SWAT模型在呼伦湖流域上的河网地形上的分析应用

任 波

（山西省水文水资源勘测局 山西太原 030001）

0 引言

河网划分在流域水文模型的构建过程中起着重要作用，近年来，随着分布式水文模型的不断发展，越来越多的研究涉及到河网的提取，然而在研究过程当中，真实河网难以获得，因此，选用合适的方法划分河网是流域水文模拟的重要内容。SWAT模型具有较强的物理基础，计算效率高，操作简便。本文以呼伦湖流域克鲁伦河为例，采用SWAT模型进行河网划分，并对克鲁伦河的国内部分进行地形分析[1，2]。

1 SWAT模型

1.1 SWAT模型概述

SWAT 模型（ Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）Jeff Arnold博士开发的一种分布式水文模型，它是在SWRRB[3]模型上发展起来的。图1即为SWAT模型的发展历程。SWAT模型作为一个长时段的流域分布式水文模型，以其良好的集成了数字高程模型（DEM）、地理信息系统（GIS）、遥感系统（RS）等数字技术，可以模拟和预测非点源污染、不同土地利用和覆盖方式、不同气候变化下的水文效应、营养物质运输等水文过程，在国内外得到了广泛的应用[4]。

图1 SWAT模型的发展历程

1.2 SWAT模型的应用

D.S.Chanasyk等人[5]利用SWAT模型对加拿大亚伯达南部的草原流域进行了不同放牧制度（不放牧、中度、重度）下的径流模拟研究，得到模型在有融雪过程流域的适用性。DarrenL.Ficklin等人[6]对不同气候情景下的水文预测进行了参数的不确定性分析。研究表明，在不同气候变化下，水文模型参数的变化对其结果有着很大的影响。

SWAT模型在我国起步比较晚，但在近几年，SWAT模型得到了越来越广泛的应用，在水文水资源领域起着非常重要的作用。段超宇等人[7]利用SWAT模型对内蒙古锡林河流域不同水文年径流模拟进行了研究，验证了SWAT模型在我国北方寒旱区的适用性。朱乔等人[8]基于SWAT模型对岚河流域进行了水资源对气候变化的响应研究，研究了不同气候情景下岚河流域的水资源变化规律。

2 呼伦湖流域

2.1 流域地理形态

呼伦湖，又称为达赉湖，是我国五大淡水湖之一，位于内蒙古自治区呼伦贝尔满洲里市、新巴尔虎左旗和新巴尔虎右旗之间，坐落于呼伦贝尔大草原中部，与蒙古国和俄罗斯相毗邻。呼伦湖湖面呈不规则长方形，湖水面积约为2339km2，平均水深5.7m[9-10]。

2.2 流域气象

呼伦湖流域属中温型半干旱大陆性气候，其主要气候特点是：春季干旱大风多，夏季温凉短促，秋季降温急剧且霜冻比较早，冬季严寒而漫长[10]。年平均气温为-0.1℃，年平均降水量约为262mm，且集中在6～9月份，年蒸发量达1400～1900mm，积雪期为140d左右，全年盛行西北风，年平均风速约为4.2m/s，主要灾害性天气有干旱、大风、雪灾、冷雨湿雪、暴风雪等[11-13]。

2.3 流域水文

呼伦湖属于典型的草原湖泊，随着经济社会发展和人类活动的影响，该流域的水资源数量变得越来越有限。呼伦湖的两条主要入湖河流为克鲁伦河和乌尔逊河，据调查，乌尔逊河已经基本断流。克鲁伦河发源于蒙古人民共和国肯特山东麓，自西向东于新巴尔虎右旗进入我国，向东南流入呼伦湖。克鲁伦河全长1264km，我国境内约206km，90%的流域面积及产流区位于蒙古国[9]。图2为呼伦湖流域水系图。

