湯 嶺，于莎莎，喻娓厚，李巧玲，戴健男，李 瑤，龔珺夫

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.湖南省水文水資源勘測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410008;3.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210024)

0 引 言

湘潭站設(shè)立于1936年1月，為湘水流域總控制站，是國(guó)家重要水文站。湘水是湖南省境內(nèi)第一大河流，流域水資源豐富；但因降水年內(nèi)分配極不均勻，近年來(lái)水位多次超警，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。除全球氣候變暖的影響外，土地利用變化也在不斷影響土壤水分狀況、地表蒸發(fā)等因素；從而影響徑流量。因此，研究土地利用對(duì)湘江流域的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)湘江流域水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外基于SWAT模型對(duì)徑流模擬方面研究廣泛[2]，Mimikou等人[3]應(yīng)用SWAT模型模擬流域日、月徑流量，獲得了較好的成果。Fohrer等[4]選取德國(guó)阿勒河流域，通過(guò)SWAT模型模擬表明土地利用變化對(duì)徑流量有較大影響。劉昭等[5]驗(yàn)證了SWAT模型在媯水河流域的適用性；劉甜等[6]在怒江上游運(yùn)用SWAT模型推求可能最大洪水，表明在高寒地區(qū)可采用SWAT模型推求最大洪水；羅巧等[7]在湘江流域建立不同土地利用情景下的徑流模擬模型，表明在湘江流域耕地轉(zhuǎn)林地草地有利于減少?gòu)搅鳎剞D(zhuǎn)城鎮(zhèn)用地有利于增大徑流，但考慮的土地利用類型有限。本研究選取湘江流域內(nèi)具有代表性的兩個(gè)站點(diǎn)湘潭站和衡陽(yáng)站進(jìn)行月徑流模擬，采用SUFI-2算法[8-9]，分析模擬值與實(shí)測(cè)值模擬效果，并進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，評(píng)價(jià)SWAT模型在此流域的適用性，同時(shí)分析在不同年份的土地利用情況下流域徑流量特征，為流域水資源可持續(xù)發(fā)展和水資源規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[10]。

1 研究區(qū)概況

湘潭以上流域位于E110°30′～E114°00′，N24°31′～N28°45′之間，設(shè)置湘潭站為流域總出口，控制面積81 638 km2，衡陽(yáng)站為其中一子流域出口，控制面積52 150 km2。地形總體以山地丘陵為主，與盆地河谷平原交錯(cuò)分布。湘潭以上流域土地利用以林地與耕地為主，氣候四季分明，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，流域徑流量年內(nèi)分配極不均勻，其3月到7月徑流量占全年徑流量的一半以上，其中5月流量最大，1月流量最小。

2 SWAT模型原理

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的農(nóng)業(yè)研究中心JeffArnold博士1994年開發(fā)的，是一個(gè)具有物理基礎(chǔ)的半分布式水文模型，能預(yù)測(cè)不同情況(如氣候變化、下墊面變化)對(duì)水文現(xiàn)象的影響。

SWAT模型地表徑流模擬包括坡地匯流與河網(wǎng)匯流，前者指凈雨從坡地表面匯入河網(wǎng)的過(guò)程，后者指進(jìn)入河網(wǎng)的坡地徑流向流域出口匯集的過(guò)程。潛在蒸散發(fā)量計(jì)算方法采用Penman-Monteith方法；徑流模擬方法采用SCS徑流曲線數(shù)法；河道匯流演算方法選用馬斯京根法。

SWAT模擬的水文循環(huán)的水量平衡方程[11]為

(1)

式中，SW0為第i天的土壤初始含水量，mm；SWt為土壤最終含水量，mm；t為時(shí)間，d；Ri為第i天的降水量，mm；Qisurf為第i天的地表徑流量，mm；Ei為第i天的蒸散發(fā)量，mm；Wiseep為第i天從土壤剖面進(jìn)入包氣帶的水量；mm；Qigw為第i天回歸流的水量，mm。

SCS曲線法[12]計(jì)算公式

Qsurf=[(R-Ia)2/(R-Ia+S)]×100%

(2)

式中，Qsurf為地表產(chǎn)流量，mm；R為降雨量，mm；Ia為初損，mm；S為儲(chǔ)流參數(shù)，mm。

馬斯京根方程[13]

