【摘 " "要】：基于GIS技術(shù)的水文模型應(yīng)用日益廣泛，文章針對圩區(qū)特點(diǎn)的地域空間，提出了相應(yīng)的水文模型建立和模擬方法，通過SWAT與SWMM模型相耦合的方式模擬圩區(qū)水文過程，分析水文模型在解決圩區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險、污染物擴(kuò)散和水環(huán)境治理等問題的應(yīng)用方向。

【關(guān)鍵詞】：圩區(qū)；水文模型；內(nèi)澇；污染；水環(huán)境

【中圖分類號】：X52 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-71-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.019

Application of Hydrologic Model Based on GIS Technology in Water

Environment Study of Polder Area

HUA ChengJun

（China Construction Eco-Environmental Protection Technology Co. Ltd.， Suzhou 215000， China）

【Abstract】： According to the application of hydrologic model based on GIS technology is becoming more and more widespread. Aiming at the polder region， this paper puts forward the corresponding hydrologic model establishment and simulation method， simulates the hydrologic process in polder by coupling SWAT and SWMM models， and analyzes the application direction of hydrologic model in solving the problems of waterlogging risk， pollutant diffusion and water environment management in polder region.

【Key words】： polder areas；hydrological model；waterlogging；pollution；water environment

圩區(qū)指的是地勢低洼且易受洪水侵襲的區(qū)域，其地表水資源豐富，地形較為平坦，通過在圩區(qū)四周修筑堤岸，將圩區(qū)圍合成獨(dú)立的區(qū)域。圩區(qū)內(nèi)部的水環(huán)境形成了封閉的水文單元，通過在堤岸上設(shè)置水閘、泵站等設(shè)施節(jié)點(diǎn)，以滿足供圩區(qū)內(nèi)外部水流交換運(yùn)動要求。我國圩區(qū)主要分布在南方大江大河中下游沖擊平原及濱湖地區(qū)[1]。

圩區(qū)的水閘、泵站等設(shè)施均是人為控制且不經(jīng)常開啟，水文過程受人的影響因素較大且流域面積一般較小，造成常規(guī)水文模型建立方法無法正確模擬圩區(qū)，特別是多個圩區(qū)組成的大流域，需要探索相適應(yīng)的解決辦法。本文通過常用的SWAT和SWMM水文模型耦合實(shí)現(xiàn)圩區(qū)水文運(yùn)動的模擬與預(yù)測。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源和處理分析

水文模型建立需要用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料較多，包括：數(shù)字高程模型、土壤屬性數(shù)據(jù)庫、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)等，需結(jié)合圩區(qū)特點(diǎn)對各類基礎(chǔ)資料的搜集與處理方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1.1 數(shù)字高程數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型DEM是研究分析地形和流域的資料，能夠反映一定分辨率的局部地形特征。DEM獲取可采用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站的ASTER GDEM，空間分辨率最高可達(dá)30 m，也可以采用NASA阿拉斯加衛(wèi)星網(wǎng)站的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，空間分辨率為12.5 m。對于DEM精度要求很高時，可以通過定制DEM方式獲取5 m空間分辨率的。DEM數(shù)據(jù)的處理一般通過定義投影，轉(zhuǎn)換為有分區(qū)號的投影坐標(biāo)系的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 土壤屬性數(shù)據(jù)

土壤屬性數(shù)據(jù)庫HWSD分為物理屬性參數(shù)和化學(xué)屬性參數(shù)：物理屬性決定著土壤剖面中的水汽運(yùn)動，從而主要針對水循環(huán)等研究；化學(xué)屬性主要針對污染物擴(kuò)散等研究。數(shù)據(jù)獲取可以從ARCSWAT官網(wǎng)上下載HWSD世界土壤數(shù)據(jù)庫，再通過柵格提取、地理配準(zhǔn)和坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換的處理方式獲得土壤分布圖，由于圩區(qū)的面積一般較小，從世界土壤庫截取的土壤分布圖柵格需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為更小的柵格；然后需要給土壤分布圖賦予土壤屬性，連接HWSD.mdb數(shù)據(jù)庫中的HWSD_DATA并導(dǎo)出研究范圍內(nèi)土壤分類屬性表，HWSD數(shù)據(jù)參數(shù)是世界研究數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為國內(nèi)土壤常用研究數(shù)據(jù)，可使用SPAW軟件對部分土壤屬性進(jìn)行換算，再利用公式計算土壤可蝕性K值和水文分組HYDGRP等參數(shù)，其余不重要的參數(shù)可以采用經(jīng)驗(yàn)值；最后在SWAT2012.mdb數(shù)據(jù)庫中的USER SOIL 表內(nèi)，添加這些土壤的分類及其對應(yīng)的各類參數(shù)。

