX)、浅层地下水再蒸发水位阙值(REVAPMN)、主河道水力传导率(CH_K2)、降雪温度(SMTMP)等11个参数，采用 SWAT- CUP程序中的SUFI- 2算法分别计算每个参数的敏感性，具体结果见表2。其中，T-Stat 值表示每个参数的相对重要性，它的绝对值越大，就代表这个参数越敏感。P-values 决定了一个参数敏感性的重要程度，它的值越接近于0 就代表越重要。由表2可知，敏感性排在前5位的参数依次是：CN2、CANMX、REVAPMN、ALPHA_BF、CH_K2。

表2 敏感性最终分析结果

4.2 SWAT模型率定与验证

模型率定是使模型模拟结果接近于实测结果，验证是评价模型模拟可靠性。本次研究设定1980—1985年作为模型预热期，以降低SWAT模型初始值自动默认为0对模拟精度的影响；1986—2005年为模型的校准期，2006—2011年为验证期，以此来验证模型的可靠性和适用性。

本次模拟结果的适用性评价标准采用确定性系数 R2 和纳什效率系数 NS(Nash-Suttcliffe)，两个评价指标的计算方法分别如下：

(2)

(3)

式中，n—模拟序列长度；Qm—实测径流量，m3/s；Qp—模拟径流量，m3/s；Qm，avg—实测平均径流量，m3/s；Qp，avg—模拟平均年径流量，m3/s。

研究区流域出口天桥断水文站点率定和验证评价指标通过SUFI- 2算法实现，结果见表3，确定性系数R2和纳什效率系数NS均在0.7以上，说明模型模拟精度满足要求。

表3 天桥断水文站率定和验证结果

天桥断站在率定期和验证期的实测值和模拟结果拟合过程如图5—6所示，由此看出，总体拟合程度较好。

图5 率定期天桥断站点观测值和模拟月径流量过程

图6 验证期天桥断站点观测值和模拟月径流量过程

5 结语

本文对浊漳河流域的水文过程通过SWAT模型进行了模拟研究，分析了模型参数的敏感性、对模型参数进行了率定及验证。通过以上研究内容，结论如下：

(1)基于SWAT模型自带的敏感性分析模块结合 SWAT-CUP 软件进行参数敏感性分析发现：影响研究区地表径流的参数排在前3位的是径流曲线系数(CN2)、最大冠层蓄水量(CANMX)及浅层地下水再蒸发系数(REVAPMN)。

(2)基于SUFI- 2 算法进行参数的自动率定及验证，评价SWAT模型在该流域的适用性，结果表明模型率定期和验证期的确定性系数R2值分别为0.83与0.79，纳什效率系数NS分别达到0.83与0.76，模拟精度满足要求，可以进一步应用于浊漳河流域水文模拟方面的相关研究。