图2 呼伦湖流域水系图

3 基于SWAT模型的河网划分及地形分析

3.1 原始DEM

本文所使用的DEM为SRTM（Shuttle Radar Topographymission）数据，该数据为美国国家航空航天局（NASA）、国家图像测绘局（NIMA）以及德国、意大利航空航天局共同合作完成的，通过搭载于奋进号航天飞机上的干涉雷达通过近10天的全球作业完成，获取了地球陆地表面80%的地面数据，通过对接受雷达信号进行处理最终行成了30m分辨率的高精度数字模型[14-15]。首先确定克鲁伦河流域的坐标范围，107°00′～118°00′E，46°00′～49°30′之间。在中科院地理云数据库中下载该范围内的所有DEM，利用ARCGIS 9.3，将DEM拼接完整，下载后的数据为栅格图像，坐标系统为WGS-1984，见图3。

3.2 利用SWAT模型划分流域

图3 下载后的原始DEM

SWAT模型以ARCGIS 9.3为运行平台，充分利用GIS和RS技术，模拟复杂多变的水文物理过程。本文应用SWAT模型的数字河网流域提取理论，该理论首先是基于栅格DEM的高程信息计算各个栅格单元的水流方向，应用单流向法（即假定一个栅格中的水流只能从一个方向流向其它栅格）确定每个单元栅格的流向。然后确定数字河网，按最陡坡度原则确定水流路线，计算每单元产生的上游集水面积，定义最小河道集水面积阈值，确定河道。最后确定流域边界及子流域划分，选取流域出口断面位置，确定整个流域边界，以流域支流为单元划分子流域，从而将整个流域划分为若干片子流域。

本文使用ARCGIS9.3中的ArcSWAT模块对克鲁伦河流域的DEM进行计算，结合河网密度法，选取最小河道集水面积阈值定义为100km2时，计算结果与实际结果最为相近，提取出数字河网及流域见图4、5。

图4 流域边界及数字河网提取图

图5 20000Ha、2000Ha流域汇水线路对比图

利用ARCGIS9.3进行统计计算，可以得出克鲁伦河流域全流域面积为99 786.31km2，国外部分为94542.93km2，国内部分为5243.38km2，国内部分仅占全流域的5%，大部分的汇水面积均在蒙古国，虽然大部分面积位于蒙古国，但是克鲁伦河最终汇入呼伦湖，所以国内流域部分在降低污染物浓度、减少泥沙含量方面起着不可忽视的作用。图6为克鲁伦河流域国内部分。

图6 克鲁伦河流域国内部分

3.3 流域地形分析

地面坡度是水利计算中的重要参数，直接影响着流域产汇流的过程，相同的降雨条件相同质地土壤，在不同坡度参数的影响下，径流系数会随坡度增加。国际地理学会地貌调查与野外制图专业委员会制定了坡度分类等级，主要包括：0～2°坡度，平原至微倾斜坡；2～5°坡度，缓倾斜坡；5～15°坡度，斜坡；15～25°坡度，陡坡；25～35°坡度，急坡；35～55°坡度，急陡坡；＞55°坡度，垂直坡。

利用ARCGIS 9.3对克鲁伦河流域国内部分的坡度坡向进行分析，可以看出克鲁伦河流域国内部分基本为0～2°平原、微倾坡，小部分区域为2～5°缓倾斜坡，零星分布5～15°的陡坡，最大坡度为18.7°。由于本区域较为平缓，在国际标准的基础上对坡度加密划分，分为0～0.5°，0.5～1°，1～2°，2～3°，3～4°，4～5°，5～7°，7～18.7°以便更直观的了解该区域的坡度变化。0～2°微倾斜坡主要分布在克鲁伦河河流两岸以及草原腹地内，该区域地势平坦，降雨主要被地表植被截留和下渗，不产生径流，该区域的面积约为3785.991km2。2～5°缓倾斜坡，主要分布在草原的腹地，与微倾斜坡相互交错，降雨时在雨强大于40mm/h时产生径流，该区域面积约为1323.04km2。5～18.7°的陡坡，存在较少，主要分布在克鲁伦河入境出和河流下游北部地区，该区域在降雨雨强大于20mm/h时产生径流，该区域的面积约为107.176km2。图7即为克鲁伦河流域国内部分的坡度分布图。

