全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆员期摇 摇 圆园员猿年 员员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
生态系统生产总值核算院概念尧核算方法与案例研究 欧阳志云袁朱春全袁杨广斌袁等 渊远苑源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对传染病爆发流行的影响研究进展 李国栋袁张俊华袁焦耿军袁等 渊远苑远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
好氧甲烷氧化菌生态学研究进展 贠娟莉袁王艳芬袁张洪勋 渊远苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮沉降强度和频率对羊草叶绿素含量的影响 张云海袁何念鹏袁张光明袁等 渊远苑愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
世界蜘蛛的分布格局及其多元相似性聚类分析 申效诚袁张保石袁张摇 锋袁等 渊远苑怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
风向因素对转基因抗虫棉花基因漂移效率的影响 朱家林袁贺摇 娟袁牛建群袁等 渊远愿园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
长江口及东海春季底栖硅藻尧原生动物和小型底栖生物的生态特点 孟昭翠袁徐奎栋 渊远愿员猿冤噎噎噎噎噎噎噎
长江口横沙东滩围垦潮滩内外大型底栖动物功能群研究 吕巍巍袁马长安袁余摇 骥袁等 渊远愿圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎
沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征和潜在生态风险 杨摇 阳袁周正朝袁王欢欢袁等 渊远愿猿源冤噎噎噎噎噎噎
盐分和底物对黄河三角洲区土壤有机碳分解与转化的影响 李摇 玲袁仇少君袁檀菲菲袁等 渊远愿源源冤噎噎噎噎噎噎
短期夜间低温胁迫对秋茄幼苗碳氮代谢及其相关酶活性的影响 郑春芳袁刘伟成袁陈少波袁等 渊远愿缘猿冤噎噎噎噎
猿圆个切花菊品种的耐低磷特性 刘摇 鹏袁陈素梅袁房伟民袁等 渊远愿远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
年龄和环境条件对泥蚶富集重金属镉和铜的影响 王召根袁吴洪喜袁陈肖肖袁等 渊远愿远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
角倍蚜虫瘿对盐肤木光合特性和总氮含量的影响 李摇 杨袁杨子祥袁陈晓鸣袁等 渊远愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多噬伯克霍尔德氏菌 宰杂鄄云允怨对草甘膦的降解特性 李冠喜袁吴小芹袁叶建仁 渊远愿愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
金龟甲对蓖麻叶挥发物的触角电位和行为反应 李为争袁杨摇 雷袁申小卫袁等 渊远愿怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
白洋淀生态系统健康评价 徐摇 菲袁赵彦伟袁杨志峰袁等 渊远怨园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠海鹤洲水道沿岸红树林湿地大型底栖动物群落特征 王摇 卉袁钟摇 山袁方展强 渊远怨员猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型森林和草地生态系统呼吸各组分间的相互关系 朱先进袁于贵瑞袁王秋凤袁等 渊远怨圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
抚育间伐对油松人工林下大型真菌的影响 陈摇 晓袁白淑兰袁刘摇 勇袁等 渊远怨猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
百山祖自然保护区植物群落 遭藻贼葬多样性 谭珊珊袁叶珍林袁袁留斌袁等 渊远怨源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土霉素对堆肥过程中酶活性和微生物群落代谢的影响 陈智学袁谷摇 洁袁高摇 华袁等 渊远怨缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
兴安落叶松针叶解剖结构变化及其光合能力对气候变化的适应性 季子敬袁全先奎袁王传宽 渊远怨远苑冤噎噎噎噎
盐城海滨湿地景观演变关键土壤生态因子与阈值研究 张华兵袁刘红玉袁李玉凤袁等 渊远怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区沙地芦苇对浅水位变化的生理生态响应 马赟花袁张铜会袁刘新平 渊远怨愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杂宰粤栽模型融雪模块的改进 余文君袁南卓铜袁赵彦博袁等 渊远怨怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
