SWAT模型在遼寧遼陽(yáng)平原地區(qū)洪水災(zāi)害模擬中的應(yīng)用分析

張凌霄

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

洪水是我國(guó)面臨的自然災(zāi)害中最常見(jiàn)的種類，影響范圍廣、破壞力大。2020年6—7月，全國(guó)范圍內(nèi)超過(guò)26個(gè)省區(qū)發(fā)生洪水災(zāi)害，受災(zāi)人口超過(guò)千萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1000億元。利用現(xiàn)代科技手段，有效預(yù)測(cè)洪水災(zāi)害影響范圍、評(píng)估災(zāi)害等，已成為地理信息技術(shù)(GIS)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

1 區(qū)域概況

遼陽(yáng)市位于遼寧省中部，屬于遼河平原，區(qū)域內(nèi)分布大小河流86條，其中以太子河、渾河兩大水系為主，因此，該地區(qū)水資源豐富，人均水資源量達(dá)到600m3。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，大片郊區(qū)被規(guī)劃為居民區(qū)，導(dǎo)致河道堵塞嚴(yán)重，泄洪壓力變大，每當(dāng)夏季汛期來(lái)臨時(shí)，必然會(huì)造成洪水災(zāi)害。在2018年，相關(guān)部門組織技術(shù)人員對(duì)遼陽(yáng)市整個(gè)區(qū)域建立洪災(zāi)預(yù)測(cè)GIS平臺(tái)，以SWAT模型為基礎(chǔ)建立了洪水災(zāi)害影響程度模擬系統(tǒng)，為該地區(qū)防洪救災(zāi)提供參考數(shù)據(jù)。

2 水網(wǎng)區(qū)降雨產(chǎn)流模型建立分析

2.1 SWAT水文模型的建立

2.1.1 SWAT模型原理

SWAT模型可利用GIS技術(shù)提供的空間數(shù)據(jù)信息來(lái)模擬地表水及地下水水量，用以評(píng)估區(qū)域內(nèi)洪水所產(chǎn)生的影響[1]。在建立SWAT模型時(shí)，主要依據(jù)如下步驟進(jìn)行：

a.根據(jù)DEM將流域劃分為一定數(shù)量的子流域，劃分原則可根據(jù)形成河流所需要的最小集水區(qū)面積確定。

b.在每個(gè)子流域內(nèi)再劃分水文響應(yīng)單元HRU(具有相同土地類型、土壤類型的區(qū)域)，每個(gè)水文響應(yīng)單元內(nèi)的水平衡運(yùn)算因素包括降水量、地表徑流、蒸發(fā)量、滲透量等[2]。

c.SWAT模型中所采用的水量平衡表達(dá)式見(jiàn)式(1)[3]，當(dāng)?shù)乇斫邓慷嘤趽p失量時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生徑流。

(1)

式中 SWt——土壤最終含水量，mm；

SW0——土壤前期含水量，mm；

t——時(shí)間步長(zhǎng)，d；

Rday——第i天降水量，mm；

Qsurf——第i天地表徑流，mm；

Ea——第i天蒸發(fā)量，mm；

Wsweep——第i天滲透量和側(cè)流量，mm；

Qgw——第i天地下水含量，mm。

2.1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

建立遼陽(yáng)市SWAT水文模型(所需要的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)[4]，相關(guān)資料可以去“地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)”查找和購(gòu)買，在此不再詳述。

表1 遼陽(yáng)市SWAT水文模型輸入數(shù)據(jù)

2.2 SCS產(chǎn)流模型的建立

2.2.1 SCS模型原理

地表徑流量是洪水淹沒(méi)范圍、深度等決定性指標(biāo)。在模擬地表徑流時(shí)，SWAT模型一般采用SCS徑流曲線模型進(jìn)行估算，該模型可反映不同土壤類型、土地利用方式、土壤含水量等多個(gè)參數(shù)對(duì)降雨徑流大小的影響，SCS模型的“降雨—徑流”基本關(guān)系見(jiàn)式(2)[5]。

(2)

式中Q——實(shí)際徑流量，mm；

P——總降雨量，mm；

Ia——降雨初損，mm；

S——區(qū)域該場(chǎng)降雨前的最大潛在入滲量，mm。

2.2.2 關(guān)鍵參數(shù)CN的確定

從式(3)可知：Ia和S是計(jì)算Q的最關(guān)鍵參數(shù)，而這兩個(gè)參數(shù)均與CN(徑流曲線數(shù))直接相關(guān)，關(guān)系式見(jiàn)式(4)、式(5)[6]，由此可知計(jì)算出CN值即可，而CN值與土壤類型、植被種類、土壤前期濕度、耕作方式等相關(guān)。

(3)

(4)

式中λ——比例系數(shù)(需試驗(yàn)確定)。

表2是技術(shù)人員參照美國(guó)自然資源保護(hù)服務(wù)一些數(shù)據(jù)，得出的遼陽(yáng)地區(qū)不同土地利用類型CN值的換算結(jié)果。

