蘇 欣，李強(qiáng)坤，常布輝，胡亞偉

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.黃河水利科學(xué)研究院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

青銅峽灌區(qū)是黃河中上游地區(qū)重要的大型引黃灌區(qū)之一，具有優(yōu)越的引排水條件，退水量大，同時(shí)退水組成十分復(fù)雜，對(duì)退水量的預(yù)測(cè)缺乏有效手段。此外，青銅峽灌區(qū)人工取用排水所形成的“取水-輸水-排水-回歸”過程已經(jīng)成為起主導(dǎo)作用的區(qū)域水文過程，然而目前仍對(duì)其缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

本文選取分布式水文模型SWAT來構(gòu)建水循環(huán)模型進(jìn)行水循環(huán)模擬分析，針對(duì)模型資料要求較高而青銅峽灌區(qū)溝渠縱橫密布、資料積累少等特點(diǎn)，綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、GIS處理及SWAT-CUP軟件自動(dòng)優(yōu)選等方法推算及率定模型參數(shù)，采用完善后的模型模擬分析不同水管理措施對(duì)灌區(qū)水循環(huán)轉(zhuǎn)化的定量影響，為灌區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展提供科技支撐。

1 實(shí)例應(yīng)用

1.1 SWAT模型簡(jiǎn)介

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是一個(gè)基于物理過程并有時(shí)間序列模擬的模型，能方便地模擬氣候條件變化、土地利用調(diào)整和農(nóng)業(yè)管理措施等對(duì)水循環(huán)各要素的長(zhǎng)期影響，比較適用于面向水資源管理的長(zhǎng)時(shí)段的分布式水文過程模擬[1-9]。本文采用的是基于ArcGIS 10.2.2的ArcSWAT 2012.10_2.18，這個(gè)版本的模型軟件穩(wěn)定性較高。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

SWAT模型要求使用的GIS圖層必須使用同一坐標(biāo)系描述空間要素的位置，保證空間數(shù)據(jù)能在同一坐標(biāo)系下疊加。本文選擇WGS 1984 UTM Zone 45N作為統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理。DEM(Digital Elavation Model)即數(shù)字地面高程模型，反映研究區(qū)域的地形條件，是SWAT模型運(yùn)行、生成河網(wǎng)和水系的基本條件。本文使用國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的SRTM90m分辨率的數(shù)字高程原始數(shù)據(jù)。SRTM的空間高程數(shù)據(jù)分別將經(jīng)緯度每5°上劃分為一個(gè)文件，共分為24行和72列。在ArcGIS中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，拼接、裁剪和投影變換等步驟，生成模擬需要的DEM，見圖1。

圖1 研究區(qū)DEM影像圖

影響到蒸散發(fā)量的因素是種植物的冠層截留量。在SWAT模型中，用Land Use模塊描述這一過程。根據(jù)青銅峽灌區(qū)遙感圖像資料處理后得到土地利用分布圖。SWAT中采用8個(gè)一級(jí)類型和22個(gè)二級(jí)類型組成的土地利用分類系統(tǒng)，具體分類參看肖軍倉(cāng)的《SWAT模型用戶應(yīng)用指南》[10]。將土地利用柵格圖輸入模型中，通過鏈接類型的屬性表，模型對(duì)土地利用類型重新分類編碼，把屬性表中的名稱一一對(duì)應(yīng)地替代圖件上原有的數(shù)字代碼，實(shí)現(xiàn)屬性的賦值，最終得到適用于灌區(qū)模擬的土地利用圖，見圖2。

圖2 研究區(qū)土地利用類型重新分類圖

根據(jù)研究區(qū)土地利用類型圖，統(tǒng)計(jì)得到各土地類型的百分比，見表1。

本文采用1∶100萬的土壤空間數(shù)據(jù)。從FAO 網(wǎng)站上http:∥www.fao.org/nr/land/soils/harmonized-world-soil-database/en/下載HWSD 數(shù)據(jù)，利用ArcGIS按照灌區(qū)邊界把處理和投影后的土壤空間矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到所需的土壤空間數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為grid 柵格格式，投影為 WGS 1984 UTM Zone 45N。與土地利用類型圖相似，輸入SWAT模型中進(jìn)行重分類，把屬性表中的名稱一一對(duì)應(yīng)地替代圖件上原有的數(shù)字代碼，實(shí)現(xiàn)屬性的賦值，最終得到模型所需的土壤圖，見圖3。

表1 研究區(qū)土地利用類型面積

圖3 研究區(qū)土壤重新分類圖

1.3 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

主要包括土壤資料數(shù)據(jù)庫(kù)和氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)。

模型中涉及的土壤參數(shù)較多，包括飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)、地表反射率、土壤侵蝕力因子、電導(dǎo)率等。

