SWAT模型在青铜峡灌区的应用研究

苏 欣，李强坤，常布辉，胡亚伟

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；3.黄河水利科学研究院，河南 新乡 453003)

青铜峡灌区是黄河中上游地区重要的大型引黄灌区之一，具有优越的引排水条件，退水量大，同时退水组成十分复杂，对退水量的预测缺乏有效手段。此外，青铜峡灌区人工取用排水所形成的“取水-输水-排水-回归”过程已经成为起主导作用的区域水文过程，然而目前仍对其缺乏系统的认识。

本文选取分布式水文模型SWAT来构建水循环模型进行水循环模拟分析，针对模型资料要求较高而青铜峡灌区沟渠纵横密布、资料积累少等特点，综合运用卫星遥感数据、GIS处理及SWAT-CUP软件自动优选等方法推算及率定模型参数，采用完善后的模型模拟分析不同水管理措施对灌区水循环转化的定量影响，为灌区节水灌溉技术发展提供科技支撑。

1 实例应用

1.1 SWAT模型简介

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是一个基于物理过程并有时间序列模拟的模型，能方便地模拟气候条件变化、土地利用调整和农业管理措施等对水循环各要素的长期影响，比较适用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟[1-9]。本文采用的是基于ArcGIS 10.2.2的ArcSWAT 2012.10_2.18，这个版本的模型软件稳定性较高。

1.2 空间数据库构建

SWAT模型要求使用的GIS图层必须使用同一坐标系描述空间要素的位置，保证空间数据能在同一坐标系下叠加。本文选择WGS 1984 UTM Zone 45N作为统一坐标系进行空间数据处理。DEM(Digital Elavation Model)即数字地面高程模型，反映研究区域的地形条件，是SWAT模型运行、生成河网和水系的基本条件。本文使用国家科学数据服务平台提供的SRTM90m分辨率的数字高程原始数据。SRTM的空间高程数据分别将经纬度每5°上划分为一个文件，共分为24行和72列。在ArcGIS中对数据进行提取，拼接、裁剪和投影变换等步骤，生成模拟需要的DEM，见图1。

图1 研究区DEM影像图

影响到蒸散发量的因素是种植物的冠层截留量。在SWAT模型中，用Land Use模块描述这一过程。根据青铜峡灌区遥感图像资料处理后得到土地利用分布图。SWAT中采用8个一级类型和22个二级类型组成的土地利用分类系统，具体分类参看肖军仓的《SWAT模型用户应用指南》[10]。将土地利用栅格图输入模型中，通过链接类型的属性表，模型对土地利用类型重新分类编码，把属性表中的名称一一对应地替代图件上原有的数字代码，实现属性的赋值，最终得到适用于灌区模拟的土地利用图，见图2。

图2 研究区土地利用类型重新分类图

根据研究区土地利用类型图，统计得到各土地类型的百分比，见表1。

本文采用1∶100万的土壤空间数据。从FAO 网站上http:∥www.fao.org/nr/land/soils/harmonized-world-soil-database/en/下载HWSD 数据，利用ArcGIS按照灌区边界把处理和投影后的土壤空间矢量数据进行裁剪，得到所需的土壤空间数据。数据格式为grid 栅格格式，投影为 WGS 1984 UTM Zone 45N。与土地利用类型图相似，输入SWAT模型中进行重分类，把属性表中的名称一一对应地替代图件上原有的数字代码，实现属性的赋值，最终得到模型所需的土壤图，见图3。

表1 研究区土地利用类型面积

图3 研究区土壤重新分类图

1.3 属性数据库构建

主要包括土壤资料数据库和气象资料数据库。

模型中涉及的土壤参数较多，包括饱和水力传导系数、地表反射率、土壤侵蚀力因子、电导率等。

选取位于青铜峡灌区上的3个气象站：惠农、银川、陶乐来建立气象数据库。模型需要输入天气发生器的相关参数及降雨、气温、风速、湿度、辐射实测值，如果没有实测值，就用天气发生器进行模拟。降雨、气温、风速、湿度数据从中国气象数据共享服务网上下载得到，辐射数据通过FAO56 Penman-Monteith 模型计算得到，其他参数通过计算得到。并按照模型中所识别的格式进行编辑，方便模型加载。

1.4 子流域划分与水文响应单元

加载灌区的DEM图，土地利用图、土壤分布图、坡度及相关的属性文件后，模型自动划分子流域。青铜峡灌区被划分成39个子流域，1013个HRUs(水文响应单元)[11]。子流域与河网划分见图4。考虑作物分布的影响，根据青铜峡灌区遥感影像解译，将灌区作物解译为小麦、玉米、玉米套小麦、水稻和其他作物，见图5。

图4 子流域与河网划分示意图

图5 青铜峡灌区2004年作物种植结构遥感监测图

1.5 地下水模块

由于地下水、灌溉等因素对灌区的水循环过程影响不容忽视，因此需要修改地下水文件.gw，管理文件.mgt中的相关参数，其他文件的参数采用模型默认值。根据王军涛在本区域的研究成果合理确定：渗透系数取值范围在0.57～1，给水度取值范围在0.14～0.32。初始水位采用2000年1月1日的地下水位观测值。