V=K[Xqin+(1-X)qout]

(3)

式中，V為河道水量，m3；qin為上游流量，m3/s；qout為下游流量，m3/s；K為河道蓄水時(shí)間，s；X為衡量河段出流與入流相互關(guān)系的權(quán)重因子。

3 SWAT模型構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

SWAT模型必需的空間數(shù)據(jù)包括DEM、土地利用分布圖、土壤類型分布圖等。本研究使用的空間數(shù)據(jù)和來(lái)源如下：

①DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家地理信息中心(http:∥www.gscloud.cn/search )，采用精度為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。②土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的湖南省等省份1980年、2000年和2018年1∶100萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)。③土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)，數(shù)據(jù)分辨率為1 km。④氣象數(shù)據(jù)選用CMADS數(shù)據(jù)集(中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集， http:∥www.cmads.org/)，采用2008年～2016年的CMADS V1.1數(shù)據(jù)集，其中包括太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度、氣溫、風(fēng)速和降水等數(shù)據(jù)[14-16]，選取覆蓋研究區(qū)域的182個(gè)CMADS站點(diǎn)進(jìn)行研究。⑤徑流數(shù)據(jù)采用2008年～2016年湘潭水文站和衡陽(yáng)水文站的實(shí)測(cè)月尺度數(shù)據(jù)，主要是用來(lái)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性分析。

3.2 模型運(yùn)行

DEM是構(gòu)建SWAT模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先對(duì)DEM原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、裁剪等處理，然后使用ArcSWAT加載DEM數(shù)據(jù)，生成水系，流域面積閾值即子流域的面積門檻值，低于面積閾值的流域?qū)⒉粫?huì)被單獨(dú)列為1個(gè)子流域，面積閾值取值越大，子流域個(gè)數(shù)就越少，本研究設(shè)定閾值為120 000 hm2，設(shè)定湘潭站為流域出口，最終劃分出43個(gè)子流域(見圖1)。根據(jù)SWAT模型默認(rèn)的土地利用類型分類系統(tǒng)，結(jié)合降雨徑流模擬的要求，重新將2018年土地利用類型劃分如表1，導(dǎo)入土地利用重分類表，得到土地利用圖(圖略)。使用世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD1.1)中的基本參數(shù)，經(jīng)土壤水文特性計(jì)算軟件SPAW計(jì)算出土壤有關(guān)的物理參數(shù)，然后對(duì)研究區(qū)域的土壤進(jìn)行重分類，最后得到研究區(qū)17種土壤類型(見表2)和土壤類型分布圖(見圖2)。采用多重響應(yīng)單元法(Multiple Hydrologic Response Units)進(jìn)行研究區(qū)水文響應(yīng)單元的劃分。土地利用設(shè)置的閾值為10%，土壤類型閾值設(shè)置為10%，生成水文響應(yīng)單元，水文響應(yīng)單元是研究產(chǎn)匯流過(guò)程的最小單元，每個(gè)水文響應(yīng)單元只屬于1個(gè)子流域并且只有1種土地利用方式和土壤類型。輸入氣象條件等屬性數(shù)據(jù)，SWAT模型對(duì)每個(gè)水文響應(yīng)單元分別進(jìn)行徑流模擬，再通過(guò)河網(wǎng)匯集得到整個(gè)流域的徑流模擬過(guò)程。

圖2 研究區(qū)域土壤類型分布

表2 研究區(qū)域土壤類型及重分類

圖1 研究區(qū)域子流域分布

表1 湘潭以上流域土地利用屬性 %

SWAT模型模擬過(guò)程涉及的參數(shù)較多，根據(jù)參數(shù)定義并參考相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]，選取了11個(gè)對(duì)徑流量影響較大的參數(shù)，采用SUFI-2算法對(duì)湘潭、衡陽(yáng)兩個(gè)水文站的控制區(qū)域進(jìn)行參數(shù)率定，設(shè)置2008年為預(yù)熱期，2009年～2014年為率定期，2015年～2016年為驗(yàn)證期，進(jìn)行2 000次迭代模擬，選取相對(duì)誤差Re、相關(guān)系數(shù)R2和納什系數(shù)NSE[19]3個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)模型適用性的標(biāo)準(zhǔn)。即

