论文

改进型SWAT模型在平原灌区的适用性研究——

以汾河灌区为例

郑捷1，李光永1，韩振中2，孟国霞3

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京，100083；2.中国灌溉排水发展中心，北京，100054；3.山西省水利水电科学研究院，太原，030002）

摘要：本文根据平原型灌区人工-自然复合的水文循环特点，基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型构建了山前平原灌区分布式水文模型。考虑平原灌区灌溉渠道、排水沟和河道等人工干扰，在沟渠河网的提取方法、子流域与水文响应单元的划分以及作物耗水量计算模块等方面对SWAT模型进行了改进。以汾河为例，利用灌区1996-2001年的水文、气象及用水资料对水量平衡进行了模拟分析，以模拟效率系数、相对误差和线性相关系数3个指标为标准，对模型的敏感参数进行了率定， 并对2002-2006年的径流量进行验证模拟，研究结果表明，两处监测点的模拟结果基本满足模型评价要求，改进后的SWAT模型适用于汾河灌区的水量平衡模拟。 关键词：SWAT模型；山前平原型灌区；径流模拟

中图分类号：TV93 文献标识码：A

1 引言

科学的灌区水循环管理是实现灌区水资源高效利用，解决水资源危机的有效方法。针对灌溉农业系统中的小区和农田尺度的水分循环及其转化规律，国内外的学者做了大量的试验和模拟研究[1-4]，在灌区尺度上，由于地形、水文气象、农业耕作、灌溉等因素的时空尺度变化，利用集总式水量平衡方法与田间试验方法难以分析灌区内部自然因素和水管理措施的时空分布对灌区水文过程的影响。分布式水文模型根据地形、土地利用、土壤等情况将流域划分为空间上分散的单元，在这些单元中，水文循环的各

、

子过程用数学物理方程与经验方程表述，可以更准确的描述水文过程[56]。分布式水文模型自开发以来在世界各地流域水文过程模拟中得到了广泛地应用，但大多适用于自然流域的水文过程。

灌区强烈的人类活动完全干扰了自然水循环过程。地表水系统经人工主干渠道进入分支渠道，以农田为排泄区，灌溉后通过分支排沟汇集到主干排沟最后进入河道。人工灌溉-蒸散过程成为灌区最重要的水文过程，与此同时，工业、生活、生态等人工水循环系统在整个平原灌区水循环机制中处于不可忽视的地位[6]。裴源生等人[7-9]开发了宁夏平原区分布式水循环模型，以人工引水和排水渠道作为划分计算单元的基础，模拟对象不仅包括自然水循环系统的蒸发蒸腾、入渗、产汇流及天然河沟道输水过程，而且还包括人工灌溉引排水工程、人工对天然生态补水过程、生活与工业用水过程等人类直接创造或间接影响的水循环过程，并耦合水资源合理配置模型，全面模拟了宁夏平原区引、用、耗、排水量等水循环变化。

目前，美国农业部开发的SWAT( Soil and Water Assessment Tool)模型在自然流域水循环转化模拟中应用比较成熟，但对于灌区仅处于探索阶段。Gosain等[10]应用SWAT模型研究了印度Pslleru流域的灌溉回归水的时空变异特点，评价了灌溉等人为活动对区域水量平衡的影响。Santhi等[11]利用SWAT模型对美国格兰德河流域的灌区水量平衡进行了模拟分析，但该研究并非针对平原型灌区，并且文中认为灌区的可供水量完全满足农作物需水要求，并未考虑灌区上游水库的实际供水能力。本文针对SWAT模型在平原灌区应用时存在的空间结构处理、作物实际腾发量计算等问题，在河网提取、人工干扰条件下的子流域和水文单元划分以及作物实际腾发量计算方法等方面对模型进行改进，研究分布式水文模型在平原灌

收稿日期：

资助项目：水利部公益性行业专项经费项目（项目编号：200701002）、山西水利科技项目

作者简介：郑捷（1982-）男，博士研究生，主要从事灌溉排水理论与新技术研究工作，Email:zhengjiecau@http://wendang.chazidian.com 通讯作者：李光永（1963-）男，教授，博士生导师，Email:lgyl@http://wendang.chazidian.com

