基于SWAT 模型的湘江流域上游徑流量模擬研究

易 勇，曾 鳴

（湖南省長(zhǎng)沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410001）

湘江是湖南省境內(nèi)最大的河流，被稱(chēng)為湖南的母親河。近些年全球氣候變暖的背景下，湘江流域出現(xiàn)洪澇的極端天氣災(zāi)害頻繁。本文只選取氣候因子來(lái)研究氣候變化對(duì)湘江流域水資源的分布影響。研究湘江流域上游的徑流量分布特征，對(duì)合理規(guī)劃和管理湘江流域水資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1～2]。此外，利用SWAT 水文模型模擬湘江流域上游徑流量的研究案例比較少。因此，本文通過(guò)收集湘江流域上游2008～2017 年土地利用和水文氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用SWAT 模型對(duì)該流域徑流量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

1 流域概況

湘江是洞庭湖水系中流域面積最廣的河流，地處東經(jīng)110°30′～114°01′，北緯24°31′～29°01′之間，東部為幕阜山脈-羅霄山脈，南部與兩廣相鄰，西部為衡山山脈，北接洞庭湖入長(zhǎng)江。湘江發(fā)源于湖南永州藍(lán)山縣，主要流經(jīng)湖南省的永州、衡陽(yáng)、株洲和湘潭等城市，河流在岳陽(yáng)市匯合后進(jìn)入洞庭湖[2～4]。湘江從源頭到入湖口全長(zhǎng)為856 km，流域面積大約為94 660 km2。本文選擇湘江流域上游區(qū)域進(jìn)行研究（見(jiàn)圖1）。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

2 數(shù)據(jù)處理及流域劃分

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）DEM 數(shù)據(jù)。DEM 從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載，數(shù)據(jù)精度為90 m。

2）土地利用數(shù)據(jù)。本文利用的2015 年土地利用數(shù)據(jù)是從資源與環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載，再經(jīng)過(guò)重分類(lèi)處理為城市用地和農(nóng)業(yè)用地等6 種土地利用類(lèi)型。

3）土壤數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)從寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲得，通過(guò)數(shù)據(jù)裁剪分類(lèi)處理，土壤類(lèi)型共有27 種類(lèi)型。

4）氣象水文數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)是從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)下載的，再經(jīng)過(guò)天氣發(fā)生器處理，包括溫度和降雨數(shù)據(jù)；水文數(shù)據(jù)由湖南省水利廳提供，數(shù)據(jù)尺度為2008～2017 年日徑流量（歸陽(yáng)站）。

2.2 流域空間劃分

1）流域水系提取。DEM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWAT 模型中，根據(jù)高程、坡向和坡度識(shí)別并計(jì)算水流方向，最終生成各流域水系。

2）子流域的劃分。在SWAT 模型中的Stream Definition 模塊中設(shè)置面積閾值，模型自動(dòng)識(shí)別出35 個(gè)子流域。

3）水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐?。在子流域劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行子流域參數(shù)的計(jì)算劃分出164 個(gè)水文響應(yīng)單元。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型模擬效果分析

用SWAT-CUP 模型進(jìn)行徑流量的率定，先對(duì)2008～2012 年的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，再將參數(shù)復(fù)制到模型驗(yàn)證模塊，對(duì)2013～2017 年的徑流量再模擬60次進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示率定期和驗(yàn)證期的評(píng)價(jià)系數(shù)值都大于0.5，說(shuō)明用SWAT 模型模擬能較好反應(yīng)該流域的水文信息（見(jiàn)圖2）。

圖2 研究區(qū)域?qū)崪y(cè)與模擬徑流量對(duì)比及相關(guān)關(guān)系圖

3.2 模擬結(jié)果分析

將模擬生成的2050 年氣象數(shù)據(jù)輸入SWAT 模型進(jìn)行計(jì)算模擬，得出2015～2050 年湘江流域各子流域的徑流量。湘江流域上游地表徑流量平均值將由2015 年的1 078 m3/s 上升至2050 年的1 296 m3/s，每年以6.23 m3/s 的速率增長(zhǎng)（見(jiàn)圖3）。

圖3 2015 年與2050 年各子流域徑流量趨勢(shì)對(duì)比

4 結(jié)論與討論

通過(guò)搭建SWAT 模型框架識(shí)別出了35 個(gè)子流域和164 個(gè)水文單元，結(jié)合2008～2012 年實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，并通過(guò)2013～2017 年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明，SWAT 模型對(duì)湘江上游徑流的模擬效果較好，為湘江流域水文資源合理開(kāi)發(fā)與利用提供了合理的科學(xué)依據(jù)。

模擬結(jié)果表明，湘江流域上游2015～2050 年間地表徑流量上升，地表徑流量平均值由2015 年的1 078 m3/s上升至2050 年間的1 296 m3/s，年增長(zhǎng)速率為6.23 m3/s。