地表坡向表示地面坡面的法线在水平面上投影的方向，在较大的坡度区域对植被、温度及降水会产生影响，主要是由于太阳辐射的照射角度决定的，南坡、东陂、西坡、东南坡、西南坡都会在一天的不同时段接受到太阳辐射，而北坡无法接收较多的辐射，造成了植被生长及温度上的差异。

图7 克鲁伦河流域国内部分坡度分布图

利用ARCGIS 9.3的坡向分析模块对DEM进行坡向分析，按方向分为九类，主要包括：无坡向，东南西北、东南、西南、东北、西北。图8为克鲁伦河流域国内部分的坡向分布图，由图8可以看出无坡向地区主要分布在河流中下游的北岸，而河流南岸主要分布为西北坡向，北岸草原腹地大多为东南坡向、东坡向、南坡向，其坡向分布于河网走势大致垂直。各坡向所占比例较为均匀，东坡向所占比例最高为16%，北坡向所占比例最少为9.3%，其余各坡向所占比例大致相等，无坡向地带所占比例为2.57%。

图8 克鲁伦河流域国内部分坡向分布图

4 结语

本文通过运用SWAT模型的数字河网提取理论，对呼伦湖流域克鲁伦河进行河网划分，实现了河网的快速提取，得到当集水面积阈值为100km2，计算结果与真实流域最为接近。对克鲁伦河国内部分进行地形分析得到：克鲁伦河国内部分大部分为0-2°微倾斜坡，降雨主要被地表植被截留和下渗，不产生径流，不易造成水土流失；克鲁伦河北岸草原腹地东坡向所占比例最高，接受的太阳辐射最多，可以促进植物生长，但同时也会增加蒸发量，造成土壤干旱。

[1]王 立，李海强，马 放等.基于SWAT模型的流域河网提取方法[J].中国给水排水，2014，30（13）：92-95.

[2]朱 超，于瑞宏，刘慧颖等.基于DEM的乌梁素海东部河网信息提取[J].水资源保护，2011，27（3）：75-79.

[3]Arnold，J.G.，Williams，D.R.Maidment.Continous-time Water and sediment-routing model for Large basins[J].Journal of Hydraulic Engineering.1995，121（2） ：171-183.

[4]朱 乔，梁 睿，晋 华等.基于SWAT模型的岚河流域径流模拟[J].水电能源科学，2013，31（3）：25-27.

[5]D.S.Chanasyk，E.Mapfumo，W.Willms.Quantification andsi mulation of surfacerun off from fescuegrassl and watersheds[J].A－gricultural Water management，2003，59：137-153.

[6]Darren L，Ficklin，BradleyL.SWA Thy drologic model parameter uncertainty andits Implications for hydro climatic projections in snow melt-dependent watersheds[J].Journal of Hydrology，2014，519：2081-2090.

[7]段超宇，张 生，李锦荣等.基于SWAT模型的内蒙古锡林河流域降水-径流特征及不同水文年径流模拟研究[J].水土保持研究，2014，21（ 5）：292-297.

[8]朱 乔.基于SWAT模型的岚河流域水资源对气候变化的响应研究[D].太原：太原理工大学水利科学与工程学院，2013.

[9]王志杰.未来气候下内蒙古呼伦湖流域水文数值模拟[D].呼和浩特：内蒙古农业大学水利土木建筑工程学院，2012.

[10]吴亚男.呼伦湖生态系统健康评价及稳定阈值遥感分析[D].北京：中国水利水电科学研究院，2013.

[11]王文华，朱 添.呼伦贝尔草原地区水文特性分析[J].东北水利水电，2011（ 7）：41-43.

[12]严登华，何 岩，邓 伟.呼伦湖流域生态水文过程对水环境系统的影响[J].水土保持通报，2001，21（ 5）：1-5.

[13]刘慧英，张 波.浅析近50年新巴尔虎右旗气候变化特征[J].内蒙古气象，2010（1）：14-16.

[14]郭华东，王长林.全天候全天时三维航天遥感技术介绍——航天飞机雷达地形测图计划[J].遥感信息，2000（1）：47-48.

[15]VanZyl， Jakob J.The Shuttle Radar TopographyMission（ SRTM） ：abreakthrough in remote sensing of topography[J].Acta Astronautica，2001， 48：559-565.