水文資料缺乏地區(qū)水資源量計算
——以都勻市為例

劉 銳，張新華

(1.黔南州水利水電勘測設計研究院，貴州 都勻 558000；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

都勻市位于貴州省南部偏東，苗嶺山脈南側，距省會貴陽高速公路里程80 km。都勻市徑流資料缺乏，僅有的文峰塔水文站于1951年7月設立，控制集雨面積448 km2，觀測項目有水位、流量、輸沙率、水溫等；由于受到上游水庫和翻板壩的影響，1984年以后已經(jīng)停止測流，因此對都勻市現(xiàn)狀水資源情況無法獲得準確的資料。本文以都勻市為例，針對其徑流資料缺乏的問題，通過構建SWAT分布式水文模型，對都勻市境內(nèi)各干支流流量進行模擬[1]，計算得到了都勻市各分區(qū)的水資源量及其年變化情況。

1 模型簡介和原理

1.1 SWAT分布式水文模型

SWAT( soil and water assessment tool) 模型是由美國農(nóng)業(yè)(USDA) 開發(fā)的流域尺度分布式模型, 可用來模擬預測在具有多種土壤類型、土地利用和管理條件的復雜大流域中土地管理措施對水、沙、化學物質(zhì)等的長期影響。其顯著特點是具有很強的物理基礎，并能在資料缺乏地區(qū)建模和運行[2]，SWAT模型的模擬時段可根據(jù)需要分為年、月、日3種。

為了考慮流域內(nèi)下墊面特性和氣候因素空間分布的非均勻性, SWAT 模型首先將整個研究流域細分為若干個子流域, 對每個子流域分別進行模擬計算, 再將各子流域的模擬結果疊加在一起作為整個研究流域的模擬結果。子流域內(nèi)的水文過程模擬可分為坡面水文循環(huán)過程模擬和河道水文循環(huán)過程模擬[3]2個部分。前者控制每個子流域內(nèi)主河道水量、沉積物、氮和化學物質(zhì)等的輸入量, 后者控制水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)匯集到流域出口的過程。SWAT模型采用模塊化設計，便于模型的擴展和改進[4]。各子模塊主要包括水文過程模型、土壤侵蝕模型、污染負荷模型[5]。李忠娟等利用敏感性分析模塊率定了三河流域影響產(chǎn)匯流的不同參數(shù)，得到了精度較高的徑流量模擬值[6]。楊姍姍等利用SWAT模型對臥虎山水庫流域徑流進行了相應的計算[7]。

1.2 水文過程模型的基本原理簡介

1.2.1 水文循環(huán)的陸地階段

SWAT模型水文循環(huán)陸地部分水量平衡是SWAT模型的基礎驅(qū)動，可以用水量平衡方程表示整個陸地上的水文循環(huán)過程，其表達式為：

(1)

式中：SWt為土壤最終的含水量，mm；SW0為土壤前期含水量，mm；t為時間步長，d；Rday為第i天降雨量，mm；Qsurf為第i天的地表徑流，mm；Ea為第i天的蒸發(fā)量，mm；Wseep為第i天存在于土壤平剖面地層的滲透量和測量流，mm；Qgw為第i天地下水含量，mm。

1.2.2 水文循環(huán)的演算階段

(1)地表徑流。SWAT模型以水文響應單元(HRU)為基本計算單元來模擬地表徑流，然后累積到子流域，最后演算匯集到流域出口得到總徑流量。采用SCS徑流曲線法對流域地表徑流量進行模擬。

(2)土壤水。通過降雨和地表下滲到土壤中的水分以各種形式運行，土壤水既可以被植物吸收和蒸散發(fā)而損耗掉，也可以通過滲透補給地下水和在地表土層形成徑流，該徑流方式稱為壤中流，壤中流采用動力貯水方法來計算，該方法考慮了水力傳導系數(shù)、坡度和土壤含水量的時空變化特征，計算較為精確。

(3)地下水。地下水徑流以河流的基流形式存在，可由地下水蓄量和枯季持續(xù)徑流量推出。

(4)蒸散發(fā)。在SWAT模型中，蒸散發(fā)是指經(jīng)降雨形成的水分部分轉(zhuǎn)化為水蒸氣的過程，包括樹冠、草地和地面枯葉所截留的水分的蒸發(fā)和植物蒸騰，以及土壤水的蒸發(fā)。在流域的生態(tài)需水研究時，需要估算蒸散發(fā)需水，因此，準確評估蒸散發(fā)量，是計算生態(tài)需水量重要的環(huán)節(jié)。

以上計算公式和方法可見李紅軍等資料缺乏地區(qū)水功能區(qū)納污能力計算-以都勻市清水江為例[8]。

1.2.3 水文循環(huán)的匯流階段

SWAT模型根據(jù)水文響應單元(HRU)計算各子流域的匯流時間，包括坡面匯流時間和河道匯流時間。

坡面匯流時間的計算公式為：

(2)

