張蕭蕭，高 舒，李旺林，霍 云

(濟南大學(xué)，濟南 250022)

0 引 言

沭河流域是山東省降水最豐富的地區(qū)之一，沭河既是日照市境內(nèi)最大的河流，也是其重要的供水來源之一，但是也存在著滯留雨洪水量不足而出境水量巨大的問題?，F(xiàn)如今，城市化進程明顯加快，日照市內(nèi)需水量急劇增加，導(dǎo)致水資源對于經(jīng)濟發(fā)展的影響越來越大。目前，國內(nèi)外已有很多利用SWAT模型模擬流域徑流過程并計算水資源量的研究實例，模型的適用性也得到了很好的驗證。例如：Faramarzi 等人[1]利用SWAT水文模型預(yù)測氣候?qū)φ麄€非洲大陸水資源不同部分組成的影響，并進行水資源總量的計算；Azimi等人[2]利用SWAT模型對伊朗干旱和半干旱地區(qū)的河流流域進行測試，并對該流域的生態(tài)水文模型進行了校正和驗證；Daggupati[3]了解開發(fā)、校準(zhǔn)、驗證模型的一些重要決策是如何影響水文過程和徑流模擬結(jié)果的，對該模型更好的廣泛應(yīng)用于水文過程、土地利用和氣候變化影響做出了重要貢獻；金鑫[4]對模型進行改進，并開發(fā)出LU-SWAT模型，對比兩者徑流模擬效果，發(fā)現(xiàn)后者能更適用于黑河中游區(qū)域的水循環(huán)模擬及徑流變化；周帥等人[5]探究參數(shù)的不確定性對徑流模擬的影響，通過提高模型參數(shù)的準(zhǔn)確性來改善徑流模擬的精度。在雨洪水資源利用潛力方面，趙飛等人[6]采用日降雨序列估算法和多年平均降水量計算法對北京以及全國進行了較為全面的雨洪資源綜合利用潛力估算，進一步表明在實施雨洪資源利用措施后，取得的總體效益十分顯著。馮浩等人[7]在分析不同雨水利用方式的基礎(chǔ)上，提出了理論潛力、現(xiàn)實潛力等多個雨水資源化潛力的概念，對小流域雨水資源化潛力的計算方法進行了探討；羅乾等人[8]重新定義雨水資源利用潛力，驗證得到在連云港市采用水量平衡法能更好的對其進行定量計算；王銀堂等人[9]提出了流域?qū)用娴暮樗Y源利用模式，并對北京規(guī)劃市區(qū)雨水資源可利用量及海河流域洪水資源利用現(xiàn)狀和利用潛力進行定量評價。徐學(xué)選等人[10]根據(jù)雨量觀測站的逐月降水資料測算了陜西省雨水匯流潛力。馬瑾瑾等人[11]建立了以雨水資源為研究對象的海綿城市建設(shè)中雨水利用潛力評價體系，并對比綜合徑流系數(shù)法結(jié)果，驗證了其合理適用性；趙西寧等人[12]構(gòu)建了區(qū)域雨水資源化潛力定量評價模型；李曉貝等人[13]建立了城市雨水資源利用的功能與需求耦合效益識別模型，在云南省的應(yīng)用更是驗證了其有效性及精確性；郭曉輝等人[14]利用SCS-CN模型計算徑流潛力，并確定清水河流域潛在集雨工程的位置，為當(dāng)?shù)鼐C合治理山區(qū)雨洪資源問題和規(guī)劃設(shè)計集雨工程提供一系列科學(xué)依據(jù)。高舒[15]運用此模型在日照研究區(qū)域進行的攔蓄雨洪的設(shè)施布置方案更是驗證了其良好的適用性。本文通過構(gòu)建雨洪水資源化模型分析和計算研究區(qū)域內(nèi)雨洪資源量和利用潛力，并結(jié)合SCS-CN模型和ArcGIS平臺對該流域進行雨水集蓄措施潛在位置的分析及蓄水量的估算。