(1)線性回歸系數(shù)(R2)

(4)

(2)相對(duì)誤差

(5)

(3)納什效率系數(shù)

(6)

NSE的取值范圍為0～1。其值越大，則模擬值越接近觀測(cè)值，模擬效果越好。

4 模型結(jié)果分析

湘潭站和衡陽(yáng)站率定期模擬值與實(shí)測(cè)值過(guò)程線如圖3、4所示。在率定期當(dāng)洪峰較大時(shí)，模擬值比實(shí)測(cè)值低；當(dāng)洪峰較小時(shí)，模擬值比實(shí)測(cè)值高，兩站的模擬值過(guò)程線相對(duì)于實(shí)測(cè)值過(guò)程線都更為陡峭，說(shuō)明模型在模擬時(shí)，對(duì)于降雨因素的響應(yīng)速度比實(shí)際要快，但總體模擬效果良好。圖5、6為兩站驗(yàn)證期實(shí)測(cè)與模擬過(guò)程線對(duì)比圖，兩站曲線模擬均比較好。從評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，湘潭站率定期R2和NSE分別為0.91和0.9，相對(duì)誤差-2.16%；驗(yàn)證期分別為0.87和0.87，相對(duì)誤差-1.69%。衡陽(yáng)站率定期的R2和NSE為0.88和0.88，相對(duì)誤差-2.09%；驗(yàn)證期分別為0.9和0.88，相對(duì)誤差8.06%(見表3、4)。兩站的評(píng)價(jià)指數(shù)符合模型適用性要求，說(shuō)明SWAT模型適用于該流域。

圖3 湘潭站率定期月模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程線

圖4 衡陽(yáng)站率定期月模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程線

圖5 湘潭站驗(yàn)證期月模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程線

圖6 衡陽(yáng)站驗(yàn)證期月模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程線

表3 湘潭水文站率定期和檢驗(yàn)期的評(píng)價(jià)指標(biāo)

表4 衡陽(yáng)水文站率定期和檢驗(yàn)期的評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 模型參數(shù)的敏感性和土地利用變化分析

本研究采取全局敏感性分析方法，參數(shù)的敏感性大小可由P值和t值表示，P值反映的是該參數(shù)的置信水平，P值越接近于0，參數(shù)就顯得越重要；t值反映每個(gè)參數(shù)的相對(duì)顯著性，t值的絕對(duì)值越大，代表該參數(shù)越敏感。敏感性結(jié)果見表5、6。在選取的11個(gè)與徑流相關(guān)的參數(shù)中，湘潭站和衡陽(yáng)站CN2、ALPHA_BF、SOL_BD、ESCO、GWQMN的P值幾乎為0，t值的絕對(duì)值相對(duì)其他參數(shù)都比較大，說(shuō)明這5個(gè)參數(shù)最為敏感。其中，CN2值是SCS徑流曲線中反映降雨前期流域特征的無(wú)量綱參數(shù)，用來(lái)描述流域內(nèi)的降雨-徑流關(guān)系。它反映正常濕潤(rùn)狀態(tài)下流域下墊面的產(chǎn)流能力，當(dāng)降雨一定時(shí)，CN2增加，地表徑流增大?；魉ネ讼禂?shù)ALPHA_BF反映基流的大小與快慢，與徑流對(duì)降水的敏感度呈正相關(guān)，參數(shù)的變化會(huì)對(duì)枯水期河流基流量的變化產(chǎn)生很大影響。湘潭以上流域處在南方濕潤(rùn)地區(qū)，雨量大，土壤缺水率小，產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主，基礎(chǔ)流速比較大，ALPHA_BF會(huì)對(duì)徑流量產(chǎn)生明顯的影響。土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO代表土壤水的蒸發(fā)能力，土壤水的蒸發(fā)量隨土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)的增大而變小，徑流量隨它的值增大而增大。GWQMN表示發(fā)生回歸流時(shí)淺層含水層的水位閾值，僅當(dāng)含水層的水深大于等于GWQMN時(shí)，淺層含水層的地下水開始流入主河道或者部分子流域河段，反映淺層地下水對(duì)降水的響應(yīng)程度。衡陽(yáng)站GWQMN值大于湘潭站，當(dāng)降水條件及淺層地下水位相同時(shí)，衡陽(yáng)站控制區(qū)域更容易產(chǎn)生徑流。

