藍(lán)雪春，完顏晟，張真奇

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

蓄滿產(chǎn)流模型廣泛適用于濕潤(rùn)與半濕潤(rùn)地區(qū)，如新安江模型[1]和TANK模型[2]。此外還有BTOPMC模型、TOPMODEL模型、網(wǎng)格式的MIKE SHE模型、坡面式GBHM模型和SWAT模型等[3-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，新安江模型、GBHM模型、BTOPMC模型、TANK模型和TOPMODEL模型在大流域的適用性較好，而MIKE SHE模型和SWAT模型則在小流域的精度較高[3，6]。TANK模型在浙江省應(yīng)用廣泛，SWAT模型雖有應(yīng)用，但主要在蘭江、衢江等大中型流域[7-10]，在小流域的徑流模擬中鮮有報(bào)道。

湖漫水庫(kù)是溫嶺市最大的集中式生活飲用水水源水庫(kù)，流域面積26.50 km2，庫(kù)容3 500萬(wàn)m3，為城區(qū)及周邊20多萬(wàn)城鎮(zhèn)人口提供生活生產(chǎn)用水。因流域范圍內(nèi)還有2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)12個(gè)行政村近1萬(wàn)人未行搬遷，加之庫(kù)區(qū)內(nèi)常年耕作的7 000余畝耕地，多年來(lái)使得水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)備受困擾?？紤]到湖漫水庫(kù)流域面積小，且SWAT模型在浙江省小流域徑流計(jì)算中尚無(wú)先例，因此以該水庫(kù)為研究對(duì)象，討論其在浙江省小流域徑流模擬中的適用性，同時(shí)也為下一步優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度管理、制定面源污染防治方案和提出有針對(duì)性的水質(zhì)保護(hù)措施奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

收集了湖漫水庫(kù)庫(kù)區(qū)附近溫嶺氣象站1999—2018年逐日實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，庫(kù)區(qū)1∶10 000地形圖，2015年土地利用二調(diào)數(shù)據(jù)和浙江省第二次土壤普查成果。利用Arcgis10.2軟件加載的SWAT2012模塊，建立湖漫水庫(kù)的SWAT模型。

模型的適用性采用R2、ENS、Re3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)

(2)

(3)

式中R2——決定系數(shù)，反映實(shí)測(cè)值與模擬值之間的吻合程度，取值范圍為0～1，一般認(rèn)為R2>0.6，數(shù)據(jù)吻合較好；ENS——Nash-Sutcliffe系數(shù)，反映模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合程度，取值范圍為0～1，一般認(rèn)為ENS>0.6，數(shù)據(jù)擬合較好；Re——誤差，反映模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差，絕對(duì)值小于20%，表示模擬結(jié)果可以接受；Qs——徑流模擬值；Qm——徑流實(shí)測(cè)值；Qavgs——徑流模擬平均值；Qavgm——徑流實(shí)測(cè)平均值；n——觀測(cè)次數(shù)。

2 模型的構(gòu)建

2.1 數(shù)字高程地形(DEM)的制備

將帶有高程信息的庫(kù)區(qū)1比1萬(wàn)矢量地形圖利用Arcgis10.2軟件中的創(chuàng)建TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))工具轉(zhuǎn)換成高程面，再用TIN轉(zhuǎn)柵格工具將高程面轉(zhuǎn)換成DEM柵格數(shù)據(jù)用于SWAT模型生成河網(wǎng)和研究流域，見(jiàn)圖1。

圖1 湖漫水庫(kù)流域數(shù)字高程地形

2.2 子流域的劃分

子流域劃分是模型構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)，劃分的數(shù)量對(duì)模型的模擬結(jié)果有一定影響[11]。子流域劃分個(gè)數(shù)過(guò)少時(shí)，模型對(duì)空間描述不夠，生成的河網(wǎng)水系不符合流域?qū)嶋H特征,導(dǎo)致徑流、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物的模擬不真實(shí)[12]；劃分的數(shù)目越多越能體現(xiàn)研究區(qū)域下墊面的分布情況，但個(gè)數(shù)過(guò)多時(shí)，生成的河網(wǎng)水系過(guò)于密集，亦不符合流域?qū)嶋H情況，且會(huì)增加模型輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的工作量和影響模型的計(jì)算效率[12-13]。

鑒于湖漫水庫(kù)集雨面積較小，模型將研究區(qū)劃分為26個(gè)子流域(圖2)，平均匯水面積約1 km2，這樣既能保證模型的精度，又盡可能反映流域的特征。