1 研究區(qū)概況

日照市地處大陸沿海中部、山東半島東南部，是一座新興的港口城市。日照市南北長約82 km，東西寬約90 km，總面積5 359 km2。沭河發(fā)源于臨沂市沂水南麓泰薄頂，由沂水進入莒縣境內(nèi)，是過境河，干流長約為83.29 km，流域面積約占全市總面積的40.3%，達到2 141.3 km2。

日照市土壤分為風(fēng)砂土、鹽土、砂姜黑土、水稻土、潮土、褐土、棕壤7個土類，15個亞類，以棕壤土面積最大，主要分布在山地丘陵區(qū)。日照市地處溫帶，屬典型的暖溫帶濕潤季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季分明，冷熱季和干濕季區(qū)別十分明顯，具有春旱、夏澇、晚秋又旱，旱澇不均的氣候特點。

本文在確定研究區(qū)域時，為提高研究范圍的準(zhǔn)確性，利用ArcGIS多次進行水文分析，同時為了盡量保證流域的完整性，得到更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，將研究區(qū)域劃定在以日照為主且含有小部分沂水縣沭河流域的地方，區(qū)域面積達到2 422 km2，位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖

2 SAWT徑流模擬適用性分析

SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部在ArcGIS平臺的基礎(chǔ)之上，開發(fā)的一種適合運用于較大流域尺度的水文模型，近幾年來模型研究發(fā)展迅速，并被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域，它根據(jù)地理信息和遙感系統(tǒng)來提供空間信息，達到可以模擬水文物理化學(xué)過程的目的。土壤、氣象、水文、地形等均成為SWAT模型是否能夠準(zhǔn)確運用的關(guān)鍵條件，根據(jù)研究區(qū)域自然地理條件和氣象水文特征可以選擇建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并劃分子流域，引入多水文響應(yīng)單元，經(jīng)率定后驗證該模型在研究區(qū)域具有良好的適用性。

2.1 數(shù)據(jù)需求與來源

可靠的數(shù)據(jù)源和完整的數(shù)據(jù)庫是SWAT模型成功運行的先決條件。因此，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)和預(yù)處理非常重要。本文通過實地考察、網(wǎng)絡(luò)申請、相關(guān)部門申請等多種方式獲取數(shù)據(jù)。

2.1.1 土壤及土地利用數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

本次研究的土壤數(shù)據(jù)來自世界和諧土壤庫(HWSD)，其中南京土壤研究所在第二次全國土地調(diào)查中提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)成為此次研究過程中中國主要的數(shù)據(jù)來源。根據(jù)SWAT模型要求計算所需的土壤參數(shù)并進行修改。

利用資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.resdc.cn/)中2010年山東省遙感監(jiān)測的數(shù)據(jù),以及研究區(qū)域中采用的SWAT模型內(nèi)置土地利用類型將土地利用種類根據(jù)一級類型重新進行分類。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

本文所使用氣象數(shù)據(jù)來源于CMADS1.1數(shù)據(jù)集，其中研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)主要來源于選取的143-237、143-236、144-237、144-236、145-236、145-235共6個站點的數(shù)據(jù)，根據(jù)模型要求，給出相應(yīng)的日最高溫度、日最低溫度、日平均濕度、日平均風(fēng)速、日平均輻射數(shù)據(jù)及索引表TXT文件。

2.2 SWAT模型建立

按照SWAT建模程序，對研究區(qū)域進行子流域的劃分，為了后期模型驗證及流域內(nèi)雨洪資源量的評價，以青峰嶺和莒縣兩個水文觀測站為出水口，將研究區(qū)劃分為67個子流域，如圖2所示。在子流域的基礎(chǔ)上，將土地利用類型和坡度的面積閾值設(shè)置為20%，土壤類型閾值則設(shè)置為10%，以此為依據(jù)最終將研究區(qū)域劃分為240個水文響應(yīng)單元。

圖2 SWAT子流域劃分圖

本次模擬根據(jù)氣象站9年(即2008-2016年)實測數(shù)據(jù)，SWAT模型運行預(yù)熱期(NYSKIP)設(shè)定為3年(即2008-2010年)，模擬過程以2008年1月1日作為開始日期，結(jié)束日期為2016年12月31日，以月尺度輸出。