1

区水资源管理中的适用性。

2 平原型灌区分布式水文模型的构建

2.1 SWAT模型结构与特点 SWAT根据河网水系将研究流域划分为多个子流域，各子流域内有不同的水文、气象、土壤、作物生长、农业管理措施、农药施用等，子流域再根据地面覆盖、土壤类型等的一致性划分为不同的水文响应单元HRUs(Hydrologic Response Units)，每个水文单元独立计算水分循环的各个部分及其定量的转化关系，然后进行汇总演算，最后求得流域的水分平衡关系。各水文响应单元垂直方向上分为植物冠层、根系层、渗流层、浅蓄水层、隔水层和深蓄水层。

模型主要功能模块具有以下特点：（1）气象模块：模型设置了天气发生器，可模拟随机生成气象数据（包括日降水、太阳辐射、温度、相对湿度、风速），在气象系列资料短缺的情况下，可以起到延伸资料的作用；（2）陆面水文循环模块：水文循环过程的计算采用修正的SCS径流曲线数值方程和Green-Ampt入渗方程；土壤水的再分配使用蓄满产流机制，壤中流计算采用Sloan等提出的动态贮存模型；回归流的模拟采用Arnold等提出的地下水分水层理论；模型利用Hargreaves、Priestley-Taylor或Penman-Monteith方程计算潜在蒸散量，实际蒸散量的计算分为土壤的蒸发、植被冠层截留与植株蒸腾三部分；（3）管理模块：根据实际情况设定水文单元内的管理措施，如种植结构、灌溉制度、作物生长季节的始末时间与施肥等。（4）水体过程:SWAT中包含塘堰、湿地、凹坑和水库等水体。水库作为主河道网的一部分，塘堰、湿地、凹坑作为陆面水文循环过程计算。 2.2平原灌区分布式模型空间结构处理

2.2.1平原灌区空间结构划分难点 分布式水文模型对自然流域进行子流域划分时通常针对地形基于最陡坡度原则和最小给水面积阈值的概念，对DEM 进行处理，即以山谷线作为汇流路径，生成河网并进行编码，以分水岭作为子流域的边界，生成的子流域保持着流域的地理位置并同其他的子流域保持空间联系，每个子流域进行汇流演算，最后求得出口断面流量。

平原灌区与自然流域的重要区别为：（1）平原区的地形高差使模型通常无法提取完整的自然河网；（2）灌区内复杂的人工渠、沟分布改变了自然的水流路径和产汇流形式，尤其对于自流灌区，人工渠系中的填方、挖方等工程人为改变了渠道处原本的高程值；（3）灌区是以输配水渠系与排水沟网覆盖的灌域为单元进行用水管理，而分布式水文模型对自然流域的水文模拟是以集水区为单元，直接划分的空间子流域无法反映灌区用水管理特点。

2.2.2 空间结构处理方法 针对上述问题，文中根据研究区自然河道与人工排水沟网的空间分布，运用“burn-in”算法[12]对DEM进行凹陷化处理。该方法的原理是将数字河系与排水沟网转成栅格形式，其栅格单元大小与原DEM一致，经投影转换统一坐标系中，再通过叠加运算，将其叠加到原DEM上，保持修正河道所在栅格单元高程值不变，将其垂直于河道方向的非河道所在栅格高程值增加一微小值，其增量以使河道栅格高程低于沿岸高程为准。然后重新对修改过的DEM进行处理，生成新的流域河网。

对于人工输配水渠道，借鉴高程增量迭加算法[13]原理对DEM进行处理。文中将数字渠系转换为栅格形式并使其栅格单元大小与原DEM一致，经投影转换、叠加运算等方法将数字渠系叠加到经河网修正过的DEM上。通过编制算法检查渠系中的栅格单元与渠系外的栅格单元的高程关系，若渠道上某单元高程比渠道外相邻单元低，将增加渠道上该单元的高程，增量为该单元与周围相邻单元高程的最大差值加0.001m，若渠道某单元高程值与渠道外相邻单元一致，则将该单元高程仅增加0.001m，若高于相邻单元，不作处理。待检查运算完成后，重新生成的DEM基本可以反映灌区内实际的人工渠、沟与河网布置。