表5 湘潭站月模擬參數(shù)敏感性排序和參數(shù)最佳取值

表6 衡陽(yáng)站月模擬參數(shù)敏感性排序和參數(shù)最佳取值

由表5、6可看出，湘潭站有利于徑流量增大的敏感參數(shù)徑流曲線數(shù)CN2、基流回退系數(shù)ALPHA_BF、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO等參數(shù)值都比衡陽(yáng)站大。從土地利用角度來(lái)看(見表7、8)，衡陽(yáng)站以上流域林地草地面積占比較湘潭高，說(shuō)明衡陽(yáng)站控制區(qū)域水土保持相對(duì)較好；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積占比較湘潭低，表明湘潭站對(duì)降雨響應(yīng)速度相對(duì)較快。為分析近年來(lái)土地利用變化對(duì)徑流影響，分別采用1980年、2000年和2018年的土地利用圖，使用率定的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行模擬，得到月平均徑流量(見表9)。從表7、8可知，從1980年到2018年，湘潭站和衡陽(yáng)站林地、草地、耕地面積占比呈減少趨勢(shì)，城鎮(zhèn)面積、水域面積占比呈增加趨勢(shì)。林地草地耕地一部分轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地，有利于徑流增加；一部分轉(zhuǎn)為水域，導(dǎo)致水面蒸發(fā)增大，徑流減少。表9顯示，1980年到2018年徑流量呈減少趨勢(shì)。其中，湘潭站徑流量在2000年和2018年的土地利用情景下比1980年分別減少0.18%和0.39%，衡陽(yáng)站分別減少0.37%和2.4%。湘潭站和衡陽(yáng)站控制區(qū)域水域面積變化相比城鎮(zhèn)面積變化??；但徑流量整體呈減少趨勢(shì)，表明水域面積是影響流域徑流量的重要因素?？臻g尺度上，衡陽(yáng)站徑流量變化幅度比湘潭大，表明衡陽(yáng)以上流域?qū)ν恋乩米兓舾小?/p>

表7 湘潭水文站以上流域不同年份土地利用對(duì)比

表8 衡陽(yáng)水文站以上流域不同年份土地利用對(duì)比

表9 湘潭、衡陽(yáng)水文站不同土地利用下月平均徑流量對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在湘潭以上流域構(gòu)建了SWAT模型，驗(yàn)證了SWAT模型在湘江流域的適用性，分析了不同土地利下對(duì)湘江流域徑流量的影響，主要結(jié)論如下：

(1)從評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，湘潭站和衡陽(yáng)站的模擬結(jié)果良好。從徑流過(guò)程線來(lái)看，徑流模擬在峰值方面有些欠缺，說(shuō)明SWAT模型在湘江流域進(jìn)行徑流模擬時(shí)，大中小洪水、一場(chǎng)洪水的高水和低水階段，需采用不同的模擬結(jié)果滿足模型適用性要求，符合后續(xù)水資源評(píng)估的需要。

(2)通過(guò)湘潭站和衡陽(yáng)站控制區(qū)域參數(shù)敏感性分析，發(fā)現(xiàn)兩站最敏感的參數(shù)均為CN2、ALPHA_BF、ESCO、SOL_K、GWQMN。與衡陽(yáng)站相比，湘潭林地草地面積占比低，城鎮(zhèn)面積占比高，水域面積占比基本持平，降雨響應(yīng)速度快，有利于產(chǎn)流的參數(shù)如CN2、ALPHA_BF、ESCO等比衡陽(yáng)站大，不利于產(chǎn)流的參數(shù)GWQMN比衡陽(yáng)站小，對(duì)后續(xù)水資源利用有一定借鑒意義。

(3)通過(guò)在不同年份土地利用情景下兩站月平均徑流量的對(duì)比，表明土地利用類型對(duì)湘江流域徑流量有較大影響，空間上衡陽(yáng)站比湘潭站更為敏感。土地利用類型中水域類型是影響流域徑流量的重要因素，對(duì)后續(xù)土地利用規(guī)劃有一定的借鑒意義。