科尔沁沙地湖泊消涨对气候变化的响应 常学礼袁赵学勇袁王摇 玮袁等 渊苑园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贝壳堤岛 猿种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征 夏江宝袁张淑勇袁王荣荣袁等 渊苑园员猿冤噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区古夫河着生藻类叶绿素 葬的时空分布特征及其影响因素 吴述园袁葛继稳袁苗文杰袁等 渊苑园圆猿冤噎噎噎
资源与产业生态
煤炭开发对矿区植被扰动时空效应的图谱分析要要要以大同矿区为例 黄摇 翌袁汪云甲袁李效顺袁等 渊苑园猿缘冤噎噎
学术信息与动态
叶中国当代生态学研究曳新书推介 刘某承 渊苑园源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿园园鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员猿鄄员员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 百山祖保护区森林植物群落要要要百山祖国家级自然保护区位于浙西南闽浙交界处袁由福建武夷山向东北伸展而成袁
主峰海拔 员愿缘远援苑皂袁为浙江省第二高峰遥 其独特的地形和水文地理环境形成了中亚热带气候区中一个特殊的区域袁
保存着十分丰富的植物种质资源以及国家重点保护野生动植物种袁尤其是 员怨愿苑年由国际物种保护委员会列为世界
最濒危的 员圆种植物之一的百山祖冷杉袁是第四纪冰川的孑遗植物袁素有野活化石冶之称遥 随着海拔的升高袁其植被为
常绿阔叶林尧常绿鄄落叶阔叶混交林尧针阔混交林尧针叶林尧山地矮林和山地灌草丛遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 21 期
2013年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.21
Nov.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(91125006);国家重点实验室开放基金资助项目(SKLFSE201009)
收稿日期:2012鄄07鄄11; 摇 摇 修订日期:2013鄄01鄄06
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: nztong@ lzb.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201207110977
余文君,南卓铜,赵彦博,李硕.SWAT模型融雪模块的改进.生态学报,2013,33(21):6992鄄7001.
Yu W J,Nan Z T,Zhao Y B,Li S. Improvement of snowmelt implementation in the SWAT hydrologic model. Acta Ecologica Sinica,2013,33 ( 21):
6992鄄7001.
SWAT模型融雪模块的改进
余文君1,2,南卓铜1,*,赵彦博3,李摇 硕2
(1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州摇 730000;2. 南京师范大学 地理科学学院, 南京摇 210046;
3. 西北师范大学 地理与环境科学学院, 兰州摇 730030)
摘要:水土评价工具模型(SWAT)是一个具有物理基础的分布式水文模型,利用 SCS 径流曲线数方法计算地表径流,而采用相
对简单的度日因子方法计算融雪径流。 因此在湿润半湿润、雨量丰富的平原地区应用 SWAT 模型进行径流模拟时可以得到较
好的模拟结果,但是在干旱半干旱、降水稀少,且春汛期间融雪径流是重要补给来源的高寒山区,模拟的融雪径流明显偏小,不
能很好的反映这些地区的融雪过程,导致河道径流模拟精度偏低。 FASST模型是具有物理机制的陆面过程模型,其采用能量平
衡的方法计算融雪径流,能够较好的模拟复杂地形山区流域的融雪径流。 以黑河山区流域为研究区,将 FASST 模型集成到
SWAT模型,改善 SWAT模型融雪径流的计算方法。 通过对比 SWAT模型集成前后莺落峡出山口的河道月径流、融雪径流和地
表径流对河道的贡献等几个方面,表明了集成 FASST融雪模块的 SWAT 模型能更好的反映黑河山区流域的融雪径流过程,从
而提高河道径流的整体模拟精度。
关键词:SWAT;FASST;模型集成;融雪径流;黑河流域
Improvement of snowmelt implementation in the SWAT hydrologic model
YU Wenjun1,2,NAN Zhuotong1,*,ZHAO Yanbo3,LI Shuo2
1 Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, 730000, China
2 School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing, 210046, China
3 College of Geography and Environment Science, Northwest Normal University, Lanzhou, 730030, China
Abstract: SWAT is a physically explicit distributed hydrologic model, which could simulate hydrological processes such as