1.3 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)是反應(yīng)土地覆被情況的資料，可根據(jù)SWAT數(shù)據(jù)庫中的土地利用分類類型，利用GIS技術(shù)結(jié)合衛(wèi)星遙感解譯圖、土地利用現(xiàn)狀圖的結(jié)果及現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)研情況，對土地覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和重分類。衛(wèi)星遙感來源可從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲取Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，注意需要選擇適合圩區(qū)研究季節(jié)的遙感影像圖，進(jìn)行ISO非監(jiān)督聚類解譯。圩區(qū)一般是鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，地表類型有較多的農(nóng)業(yè)和生態(tài)空間，最好避免選擇植物生長休眠季節(jié)；可以解譯出多時間段的地被分類，通過對比選取最接近實(shí)際地被的結(jié)果。土地利用現(xiàn)狀圖可直接從國土調(diào)查成果共享應(yīng)用服務(wù)平臺網(wǎng)站獲取1∶250 000的三調(diào)圖，也可以從政府自然資源部門獲得高精度的三調(diào)圖。

1.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)包含天氣發(fā)生器及降水、氣溫、相對濕度、風(fēng)速和日照數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站CMADSV1.0（Chinese）。從CMADS中選擇研究區(qū)相關(guān)聯(lián)的氣象站點(diǎn)，再根據(jù)站點(diǎn)編號查找相應(yīng)的索引表和站點(diǎn)數(shù)據(jù)并保存到新的文件中，通過Swat-Weather軟件分別計算出模型所需要的五類氣象數(shù)據(jù)，最后將整理好的站點(diǎn)數(shù)據(jù)及降水、氣溫、輻射、風(fēng)速、濕度的所有計算結(jié)果錄入SWAT2012.mdb數(shù)據(jù)庫中的WGEN_USER。

1.5 污染源數(shù)據(jù)

污染源數(shù)據(jù)主要是圩區(qū)內(nèi)部面源污染和點(diǎn)源污染，相關(guān)數(shù)據(jù)來源包括政府部門公開的監(jiān)測數(shù)據(jù)、第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)、政府統(tǒng)計年鑒及一些研究成果所得出的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。圩區(qū)農(nóng)業(yè)空間較多，面源污染重點(diǎn)來自農(nóng)業(yè)化肥污染源和農(nóng)村生活污染源，通常是伴隨著降雨徑流過程特別是暴雨過程而產(chǎn)生的[2]；點(diǎn)源污染重點(diǎn)來于畜禽養(yǎng)殖、工業(yè)和污水處理設(shè)施排放尾水。

2 模型模擬方法

2.1 圩區(qū)河道模擬方法

河道模擬通常情況下可以DEM進(jìn)行水文分析生成虛擬河道；但圩區(qū)內(nèi)部一般為平原，SWAT自動生成的河流與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，河流過于簡化且流向與實(shí)際情況也常常不一致[3]。圩區(qū)模型的建立首先需要獲取圩區(qū)河道矢量數(shù)據(jù)，利用河道矢量數(shù)據(jù)修正DEM，數(shù)據(jù)來源可以通過GIS對衛(wèi)星遙感的水面矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，也可以從OSM（開源世界地圖Open Street Map）下載的河道矢量數(shù)據(jù)，再結(jié)合實(shí)地考察結(jié)果等進(jìn)行修正，得到河網(wǎng)水系柵格文件，圩區(qū)與外河道聯(lián)系的泵站和閘口等設(shè)施，這里需要先簡化為直接相通的水系；將河網(wǎng)水系柵格數(shù)值改為N（N代表河道深度），由于DEM文件精度較低，N可以統(tǒng)一簡化為同一固定值且根據(jù)模擬需要對比實(shí)際深度可適當(dāng)賦值偏大一些；通過柵格鑲嵌工具，將河網(wǎng)水系柵格鑲嵌到數(shù)字高程模型中，重疊區(qū)域的值采用兩者之和，無法采用兩者之和時可以考慮采用較小值；通過鑲嵌得到帶河網(wǎng)的新DEM，即可作為創(chuàng)建SWAT模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 SWAT模型建立與模擬報告