2.3 HRUs的劃分

水文響應(yīng)單元(HRUs)是SWAT模型流域產(chǎn)流計(jì)算的基本單元，是子流域內(nèi)基于不同土地利用類型和土壤類型以及地形坡度的組合，不同組合決定了給定降雨條件下產(chǎn)流量的大小。

SWAT 模型定義 HRUs 有4種方式：第1種方式是為每個(gè)子流域創(chuàng)建一個(gè)HRU，根據(jù)子流域中的主要土地利用、土壤和坡度類型選定組合；第2種方式也是為每個(gè)子流域創(chuàng)建一個(gè)HRU，區(qū)別之處在于對(duì)流域中的主要土地利用、土壤和坡度組合進(jìn)行排序，選擇面積最大的；第3種方式是直接確定子流域的HRU個(gè)數(shù)；第4種方式通過(guò)設(shè)置土地利用、土壤類型和坡度的選擇條件(閾值)，小于該閾值的土地利用、土壤和坡度類型的面積按權(quán)重分配到大于該閾值的其他土地利用、土壤和坡度類型的面積中。為了確保模型精度，本研究采用第4種方式進(jìn)行HRUs的劃分，設(shè)置土地利用、土壤、坡度的閾值分別為5%、5%、5%，最終將湖漫水庫(kù)集雨區(qū)劃分為356個(gè)水文響應(yīng)單元(圖3—5)。

2.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象因子是驅(qū)動(dòng)SWAT模型運(yùn)行最主要的因素。SWAT模型所需的氣象因子包括日降水量、日氣溫?cái)?shù)據(jù)(最高、最低氣溫)、日相對(duì)濕度、日太陽(yáng)輻射、日平均風(fēng)速以及以上數(shù)據(jù)缺失時(shí)所需的天氣發(fā)生器數(shù)據(jù)。本研究采用距庫(kù)區(qū)約3 km的溫嶺氣象站1999—2018年逐日實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)作為SWAT模型輸入數(shù)據(jù)。

2.5 率定方法及參數(shù)選取

根據(jù)前人的研究成果，在SWAT模型眾多的參數(shù)中選擇了與地表產(chǎn)匯流關(guān)系密切的CN2.mgt等11個(gè)參數(shù)進(jìn)行率定，率定期為1999—2008年，驗(yàn)證期為2009—2018年，其中1999—2000年為模型預(yù)熱期，通過(guò)SWAT-CUP2012的SUFI-2優(yōu)化算法反復(fù)迭代試算。

圖4 湖漫水庫(kù)流域土壤類型

圖5 湖漫水庫(kù)流域坡度

3 結(jié)果與討論

徑流率定見(jiàn)圖6，率定期的p-factor(95%置信區(qū)間包含實(shí)測(cè)值比例)、r-factor(95%不確定性區(qū)間平均寬度)、R2、ENS、Re見(jiàn)表1。p-factor>0.5且r-factor<1.5，說(shuō)明模型的不確定性可以接受；R2=0.89、ENS=0.88，均大于0.6，說(shuō)明模型的精度較好，率定期的平均徑流量為0.85 m3/s，與觀測(cè)值0.80 m3/s接近，Re=6.25%，絕對(duì)值小于20%，率定結(jié)果可以接受。

圖6 徑流率定結(jié)果

表1 模型計(jì)算及驗(yàn)證結(jié)果

將率定好的參數(shù)重新輸入SWAT模型，采用2009—2018年的實(shí)測(cè)徑流進(jìn)行驗(yàn)證(圖7)，驗(yàn)證期的R2=0.93、ENS=0.91，平均徑流量為0.74 m3/s，觀測(cè)值0.78 m3/s，Re=-5.13%，見(jiàn)表1。率定期和驗(yàn)證期平均徑流量為0.80 m3/s，觀測(cè)值0.79 m3/s，Re=1.3%，精度與李藝婷等[14]采用新安江模型模擬的結(jié)果相近。由此說(shuō)明構(gòu)建的SWAT模型較好地反映了湖漫水庫(kù)流域產(chǎn)匯流規(guī)律，可以用于湖漫水庫(kù)徑流過(guò)程的計(jì)算及預(yù)測(cè)。浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院用TANK模型計(jì)算的平均流量為0.75 m3/s[2]，誤差Re=-5.1%，其計(jì)算精度低于本次構(gòu)建的SWAT模型。TANK模型是基于新安江模型的蓄滿產(chǎn)流理論計(jì)算徑流，當(dāng)流域面積較小時(shí)，采用集總式進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，當(dāng)流域面積較大時(shí)才會(huì)把全流域分為多個(gè)單元流域進(jìn)行分塊計(jì)算后匯總。對(duì)于小流域來(lái)說(shuō)，受流域降雨分布不均的影響較小，因此采用集總式計(jì)算的誤差較小，但隨著流域面積的增大，誤差會(huì)變得越來(lái)越大。SWAT模型不論流域大小，均把流域劃分成下墊面相似的子流域進(jìn)行分塊計(jì)算，這就保證了模型具有較高的計(jì)算精度。

