CMADS 數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)水文模擬的適用性研究

　　摘要：中國(guó)大氣同化數(shù)據(jù)集(CMADS)是基于多種氣象場(chǎng)數(shù)據(jù)和氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，耦合得到的支持中國(guó)區(qū)域范圍內(nèi) SWAT 模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)集。長(zhǎng)江源區(qū)位于青藏高原中心地帶，自然環(huán)境惡劣，水文氣象站點(diǎn)分布較少。以長(zhǎng)江源區(qū)四個(gè)氣象站數(shù)據(jù)和 CMADS 數(shù)據(jù)分別作為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證 CMADS 數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江源區(qū)的適用性。研究發(fā)現(xiàn)：SWAT 模型在長(zhǎng)江源區(qū)具有一定適用性，率定期和驗(yàn)證期納什效率系數(shù)分別為 0.682 和 0.615。CMADS 數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江源區(qū)適用性較差，模擬徑流的納什效率系數(shù)只有 0.447。在長(zhǎng)江源區(qū) CMADS 降水?dāng)?shù)據(jù)相比實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量較差，而氣溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量較高。

　　關(guān)鍵詞：CMADS 數(shù)據(jù)集;SWAT 模型;水文模擬;長(zhǎng)江源區(qū);青藏高原

　　劉薇; 王海軍; 陳翠英 中國(guó)農(nóng)村水利水電 2021-12-16

　　青藏高原地區(qū)由于海拔過(guò)高氣候寒冷，被稱為地球第三級(jí)。由于獨(dú)特的氣候環(huán)境，水文循環(huán)條件復(fù)雜，冰川積雪融水廣泛參與到水文循環(huán)中[1-3]。對(duì)于高原山區(qū)的水文模擬，冰雪融水是難以回避的問(wèn)題，一些主流的含有融雪模塊的水文模型包括：HBV 模型，SRM 模型， VIC 模型，SWAT 模型[4-7]。其中 VIC 模型和 SWAT 模型分布式水文模型，基于物理基礎(chǔ)，適用范圍廣。 SWAT 模型由于其適應(yīng)能力強(qiáng)，且能對(duì)流域水文過(guò)程進(jìn)行分區(qū)處理，對(duì)水文規(guī)律的研究更為深入，而得到廣泛的應(yīng)用。竇小東等基于 SWAT 模型研究了氣候變化對(duì)大盈江流域徑流的影響[8]。鄭思遠(yuǎn)等利用 SWAT 模型在東苕溪上游區(qū)域研究了氮磷對(duì)環(huán)境的影響[9]。王磊等通過(guò) SWAT 模型研究了土地利用變化情景下對(duì)清水河徑流的影響[10]。王富強(qiáng)等使用 SWAT模型對(duì)賈魯河流域區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱程度評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究[11]。SWAT 模型由于耦合了眾多模塊，對(duì)流域各方面的模擬研究都有很強(qiáng)的適應(yīng)性[12, 13]。且代碼開(kāi)源，模型得到不斷的改進(jìn)升級(jí)，使得模型更加適合全球用戶的個(gè)性需求。

　　正是由于 SAWT 模型在全球得到廣泛的利用，但由于需要輸入較多的氣象數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)模型，特別是在一些受地形和經(jīng)濟(jì)條件影響的區(qū)域，缺乏模型所需要輸入的氣象數(shù)據(jù)時(shí)，使得模型難以在該地區(qū)開(kāi)展研究。由孟先勇，王浩等牽頭，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心等單位合作開(kāi)發(fā)的 SWAT 模型中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMADS)彌補(bǔ)了一些偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)不足的缺陷，使 SWAT 模型可以對(duì)中國(guó)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的進(jìn)行水文模擬[14-17]。該數(shù)據(jù)集基于世界各類再分析場(chǎng)及中國(guó)氣象局大氣同化系統(tǒng)(CLDAS)技術(shù),利用數(shù)據(jù)循環(huán)嵌套、重采樣,模式推算及雙線性插值等多種技術(shù)手段而建立。且符合 SWAT 模型的輸入格式，使用方便。本文通過(guò)提取長(zhǎng)江源區(qū) CMADS 數(shù)據(jù)，及利用傳統(tǒng)的氣象站數(shù)據(jù)利用 SWAT 模型在長(zhǎng)江源區(qū)進(jìn)行水文模擬，分析 CMADS 數(shù)據(jù)在高寒山區(qū)的適用性。