2.3 參數(shù)率定及驗證

本次選擇ALPHA_BF、GW_DELAY、GWQMN、GW_REVAP、ESCO、SOL_AWC、SOL_BD、SOL_K、CN2作為徑流模擬參數(shù)，分析全局敏感性，將參數(shù)率定后用于徑流的模擬過程，得到的莒縣站和青峰嶺站率定期及驗證期月徑流的實測值與模擬值見圖3、圖4。

圖3 青峰嶺站月徑流實測值與模擬值對比圖

圖4 莒縣站月徑流實測值與模擬值對比圖

對模型的適用性評價是采用相關(guān)系數(shù)R2和納什系數(shù)Ens進行判斷，通過模擬得到青峰嶺站、莒縣站驗證期實測值與模擬值的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.89和0.88，Ens為0.87和0.86，說明SWAT模型在研究區(qū)域具有良好的適用性，可以用于研究月尺度的徑流模擬。

3 雨洪資源量和利用潛力計算與分析

雨洪資源利用又稱雨洪資源化，就是在區(qū)域安全、經(jīng)濟、環(huán)境等制約條件的前提下，通過工程或非工程措施，將雨洪水作為一種資源轉(zhuǎn)化為地表水或地下水，以此來供人類利用的過程。根據(jù)已有的城市雨洪水資源化計算模型在低山丘陵地區(qū)的適用性研究[13]，證明模型在山地同樣具有適用性，即可以在研究區(qū)域運用此模型。因此，利用SWAT模型對該地區(qū)雨洪資源量進行合理的計算與分析，既得到研究區(qū)的雨洪資源量和利用潛力，增加水資源總量，也為研究區(qū)雨洪資源的優(yōu)化利用提供依據(jù)。

3.1 水資源總量計算

水資源總量是指在降水過程中所形成的地表水資源量(即河川徑流量)和地下水資源量(即降水入滲補給量)之和，其中研究區(qū)域平均降雨入滲補給系數(shù)是由研究區(qū)地表土滲透性來確定的，取值為0.16。但是水資源總量并不等于地表水資源量與地下水資源量的簡單相加，需扣除兩者重復(fù)量(原因是水資源量統(tǒng)計有一個時間上的間隔，由于水文循環(huán)，在此間內(nèi)會產(chǎn)生地表水與地下水的轉(zhuǎn)換)，這部分重復(fù)計算量即河川基流量。計算公式如下：

W=R+Q-D

(1)

R=D+Rs

(2)

Q=Pr=Pα

(3)

式中：W表示水資源總量，萬m3；P表示降雨量，萬m3；R表示地表水資源量(即河川徑流量，萬m3)；Q表示地下水資源量(即降水入滲補給量Pr，萬m3)；D表示地表水與地下水重復(fù)計算量(即河川基流量Rg，萬m3)；Rs表示地表徑流量(即地表水資源量與河川基流量之差，萬m3)；α表示平均降雨入滲補給系數(shù)。

由表1可知，以日照為主的沭河流域年平均水資源總量為64 738.2 萬m3，地表水年平均資源量為51 882.0 萬m3，地下水年平均資源量為21 139.2 萬m3，其中年平均基流量為8 283.0 萬m3；對比《日照統(tǒng)計年鑒》中統(tǒng)計數(shù)值，其中日照市年平均水資源總量為147 300 萬m3，地表水年平均資源量為118 048 萬m3，地下水年平均資源量為48 100 萬m3，年平均基流量為18 848 萬m3，根據(jù)沭河流域面積約占日照市總面積的40%左右，比較可知計算結(jié)果的準(zhǔn)確性基本得到驗證。

表1 研究區(qū)域雨洪資源量計算表

3.2 雨洪資源利用潛力計算

雨洪資源利用潛力是將雨洪資源可利用量中扣除已開發(fā)利用部分后尚可開發(fā)利用的量，具體是通過計算地表水可利用量和地下水可開采量來確定的。在城市雨洪資源集蓄研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)域水文、氣象等一系列觀測資料，分析流域未來城市化發(fā)展水平，研究雨洪資源可能的利用程度并進行雨洪資源利用潛力的計算，為雨洪資源的有效管理、合理配置和保護利用提供強有力的依據(jù)。