圖7 徑流驗(yàn)證結(jié)果

率定參數(shù)的物理意義及敏感性見(jiàn)表2。借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中常用的t值檢驗(yàn)對(duì)選用的率定參數(shù)進(jìn)行敏感性檢驗(yàn)，參數(shù)的t值絕對(duì)值越大，選用的參數(shù)越敏感，該參數(shù)對(duì)徑流模擬結(jié)果的影響程度越大；參數(shù)的P值越小，選用的參數(shù)敏感性越顯著，該參數(shù)對(duì)模型的影響越大。通常認(rèn)為P≤0.05，該參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有顯著影響[15]。表中數(shù)據(jù)顯示，SOL_AWC.sol(土層有效含水量)和CN2.mgt(初始的SCS徑流曲線數(shù))的t值分別排在第一、二位，P值小于0.05，說(shuō)明土壤的有效含水量及不同地類的徑流系數(shù)對(duì)湖漫水庫(kù)徑流的影響非常顯著。其他參數(shù)P值均大于0.05，說(shuō)明改變這些參數(shù)對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果影響很小。

土層有效含水量是田間持水量與永久凋萎系數(shù)的差值，主要反映的是不同土壤所能維持的可被植物利用的最大含水量，當(dāng)降雨使得土層有效含水量達(dá)到最大值時(shí)流域開(kāi)始產(chǎn)流，是地表產(chǎn)流的最主要因子，這也是該參數(shù)敏感性最高的原因。初始的SCS徑流曲線數(shù)反映的是降雨前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，與土壤滲透性、坡度、土地利用和前期土壤水分條件等相關(guān)，其物理意義等同于水文學(xué)中常用的徑流系數(shù)。SWAT模型充分考慮了流域內(nèi)土地利用、坡度和土壤類型等不同下墊面情形對(duì)徑流的影響，從而進(jìn)一步提高了其計(jì)算精度。

表2 率定參數(shù)及敏感性

從徑流率定和驗(yàn)證的結(jié)果來(lái)看，徑流模擬值的變化趨勢(shì)與觀測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，兩者峰值的吻合程度也較好。因此，如果采用每小時(shí)甚至是每半小時(shí)的降雨數(shù)據(jù)，則可基本實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)的徑流量預(yù)測(cè)，這就為利用構(gòu)建的SWAT模型進(jìn)行洪水過(guò)程及洪峰流量預(yù)報(bào)提供了可能性。對(duì)于匯流時(shí)間短的小流域，精度可能較高，但對(duì)于匯流時(shí)間長(zhǎng)的大流域，誤差可能會(huì)很大，這還需要實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證。

除了利用短期氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)外，SWAT模型還可利用中長(zhǎng)期的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行水量預(yù)測(cè)，這也為優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度和減少棄水、合理調(diào)配水資源、供水量預(yù)警創(chuàng)造了條件，借此最大限度地發(fā)揮湖漫水庫(kù)的供水能力。

利用SWAT模型的徑流模擬成果還可與湖漫水庫(kù)流域內(nèi)的土壤化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)、土地利用及耕作調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合，進(jìn)一步模擬湖漫水庫(kù)面源污染產(chǎn)生過(guò)程及其對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的影響，為水庫(kù)制定水源地保護(hù)規(guī)劃，確定最佳水質(zhì)保護(hù)措施提供參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建的湖漫水庫(kù)SWAT模型可以很好地模擬其徑流產(chǎn)生的過(guò)程及峰值，模型計(jì)算的多年平均流量為0.80 m3/s，多年平均流量觀測(cè)值為0.79 m3/s，兩者相差僅0.01 m3/s。參數(shù)敏感性分析表明，對(duì)徑流模擬結(jié)果影響最主要的參數(shù)是SOL_AWC.sol和CN2.mgt。SWAT模型與氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可進(jìn)行湖漫水庫(kù)洪水過(guò)程及洪峰流量預(yù)報(bào)，為水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化方案制定和供水預(yù)警創(chuàng)造條件；同時(shí)進(jìn)一步結(jié)合土壤化學(xué)和土地利用及耕作調(diào)查數(shù)據(jù)，可為水源地保護(hù)規(guī)劃的制定和確定最佳水質(zhì)保護(hù)措施提供支撐。