　　1 研究區(qū)域概況

　　長(zhǎng)江源區(qū)地處青海省東南部，是青藏高原的中心地區(qū)，面積達(dá) 137,800 km2，平均海拔高程達(dá) 4,500 m 左右，屬于典型的高海拔地區(qū)[18]。流域呈西高東低的地形結(jié)構(gòu)，其主源西支的沱沱河和南支的當(dāng)曲，其源頭位于唐古拉山北麓，源頭以冰雪融水為主。長(zhǎng)江源區(qū)主要以裸地和高原草地等地貌特征為主，其下游河谷地帶覆蓋有少量森林植被，也是人類的主要聚集地。2000 年設(shè)立三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)后，源區(qū)內(nèi)的游牧得到有效控制，源區(qū)自然生態(tài)環(huán)境朝健康方向發(fā)展。長(zhǎng)江源區(qū)多年平均降水只有 450 mm 左右，且從下游向上游逐漸遞減，氣溫受地形影響，下游氣溫明顯要高于上游地區(qū)，多年平均氣溫在-1.7-5.5 °C 波動(dòng)[19]。 7、8 月份流域氣溫最高，12-2 月是氣溫最低的時(shí)期，流域上游覆蓋有常年無(wú)消融的凍土，流域無(wú)明顯的無(wú)霜期。流域內(nèi)氣象站分布雖然只有四個(gè)，但在上中下游都有分布，較能反映流域不同區(qū)域的氣候特征，在流域出口有記錄著整個(gè)源區(qū)出口流量的直門(mén)達(dá)水文，該站記錄的流量也是本次研究的對(duì)比數(shù)據(jù)[20]。流域地形及氣象水文站點(diǎn)分布如圖 1 所示。

　　2 數(shù)據(jù)的處理及建模

　　SWAT 模型建模所需要的數(shù)據(jù)較多，分為氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)兩大類。氣象數(shù)據(jù)由長(zhǎng)江源區(qū) 4 個(gè)氣象站提供，包括降水，最高最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，另外就是從 CMADS 數(shù)據(jù)集中裁剪出來(lái)的長(zhǎng)江源區(qū)氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括：日平均相對(duì)濕度(RelativeHumidity)、日累計(jì)降水量(Precipitation)、日平均太陽(yáng)輻射(Solar radiation)、日最高、最低 2 米氣溫(Max and Min Temperature)、日平均 10 米風(fēng)速(Wind)。地理空間數(shù)據(jù)包括 DEM 數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)。

　　2.1 氣象數(shù)據(jù)

　　利用長(zhǎng)江源區(qū) 4 個(gè)傳統(tǒng)氣象站數(shù)據(jù)建立的 SWAT 模型驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)為文本格式，包括日最高最低氣溫及日降水量，對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理，保證數(shù)據(jù)較高質(zhì)量。CMADS 數(shù)據(jù)集通過(guò)寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載。整個(gè)數(shù)據(jù)集覆蓋范圍在 60°- 160°E，0°-65°N 之間，將整個(gè)中國(guó)地區(qū)都覆蓋在內(nèi)，數(shù)據(jù)集較為龐大。該數(shù)據(jù)集已經(jīng)有發(fā)行了 4 個(gè)版本，本次研究利用的 CMADS V1.1 版本，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為 0.25°×0.25°，時(shí)間跨度為 2008 年到 2016 年。CMADS 數(shù)據(jù)中氣溫、氣壓、比濕、風(fēng)速驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采用了 2421 個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站和業(yè)務(wù)考核的 39439 個(gè)區(qū)域自動(dòng)站，2008 年 1 月以來(lái)地面基本氣象要素逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)時(shí)期的臺(tái)站信息(臺(tái)站經(jīng)緯度、海拔高度)。利用多重網(wǎng)格三維變分方法(STMAS)，在 NCEP/GFS 背景場(chǎng)基礎(chǔ)上制作地面基本要素分析場(chǎng)。其中，中國(guó)區(qū)域以外，只對(duì) NCEP/GFS 背景數(shù)據(jù)做地形調(diào)整、變量診斷并插值到分析格點(diǎn);中國(guó)區(qū)域以內(nèi),利用 STMAS 算法，將經(jīng)過(guò)前處理的 NCEP/GFS 背景數(shù)據(jù)和自動(dòng)站觀測(cè)融合，并與中國(guó)區(qū)域以外的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。通過(guò) ArcGIS 提取長(zhǎng)江源區(qū)范圍內(nèi)的所有站點(diǎn)的 CMADS 數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)集不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，可以直接被 SWAT 模型利用。長(zhǎng)江源區(qū) CMADS 數(shù)據(jù)點(diǎn)集如圖 2 所示。