3.2.1 地表水可利用量

地表水可利用量的估算可采用倒算或者正算的方法，由于相關(guān)資料難以收集，本次評價采用倒算法，即以地表水資源量為基礎(chǔ)，扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，并且考慮汛期大洪水時不能下泄的棄水量，計算公式如下：

Wc=Wt-Wr-Wfd

(4)

式中：Wc為多年平均地表水資源可利用量(地表水可利用量)；Wt為地表水資源量；Wfd為洪水棄水量；Wr為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。

對于研究區(qū)域內(nèi)沭河流域進行地表水可利用量的計算時，洪水棄水量是采用汛期天然徑流量減去流域調(diào)蓄和耗用的最大水量并計算多年平均值得到的，為13 826.0 萬m3，研究區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量約占天然徑流量的10%左右，為5 188.0 萬m3。地表水可利用量計算結(jié)果詳見表2。

表2 研究區(qū)域地表水可利用量總結(jié)表 萬m3

計算得到，研究區(qū)內(nèi)沭河流域多年平均地表水可利用量為32 868.0 萬m3。

3.2.2 地下水可開采量

地下水開采量，指儲存在地表以下未被開采，通過采取相對經(jīng)濟可行、環(huán)境允許的措施從含水層中可以獲取的水資源總量。在本次研究中，采用無因次開采系數(shù)(根據(jù)《日照水資源調(diào)查評價》中數(shù)據(jù)，取0.7)與淺層地下水總補給量的乘積來表示，計算公式如下：

Qey=ρQtr

(5)

式中：Qey表示地下水可開采量，萬m3/a；Qtr表示淺層中地下水總補給量，萬m3/a；ρ表示無因次可開采系數(shù)。

計算得到研究區(qū)域內(nèi)多年平均淺層地下水可開采量為14 797 萬m3。

3.2.3 利用潛力計算

現(xiàn)狀條件下，研究區(qū)域內(nèi)地下水資源年均開采量和地表水資源年均開發(fā)利用量分別為8 427和9 675 萬m3。計算公式如下：

Wp=Wc-Waq

(6)

Qp=Qey-Qeq

(7)

式中：Wp表示地表水開采潛力；Waq表示地表水開發(fā)利用量；Qp表示地下水開采潛力；Qeq表示地下水年均開采量。

經(jīng)過計算，研究區(qū)地下水開采潛力為6 370 萬m3，約占地下水年均可利用量的43%；地表水開采潛力為23 193 萬m3，約占地表水年均可利用量的70%。

4 雨水集蓄措施潛在位置分析及蓄水量預(yù)測

雨水集蓄是指對降水進行收集、儲存和調(diào)節(jié)利用的微型水利工程或其他相關(guān)雨水收集儲存措施。近年來，雨洪資源化進程快速發(fā)展，人們對于研究蓄水量以及雨水集蓄措施的布局都有了長足的進步。本文研究區(qū)域以日照沭河流域為主，該地區(qū)地形地勢多為低山丘陵，非常適合進行小范圍雨水集蓄。因此，在SCS-CN模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域基本概況，兼顧經(jīng)濟因素，分析研究雨水集蓄潛在位置并計算蓄水量，為研究區(qū)域提供一個高效的雨水集蓄方案。

4.1 雨水集蓄措施布局

SCS-CN(Soil Conservation Service Curve Number)模型是廣泛應(yīng)用經(jīng)驗性水文模型，模型結(jié)構(gòu)簡單，模擬結(jié)果精度較高，可以根據(jù)不同的下墊面條件(如土壤類型、土地利用、河流水系、坡度等)計算相應(yīng)的徑流量，常被用來用來確定雨水集蓄措施的潛在位置。因此，本文首先使用SCS-CN模型來確定研究區(qū)的徑流潛力，再利用ArcGIS進行坡度、集水面積等因素的疊加和集雨路徑的分析，五種雨水集蓄措施的約束集和規(guī)格參數(shù)如表3、表4所示。