1.6 灌溉模块

进行灌区模拟的主要目的是评估灌水量、作物生长对灌区系统的影响，其核心是罗列系统中的各种土地和水管理措施。HRU管理文件(.mgt)用于汇总措施，该文件包括农业种植、作物收获、灌溉、施用营养物、喷洒杀虫剂和耕作操作的输入数据。根据《宁夏主要农作物及经果林灌溉制度研究》、《宁夏中部干旱带高效节水补灌工程总体实施方案》和《宁夏不同灌区各种作物田间灌溉定额表》等资料，合理确定了SWAT模型中农业灌溉方式。灌区的灌溉、配水制度主要分为夏灌(4-6月)、秋灌(7-9月)和冬灌(10月下旬-11月中旬)。旱作生育期一般灌水2～5 次，灌水期10～15 d，灌水定额4.7～6.0 m3/hm2，灌溉定额18.1～35.5 m3/hm2；水稻生育期灌水30～34 次，灌水定额2.7～6.7 m3/hm2，灌溉定额60.3～87.1 m3/hm2。灌水方式为传统的畦灌。

1.7 参数的敏感性分析

模型参数众多[12,13]，本文采用SWAT-CUP软件进行模型参数的敏感性分析。SWAT-CUP软件会对模型参数的敏感性自动排序，从所有的模型参数中挑选出对模型敏感性较强的参数，只对这些参数进行率定。

1.8 模型校准与验证

最后进入模型模拟过程。按需求选择模拟的时间步长为月，2000-2002年作为模拟的预热期，2003-2008年作为模拟的参数校准期，2009-2011年作为模拟的验证期。校正期月径流量实测值与模拟值对比见图6。

校正期月径流量实测值与模拟值对比见图7。

图6 校正期月径流量实测值与模拟值对比图

图7 验证期月径流量实测值与模拟值对比图

本文采用相关系数R、Nash-Suttcliffe系数进行模型的适用性评价，结果见表2。

表2 模型模拟值的结果评价

SWAT的研发者认为模型模拟结果的模型效率系数Ens接近0.4及以上，表明模型较好地概化了研究区的参数，准确的描述了研究区的水文过程，模型较好地模拟了青铜峡灌区的排水过程。

2 灌溉引水量变化对水循环要素影响研究

本文明确现状水平的灌水量，在此基础上设置高水(120%×现状灌水量)、低水(80%×现状灌水量)进行模拟分析，见表3。

表3 青铜峡灌区不同作物生育期的现状灌溉水量

采用校准后的SWAT 模型进行2000-2011年序列月径流的模拟，并对不同灌溉引水量下灌区单位面积上多年平均实际蒸散量、地表水汇入黄河水量、地下水补给黄河的水量、地表水入渗补给地下水量进行了统计及对比，模拟结果见图8。

图8 灌溉引水量变化对水循环要素定量转化的模拟结果对比图

模拟结果分析如下：

(1)高水灌溉的多年平均实际蒸散量比低水灌溉多30 mm。灌水量越多，实际蒸散量越多。经计算，现状灌溉水平下，平均每年单位面积实际蒸散量为238 mm，则灌区实际多年平均蒸散量约为16.7 亿m3。

(2)高水灌溉的多年平均地表径流量比低水灌溉多17 mm。灌水量越多，地表径流对黄河水的贡献量越多。经计算，现状灌溉水平下，平均每年单位面积地表径流汇入黄河的水量为115 mm，则灌区地表径流汇入黄河的多年平均水量约为8.1 亿m3。

(3)高水灌溉的多年平均地下水补给黄河水量比低水灌溉多45 mm。灌水量越多，地下水补给黄河水量越多。经计算，现状灌溉水平下，平均每年单位面积地下水补给黄河的水量为159 mm，则灌区地下水补给黄河的多年平均水量约为11 亿m3。

(4)高水灌溉的多年平均地表水入渗补给地下水量比低水灌溉多73 mm。灌水量越多，地表水入渗补给地下水量越多。经计算，现状灌溉水平下，平均每年单位面积地表水入渗补给地下水量为273 mm，则灌区地表水入渗补给地下多年平均水量约为19 亿m3。

3 结 语

本文充分挖掘整理青铜峡灌区以往的研究成果，运用区域人工-自然水循环理论，借助SWAT模型构建灌区水循环模型。通过模型对青铜峡灌区水循环模型中的参数进行了分类、整理，利用实测数据、遥感数据等获取了灌区降水、温度、土地利用等参数，并以特定区域地下水位作为响应，以地下水观测井实测值为基准，进行初步模拟，利用相关水文计算模块，进行参数率定，最终确定土壤可利用水量、土壤饱和水力传导系数、基流α系数、浅层地下水蒸发系数等13项敏感性参数，完善了模型。模型的决定系数R接近0.7及以上，模型效率系数Ens接近0.4及以上，表明模型基本概化了研究区的参数，基本能够模拟青铜峡灌区的排水沟流量变化过程。

但是存在诸多不足，有待改进。例如，

(1)忽略了下垫面的年际变化。本研究中仅有1 a的土地利用及覆被数据。而随着城市化和宁夏开展退耕还林还草等工程的进行，土地利用和覆被情况每年都有较大变化，进而对径流产生影响。由于数据缺乏，无法得知土地利用及覆被对径流的影响程度，而该问题将是下一步的重点研究内容。

(2)资料获取较难，模拟精度有待提高。SWAT模型是基于北美流域而开发的，利用SWAT模型模拟我国流域需要重新构建数据库，由于数据资料不全和异常年气候变化较大等原因，从模拟结果可以看出，虽然能够满足模型的运行要求，但有些排水沟的模拟精度依然有待提高。其中永清沟、胜利沟的Ens值为0.4便不尽人意。因此，通过改变相关部门对数据的共享率、利用3S技术实测获取以及与WEP (Water and Energy transfer Process)模型和AGNPS(Agricultural Non-point Source)模型等相互校正等方法，有望提高SWAT模型的模拟精度。

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