surface runoff, snowmelt runoff and infiltration with geographic information system(GIS).The surface runoff component in
SWAT is implemented by using the SCS curve number and snowmelt is calculated by a relatively simple, empirical degree鄄
day method. Those approaches work well in humid and semi鄄humid areas where precipitation dominantly controls runoff. In
cold and arid regions, for example, in a case study in the Heihe river basin (HRB) of northwest China, however, it
revealed those implementations cannot represent the effects of snowmelt in springs and thus impact surface runoff
simulations. At large, snowmelt in such areas is underestimated and more discrepancies are consequently introduced to the
overall simulation accuracy. The FASST model is a surface process model with explicit physical base, including a snowmelt
runoff component that makes use of mass and energy balance equations. There is a snowmelt implementation in FASST,
which takes topography, vegetation, soil type, and snow physical properties into account. Existing applications of FASST
show good simulations of snowmelt in terrain鄄complex mountainous watershed and its applicability is also confirmed by an
application to the Tangula site of northwest China located in a similar cold and alpine area. This paper proposes a coupling
approach to improve the simulation of snowmelt by integrating FASST snowmelt to SWAT. In this approach, when the
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snowmelt begins to be calculated in SWAT, it will call FASST snowmelt to calculate, return its value to the SWAT
corresponding variable and continue remainder SWAT logics. The technical implementation is presented in detail. An
application to the upper mountainous HRB is set up to test its performance. There are abundant snow falls in Upper HRB in
winters and snowmelt is the primary water source to river in springs that cannot be simulated well by original SWAT. The
improvements in comparison to the original were examined from three aspects, namely, streamflow, snowmelt runoff and
surface runoff contribution to streamflow. Both snowmelt and surface runoff estimates with the coupled model were increased
so that streamflow estimate was more close to that observed. An improvement of monthly streamflow estimation by 0.11 in
Nash鄄Sutcliffe coefficient (NSE) can be achieved. Examination of surface runoff contribution to streamflow also supports its