式中：oτ為坡面匯流的時間，h；sl為子流域的平均坡長，m；n為各水文響應單元的坡面曼寧系數(shù)；S為坡面的坡度。

河道匯流時間的計算公式為：

(3)

式中：cτ為河道匯流的時間，h；L為河道長度，km；n為河道曼寧系數(shù)；A為水文響應單元的面積，km2；cS為河道的坡度。

2 模型在都勻市地表水資源計算中的應用

2.1 模型構建

模型構建基礎如下。

(1)數(shù)字高程模型。DEM圖數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)。

(2)土地利用數(shù)據(jù)庫。SWAT模型中用美國國家地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的土地利用分類系統(tǒng)。

(3)土壤數(shù)據(jù)庫。根據(jù)我國土壤分類體系和都勻市土壤類型的具體情況，按照亞類對都勻市的土壤進行分類統(tǒng)計，制作Soil圖。

(4)氣象數(shù)據(jù)庫。主要包括流域逐日的降水量、日最高最低氣溫、日太陽輻射量、日平均風速和日平均相對濕度。都勻市及其周邊降雨站點主要有凱里、墨沖、擺忙、王司、楊柳街共5個站點，氣象站僅有凱里1個站點。

2.2 模型運行和結果分析

2.2.1 模型的初步運行

DEM圖、土地利用圖、土壤圖及氣象數(shù)據(jù)都準備好后，進行都勻市三分區(qū)的水文循環(huán)初步模擬。根據(jù)已有數(shù)據(jù)的年限，模型計算開始日期為1974年1月1日，結束日期為2012年12月31日。由于生態(tài)需水計算主要根據(jù)的平均流量進行計算，因此選擇以“月”為單元的模擬尺度。

2.2.2 SWAT模型的校準和驗證

SWAT2009包含了敏感性分析和自動校準模塊，根據(jù)資料情況，選定下司監(jiān)測站的流量數(shù)據(jù)對模型進行自動校準。

SWAT模型的敏感性分析采用LH-OAT方法，結合抽樣法LH(Latin Hypercube)和敏感性分析OAT(One-factor-At-a-Time)，確保所有參數(shù)在其取值范圍內(nèi)均被采樣，并且明確地確定哪一個參數(shù)改變了模型的輸出，減少了需要調(diào)整參數(shù)的數(shù)目，提高了計算效率。

表1 都勻市SWAT模型徑流敏感性分析結果表Tab.1 Results of runoff sensitivity analysis of SWAT Model in Duyun

從表1中可以看出，SWAT模型模擬都勻市的徑流過程中敏感度高的參數(shù)主要有CN2、ESCO、sol_z、BIOMIX、SOL_AWC等，且在各個區(qū)域參數(shù)并不一致。根據(jù)敏感性分析出來的結果，選取敏感度較高的幾個參數(shù)對模型進行校核。

2.2.3 模型模擬結果評價

采用相對誤差Re、相關系數(shù)R2、Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens來評價模型的適用性[8]。

(1)相對誤差計算公式為：

式中：Re為模型模擬相對誤差；Qm為模擬值；Qo為實測值。若Re為正值，說明模型模擬值偏大；若Re為負值，說明模型模擬值偏小；若Re=0，說明模型模擬結果與實測值正好吻合。

(2)相關系數(shù)計算公式為：

(5)

(3)Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens的計算公式為：

(6)

在SWAT模型運行初期，模型給土壤含水量的初始值一般賦值為零，這對模型模擬結果影響很大，因此將模擬初期作為SWAT模型運行的預熱階段。本次研究以1974-1976年為預熱期，1977-1995年為校準期，1995-2006和2012年為驗證期。其中，下司水文站2007-2011年由于資料缺失，采用SWAT進行模擬。

圖1和圖2分別為下司站的月徑流模擬結果，表2為校準期和驗證期的評價參數(shù)。一般認為，當R2>0.6和Ens>0.5時，模型模擬結果可以接受?？梢钥闯鯯WAT對都勻市的徑流模擬效果良好。

圖1 下司站1977-1995年月徑流量模擬值與實測值對比圖Fig.1 Comparison of monthly runoff simulation value and measured value in xiasi from 1977 to 1995

圖2 下司站1996-2006、2012年月徑流量模擬值與實測值對比圖Fig.2 Comparison of monthly runoff simulation value and measured value in xiasi from 1996 to 2006 and in 2012

測站校準期1977-1995年R2Ens驗證期1996-2006、2012年R2Ens下司站0．910．870．910．90

3 都勻市地表水資源量計算

為保證年徑流量系列的一致性，針對都勻市內(nèi)受水利工程影響而改變徑流情勢的問題進行還原計算，將模擬徑流系列修正為天然徑流系列，控制斷面的天然徑流量為實測徑流量和還原水量之和，還原計算的主要部分為都勻市內(nèi)兩中型水庫，運用SWAT分布式水文模型計算不考慮水庫蓄水影響的情景，模擬得到了都勻市沅江區(qū)、紅水河區(qū)和都柳江區(qū)1977-2012年共計36年的年均徑流量，并計算得到其地表水資源量[9]。