　　2.2 空間數(shù)據(jù)

　　SWAT 模型屬于分布式水文模型，其建模需要流域下墊面數(shù)據(jù)，其中包括：數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，該數(shù)據(jù)主要用來(lái)進(jìn)行子流域劃分，及確定流域河道;另外兩個(gè)地理空間數(shù)據(jù)為土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，兩數(shù)據(jù)結(jié)合來(lái)確定水文響應(yīng)單元(HRU)，同一水文響應(yīng)單元內(nèi)進(jìn)行一致的水文計(jì)算。其中 DEM 數(shù)據(jù)通過(guò) USGS (United States Geological Survey)下載 90 m 分辨率的 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM 數(shù)據(jù);土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載青海省 2015 年土地利用數(shù)據(jù)。該土地利用數(shù)據(jù)將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地 6 個(gè)一級(jí)類型以及 25 個(gè)二級(jí)類型。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database version 1.2 )(HWSD V1.2)，通過(guò)黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心(http://westdc.westgis.ac.cn)獲取，需要用戶根據(jù)研究區(qū)土壤信息建立用戶自己的土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，本次研究的長(zhǎng)江源區(qū)由于自然環(huán)境惡劣，土壤發(fā)育程度淺，主要是冰川土，將源區(qū)土壤類型重新分為 5 類。由于需要計(jì)算流域面積及 SWAT 模型要求數(shù)據(jù)具有投影坐標(biāo)系，將三類空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影到 Albers WGS_1984 坐標(biāo)系中。土地利用數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)如圖 3 所示。

　　2.3 SWAT 模型

　　SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是一個(gè)典型的分布式水文模型，它以日為時(shí)間步長(zhǎng)，采用離散化的方式描述流域內(nèi)水文要素等參數(shù)的空間差異，可以模擬大流域的徑流、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等的輸移，也可以預(yù)測(cè)人類活動(dòng)對(duì)水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響。由于 SWAT 模型物理基礎(chǔ)強(qiáng)、模塊結(jié)構(gòu)清晰、計(jì)算高效、具有友好的用戶界面并將空間數(shù)據(jù)集成于 ArcGIS 中進(jìn)行處理，功能強(qiáng)大，使用方便，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。 SWAT 模型由 701 個(gè)方程和 1013 個(gè)中間變量組成，是一個(gè)具有很強(qiáng)物理機(jī)制的長(zhǎng)時(shí)段流域水文模型，在水文模擬中不僅考慮了氣象、水文、生物等自然過(guò)程，而且考慮了城市擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)種植、土地利用變化等人為影響。其模擬的流域水文過(guò)程可以分為子流域模塊和演算模塊兩個(gè)部分。子流域模塊即產(chǎn)流和坡面匯流部分，控制每個(gè)子流域內(nèi)主河道的徑流、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等的輸入量;演算模塊即河道匯流部分，決定徑流、泥沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運(yùn)動(dòng)。整個(gè)水分循環(huán)遵循水量平衡原理，具體計(jì)算公式為： ( ) 1 0 ??? ? ? ? ? ? t i t Rday Qsurf Ea wseep Qgw sw sw (1)式中：SWt 表示 t 時(shí)刻的土壤含水量，mm;SW0 表示初始時(shí)刻的土壤含水量，mm;Rday表示第 i 天的降水量，mm;Qsurf 表示第 i 天的地表徑流量，mm;Ea 表示第 i 天的蒸散量，mm; Wseep 表示第 i 天土壤測(cè)流量，mm;Qgw表示第 i 天的地下水徑流量，mm。 利用氣象數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建長(zhǎng)江源區(qū) SWAT 模型，并對(duì)源區(qū)日徑流量進(jìn)行模擬。

　　3 結(jié)果分析 3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

　　本研究采用月模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流的相對(duì)誤差 Re、相關(guān)系數(shù) R 2 和 Nash-Sutcliffe 效率系數(shù) NS 三個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)表征模型的模擬效率，其計(jì)算公式如下：式中：?Qsim 表示模擬徑流量的平均值;?Qobs 表示實(shí)測(cè)徑流量的平均值;t 表示總時(shí)段數(shù);