選取位于青銅峽灌區(qū)上的3個(gè)氣象站：惠農(nóng)、銀川、陶樂來建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。模型需要輸入天氣發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)及降雨、氣溫、風(fēng)速、濕度、輻射實(shí)測(cè)值，如果沒有實(shí)測(cè)值，就用天氣發(fā)生器進(jìn)行模擬。降雨、氣溫、風(fēng)速、濕度數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上下載得到，輻射數(shù)據(jù)通過FAO56 Penman-Monteith 模型計(jì)算得到，其他參數(shù)通過計(jì)算得到。并按照模型中所識(shí)別的格式進(jìn)行編輯，方便模型加載。

1.4 子流域劃分與水文響應(yīng)單元

加載灌區(qū)的DEM圖，土地利用圖、土壤分布圖、坡度及相關(guān)的屬性文件后，模型自動(dòng)劃分子流域。青銅峽灌區(qū)被劃分成39個(gè)子流域，1013個(gè)HRUs(水文響應(yīng)單元)[11]。子流域與河網(wǎng)劃分見圖4?？紤]作物分布的影響，根據(jù)青銅峽灌區(qū)遙感影像解譯，將灌區(qū)作物解譯為小麥、玉米、玉米套小麥、水稻和其他作物，見圖5。

圖4 子流域與河網(wǎng)劃分示意圖

圖5 青銅峽灌區(qū)2004年作物種植結(jié)構(gòu)遙感監(jiān)測(cè)圖

1.5 地下水模塊

由于地下水、灌溉等因素對(duì)灌區(qū)的水循環(huán)過程影響不容忽視，因此需要修改地下水文件.gw，管理文件.mgt中的相關(guān)參數(shù)，其他文件的參數(shù)采用模型默認(rèn)值。根據(jù)王軍濤在本區(qū)域的研究成果合理確定：滲透系數(shù)取值范圍在0.57～1，給水度取值范圍在0.14～0.32。初始水位采用2000年1月1日的地下水位觀測(cè)值。

1.6 灌溉模塊

進(jìn)行灌區(qū)模擬的主要目的是評(píng)估灌水量、作物生長(zhǎng)對(duì)灌區(qū)系統(tǒng)的影響，其核心是羅列系統(tǒng)中的各種土地和水管理措施。HRU管理文件(.mgt)用于匯總措施，該文件包括農(nóng)業(yè)種植、作物收獲、灌溉、施用營(yíng)養(yǎng)物、噴灑殺蟲劑和耕作操作的輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)《寧夏主要農(nóng)作物及經(jīng)果林灌溉制度研究》、《寧夏中部干旱帶高效節(jié)水補(bǔ)灌工程總體實(shí)施方案》和《寧夏不同灌區(qū)各種作物田間灌溉定額表》等資料，合理確定了SWAT模型中農(nóng)業(yè)灌溉方式。灌區(qū)的灌溉、配水制度主要分為夏灌(4-6月)、秋灌(7-9月)和冬灌(10月下旬-11月中旬)。旱作生育期一般灌水2～5 次，灌水期10～15 d，灌水定額4.7～6.0 m3/hm2，灌溉定額18.1～35.5 m3/hm2；水稻生育期灌水30～34 次，灌水定額2.7～6.7 m3/hm2，灌溉定額60.3～87.1 m3/hm2。灌水方式為傳統(tǒng)的畦灌。

1.7 參數(shù)的敏感性分析

模型參數(shù)眾多[12,13]，本文采用SWAT-CUP軟件進(jìn)行模型參數(shù)的敏感性分析。SWAT-CUP軟件會(huì)對(duì)模型參數(shù)的敏感性自動(dòng)排序，從所有的模型參數(shù)中挑選出對(duì)模型敏感性較強(qiáng)的參數(shù)，只對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行率定。

1.8 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

最后進(jìn)入模型模擬過程。按需求選擇模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為月，2000-2002年作為模擬的預(yù)熱期，2003-2008年作為模擬的參數(shù)校準(zhǔn)期，2009-2011年作為模擬的驗(yàn)證期。校正期月徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比見圖6。

校正期月徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比見圖7。

圖6 校正期月徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

圖7 驗(yàn)證期月徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

本文采用相關(guān)系數(shù)R、Nash-Suttcliffe系數(shù)進(jìn)行模型的適用性評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。

表2 模型模擬值的結(jié)果評(píng)價(jià)

SWAT的研發(fā)者認(rèn)為模型模擬結(jié)果的模型效率系數(shù)Ens接近0.4及以上，表明模型較好地概化了研究區(qū)的參數(shù)，準(zhǔn)確的描述了研究區(qū)的水文過程，模型較好地模擬了青銅峽灌區(qū)的排水過程。