feasibility in estimating snowmelt by the coupled approach. Moreover, by using optimized parameter sets, the monthly
streamflow simulation accuracy in the validation period of 2000—2009 can be up to 0.83 in NSE. The results confirm the
applicability of the SWAT鄄FASST coupled approach in cold and alpine watersheds where snowmelt should be taken into
account and suggest its significance in improving the simulations in such areas.
Key Words: SWAT( Soil and Water Assessment Tool);FASST;model integration; snowmelt runoff;Heihe River Basin
(HRB)
水土评价工具模型(SWAT, Soil and Water Assessment Tool) [1]是美国农业部在(SWRRB)模型基础上开发的
具有物理机制的大、中流域尺度的分布式流域水文模型,可以模拟和预测地表径流、融雪径流等多种物理过程。
SWAT模型功能强大,在国内外都得到了广泛的应用研究。 比如 Pradhanang 等.应用 SWAT 模型模拟了
美国 Cannonsville流域的雪盖变化和河道径流量[2];van Liew和 Grabrecht对美国 Little Washita 流域不同气候
条件下进行水文模拟取得了较好的模拟效果[3]。 但是 SWAT 模型的功能和参数是针对气候湿润、雨量丰富
的流域设置的,在其他流域应用时,模型应该根据地区的流域水文特征进行适当的调整和改进,例如 Ahl 等.
在 Rocky山区流域应用中指出通过参数率定可以使 SWAT模型模拟的融雪径流效果得到一定提高[4];德国波
茨坦气候研究所结合 SWAT 模拟水文过程和 MATSALU 水质估量的优势开发了中尺度分布式(SWIM, Soil
and Water Integrated Model)模型[5];Luo 和 Sophocleous 将 SWAT 模型和 MODFLOW 模型耦合,改善了 SWAT
模型地下水和地表交互过程的模拟[6];Eckhardt等在 SWAT99.2模型的基础上改进了的入渗和壤中流的计算
方法,发展了适合于低山区的 SWAT鄄G模型[7]。 国内郑捷等对 SWAT 模型的农作物耗水量计算模块计算改
进,在平原型灌溉区应用时取得了较好的模拟[8];张永勇等根据中国流域特征对 SWAT模型水质模块进行了
改进,月径流模拟的相关系数和效率系数均达到 0.8以上[9]。
位于我国西北的黑河山区流域是一个典型的干旱半干旱地区,降水稀少,春汛期间融雪径流是其主要补
给来源。 黄清华和张万昌在黑河山区流域应用 SWAT模型进行了 11a的月径流模拟,认为在该区融雪径流和
地下径流参数是精确 SWAT模拟的关键[10]。 而 SWAT模型的融雪模块采用了相对简单的度日因子方法计算
融雪径流,应用 SWAT模型在黑河山区流域进行模拟时,发现该流域的融雪过程不能得到很好的模拟,严重影
响了流域的径流模拟精度,因此需要对 SWAT模型的融雪模块进行改进以提高 SWAT模型的整体模拟精度。
FASST(Fast All鄄season Soil Strength model)模型是一个基于物理过程的模型,采用能量平衡的方法计算融雪径
流,能够更好的反映和模拟黑河山区流域的水文过程,因此本文采用模型集成的方法将 FASST 模型集成到
SWAT模型,以改进 SWAT模型的模拟效果。
1摇 模型改进方法
1.1摇 SWAT模型的融雪算法
SWAT模型是一个具有物理机制、以日为时间步长,可以连续长时间段模拟的分布式水文模型。 它可以
根据日降水数据、日气温数据、日相对湿度和风速,模拟流域内地表径流、融雪径流、侧向流和下渗等水文过
程,通过汇流作用,流入河道。 融雪径流是通过地表径流贡献给河道,进而影响模型的总径流模拟精度。
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SWAT模型水循环基本水量平衡方程:
SWt = SW0 + 移
t
i = 1
(Rday - Qsurf - Ea - wseep - Qgw) (1)
式中,SWt为最终土壤含水量(mm H2O),SW0为第 i 天的初始土壤含水量,t 为时间(天),Rday为第 i 天的降水
量(mm H2O),Qsurf为第 i天的地表径流量(mm H2O),Ea为第 i天的蒸散发(mm H2O),wweep为第 i天通过土壤
剖面进入包气带的水量(mm H2O),Qgw为第 i天地下水回归流量(mm H2O)。
融雪径流根据雪盖情况以及产生融雪径流的温度阈值,通过一个气温的线性函数计算,即采用度日因子
的方法计算融雪径流,即设定一个雪融化的温度阈值,当温度升高 1 益,融化的雪水当量值(当积雪完全融化
后,所得到的水形成水层的垂直深度)为一个固定值。 雪盖消融曲线计算方程如下:
snocov =
SNO
SNO100
· SNO
SNO
æ
è
ç
100
