基于SWAT的灃河流域水文特征研究

楊靜媛，郗 林

灃河屬黃河流域渭河水系，是渭河右岸的一級支流，長安八水之一，也是西安市第三大河流。灃河發(fā)源于西安市長安區(qū)喂子坪鄉(xiāng)雞窩子以南的秦嶺北側(cè)，流經(jīng)西安市長安區(qū)、戶縣，咸陽市秦都區(qū)等十余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于咸陽北部魚王村匯入渭河，流域總面積1386 km2[1]。灃河多年平均年徑流量為2.381億m3，徑流年際變化大，年內(nèi)分配也極不均勻[2]。灃河流域在灃河干流設(shè)有秦渡水文站，在大峪河峪口設(shè)有大峪水文站。秦渡鎮(zhèn)水文站控制面積566 km2。大峪水文站控制流域面積58.6 km2。

目前，灃河處于西安城市建設(shè)西邊緣區(qū)域，流域防洪形勢嚴峻，水資源開發(fā)利用不夠合理，生態(tài)環(huán)境有待進一步改善。隨著西安建造國際化大都市的步伐及旅游事業(yè)、文化產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，對灃河流域水污染分析及水文特征分析研究就顯得十分必要。

1 不同代表年選擇

圖1 秦渡鎮(zhèn)水文站年最大徑流量頻率曲線由頻率曲線可以得到不同頻率的徑流量，其中P=20%

以秦渡鎮(zhèn)水文站1956年～2009年共54年實測多年年徑流量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用采用P-Ⅲ型水文頻率分析軟件對徑流量進行頻率分析，選取不同代表年，結(jié)果見圖1。（豐水年）時徑流量為3.30億 m3，P=50%（平水年）時徑流量為2.11億 m3，P=75%（枯水年）時徑流量為 1.71億 m3。最終確定灃河流域在2003年為豐水年，2005年為平水年，2004年為枯水年，然后進行不同代表年降雨量和泥沙量計算。

2 灃河全流域不同代表年計算結(jié)果

運用SWAT模型對灃河全流域2003年（豐水年）、2005年（平水年）、2004年（枯水年）三個不同代表年降雨量和泥沙量進行計算，得到的降雨量和泥沙量模擬結(jié)果見表1。

表1 不同代表年的計算結(jié)果

由表1可以看出在不同代表年，隨降水量和徑流量變化，泥沙量也在變化。其中豐水年、平水年、枯水年的降水量、泥沙量依次減?。荒嗌沉康淖兓厔莺徒邓坑忻芮嘘P(guān)系。

3 時間和空間分布

3.1 時間分布

灃河流域三個代表年不同月份降雨量和泥沙量模擬結(jié)果分別見表2～4。

由表2看出2003年的降雨量和泥沙量都集中在汛期（6～10月），各項模擬值在2003年的年內(nèi)分布非常不均。汛期降水量和泥沙量在全年的比例分別為0.79和0.95，汛期降雨量和泥沙量的年內(nèi)變化具有明顯對應(yīng)關(guān)系，明顯大于非汛期。

表2 豐水年（2003）逐月計算結(jié)果

表3 平水年（2005）逐月計算結(jié)果

表4 枯水年（2004）逐月計算結(jié)果

由表3看出2005年的降雨量和泥沙量都集中在汛期（6～10月），各項模擬值在2005年的年內(nèi)分布非常不均。汛期降水量和泥沙量在全年的比例分別為0.82和0.92，降雨量和泥沙量的年內(nèi)變化具有明顯對應(yīng)關(guān)系，明顯大于非汛期。

由表4看出2004年的降雨量、泥沙量和非點源污染物負荷都集中在汛期（6～10月），各項模擬值在2004年的年內(nèi)分布非常不均。汛期降水量和泥沙量在全年的比例分別為0.69和0.78，汛期降雨量和泥沙量的年內(nèi)變化具有明顯對應(yīng)關(guān)系，明顯大于非汛期。

綜合以上分析：泥沙量是伴隨著降雨徑流過程特別是暴雨過程產(chǎn)生的，所以泥沙年內(nèi)主要在汛期產(chǎn)生，集中在降雨量較大的月份。一般在這段時間內(nèi)，會有多場大型暴雨發(fā)生，隨暴雨過程會產(chǎn)生很大的輸沙過程。降雨量、徑流量和泥沙量是明顯正相關(guān)的，降雨量越大，地表徑流越大，泥沙量也越大。以上不同代表年分析可以看出，泥沙在降雨較多的月份都比降雨較少的月份多，這符合泥沙的產(chǎn)生規(guī)律，即伴隨降雨徑流過程產(chǎn)生的。