表2 遼陽(yáng)地區(qū)不同土地利用類型CN值

2.2.3 關(guān)鍵參數(shù)λ的確定

比例系數(shù)λ的最佳取值各地區(qū)存在較大差別，在此通過(guò)對(duì)比確定，λ取值包括以下6個(gè)方案：0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3(模擬值和實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3)[7]。由表中數(shù)據(jù)可知：土地利用類型按照水田、旱地、園地、林地、草地排列，其最佳λ值分別為0.15、0.25、0.05、0.2、0.3。

表3 不同λ值徑流量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.3 模型參數(shù)率定及應(yīng)用效果分析

在遼陽(yáng)市SWAT模型及SCS模型建立過(guò)程中，需要對(duì)一些敏感性參數(shù)進(jìn)行率定，技術(shù)人員實(shí)地調(diào)查了遼陽(yáng)地區(qū)各參數(shù)的變化范圍及最適參數(shù)取值(見(jiàn)表4)[8]。

表4 SWAT模型相關(guān)參數(shù)率定及取值

在此模擬了2020年9月7日臺(tái)風(fēng)“海神”影響下遼陽(yáng)地區(qū)徑流過(guò)程，繪制模擬值和觀測(cè)值曲線(見(jiàn)圖1)。本研究利用“納什效率系數(shù)(NSE)”來(lái)驗(yàn)證水文模型模擬結(jié)果的好壞，公式見(jiàn)式(5)[9]，E越接近于1，表示模擬結(jié)果越好。本研究E值在0.8～0.85之間波動(dòng)，說(shuō)明模擬效果很好。

圖1 總產(chǎn)流量實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

(5)

式中Q0——觀測(cè)值；

Qm——模擬值；

t——數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻。

3 洪水淹沒(méi)及災(zāi)情評(píng)估系統(tǒng)分析

3.1 洪水淹沒(méi)分析系統(tǒng)

3.1.1 最大滯留水量Qover計(jì)算

通過(guò)上文建立的SWAT模型可以估算出遼陽(yáng)地區(qū)降雨產(chǎn)水量，再結(jié)合研究區(qū)排水能力、蓄水能力、境外來(lái)水量等參數(shù)，可計(jì)算出研究區(qū)最大滯留水量Qover，見(jiàn)式(6)[10]，進(jìn)而可推算出洪水總量。

Qover=Qwater-(Lcap+Rcap+Dcap)

(6)

式中Qwater——區(qū)域地表總產(chǎn)水量，m3；

Lcap——區(qū)域湖泊極限蓄水量，m3；

Rcap——區(qū)域河網(wǎng)極限蓄水量，m3；

Dcap——區(qū)域現(xiàn)有排洪能力，m3。

3.1.2 洪水淹沒(méi)分析系統(tǒng)

洪水淹沒(méi)分析主要涉及兩方面：洪水淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)水深分布，這是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，本研究利用GIS空間分析技術(shù)來(lái)構(gòu)建洪水淹沒(méi)模型，基本思路如下：利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算出分析對(duì)象區(qū)容積；將該容積值與最大滯留水量進(jìn)行比較，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算得出洪水水位，進(jìn)而推算出洪水淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)水深分布(見(jiàn)圖2)。

圖2 洪水淹沒(méi)分析基本流程

根據(jù)此項(xiàng)技術(shù)，遼陽(yáng)市建立的洪水淹沒(méi)預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提前12～24h向可能受影響范圍的居民發(fā)出洪水預(yù)警，為相關(guān)部門組織力量提前撤離災(zāi)區(qū)群眾和財(cái)產(chǎn)贏得時(shí)間，據(jù)估計(jì)可使受災(zāi)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額降低50%左右，效果顯著。

3.2 洪災(zāi)評(píng)估系統(tǒng)建立分析

洪災(zāi)評(píng)估系統(tǒng)以洪水淹沒(méi)數(shù)據(jù)、項(xiàng)目區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，利用GIS空間分析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)洪災(zāi)損失進(jìn)行多指標(biāo)、多維度量化，評(píng)估流程見(jiàn)圖3。

圖3 洪災(zāi)評(píng)估系統(tǒng)流程

遼陽(yáng)市相關(guān)部門通過(guò)利用該系統(tǒng)，評(píng)估出臺(tái)風(fēng)“海神”造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到5230萬(wàn)元，其中僅農(nóng)業(yè)損失就占到3500萬(wàn)元。后經(jīng)統(tǒng)計(jì)，“海神”造成的實(shí)際經(jīng)濟(jì)損失約為6180萬(wàn)元，評(píng)估值與實(shí)際值相差18.16%，總體而言準(zhǔn)該評(píng)估系統(tǒng)準(zhǔn)確度較高，滿足實(shí)際要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

遼陽(yáng)市通過(guò)利用GIS、SWAT模型等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了地區(qū)產(chǎn)流模型、洪水淹沒(méi)分析等系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)以臺(tái)風(fēng)“海神”作為檢測(cè)對(duì)象，得出整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度可達(dá)80%左右，可有效提供洪災(zāi)預(yù)警、抗洪搶險(xiǎn)等服務(wù)，大大提高遼陽(yáng)市水利信息化水平。該系統(tǒng)建立需要緊密結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際地理?xiàng)l件，能提供的相關(guān)信息越詳細(xì)，其模擬結(jié)果就會(huì)越準(zhǔn)確，切不可照搬其他地區(qū)數(shù)據(jù)。