基于SWAT模型的水文模拟参数区域差异研究

刘 倩

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

基于SWAT模型的水文模拟参数区域差异研究

刘 倩

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

基于SWAT模型对区域水文参数值及参数敏感区域差异进行研究，有利于减少水文过程模拟的不确定性，从而提高SWAT模型在不同区域水文过程参数区域差异模拟中的应用水平。基于此，文章主要针对SWAT模型，对该研究区流域进行合理划分，采用定性分析法对该研究区水文过程参数差异及空间分布敏感性和相关影响因素进行分析。研究结果表明，土壤可利用量及径流曲线系数和研究区地表水文过程，在各个不同区域都较为敏感。在此研究过程中发现，由于研究区植被及土壤和气候等条件存在差异，因此该流域水文过程模拟的参数存在一定的区别。故各地区在社会实践过程中，应充分考虑不同气象因素及地理因素，尽量减少不同气象因素对人类生产实践活动的影响，结合区域水文过程模拟差异，因地制宜展开业生产实践。

SWAT模型；水文模拟参数；区域差异；研究

随着自然科学和地质科学不断发展进步，在对人类社会活动及气候变化、流域内产汇流、水资源时空演变等自然和社会规律进行研究时，通常采用分布式水文模型进行分析模拟。由于这一方法具有时空差异性，因此能够较为准确反映区域土壤及地形和降水、蒸发等因素的空间变化差异对流域水循环过程产生的影响[1]。但基于DEM的分布式水文模型在区域水文特征参数差异分析时，综合考虑了区域水文气象要素的时空变异性及流域下垫面的异质性。因此，该模型在分析评估时涉及的参数较多，建模过程较为复杂，提高了模型分析的主观性，同时对参数验证和率定也造成了影响。针对这一情况，文章基于Soil and Water Assessment Tool模型，对辽宁省某研究区水文过程及区域差异性和敏感性进行研究，以期通过参数模拟，找到区域自然气象要素时空演变规律，以此为该地区社会实践活动提供建议和参考。

1 SWAT模型简介及其相关应用背景

Soil and Water Assessment Tool模型通常简称SWAT模型。这一数值模拟分析法在本质上是一种基于DEM分布式水文模型的半分布式水文模型。实践研究表明，这一方法能对区域内地下水及地表水的水质和水量进行分析评估，以此结合不同土壤类型，对土地管理措施进行可行性评估。由于在不同土地管理、利用条件下和不同土地利用方式下，泥沙及农业化学物质、水文等相关因素会对区域农业生产造成很大影响[2]。

基于此，文章试图采用SWAT模型将该研究区划分为不同流域，然后选取土壤面积阀值及土地利用情况等指标，将流域划分为若干子水文响应单元。在此基础上，通过概念性模型，对研究区子流域内的泥沙及产流量、污染物的具体产量进行计算分析，最终经过汇流演算，对该研究区水库和河网的汇流过程进行模拟分析，从而计算出流域内污染负荷及泥沙和断面流量参数值。基于SWAT模型的国内水文模拟参数区域差异研究应用情况见图1：

图1 基于SWAT模型的国内水文模拟参数区域差异研究应用示意图

从图1不同颜色的区域划分图示可知，SWAT模型能够对全国不同区域内的降水过程进行模拟，且这一模型在模拟分析中可对水文循环过程受冻土和融雪的影响程度进行评估。因此，在中国北方地区水文模拟参数区域差异研究中得到了广泛应用。在应用实践中，基于SWAT模型还可针对区域浅层地下水资源的综合利用情况及水文预报、气候条件变化、土地利用变化等进行分析。针对这一方法的诸多应用优点，文章将着重以辽宁某区为研究区域，基于SWAT模型对该研究区水文模拟参数的区域差异及区域敏感性进行分析[3]。

2 SWAT模型下水文模拟参数区域差异分析

2.1 区域敏感性分析

通常情况下，流域内水文过程受土壤及气候和植被覆盖类型、地质、地形等多种因素影响，而水热条件可综合反映区域内土壤及植被和气温以及降水等诸多因素的综合特征[4]。同时，采用区域干燥指数可对研究区植被覆盖地段的降水量以及最大蒸发量等时空变化特征进行反映。故文章结合干燥指数这一指标对该研究区进行合理分区，以此对模拟参数的区域敏感性差异进行分析，区域划分依据如下表所示：

表1 基于SWAT模型的区域划分依据

表2 SWAT模型下区域水文模拟参数敏感性差异

从表2中不同区域敏感性分析排序结果可知，在四大不同研究区，CN2作为区域地表水文过程参数之一，其敏感性都较强。由于这一参数指标能够对区域内降水前流域特征进行准确反映。因此，该地区土壤前期湿度及利用方式、土壤具体类型和植被类型等相关因素都可能对CN2这一指标造成影响。通过相关性分析可知，该研究区地表径流对CN2具有一定的敏感性，CN2值越大，意味着当地产流量就越大；其次，通过上表分析结果还可得知，SOL_AWC在各个不同研究区的敏感性也较强，这一参数主要指土壤的有效持水量，是指土壤从田间持水量降低到植物永久凋萎点所释放的水分。因此，SOL_AWC参数值越大，表明该研究区流域内径流量越小，土壤的蓄水能力就越强[5]。

