SWAT模型在青銅峽灌區(qū)水循環(huán)的應(yīng)用研究Ⅱ：模型應(yīng)用

蘇 欣，陳 震

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

1 模型應(yīng)用區(qū)域概況

青銅峽灌區(qū)地處祖國西北內(nèi)陸，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，大陸性氣候明顯，干旱少雨，蒸發(fā)強烈。本文選取整個青銅峽灌區(qū)作為模型的應(yīng)用區(qū)域。在《SWAT模型在青銅峽灌區(qū)水循環(huán)的應(yīng)用研究》[1]的建?；A(chǔ)上，應(yīng)用完善后的模型設(shè)置不同的情景模式進行灌區(qū)相關(guān)水文過程的模擬，分析不同水管理措施對灌區(qū)水量平衡及相關(guān)評價指標(biāo)的影響。

SWAT模型很好地處理了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施(灌水、施肥、農(nóng)藥使用、作物種植管理、作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等等)對流域中水文過程的影響，是區(qū)別于目前許多大型的分布式水文模型的顯著特點[2-5]，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化管理與節(jié)水灌溉評價提供一個新的研究手段[6]。在印度Gosain等[7]應(yīng)用SWAT模擬了印度Pslleru流域的灌溉回歸水，并模擬了在實施渠道引水灌溉之后基流的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基流量達到引水量的50%之多，這一發(fā)現(xiàn)對水資源管理及規(guī)劃具有重要意義。Kang等[8]在SWAT模型中添加了一個專門模擬水稻田水量平衡的模塊，采用日平均入滲強度來模擬灌區(qū)尺度稻田滲漏，較成功的模擬了水稻田的非點源污染情況。國內(nèi)方面，焦鋒等[9]耦合了SWAT模型和馬爾科夫鏈模型，對稻田灌溉的水分、養(yǎng)分循環(huán)進行了模擬。胡遠安等[10]針對SWAT模型對水田在蓄水期的降雨-徑流過程的模擬過于簡化，對水田蓄水的情況進行了修改，將水田劃分為蓄水與非蓄水時期分別進行計算。王宏等[11]集成了SWAT模型與GMS模型，對華北平原地下水系統(tǒng)進行聯(lián)合模擬調(diào)參。

利用先進的流域尺度分布式水文模型來回答各項節(jié)水措施對灌區(qū)水文循環(huán)的效應(yīng)問題，國內(nèi)外的研究成果較少，僅在美國，Santhi等[12]利用SWAT模型，并添加了渠系灌溉功能，模擬了德克薩斯州格蘭德河灌區(qū)內(nèi)的作物需水量和渠系用水效率，并對節(jié)水措施下的灌區(qū)內(nèi)灌溉需水量與節(jié)水潛力進行了評價。但文中僅模擬了渠系水的利用系數(shù)，并未考慮田間水利用系數(shù)、灌溉水利用系數(shù)，文中的節(jié)水措施未包括噴灌、微灌等節(jié)水灌溉工程措施。

2 模型應(yīng)用區(qū)域及水均衡模擬

2.1 現(xiàn)狀灌水量下水循環(huán)要素的變化規(guī)律

本文明確了現(xiàn)狀水平的灌水量(如表1)，采用完善后的SWAT模型模擬水循環(huán)要素的變化規(guī)律。

表1 青銅峽灌區(qū)不同作物生育期的現(xiàn)狀灌水量

2.1.1 地表、地下徑流對主河道總徑流的貢獻量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行2003-2011年序列月徑流的模擬，并對常規(guī)灌水量下灌區(qū)逐年地表徑流、地下徑流對主河道的貢獻量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 灌區(qū)逐年地表、地下徑流量對主河道的貢獻模擬結(jié)果

從圖1可以看出，研究期限內(nèi)地表徑流對主河道總徑流的貢獻量變化范圍為96～168 mm，地下徑流對主河道總徑流的貢獻量變化范圍為155～200 mm，進入主河道的總水量變化范圍為263～355 mm。

地下徑流對主河道總徑流的貢獻量約占進入主河道總水量的58.3%，地表徑流對主河道總徑流的貢獻量約占進入主河道總水量的41.7%。

豐水年(2006年)地表徑流對主河道總徑流的貢獻量約占進入主河道總水量的45%。

2.1.2 根部區(qū)域滲漏的水量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行2003-2011年序列月徑流的模擬，并對常規(guī)灌水量下灌區(qū)通過根部區(qū)域滲漏的水量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 灌區(qū)逐年根部區(qū)域滲漏的水量模擬結(jié)果

從圖2可以看出，9年間灌區(qū)通過根部區(qū)域滲漏的水量變化范圍為161～212 mm，年均滲漏量為187 mm，豐水年(2006年)通過根部區(qū)域滲漏的水量為212 mm，為滲漏量峰值。降水量越多，滲漏水量隨之加大。