为使SWAT模型在灌区内划分的子流域与灌区内干支渠系覆盖的灌域基本保持一致，并避免模型在空间离散化的过程中生成子流域太多而导致过多的空间数据转换和计算量，以骨干渠道与排水干沟覆盖的区域为划分标准，设置合理的最小水道集水区面积阈值划分子流域，继而根据土地利用、土壤类型的一

[8]

致性剖分每一个子流域，再考虑不同作物种植结构，将农田域细化，形成水文响应单元。

2.3 作物灌溉 在本文中，每个水文响应单元（HRU）上根据实际情况设置灌溉时间与净灌水量，并指定灌溉水源地（地表河流、水库或地下水）。灌溉水量从土壤表层开始，使各层含水量分别达到田持，当最底层土壤达到田持后，剩余的灌水量补充地下水。当某HRU灌溉水源选择地表河流时，必须设定该河流最小流量或水量，避免因为灌溉使其流量减少为零。无论水源是地表水还是地下水，当其供水量

2

不能满足作物需水量时，仅将可以供给的水量分配给HRU，即亏缺灌溉。若某一天中水源地的可供水量无法满足所有HRU内作物需水量，亏缺的水量会在以后的时间内根据降雨、土壤水分变化继续供给。 2.4 作物实际腾发量计算 SWAT模型中作物实际腾发量的计算包括冠层截留、植株蒸腾与土壤蒸发三部分，其中冠层截留与潜在蒸散量有关，土壤蒸发由模拟的土壤各层含水量计算出，而植株蒸腾是潜在蒸散量与作物叶面积指数的函数。模型中的叶面积指数是根据美国作物的生长情况给出的一系列默认值，这不适合于中国灌区作物实际腾发量的计算研究。本文将SWAT模型中实际腾发量计算程序进行了改进，采用国内常用的作物系数法计算农作物实际腾发量，计算方法见式（1）。

ETc Kc ETo （1） 式中：ETc为作物的实际腾发量，mm；Kc为作物系数；ETo为潜在腾发量（由Penman-Monteith方法计算），mm。

2.5 水库水量平衡 水库的水量平衡包括储蓄、入流、出流、降雨、蒸发与渗漏量计算，见式（2）。 V V储蓄 V流入 V流出 V降雨 V蒸发 V渗漏 （2） 式中：V为模拟结束时水库的水量，m3；V储蓄为模拟开始时水库的水量，m3；V流入为模拟期内流入水库的水量，m3；V流出为模拟期内流出水库的水量，m3；V降雨为模拟期内水库的降雨量，m3；V蒸发为模拟期内水库的蒸发量，m3；V渗漏为模拟期内水库的渗漏损失量，m3。

本文中，对于水库的出流量V流出，输入灌区实测的逐日与逐月出流数据，对于V降雨、V蒸发等参数采用模型计算值。

、

2.6工业与生活用水 工业、生活用水在模型内被看作“消耗掉的水”（consumptive use）[1415]，不参与水分循环。生活用水包括农村和城镇用水，其中农村生活用水包括人与牲畜用水。各农村、城镇对应HRU的生活用水量分别根据HRU的面积与灌区农业、城镇生活用水总量计算得出，见式（3）。对于工业与生态用水单位对应的HRU的用水量，参照灌区统计的各单位（工厂、公园、湖泊等）逐年详细的用水资料确定。

Vhru

Ahru V总

A

i 1

n

（3）

hru

式中：Vhru为HRU的生活用水量，m3；Ahru为HRU的面积，ha；V总为灌区生活用水总量，m3；n为HRU的数量。

3 应用

3.1 研究区域概况 汾河灌区是山西省最大的自流灌区，位于山西省太原盆地，东经111°55′～112°37′，

北纬37°07′～37°53′。灌区地处太原盆地“底部”，属冲积平原地貌。地面高程由810m缓变至730m，最大高差仅80m。地面自然坡降南北为1/2500～1/3000，东西为1/1500～1/2000[16]。