+exp cov( 1-cov2·
SNO
SNO100
ö
ø
÷)
-1
(2)
式中,snocov是 HRU上雪盖面积的百分数;SNO是单位时间的雪水当量(mm H2O);SNO100是 100%雪盖时的雪
水当量(mm H2O);cov1和 cov2是系数,由雪盖消融曲线上两点(95%的覆盖和 50%的覆盖)计算。 融雪径流的
计算方程如下:
SNOmlt = bmlt·snocov·
Tsnow+Tmx
2
-T
é
ë
êê
ù
û
úúmlt (3)
式中,SNOmlt是单位时间内的融雪量(mm H2O);bml是融雪因子(mm H2O d
-1 摇 益 -1);snocov是 HRU上雪盖面积
的百分数;Tsnow是雪盖温度(益);Tmx当天最高气温(益);Tmlt雪融化的温度阈值(益)。
1.2摇 融雪模块的改进
SWAT模型融雪径流的计算主要考虑空气温度的影响,度日因子的方法适用于雨量丰富、地形平坦的平
原地区,而在黑河山区这种高海拔、气候寒冷、降雨稀少的流域,融雪径流不仅受温度影响严重,地形、气候变
化和太阳辐射对融雪径流也有很大的影响,导致 SWAT模型度日因子的方法模拟的融雪径流精度较低。 本文
采用集成的方法将具有物理基础的 FASST模型集成到 SWAT 模型,以提高 SWAT 模型在高海拔干旱地区的
整体模拟精度。
1.2.1摇 FASST模型的融雪算法
FASST模型是一个基于物质能量平衡的陆面过程模型。 FASST模型的输入数据包括日平均降水、日平均
温度、风速、相对湿度和太阳辐射数据、地形参数(坡度和坡向)。
FASST模型的融雪模块以融雪的物理过程为基础,当已知降雪量或者温度在水冻结点以下降水发生时,
此时降水量被转化为降雪量,开始积雪,采用雪盖表面能量平衡的方法计算融雪径流,考虑了雪颗粒生长、雪
深度、下渗率、太阳辐射等因子,这些因素的考虑与 SWAT 模型融雪计算有着本质的区别(式(5)和(6))。
Frankenstein等将 FASST和另一个成熟的融雪模型 SNTHERM 计算的融雪径流进行对比,研究结果表明在山
区流域 FASST模型比 SNTHERM模型径流模拟的结果好[11]。 因此本文选择将 FASST 模型集成到 SWAT 模
型,以改善 SWAT模型的融雪模块,提高 SWAT 模型径流的模拟精度。 FASST 模型融雪径流基本计算方程
如下[12]:
U =
籽wkg
滋w
(
Sw - Swi
1 - Swi
)
n
(4)
式中,U是融雪径流(m3 / s);籽w是水密度(kg / m3);k是总渗透率(m3 / s);g 是重力加速度(m / s2);滋w是水粘度
(N·s / m2);Sw是饱和含水量(%);Swi是凋萎含水量(%);n 是固定值,取 2.16—4.59,默认 3.3。 该方程采用
变量分离度方法进行计算[12]。
FASST模型考虑到冰晶的增加,方程如下[12]:
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V( t) = V0 + V忆t
V忆 = V忆0 + V忆1L3
(5)
式中,V( t)是 t时刻的冰晶体积(mm3);V0是初始等球体积(mm3);t是时间(s); V忆是冰晶体积随时间变化量
(mm3 / s); V忆0 为固定值,1.25伊10
-8mm3 / s; V忆1 为固定值,4.22伊10
-10mm3 / s;L是液态水百分含量(%)。
FASST模型考虑到雪孔隙下渗的影响,方程如下[12]:
k = 0.077d2exp( - 7.8籽s)
d = 2
3 3
4仔
Vav (6)
式中,d是冰晶的直径(m);籽s是雪的密度(kg / m3);Vac是晶体的平均体积(m3)。
摇 图 1摇 FASST青藏高原唐古拉站点雪深模拟值和观测值对比以及
降水量观测值
Fig.1摇 Measured snowmelt runoff at the Tanggula site on Tibet
Plateau and the simulated snowmelt by the FASST model,
together with precipitation records in 2008
1.2.2摇 FASST模型的适用性
尽管 FASST 模型在国外有较多的应用,均表明有
较好的融雪模拟精度,然而在如黑河山区流域这样的高
寒区域并没有直接的应用,因此在把 FASST 集成到
SWAT前,需要对其在高寒山区的适用性进行基本的验
证。 黑河山区流域的大冬树垭口布设有积雪观测场,但
检查表明,该站点的雪深数据质量欠佳。 因此选用有类
似高寒山区环境的唐古拉站点进行融雪量模拟,模拟时
间段为 2008年 1 月 1 日—2008 年 12 月 31 日,时间步
长为逐日。 输入数据包括空气温度、相对湿度、风速、降
雨量,土壤数据和土地利用数据通过 Google Earth 上目
视解译获得。 模拟结果如图 1所示。
从图 1可以看出,FASST模型在青藏高原唐古拉站
模拟的雪深数据与观测数据对比,虽然差异较大,但在
趋势上基本保持一致。 春季模拟的雪深明显偏大主要
是受风速的严重影响。 因为青藏高原春季风速最大,
冬、夏季次之,秋季风速最小[13],风吹雪因而观测的雪
深值较小,这种现象也被现场观测人员证实。 而本文采用的是日平均风速,模型输入的春季风速明显减小,导
致模拟的雪深明显偏大。 在秋冬季节 FASST对雪深有较好的模拟,表明了 FASST 融雪模块在寒冷高山地区
的一定适用性。 模拟的偏差同时也有测量雪深仪器和系统的误差即雪深观测数据误差的原因,同时本文土壤