2.1.3 蒸散量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行2003-2011年序列月徑流的模擬，并對常規(guī)灌水量下灌區(qū)蒸散量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 灌區(qū)逐年蒸散量模擬結(jié)果

從圖3可以看出，灌區(qū)潛在蒸散量與實際蒸散量年際間變化趨勢一致，實際蒸散量變化范圍為441～491 mm，潛在蒸散量變化范圍為690～794 mm，年均實際蒸散量為468 mm，年均潛在蒸散量為756 mm。豐水年(2006年)的實際蒸散量不是極值，可見蒸散量與降雨量的關(guān)系不顯著。蒸散量可能跟日照時數(shù)、風(fēng)速有顯著關(guān)系。

2.2 不同灌水量下水循環(huán)要素的變化規(guī)律

由于研究系列較長，特選取典型年進行不同灌溉引水量下水循環(huán)要素的變化規(guī)律研究。水文學(xué)中習(xí)用豐水年、平水年、枯水年，頻率基本為25%、50%、75%，一般選擇平水年進行研究。根據(jù)降水頻率統(tǒng)計，得出平水年75%頻率下的降雨量為125～145 mm。因此選取2011年為典型平水年，降雨量為148 mm。

首先設(shè)計典型年下的灌溉制度，在明確現(xiàn)狀灌水量的基礎(chǔ)上設(shè)置高水(120%×現(xiàn)狀灌水量)、低水(80%×現(xiàn)狀灌水量)兩個灌水水平進行模型模擬，如表2所示。

表2 青銅峽灌區(qū)不同作物生育期的3個灌水水平

2.2.1 蒸散量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區(qū)逐月實際蒸散量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同灌溉引水量下灌區(qū)月蒸散量模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，實際蒸散量排序為高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉，高水灌溉下的年蒸散量為490.8 mm，低水灌溉下的年蒸散量為440.7 mm，中水灌溉下的年蒸散量為471.1 mm。實際蒸散量與灌水量的變化趨勢一致，隨著灌水量的增加蒸散量值變大。

2.2.2 根部區(qū)域滲漏的水量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區(qū)逐月根部區(qū)域滲漏的水量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同灌溉引水量下灌區(qū)逐月根部區(qū)域滲漏的水量模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，根部區(qū)域滲漏的水量排序為高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉。從年內(nèi)變化看，11月份冬灌水量最大，滲漏量也最多。滲漏量主要集中在4-9月和11月。根部區(qū)域滲漏的水量與灌水量的變化趨勢一致，隨著灌水量的增加滲漏量值變大。

2.2.3 地表、地下徑流對主河道總徑流的貢獻量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區(qū)地表徑流對主河道總徑流的貢獻量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同灌溉引水量下灌區(qū)地表徑流對主河道總徑流的貢獻量模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，地表徑流對主河道總徑流的貢獻量排序為高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉。從年內(nèi)變化看，貢獻量主要集中在4-11月。地表徑流對主河道總徑流的貢獻量與灌水量的變化趨勢一致，隨著灌水量的增加地表徑流對主河道總徑流的貢獻量值變大。

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區(qū)地表徑流對主河道總徑流的貢獻量進行了統(tǒng)計及對比。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同灌溉引水量下灌區(qū)地下徑流對主河道總徑流的貢獻量模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，地下徑流對主河道總徑流的貢獻量無差異。從年內(nèi)變化看，地下徑流對主河道總徑流的貢獻量不隨灌水量的變化而變化，與灌水量的相關(guān)性不大。

3 小 結(jié)

SWAT模型在自然流域內(nèi)的水文循環(huán)、水資源管理中的應(yīng)用十分廣泛；同時，也被國內(nèi)外的學(xué)者成功地應(yīng)用于灌區(qū)水分和養(yǎng)分循環(huán)等方面。然而，在利用SWAT模型研究節(jié)水措施對灌區(qū)水文循環(huán)的效應(yīng)問題上，國內(nèi)外的研究成果較少。因此，本文結(jié)合SWAT模型分布式、開放性的特點，分析不同水管理措施對灌區(qū)水循環(huán)轉(zhuǎn)化的定量影響及其相關(guān)水平衡要素的變化規(guī)律，為灌區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展提供科技支撐。

本文模擬分析表明, 文獻[1]建立的灌區(qū)分布式水文模型較好地反映了灌區(qū)水文特點以及水管理措施對灌區(qū)水分循環(huán)和水量平衡評價指標(biāo)的影響。該模型為灌區(qū)不同作物不同水管理措施下相關(guān)指標(biāo)的分析評價提供了有效工具。

灌區(qū)分布式水文模型的研究與針對自然流域開發(fā)的分布式水文模型應(yīng)用相比，還處于起步階段。本文模型對地下水運動的模擬是概念性的，在今后的研究中需要進一步改進。