SWAT模型建立首先需要加載DEM和河道數(shù)據(jù)，根據(jù)定義的子流域面積來劃定子流域，圩區(qū)面積一般較小，所以子流域面積不宜過大。在各個圩區(qū)的泵站和閘口處添加虛擬水庫，通過虛擬水庫代替圩區(qū)內(nèi)外河水交換運(yùn)動過程，重要的點(diǎn)源污染可以以虛擬進(jìn)水口的方式添加進(jìn)模型；圩區(qū)一般地處平原，其流域出口數(shù)量一般比較多，模型的流域出口根據(jù)實(shí)際情況選擇定義，完成后即可計算子流域的各項(xiàng)參數(shù)；劃分水文響應(yīng)單元需要根據(jù)處理好的土地覆被數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型來考慮，依次加載3個文件并通過重分類完成土地覆被、土壤屬性和地形的分類，通過三者疊加分析創(chuàng)建出水文響應(yīng)單元，調(diào)整三者的臨界均值，對脫離臨界值的水文響應(yīng)單元（HRU）進(jìn)行細(xì)分類，完成水文響應(yīng)單元的定義；數(shù)據(jù)庫錄入包括用戶氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)面源污染相關(guān)數(shù)據(jù)及虛擬水庫和點(diǎn)源進(jìn)水口等自定義的數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是用戶氣象站的定義，需要把準(zhǔn)備好的歷史氣象數(shù)據(jù)添加到模型數(shù)據(jù)庫中；通過輸入文件的創(chuàng)建將前面所有SWAT模型需要的數(shù)據(jù)寫入指定的文件，即可完成模型初步建立；最后模擬運(yùn)行研究區(qū)內(nèi)特定時間段內(nèi)的水文狀況，第一次輸出的結(jié)果是在SWAT系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)的條件下模擬出的結(jié)果，與實(shí)際偏差較大，需要通過SWAT-CUP進(jìn)行率定和驗(yàn)證，把得出相關(guān)參數(shù)代入SWAT模型中，對模型進(jìn)行二次修改后，再次運(yùn)行模型生成圩區(qū)水文模擬結(jié)果報告。

2.3 SWAT與SWMM耦合方法

圩區(qū)作為獨(dú)立水文單元，面積一般比小流域要小，需要用適合小區(qū)域研究的水文模型，而SWMM可以用于研究降雨-徑流情況、雨水管網(wǎng)匯流情況、降雨污染物擴(kuò)散過程、非點(diǎn)源污染負(fù)荷情況等，是比較適合圩區(qū)研究的水文模型。WAT和SWMM的耦合需要建立水系河道的空間位置與圩區(qū)研究區(qū)邊界的幾何交點(diǎn)模型，來描述兩個尺度數(shù)據(jù)的幾何位置聯(lián)系[4]?；纠碚撌怯?SWAT 模型計算出基于HRU的流域河道流量、水質(zhì)等參數(shù)，將HRU和河網(wǎng)等作為空間要素輸入，再將各類參數(shù)作為基于子匯水單元的 SWMM 模型模擬的輸入。

將圩區(qū)內(nèi)各水文響應(yīng)單元概化為面要素，將河網(wǎng)水系概化為連接線要素，將泵站、閘口等設(shè)施概化為連接節(jié)點(diǎn)要素，同時可結(jié)合水環(huán)境治理方案添加規(guī)劃的曝氣機(jī)、點(diǎn)源凈化裝置、水生植物群落等點(diǎn)要素，從而建立研究區(qū)域內(nèi)的SWMM空間模型。依據(jù)圩區(qū)SWAT模型模擬得出的水文等參數(shù)，對SWMM模型的氣候、雨量計、子匯水面積、污染物、土地利用、時間序列等選項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)錄入并添加排水管網(wǎng)和低影響開發(fā)（LID）設(shè)施，完成數(shù)據(jù)模型建立。通過模型運(yùn)行模擬，可進(jìn)行圩區(qū)內(nèi)澇分析、污染物擴(kuò)散分析和水環(huán)境治理分析等方面應(yīng)用。

3 主要應(yīng)用分析

3.1 圩區(qū)內(nèi)澇分析

圩區(qū)整體范圍一般較小，降雨可以看成是均勻分布的，內(nèi)部河道水系起調(diào)蓄作用，泵站和閘口起圩區(qū)內(nèi)外水量交換作用[5]。通過SWMM在研究區(qū)模型HRU基礎(chǔ)上添加排水管網(wǎng)及配套設(shè)施，作為流入河網(wǎng)水系的前置子系統(tǒng)。模擬研究區(qū)域內(nèi)不同重現(xiàn)期降雨條件下，設(shè)定不同的降雨量、降水歷時、降雨強(qiáng)度的組合，模擬圩區(qū)內(nèi)部鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)的排水管網(wǎng)運(yùn)行情況和內(nèi)澇情況，作為排水管網(wǎng)系統(tǒng)評估和改造的依據(jù)。