植被等参数的取值可能也不是最佳。 然而总体而言,认为 FASST 模型在青藏高原唐古拉站的模拟结果能够
反映研究区的积雪情况。
1.2.3摇 集成的技术实现
本文选择 ArcView 3.2作为 SWAT模型的可视化平台,即 AVSWAT 模型,为 SWAT 模型准备和处理模型
的输入输出数据。 其中 AVSWAT计算的流域平均坡长存在较大的误差,对径流量的模拟有显著影响[14],本
文采用修正之后的流域平均坡长进行模拟。
SWAT模型的输入数据包括地形河道数据(数字高程模型(DEM)和数字河网)、气象水文观测数据(日均
最高 /最低气温、太阳辐射、风速和相对湿度)、土壤数据和土地利用数据。 SWAT模型利用 DEM数据、数字河
网、土壤类型和土地利用类型,采用流域鄄子流域鄄水文响应单元(HRU)的空间离散化方法。 FASST 模型使用
和 SWAT模型相同的基础数据(图 2)作为输入数据,包括土壤、土地利用数据和气象水文数据;SWAT模型的
每个 HRU有对应的属性数据,包括空间单元面积、坡长、坡度、植被类型、土壤类型、土壤含水量、土壤厚度等,
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根据这些属性表数据得到 FASST对应的参数数据(图 2),作为 FASST模型的外部输入数据。
SWAT模型按照时间鄄空间(HRU)循环,FASST 模型在单点上进行时间循环;去掉 FASST 模型的时间循
环,由 SWAT模型的时间循环控制;当 SWAT模型运行到每一个 HRU时,调用 FASST 模型,将 FASST 模型计
算的融雪量返回给 SWAT模型,技术路线如图 2所示。
分解 FASST模型的时间循环,将其融雪模块、植被模块和土壤模块等核心计算过程编译成一个动态链接
库嵌入到 SWAT模型最小时空循环里,即 SWAT 模型的融雪模块。 SWAT 模型计算到融雪模块时,将 SWAT
模型计算的土壤温度变量赋值给 FASST 模型,然后调用 FASST 模型。 初次调用 FASST 模型时,需要对模型
进行初始化,然后每次调用 FASST模型时都会生成对应的模型状态变量和融雪变量值,需要将这些变量保存
起来,作为下一次调用时的输入数据,并且将融雪变量值替换 SWAT模型计算的融雪变量值。
图 2摇 技术路线
Fig.2摇 Technical implementation schema
1.3摇 研究区与数据
1.3.1摇 研究区概况
黑河山区流域介于东经 98毅34忆—101毅09忆E、北纬 39毅06忆—37毅43忆N 之间,出山口站点是莺落峡水文站,流
域面积约为 10 000 km2,河道长 303 km,源头为冰川,海拔范围为 1674—5076 m,流域内景观垂直分布明显,
水文地理及水文地质条件十分复杂。 上游海拔 4 500 m以上为永久冰川积雪带,年平均气温 3—7 益,降水约
在 300—700 mm;海拔 2 600—4 500 m的地区年平均气温 2.0—1.5 益,年降水量在 200 mm 以上,最高达 700
mm,蒸发量约 700 mm。 该地区降水量由东向西递减,雪线高度由东向西逐渐升高,水资源主要来源于祁连山
区的降水和冰雪融化。 上游山区植被属温带山地森林草原,由高到低依次分布:高山垫状植被带、高山草甸植
被带、高山灌丛草甸带;主要土类有寒漠土、高山草甸土、高山灌丛草甸土、高山草原土、亚高山草甸土、亚高山
草原土等。
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1.3.2摇 数据准备
图 3摇 黑河山区流域 DEM和气象水文站点示意图
摇 Fig. 3 摇 Study area, the upper HRB, and the locations of
meteorological and hydrological stations within this area
DEM数据来源于 90 m 空间分辨率(图 3)。 数字
河网是从 1颐10 万地形图上将水系手工数字化得到(图
3)。 水文气象站数据、土地利用数据来源于中国西部
环境与生态科学数据中心 ( http: / / westdc. westgis. ac.
cn)。 水文数据采用扎马什克、祁连、莺落峡 3个站点的
1990年 1 月—2009 年 12 月的日观测径流和降雨量数
据(图 3);气象数据采用张掖、野牛沟、祁连、俄博和托
勒 5个站点(图 3)的 1990 年 1 月—2009 年 12 月的日
观测数据,包括温度(日均最高 /最低气温)、太阳辐射、
风速和相对湿度。 为了提高 SWAT 模型气象发生器模
拟精度,在流域内部选择了不同高度的点,根据高程和
周边雨量站数据进行插值计算[15],获得补插的雨量站
点(图 3)。 土地利用根据 2000年全国土地利用图剪裁
得到;土壤图剪裁于全国第二次土壤调查产出的 1颐100万土壤图。 土壤颗分、含水量、容重、有机质、导水系数
等基本属性数据是 2010年 8—9月通过野外采样试验和室内分析获得。 本文图件和相关点位坐标(水文站、
气象站)都采用了高斯鄄克吕格投影系统。
黑河上游山区自 2000年以后兴建水库,导致控制站点莺落峡站的观测数据受水库蓄水等因素影响,不代
表自然径流。 本文采用的是利用系统水文模型[16]的方法还原莺落峡站的 2000—2009 年的逐日自然径流量
作为径流观测数据。
摇 图 4摇 坡长修改前后的 1990—2009年径流值对比图(其他参数为
SWAT模型默认设置)
Fig.4摇 Measured and SWAT simulated monthly streamflow of the