灌区属大陆性季风气候，四季分明，最高、最低气温分别为39.4℃与-25.5℃，多年平均降水量为454.9mm，多年平均陆面蒸发量415.0mm，多年平均水面蒸发量1763.6mm[16]。汾河由太原市上兰村出山进入本灌区，灌区境内汾河河段上共有上兰村、二坝、义棠三个水文观测站[17]。

灌区的主要水源取自于汾河干流上游兴建的汾河二库。该水库位于灌区上方，是灌区地表水源的调蓄库。灌区引用库水和区间水，主要利用汾河自然河道，再经过灌区内沿河设置的一坝、二坝、三坝水利枢纽工程的拦蓄调配，引水进入各渠首使用。 3.2模型输入

3.2.1 空间数据 （1）数字高程模型 根据汾河灌区实际排水沟网对DEM（图1，30×30m）进行凹陷化处理，对灌区输配水渠系进行填洼处理，由模型生成的反映渠系沟网的DEM见图2。

3

（2）土地利用类型 土地利用图采用美国陆地卫星Landsat-5 TM 2004年8月的影象，分辨率为30×30m，经后期计算机解译，将灌区土地利用类型分为农田、河渠、居民点等13类，针对模型模拟要求，将土地利用类型重新分为10类，详见表1。

表1 灌区土地利用类型原编码与重新分类表

图1 汾河灌区DEM图 图2 处理后反映渠系的DEM图

（3）土壤类型 灌区土壤类型主要包括潮

土、盐化潮土、褐土性土等7类，其中潮土编号 占58％、盐化潮土占17％、褐土性土占15％，1 其余土壤类型占10％。各类土壤质地等数据，

2

除盐渍型水稻土与碱性潮土采用灌区试验站

3

实测资料外，其余均源于灌区内各县区土壤

4

志。SWAT模型要求的土壤质地采样指标均采

5

用美制标准，而我国土壤统计资料中的标准

6

通常为国际制或苏联制，因此，本文中采用

[18、19]7

三次样条插值的方法将汾河灌区各类型

8

土壤的质地由国际制转换为美国制。

9 （4）子流域与水文响应单元 根据前述子

10 流域与水文响应单元的划分原则，本灌区共

11 划分73个子流域（图3）和324个水文响应

单元，子流域面积从23～10816ha，水文响应12 单元面积为1.5～7191ha。

13 3.2.2 水文气象数据 灌区地表水系统内除

汾河干流由北向南贯穿全境外，还有潇河、昌源河、磁窑河等10余条支流分别从灌区东西侧的山峡谷口流经灌区汇入汾河。这些支流不是灌区的主要水源，除潇河、昌源河多年平均径流量

4

代码 31 32 33 41 42 43 46 51 52 53 65 122 123

面积百

土地利用

分比SWAT代码

类型

（％） 高覆盖度草地 中覆盖度草地 低覆盖度草地

河渠 湖泊 水库、坑塘 滩地 城镇用地 农村居民点 工交建设用地 裸土地 丘陵旱地 平原旱地

1.43 2.41 1.43 0.66 0.4 0.04 0.01 13.6 9.77 0.35 0.37 2.61 66.92

URHD URMD UTRN URLD CORN GRSG COTP PMIL WATR PAST

名称

面积百分比（％）

草地 5.27

水域 1.11

城镇用地 农村居民点 道路 裸地 玉米 高粱 棉花 谷子

13.6 9.77 0.35 0.37 43.04 11.06 8.07 7.37

较大，分

3

别为1.83与0.59亿m外，其它支流均很小。因

此，模型在潇河与昌源河流入灌区处设置了水量入口点。灌区相邻地下水系统的侧向补给与排泄相比较

降水、地表水、渠水及灌溉水的垂直入渗补给， 对于地下水系统影响不大[20]，本研究中忽略不计。

选取灌区内汾河干流3个主要水文站（兰村、二坝、义棠）1996～2006年逐月的径流量数据，其中兰村水文站观测的是汾河干流经汾河二库调蓄进入本灌区的径流量，二坝站位于坝址上方，观测汾河进入二坝枢纽工程的径流量，义棠水文站灌区出口处的观测站。本文中将兰村水文站的观测数据作为模型的输入数据，而二坝、义棠水文站的径流数据作为模型的校核资料。 图3 汾河灌区子流域划分图