2 灌溉引水量變化對(duì)水循環(huán)要素影響研究

本文明確現(xiàn)狀水平的灌水量，在此基礎(chǔ)上設(shè)置高水(120%×現(xiàn)狀灌水量)、低水(80%×現(xiàn)狀灌水量)進(jìn)行模擬分析，見表3。

表3 青銅峽灌區(qū)不同作物生育期的現(xiàn)狀灌溉水量

采用校準(zhǔn)后的SWAT 模型進(jìn)行2000-2011年序列月徑流的模擬，并對(duì)不同灌溉引水量下灌區(qū)單位面積上多年平均實(shí)際蒸散量、地表水匯入黃河水量、地下水補(bǔ)給黃河的水量、地表水入滲補(bǔ)給地下水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及對(duì)比，模擬結(jié)果見圖8。

圖8 灌溉引水量變化對(duì)水循環(huán)要素定量轉(zhuǎn)化的模擬結(jié)果對(duì)比圖

模擬結(jié)果分析如下：

(1)高水灌溉的多年平均實(shí)際蒸散量比低水灌溉多30 mm。灌水量越多，實(shí)際蒸散量越多。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀灌溉水平下，平均每年單位面積實(shí)際蒸散量為238 mm，則灌區(qū)實(shí)際多年平均蒸散量約為16.7 億m3。

(2)高水灌溉的多年平均地表徑流量比低水灌溉多17 mm。灌水量越多，地表徑流對(duì)黃河水的貢獻(xiàn)量越多。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀灌溉水平下，平均每年單位面積地表徑流匯入黃河的水量為115 mm，則灌區(qū)地表徑流匯入黃河的多年平均水量約為8.1 億m3。

(3)高水灌溉的多年平均地下水補(bǔ)給黃河水量比低水灌溉多45 mm。灌水量越多，地下水補(bǔ)給黃河水量越多。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀灌溉水平下，平均每年單位面積地下水補(bǔ)給黃河的水量為159 mm，則灌區(qū)地下水補(bǔ)給黃河的多年平均水量約為11 億m3。

(4)高水灌溉的多年平均地表水入滲補(bǔ)給地下水量比低水灌溉多73 mm。灌水量越多，地表水入滲補(bǔ)給地下水量越多。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀灌溉水平下，平均每年單位面積地表水入滲補(bǔ)給地下水量為273 mm，則灌區(qū)地表水入滲補(bǔ)給地下多年平均水量約為19 億m3。

3 結(jié) 語

本文充分挖掘整理青銅峽灌區(qū)以往的研究成果，運(yùn)用區(qū)域人工-自然水循環(huán)理論，借助SWAT模型構(gòu)建灌區(qū)水循環(huán)模型。通過模型對(duì)青銅峽灌區(qū)水循環(huán)模型中的參數(shù)進(jìn)行了分類、整理，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等獲取了灌區(qū)降水、溫度、土地利用等參數(shù)，并以特定區(qū)域地下水位作為響應(yīng)，以地下水觀測(cè)井實(shí)測(cè)值為基準(zhǔn)，進(jìn)行初步模擬，利用相關(guān)水文計(jì)算模塊，進(jìn)行參數(shù)率定，最終確定土壤可利用水量、土壤飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)、基流α系數(shù)、淺層地下水蒸發(fā)系數(shù)等13項(xiàng)敏感性參數(shù)，完善了模型。模型的決定系數(shù)R接近0.7及以上，模型效率系數(shù)Ens接近0.4及以上，表明模型基本概化了研究區(qū)的參數(shù)，基本能夠模擬青銅峽灌區(qū)的排水溝流量變化過程。

但是存在諸多不足，有待改進(jìn)。例如，

(1)忽略了下墊面的年際變化。本研究中僅有1 a的土地利用及覆被數(shù)據(jù)。而隨著城市化和寧夏開展退耕還林還草等工程的進(jìn)行，土地利用和覆被情況每年都有較大變化，進(jìn)而對(duì)徑流產(chǎn)生影響。由于數(shù)據(jù)缺乏，無法得知土地利用及覆被對(duì)徑流的影響程度，而該問題將是下一步的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

(2)資料獲取較難，模擬精度有待提高。SWAT模型是基于北美流域而開發(fā)的，利用SWAT模型模擬我國(guó)流域需要重新構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，由于數(shù)據(jù)資料不全和異常年氣候變化較大等原因，從模擬結(jié)果可以看出，雖然能夠滿足模型的運(yùn)行要求，但有些排水溝的模擬精度依然有待提高。其中永清溝、勝利溝的Ens值為0.4便不盡人意。因此，通過改變相關(guān)部門對(duì)數(shù)據(jù)的共享率、利用3S技術(shù)實(shí)測(cè)獲取以及與WEP (Water and Energy transfer Process)模型和AGNPS(Agricultural Non-point Source)模型等相互校正等方法，有望提高SWAT模型的模擬精度。

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