表3 5種雨水集蓄措施規(guī)格參數(shù)表

表4 5種雨水集蓄措施約束集表

根據(jù)表3、表4中關(guān)于5種雨水集蓄措施的規(guī)格參數(shù)及約束集，位置的確定采用ArcGIS工具來進行：①首先需要疊加處理徑流潛力級別、集雨路徑等級、坡度三個因素，然后通過不同的約束集條件，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)；②根據(jù)5種不同的雨水集蓄措施距離居民住宅區(qū)和耕地的條件限制，以居民住宅區(qū)和耕地作為中心區(qū)，緩沖區(qū)建立在200和500 m范圍處，最大范圍可達1 000 m；其次對于日照市境外區(qū)域以及青峰嶺和小仕陽水庫附近擁有較為成熟的雨水收集儲存措施的地區(qū)進行扣除；經(jīng)過深入研究最后確定雨水集蓄措施的位置。

通過進行結(jié)果統(tǒng)計可得研究區(qū)域內(nèi)各雨水集蓄措施個數(shù)及所占面積，具體總結(jié)為：①適合建造攔水壩的潛在位置點共有31處；②適合作為居民住宅集雨區(qū)的面積約為128.4 km2；③適合修建蓄水坑塘的面積約為30.23 km2；④適合建設(shè)蓄水池的潛在位置點共有36處；⑤適合建設(shè)大口井潛在位置共有32處；5種雨水集蓄措施的位置分布見圖5。

圖5 研究區(qū)域內(nèi)5種雨水集蓄措施布置圖

4.2 新增蓄水量估算

4.2.1 平均降雨量

本文通過研究分析1956-2015年內(nèi)青峰嶺站、莒縣站、陳家莊站、夏莊站、小仕陽站和東莞站6個站點共60年的年降雨數(shù)據(jù)，采用泰森多邊形法，經(jīng)計算得到雨水集蓄措施潛在布置區(qū)內(nèi)的年平均降雨量為797 mm；在95%、75%、50%和25%的降雨頻率下降雨量分別為475.2、621.2、758.2和923.3 mm，呈現(xiàn)出遞增的趨勢。

4.2.2 蓄水量估算

對研究區(qū)域徑流潛力分析并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H概況，具體規(guī)劃了包括攔水壩、居民住宅集雨區(qū)、蓄水坑塘、蓄水池、大口井5種雨水集蓄措施，并分析計算不同降雨頻率下的可增加蓄水量，具體計算結(jié)果見表5。

由表5可得，在95%、75%、50%和25%的降雨頻率下，5種集蓄措施可增加集蓄雨量分別為2 100.27、2 731.26、3 323.36和4 036.89 萬m3，與前面雨洪資源利用潛力中地表可利用水量進行對比，按照規(guī)劃進行雨水集蓄措施的布局所增加集蓄雨量均小于雨洪資源利用潛力。

表5 規(guī)劃雨水集蓄措施可增加的蓄水量 萬m3

5 結(jié) 論

本文以ArcGIS為平臺，利用SAWT模型進行研究區(qū)的徑流模擬工作，獲得雨洪資源量和利用潛力，同時結(jié)合SCS-CN模型，分析雨水集蓄措施的潛在位置并估算蓄水量，通過上述分析和研究，得出主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)劃分為67個子流域、240個水文響應(yīng)單元(HRU)，根據(jù)模型適用性評價標(biāo)準(zhǔn)判斷，SWAT模型在研究區(qū)域的徑流模擬上具有較好的適用性。

(2)利用率定好的SWAT模型進行徑流模擬，得到研究區(qū)現(xiàn)狀條件下地下水資源開采潛力為6 370 萬m3，地表水資源開發(fā)潛力為23 193 萬m3，分別約占地下水年均可利用量的43%和地表水年均可利用量的70%。

(3)在ArcGIS平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合SCS-CN模型，雨水集蓄措施具體總結(jié)為攔水壩、居民住宅集雨區(qū)、蓄水坑塘、蓄水池、大口井5種，在95%、75%、50%和25%的降雨頻率下，五種集蓄措施可增加集蓄雨量分別為2 100.27、2 731.26、3 323.36和4 036.89 萬m3，為研究區(qū)域內(nèi)水資源的高效持續(xù)利用提供一系列科學(xué)依據(jù)。

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