一坝、二坝、三坝水利枢纽工程对汾河拦蓄 调配。模型中将3处水坝枢纽设置为“水库”，将3处枢纽历年逐月下泄量输入模型。一坝等枢纽多年平

3

均下泄量分别为3036、8716与3914万m。

降雨量数据采用太原、清徐、平遥、文水、介休5处雨量站1996～2006年的日降雨资料；气象数据使用了灌区内太原、汾管局中心试验站、介休3个气象站11年的逐日观测资料，包括日最高最低气温、风速、相对湿度、太阳辐射量等数据。

3.2.3灌溉用水量 灌区主要地表水源为汾河二库，库水经汾河自然河道进入灌区一坝水利枢纽，经东、西干渠引水进行灌溉。模型中在一坝处设置入口点，将水库历年供水量输入模型，根据库水灌溉区域设

33

定地表水灌溉子流域。水库供水量逐年减少，从1996年的1.2亿m至2006年0.56亿m，如表2所示。随着灌溉水源量的不同， 每年的实灌面积也不同，近十年来实灌面积为2.16～7.27万ha。受地面水源

3

和输水条件的限制，每年只能保证春浇一水，灌溉方式是大定额储水灌溉，灌溉定额约3000m/ha。主要农作物有玉米、高粱、棉花、谷子等，种植比例分别约61.9％、15.9％、11.6％与10.6％。

表2 汾河灌区历年地表水源灌溉用水量表（单位：万m）

年份

分灌区

一坝 汾东 汾西 三坝 敦化 合计

1996 1862.8 2010.6 5036.2 3383.2 260.8 12553.5

1997 796.9

1998 1203.0

1999 1057.1 1762.5 5021.4 3588.6 205.6

2000 1234.9 1732.8 4219.6 3865.3 711.8

2001 1005.3 1495.6 3173.9 1434.2 1051.6

2002 694.9 836.8 1349.1 1357.2 63.3 4301.3

2003 495.7 962.6 3978.5 2167.9 536.8 8141.5

2004 717.5 1552.2 4055.5 2340.3 8665.5

2005 275.8 1062.8

2006 863.8 911.1

3

1202.7 1927.9 3682.4 5812.2 2473.9 3722.7 45.5

133.7

2791.4 1971.0 1499.2 1873.6

8201.4 12799.4 11635.2 11764.4 8160.5 5629.0 5619.4

注：数据引自山西省汾河水利管理局年鉴（1996-2006）

灌区中的井灌区域主要分布在汾东与三坝分灌区，灌溉方式有“河井二水、井水二水、井水一水”

3

3种，灌溉定额约为1350～2700 m/ha。对于井灌水量，管理部门缺乏详细准确的记录统计，模型中依据井灌定额与其控制面积确定，计算结果见表3。

[21]

3

表3 汾河灌区历年井灌用水量（万m）

年份

分灌区 汾东 三坝 合计

1996 768.0 80.0 848.0

1997 611.2 616.0 1227.2

1998 1.7 0.5 2.2

1999 512.6 426.9 939.5

2000 1485.6 535.2 2020.8

2001 1605.6 1447.2 3052.8

2002 1819.2 959.8 2779.0

2003 1539.2 1302.4 2841.6

2004 1509.6 971.2 2480.8

2005 1623.2 1515.2 3138.4

2006 1584.8 1672.0 3256.8

3.2.4 作物系数 灌区中主要农作物各生育阶段的作物系数根据作物需水量与参考作物腾发量的试验

[22]

资料计算得出，见表4。

表4 汾河灌区主要农作物作物系数

生育阶段 播种～拔节 拔节～抽穗 抽穗～灌浆 灌浆～成熟

5