3.2 空間分布

本文選擇的模擬年份為2003年（豐水年）、2004年（枯水年）和2005年（平水年），這三年期間灃河流域的土地利用、植被覆蓋情況不會有明顯大的變化，所以非點源污染負荷的空間變化將由流域內(nèi)降雨量大小及其在空間上的分布情況決定。以下對照灃河流域圖對三個代表年的流域內(nèi)降雨、徑流和泥沙的空間變化規(guī)律進行分析。

圖5 灃河流域圖

3.2.1 流域內(nèi)降雨量的空間分布

圖6～圖8分別是2003年（豐水年）、2005年（平水年）和2004年（枯水年）各年降雨量分布圖。由圖可以看出，在該研究區(qū)內(nèi)降雨量的分布是很不均勻的，降水量隨著地形由南向北逐漸減少。降雨量較大的地區(qū)集中在靠近秦嶺周邊植被覆蓋良好的山地地區(qū)，中下游居住和耕地地區(qū)降水量偏小。從整個流域來看，這三個代表年降雨量分布情況大致相同，各年降雨量最少的地區(qū)主要集中在長安區(qū)的杜曲、韋曲、郭杜三個村鎮(zhèn)，其次是長安區(qū)的斗門、細柳、高橋和戶縣的三個村鎮(zhèn)；降水量最大的區(qū)域集中在上游秦嶺周邊的山地地區(qū)以及長安區(qū)的五星、灤鎮(zhèn)、子午地區(qū)。

SWAT模型要求所使用的降雨量站點盡可能的均勻分布在研究區(qū)域內(nèi)，否則系統(tǒng)就會使用相近站點的降雨數(shù)據(jù)代替模擬，這樣就會使模擬出來的降雨量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差。

圖6 2003年降雨量分布圖 （單位：mm）

圖7 2005年降雨量分布圖 （單位：mm）

圖8 2004年降雨量分布圖 （單位：mm）

3.2.2 流域內(nèi)徑流的空間分布

圖9～圖11分別是2003年（豐水年）、2005年（平水年）和2004年（枯水年）各年徑流分布圖。由圖可以看出，在該研究區(qū)內(nèi)徑流分布隨著地形由南向北逐漸減少，與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。徑流最大的區(qū)域集中在上游秦嶺周邊的山地地區(qū)以及長安區(qū)的五星、灤鎮(zhèn)、子午地區(qū)，因為這一部分子流域的降雨量很大，且地形坡度大，所以相應(yīng)的徑流很大，是主要的集水區(qū)域。另外從河段流量來看，在灃河干流上潏河入灃地區(qū)，因為有子午河、抱龍峪河、澗子河、滈河和潏河等支流的匯入，使得干流水量迅速增加，所以在潏河入灃這一段流域徑流很大。

圖9 2003年徑流深分布圖 （單位：mm）

圖10 2005年徑流深分布圖 （單位：mm）

圖11 2004年徑流深分布圖 （單位：mm）

3.2.3 流域內(nèi)泥沙負荷的空間分布

圖12～圖14分別是2003年（豐水年）、2005年（平水年）和2004年（枯水年）各年泥沙負荷分布圖。不同的土地利用具有不同的泥沙負荷特性，這不僅與其自身性質(zhì)有關(guān)，而且與土地利用在流域內(nèi)的空間分布特征有關(guān)，每種土地利用都與地形或土壤類型相關(guān)聯(lián)。由圖看出，灃河流域的產(chǎn)沙區(qū)主要分布在流域中上游長安區(qū)的五臺、太乙、子午和灤鎮(zhèn)。這些地區(qū)靠近秦嶺的周邊山地，山地灌木草叢分布廣泛，土壤類型主要為棕壤性土、棕壤和褐土，地形坡度大于下游地區(qū)，土壤侵蝕量大，所以該區(qū)域泥沙產(chǎn)出是最大的。下游耕地和區(qū)民區(qū)地形平坦，土壤侵蝕量小，所以泥沙產(chǎn)量很小。

圖12 2003年泥沙負荷分布圖 （單位：t/ha）

圖13 2005年泥沙負荷分布圖 （單位：t/ha）

圖14 2004年泥沙負荷分布圖 （單位：t/ha）

4 結(jié)論

通過對灃河流域三個代表年不同月份降雨量和泥沙量模擬結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)汛期降雨量和泥沙量的年內(nèi)變化具有明顯對應(yīng)關(guān)系。從時間分布來看，隨降雨徑流特別是暴雨徑流過程產(chǎn)生的泥沙負荷在豐水年較大，而枯水年相對較小，年內(nèi)泥沙負荷主要集中在汛期；通過空間分析指出了灃河流域內(nèi)主要水文因子產(chǎn)出關(guān)鍵源區(qū)。根據(jù)模型模擬計算結(jié)果，結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗提出灃河流域整體規(guī)劃以及防治措施與建議。

[1]高榕.西安市灃河流域水質(zhì)變化特征及污染控制對策研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.

[2]朱記偉，雒望余，劉建林.灃河干流生態(tài)治理的必要性研究[J].新西部，2009，（22）：63.