4 都勻市地下水資源量計算

通過對都勻市水文地質(zhì)條件及地下水資源調(diào)查分析并結合SWAT計算采用了以下3種方法進行計算。

(1)用水文分割法計算，將SWAT模型模擬的月徑流量進行水文分割，得到沅江區(qū)地下水資源量為1.81 億m3，紅水河區(qū)地下水資源量為1.45 億m3，都柳江區(qū)為0.25 億m3，合計3.51 億m3。計算中使用資料可靠，分割較為合理，計算結果精度較高。與《2011年黔南州水資源公報》結果相差不大,地下水保證資源的計算，可為工農(nóng)業(yè)用水提供規(guī)劃依據(jù)。

(2)用徑流模數(shù)法計算，本區(qū)有地下水枯季資源約93.77 萬m3/d。依枯季日資源推算全年，按365 d計算，都勻市有地下水資源3.42 億m3/a。因本區(qū)枯季溪溝流量基本可以反映地下水動儲量，計算參數(shù)是在大量實測資料的分析、整理基礎上選取的，絕大部分塊段徑流模數(shù)值為本塊段內(nèi)有代表性的實測值，因而作為枯水期的地下水資源計算結果基本可靠。

(3)用大氣降雨滲入法計算，本區(qū)有地下水資源1 561 392 m3/d，即年資源5.7 億m3/a。此法由于參數(shù)的選取為經(jīng)驗數(shù)值，人為因素太多，而且以年為單位，故結果較為粗略，僅供參考。

5 都勻市水資源量計算

區(qū)域水資源總量為地表水資源量加地下水資源量扣除重復水量計算式：

W=R+Q-D

(7)

式中：W為水資源總量；R為地表水資源量；Q為地下水資源量；D為地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的重復計算量。

地表水與地下水資源量計算中產(chǎn)生的重復計算量D，事實上是因不同地貌類型地下水資源計算方法不同而形成，由于都勻市屬山丘區(qū)，地下水資源量為地表水與地下水資源之間的重復計算量。

都勻市水資源量綜合評價成果見表3。

表3 水資源量綜合評價成果表 億m3

6 結 語

都勻市總體地表水資源量在過去36年間波動變化其總體趨勢趨于平緩，其中1989年最小，地表水資源量為7.86 億m3，2000年最大，地表水資源量為23.67 億m3，其均值為16.28 億m3，與調(diào)查資料中都勻市地表水資源量16.20 億m3比較接近，進一步證明了模型的可用性，同時解決了文峰塔水文站停止測流致使都勻市地表水資源量難以計算的問題，豐富了水資源調(diào)查評價的方法，拓展了水資源調(diào)查評價的外延。用水文分割法計算，將SWAT模型模擬的月徑流量進行水文分割，計算得到都勻市地下水資源量3.51 億m3，而且對枯水期、平水期、洪水期資源分別作了計算，具有一定的實用價值。

本研究利用SWAT模型通過DEM圖、土地利用圖、土壤圖及氣象數(shù)據(jù)庫的建立，對都勻市三分區(qū)的水文循環(huán)進行初步的模擬，通過模型的校準和校驗，得到了都勻地區(qū)水資源量計算結果，解決了水資源配置過程中水文資料缺乏[10]的問題，能夠充分反應區(qū)域不同水平年的水資源量及其分布，為水資源配置決策提供了可靠的數(shù)據(jù)，同時為解決水文資料缺乏地區(qū)水資源量計算提供了一種好的思路和方法。

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[1] 秦 宇，羅吉忠，姜國珍，等.徑流資料缺乏地區(qū)水資源配置研究——以都勻市為例[J].節(jié)水灌溉，2015，(3)：35-41.

[2] 李紅霞，張新華，肖玉成，等.缺資料流域的非點源污染模擬研究[J].四川大學學報(工程科學版)，2011，43(5)：59-63.

[3] 羅慈蘭，葉水根，李黔湘.SWAT模型在房山區(qū)ET的模擬研究[J].節(jié)水灌溉，2008，(10)：47-49.

[4] 王中根，劉昌明，黃友波.SWAT模型的原理、結構及應用研究[J].地理科學進展，2003，22(1)：80-86.

[5] 郝芳華，程紅光，楊勝天. 非點源污染模型——理論方法與應用[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2006.

[6] 李忠娟，馬孝義，李賢波，等.基于SWAT模型的三水河流域徑流模擬[J].節(jié)水灌溉，2013，(4)：22-29.

[7] 楊姍姍，徐征和，孔 珂，等.基于SWAT模型的臥虎山水庫流域徑流模型[J].中國農(nóng)村水利水電，2003，(5)：11-14.

[8] 李紅軍，劉 銳，張建元，等. 資料缺乏地區(qū)水功能區(qū)納污能力計算-以都勻市清水江為例[J].節(jié)水灌溉，2015，(5)：49-51.

[9] 何俊仕.水資源規(guī)劃與利用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[10] 王銳琛.中國水力發(fā)電工程(工程水文卷)[M].北京：中國電力出版社，2000:35-37.