圩區(qū)內(nèi)澇發(fā)生的影響因素除了考慮城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)外，還有由于暴雨天氣下圩區(qū)內(nèi)部徑流無法及時排出，泵站和閘口是圩區(qū)內(nèi)澇影響的關(guān)鍵設(shè)施。在模型中引入各泵站的設(shè)計參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行情況，模擬圩區(qū)內(nèi)徑流總量、徑流深度變化情況，分析汛期徑流總量峰值的前后時段內(nèi)，各匯流河道水位變化情況、導(dǎo)致內(nèi)澇的可能性和內(nèi)澇地段積水變化情況。閘口一般根據(jù)圩區(qū)內(nèi)外部水位高差情況決定開閉，這取決于宏觀流域上游匯水情況、圩區(qū)內(nèi)外降雨的均勻性等綜合因素，模擬閘口設(shè)施可開啟時間和總出口流量時，可采用水文資料統(tǒng)計結(jié)果值。通過圩區(qū)內(nèi)外水流交換運(yùn)動的模擬，從而驗(yàn)證研究區(qū)泵站和閘口設(shè)計流量等參數(shù)的合理性，也可以作為排澇設(shè)施規(guī)劃的依據(jù)。

3.2 圩區(qū)污染物擴(kuò)散分析

通過SWMM水文模型分析可得出各級匯水區(qū)、地類信息、地表徑流、植被覆蓋的信息及水動力、水質(zhì)等數(shù)據(jù)。圩區(qū)污染問題重點(diǎn)主要是識別土壤侵蝕關(guān)鍵源區(qū)，將研究區(qū)流域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分級，分析土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)的水文特征；其次是識別營養(yǎng)物質(zhì)流失關(guān)鍵源區(qū)，分析是否符合地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過季節(jié)性降雨事件模擬，分析河網(wǎng)污染情況的分布、濃度和變化情況，為后續(xù)流域環(huán)境風(fēng)險管理及突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急預(yù)案的制定提供依據(jù)；通過對研究區(qū)規(guī)劃期末的發(fā)展情景的模擬，得出流域污染情況的變化特征和規(guī)劃期末的污染負(fù)荷，結(jié)合不同地區(qū)、不同時期、不同污染源綜合因素分析考慮關(guān)鍵源區(qū)，為制定污染防治措施提供支撐。

3.3 圩區(qū)水環(huán)境治理分析

圩區(qū)水環(huán)境治理應(yīng)用包括調(diào)蓄設(shè)施模擬、生態(tài)凈化設(shè)施模擬、河道清淤方案評估等。SWMM模型中可以通過添加低影響開發(fā)（LID）設(shè)施實(shí)現(xiàn)，LID設(shè)施包含雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、下沉式綠地、調(diào)節(jié)塘、雨水桶等。圩區(qū)水環(huán)境治理主要針對下沉式綠地、生物滯留裝置、植草溝、植被緩沖帶、雨水濕地、濕塘、調(diào)節(jié)塘等方案設(shè)施的運(yùn)行效果評價，通過模型中添加類似效果的LID設(shè)施代替治理方案設(shè)施進(jìn)行模擬評估， LID 設(shè)施選用和參數(shù)設(shè)置可以參考住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的海綿城市建設(shè)技術(shù)指南。圩區(qū)水環(huán)境地表水長期處于閉合流域狀態(tài)，與外部流域流動較少，主要問題體現(xiàn)在洪峰期內(nèi)澇風(fēng)險與非洪峰期水質(zhì)污染，通過模型模擬不同的LID方案組合在不同降雨頻率下對內(nèi)澇風(fēng)險和水質(zhì)等問題的治理效果對比，為LID規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)用以選擇合適的治理方案。

4 結(jié)語

本文針對圩區(qū)水文模型的模擬方法和應(yīng)用分析進(jìn)行闡述，以期為圩區(qū)應(yīng)對當(dāng)下極端天氣的預(yù)測與治理措施的制定提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷 聲，張秀平，袁曉峰，等.鄱陽湖單退圩實(shí)踐與思考[J].水利學(xué)報，2021，52（5）：546-555.

[2]袁軍營，蘇保林，李卉，等.基于SWAT模型的柴河水庫流域徑流模擬研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，46（3）：361-365.

[3]孫世明，付叢生，張明華.SWAT模型在平原河網(wǎng)區(qū)的子流域劃分方法研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2011，（6）：17-20.

[4]郭晨花. SWAT和SWMM模型耦合的平原河網(wǎng)城市水體點(diǎn)源污染擴(kuò)散預(yù)測研究[D].杭州：杭州師范大學(xué)，2019.

[5]王 越，劉曙光.基于ArcGIS的平原河網(wǎng)地區(qū)圩區(qū)內(nèi)澇模擬方法研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，39（1）：81-85.