从影响机理来看，ESCO可对区域内土壤深度分布状况进行合理调整。因此，该指标系数越大，土壤深层蒸发量就越小，产流量就会不断增大。从该研究区整体敏感性差异变化情况来看，湿润区及干旱区的地下水敏感性要比半湿润及半干旱区强。因此，从这一分析结果可以发现，干旱区及湿润区的地下径流对该研究区内的总体贡献率要>半湿润及干旱区。由于湿润区降雨较为集中，因此土壤植被发育良好，从而为地下水循环生态系统涵养水源提供了重要条件。对于干旱区及半干旱区而言，由于降雨较少，因此地下水资源非常有限，难以为深层地下水提供补给水源。除此之外，干旱区融雪气温及降雪气温两大指标对于融雪补给流域具有敏感性。由于高寒区常年冰雪覆盖，因此气温较低，蒸发困难，融雪会对地下水径流量变化产生重要影响[6]。

2.2 区域差异性分析

在采用SWAT模型对区域水文过程参数进行模拟时，经常会遇到参数率定这一问题。文章为了准确、定量描述该研究区的水文过程，在上述区域指标敏感性分析基础上，结合以上四大不同区域的下垫面因子[7]，对CN2、ESCO、SOL_AWC以及ALPHA_BF和GW_DELAY这几大主要指标的具体数值在不同区域的差异和相关影响因素进行定量分析，具体见表3参数所示：

表3 基于SWAT模型的区域差异性性分析

结合上表2可知，CN2、ESCO、SOL_AWC以及ALPHA_BF和GW_DELAY这几大主要指标的具体数值，在不同区域内所占比重最大的是GW_DELAY和CN2。由于区域土地利用类型和水文类型两大指标共同决定CN2值的大小。因此，当土地实际利用类型相同，CN2值越小，表明区域渗透率越大。文章经过进一步分析发现，不同类型的土地，其实际降水截留效益存在很大差异，按照从小到大顺序进行排序，依次为建设用地<耕地<草地<林地；如果土地利用类型相同，则植被覆盖率越低，土壤降水截留效益越低，此时CN2值就越大。从上表具体数据可以看出，湿润区与其它三个区域相比，CN2值较大，而通过土地利用类型分析发现，当地最主要的土地利用类型为耕地，由于这一类型的土地对地表径流的截留能力不强，因此导致CN2值较高。

另外，SOL_AWC作为该研究区土壤有效持水量指标，其参数值的变化受土壤质地及有效持水量两大因素影响。除此之外，其还与流域内土壤结构相关联。从上表中的参数可以看出，该地区四个不同区域SOL_AWC较小，土壤持水能力也较弱；而湿润区域、半干旱区的ESCO值普遍较高，说明当地流域内植被覆盖率较高，水分蒸发量较少[8]。

3 结 语

综上所述，文章通过采用SWAT模型对辽宁省某区4个不同类型的地质区域 进行分析对比，最终发现在划分的4个区域中，水文过程参数敏感变化及水文过程数值变化存在较大差异。其中，在湿润与半湿润区，ESCO这一指标对水文过程较为敏感，CN2与区域内土地利用类型、土壤结构和土壤质地有关，SOL_AWC取值较低，从中可以发现该研究区植被覆盖率较高，土壤中的水分蒸发量较少。因此，结合这一不同变化差异，在区域间展开农业生产实践时，应因地制宜，针对具体因素指标的影响及敏感度合理进行功能分区，展开具体的农业生产实践活动，充分发挥不同类型土地的最大利用效率。

[1]王莉,尚佰晓,张爽,等.铁岭市水资源对粮食安全的影响及对策浅析[J].黑龙江农业科学,2014(06):100-102+122.

[2]袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探[J].水利建设与管理,2013(02):33-35.

[3]徐飞.沈阳地区水资源短缺原因分析及对策研究[J].水资源开发与管理，2015(01)：24-26.

[4]马秉春.宁夏固原市水资源开发利用现状分析研究[J].水利技术监督，2011(06)：34-37.

[5]柴雅丽，霍延昭.朝阳市水资源供需矛盾分析及解决途径[J].水土保持应用技术，2015(03)：44-45.

[6]张志军,黄宝连.基于水资源优化配置的多目标决策模型探析[J].水利规划与设计,2011(03):22-24，72.

[7]黄翠霞.铁岭市水资源可持续利用初探[J].农业与技术,2009,29(02):77-80.

[8]王彤,夏广锋.基于水资源环境承载力约束的工业结构调整模型研究——以辽河上游铁岭段为例[J].四川环境,2010,29(06):71-75，80.

Study on Regional Difference of Hydrological Simulation Parameters based on SWAT Model

LIU Qian

(Jinzhou Hydrology Bureau，Jinzhou 121000，China)

The research of SWAT model on regional hydrological parameters and the sensitivity of parameters based on regional differences helps to reduce the uncertainty of hydrological processes，so as to improve the level of application of SWAT model in different areas of regional differences in parameters in the simulation of hydrological process. Based on this，this paper focuses on the SWAT model，a reasonable division of the basin in the study area，the distribution of sensitivity and related differences in the study area hydrological process parameters and spatial factors were analyzed using the method of qualitative analysis. The results show that the soil available capacity and runoff curve coefficient and surface hydrological process in the study area are sensitive to different regions. In the course of the study，it is found that there are some differences between the vegetation and soil and climate，so there are some differences in the parameters of hydrological process simulation. Therefore，all regions in the process of social practice，should fully consider the different meteorological factors and geographic factors，minimize the impact of different meteorological factors on the production of human practice，combined with the regional hydrological process simulation to show differences，business practice.

SWAT model; hydrological simulation parameters; regional difference；research

1007-7596(2016)12-0008-04

2016-11-22

刘倩(1985-)，女，辽宁锦州人，水利工程师，研究方向为水文、水资源、水情预报分析等。

P333

B