period of 1990—2009(Simulations with cross marks are with corrected
average slope lengths inputs, and those with triangular marks are with
SWAT originally computed average slope lengths)
1.3.3摇 基本参数设定
根据经验,本文将集水区面积阈值设置为 1000 hm2,共划分了 43 个子流域;土地利用面积阈值设置为
5%,土壤类型面积阈值设置为 10%,划分了 256 个 HRU。 控制站莺落峡站为流域的总出口,以月为时间步
长,模拟的时间段为 1990—2009年,其中 1990—1999年为率定期,2001—2009年为验证期。
FASST模型的基础数据和参数数据除了 SWAT 模型提供的以外,太阳辐射和云层数据由 FASST 模型自
带独立的气象数据处理工具根据站点经纬度、高程和基本气象数据计算;土壤数据则由 FASST模型提供的独
立土壤数据处理工具根据 SWAT的土壤属性数据转换得到。
2摇 结果与讨论
SWAT模型模拟的河道径流成分主要包括地表径
流、壤中流和地下径流,而融雪径流的计算过程直接影
响地表径流,进而影响河道径流的模拟精度。
2.1摇 莺落峡出山口河道月径流对比分析
在采用修正后的平均坡长[14]、其他参数为 SWAT
模型默认参数组的情况下,应用 SWAT模型在黑河山区
进行模拟,纳什系数为 0.61,结果如图 4 所示。 从图中
可以看出,无论坡长修改前后,融雪期 3—5月,模拟值
均明显偏小,几乎为 0。 说明流域平均坡长的修正对丰
水期的径流有显著影响,而对融雪径流没有任何影响,
从而排除了流域平均坡长的修正方法对集成后 SWAT
模型融雪模块的模拟结果的影响。
将 FASST 模型集成到 SWAT 模型后,采用 SWAT
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和 FASST模型默认参数组,对黑河山区流域进行径流模拟,模拟期为 1990—1999年,结果如图 5和图 6所示。
从图中可以看出,集成 FASST 后的 SWAT 模型,融雪期 3—5月的模拟值有所增加,总径流量值也增加了,纳
什系数为 0.72,提高了 0.11。 表明集成后的 SWAT模型改善了融雪模块的计算方法,模拟精度得到了提高。
总体而言,SWAT模型的模拟精度依然不是很高,需要对 SWAT模型的其他参数(土壤属性等)进行优化。
本文对集成后的 SWAT模型的模拟值进行敏感性分析,CN2(径流曲线数)、Alpha_Bf(地下水径流系数)、Esco
(土壤蒸发补偿系数)、Gwqmn(浅层地下水回流阈值)、Revapmn(浅层地下水下渗阈值)、Sol_Z(土壤深度)等
为主要的敏感参数,这些参数主要是地下水相关参数,在黑河山区流域地下水补给也是水资源来源,因此本文
根黑河山区的实际情况对这些参数进行相关优化,从图 5 看出,模拟的峰值和基流偏小,退水期偏低,因此增
加 CN2、Gwqmn、Revapmn,减小 Alpha_Bf、ESCO。 1990—1999 年的模拟结果如图 7 所示,纳什系数为 0.86,提
高了 0.14。 本文应用集成后的 SWAT模型和同样的参数对 2000—2009年的径流进行模拟,如图 8所示,纳什
系数为 0.83,表明对这些参数的优化以及将 FASST 集成到 SWAT 模型以改善 SWAT 模型融雪计算方法是合
理的。
摇 图 5摇 集成前后 1990—1999年月径流值对比图(使用改进的流域
平均坡长和其他默认参数)
Fig.5摇 Monthly streamflow simulations of the period of 1990—
2009 with original SWAT and coupled FASST鄄SWAT with the
default parameter set coming with SWAT and corrected average
slope lengths, together with measured streamflow for evaluation
purpose
图 6摇 集成前后 1990—2009年月平均径流值对比图
摇 Fig.6摇 Monthly average streamflow simulations of the period of
1990—2009 with original SWAT and coupled FASST鄄SWAT
摇 图 7摇 参数优化后 SWAT模型 1990—1999年径流模拟值对比
Fig.7摇 Simulated monthly streamflow in the calibration period of
1990—1999 using optimized parameters versus measured
streamflow
摇 图 8摇 参数优化后 SWAT模型 2000—2009年径流模拟值对比
Fig.8摇 Simulated monthly streamflow in the validation period of
2000—2009 using optimized parameters versus measured
streamflow
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2.2摇 融雪径流对比分析
在 SWAT模型中参数不变情况下(默认参数),将集成 FASST模型前后的 SWAT 模型模拟的黑河山区流
域 1990—2009年的融雪径流进行对比,如图 9所示,图中的融雪值为黑河山区流域模拟时间段内不同时刻全
部子流域计算的融雪值的累加。 从图中可以看出,集成后的 SWAT 模型模拟的融雪径流有所增加,融雪期
3—5月的模拟值有一定的增加。 这也进一步说明了集成后的 SWAT模型更适合在高寒山区进行模拟。
将 SWAT模型集成前后模拟的河道流量的进行差值计算,如图 10 所示。 从图中可以看出,集成 FASST
模型的 SWAT模型模拟的河道径流明显增加。 根据图 11看出祁连、野牛沟、莺落峡、扎马什克在 1993、1994、
1998、1999、2003和 2008年降雨量出现明显的峰值。 降水量的增加,导致积雪增加,同时受温度影响,融雪径
流增加,补给河道径流。 集成后的 SWAT模型模拟的河道径流增加量也出现了峰值,如图 10所示。 由于融雪
径流要经过一段时间的汇流过程才能达到河道,经过下渗和蒸散发等作用,融雪径流在到达河道前消耗量较
大,因此融雪径流深度要大于对河道径流的补给。 总体而言,表明集成后的 SWAT模型能在一定程度上提高
了模拟精度。
摇 图 9摇 集成前后 SWAT模型模拟的 1990—2009 年的融雪径流对
比图(无参数优化)
Fig. 9 摇 Comparison of snowmelt runoff simulated by original
SWAT and coupled SWAT with default parameters in 1990—2009
摇 图 10摇 集成前后 SWAT模型模拟 1990—2009 年径流量差值(无
参数优化)
Fig.10 摇 Difference of yearly streamflow simulations by original
and coupled SWAT model with default parameters in 1990—2009
2.3摇 地表径流对河道的贡献
SWAT模型的地表径流是利用改进的美国农业部径流曲线数方法计算,即根据降雨量与径流关系的经验
公式计算,径流曲线数(CN)取决于土壤水文组,土地利用类型和土壤含水量,是 SWAT模型重要的水文参数。
因为 SWAT模型模拟的融雪径流在计算过程中并不是直接贡献给河道径流,而是通过影响地表径流,从而影
响河道径流量。 将 FASST模型集成到 SWAT 模型,只是改变了 SWAT 模型融雪径流的计算方法,并不影响
SWAT模型地表径流和河道径流量的计算方法。 因此地表径流对河道的贡献也间接反映融雪量对河道径流
的影响,从而间接证实了 FASST模型集成到 SWAT模型对模拟精度的提高。
本文将 FASST模型集成到 SWAT模型前后计算的地表径流对河道径流量的贡献进行分析,如图 12 所
示。 从图中可以看出,春汛期间,地表径流对河道贡献量的模拟值增加并不显著,这是因为春季气温低,融雪
速度缓慢,融雪径流的汇流过程和下渗作用时间长,融雪径流对壤中流和地下水进行补给;而夏季空气温度
高,春季累积的积雪融化加速,地表径流对河道贡献量明显增加,对比于观测数据,对河道的增加量是合理的,
从而进步一说明了集成后的 SWAT模型能更好的模拟黑河山区的水文过程。
3摇 结论
SWAT模型的融雪模块采用的是基于空气温度的线性函数计算,根据融雪因子的方法计算融雪量,在干
旱半干旱、降水量较少的地区,以融雪径流、地下水和地表径流为补给来源,其中春汛期间融雪径流是主要补
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图 11摇 各站点 1990—2009年降水量
Fig.11摇 Measured yearly precipitation of stations in 1990—2009
摇 图 12摇 集成前后 SWAT模型模拟 1990—2009年地表径流对河道
的贡献
Fig.12摇 Surface runoff contributions to streamflow simulated by
original and coupled SWAT model in 1990—2009
给来源。 应用 SWAT模型在这些地区进行径流模拟时,
不能很好的反映高寒山区的融雪过程,影响了地表径流
的模拟。 本文针对该问题,将具有融雪物理机制的
FASST模型集成到 SWAT模型,改善 SWAT模型的融雪
计算方法,从而提高 SWAT模型的模拟精度。
本文以黑河山区流域为研究区,对比分析了集成前
后 SWAT模型的河道径流、融雪径流、融雪深度和地表
径流对河道的贡献量的模拟结果,说明了集成了 FASST
模型的 SWAT模型能更好的反映高寒山区的融雪径流,
径流模拟精度也得到了提高,取得了较好的模拟结果,
从而验证了本文的通过将 FASST 模型集成到 SWAT 模
型的方法提高模拟精度是可行的。 后期工作希望将集
成后的 SWAT模型进行模块拆分,并集成到建模环境,
更大的发挥 SWAT模型的优势。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
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叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 余新晓摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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