SWAT模型在无水库出流量资料流域的研究与应用

2021-08-20梁桂星崔亚莉黄奇波王亚茹

人民珠江 2021年8期

梁桂星，崔亚莉，黄奇波，王亚茹，周妍，张银

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.北京市地热研究院，北京 102218；3.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004；4.河北先河环保科技股份有限公司，河北石家庄 050035；5.淞际环境规划设计(上海)有限公司，上海 200233 )

随着社会经济的发展，人类活动对区域水文循环的影响也越来越显著，主要表现在2个方面，一是人类对下垫面的改造对地表产汇流造成影响，二是通过修建水利设施对流域水文过程产生影响[1-2]。而随着对流域水文预报的研究深入，越来越亟需定量刻画人类活动对流域水文预报产生的影响。水文模型是一种能够很好综合人为因素刻画水文循环及水量平衡的工具[3]，很多学者通过采用水文模型的方法还原流域水文循环。其中赵胤懋等[4]在淮河流域中通过在三水源新安江模型中加入多重线性水库，使模型精度得到有效改善，评价了水库对该流域水文过程的影响。陈建等[5]在白山流域通过引进虚拟水库的方法改进三水源新安江模型，提高了白山流域断面的水文预报精度。这类水文模型属于水箱或黑箱模型，虽通过考虑下垫面及水库蓄放水等因素，完善流域水文预报，但也存在一定弊端，比如参数概化及参数率定等[6-7]。本文采用分布式水文模型(SWAT)，SWAT模型是由美国农业部的农业研究中心研发的能够综合下垫面因素刻画流域水文物理化学过程的分布式水文模型[8-10]。该模型基于GIS获取流域参数，并通过运用多个模块管理水文过程，较好地还原了流域水文循环。SWAT模型在河道产汇流模块中采取的是马斯京根方法[11-12]。

在缺少水库入出流资料流域中，一些学者基于马斯京根原理建立相应关系来获得水库出入流量，进而预报下游断面水文信息。其中唐文涛等[13]基于马斯京根法分析了反推入库洪水过程产生的不合理现象，提出采用区间半分法进行迭代计算，较为客观地还原了入库洪水过程，提高了模型的精度。张悦等[14]改进的二分法以解决双峰甚至多峰的洪水过程反演，并将其应用于浙江省飞云江干流马屿站的洪水过程中，基本满足水量平衡。但这些多是仅在河道洪水演算上做的研究，没有综合考虑流域下垫面及气象水文要素。

本文通过运用SWAT模型控制水库上游流域面积，获得水库的入库流量，并结合马斯京根汇流方法建立响应关系，得到水库的出流量，进而减小水库对水文循环模拟的影响，为无水库出流量流域水文预报提供一种方法，也为桂江流域水资源规划配置提供技术方法与科学依据[15-16]。

1 研究方法

水库影响着流域水文循环，模型模拟水库的蓄放水过程既要充分考虑水库上游汇水面积，又要理解模型中水库蓄放水运行机制。汇水面积影响着水库的入库流量和水量均衡。SWAT模型并不能根据经纬度准确地描述水库所在流域中的地理位置，而是以点的形式存在于水库所在子流域的结点上，为了准确划分水库的汇水面积，一般将水库出口处设置为流域结点。模型中水库的蓄水过程是先将水库上游流域产汇流汇入河网结点，然后以点源的形式汇入到水库中。而模型中水库的放水有4种方法，分别为水库实测日出流量、实测月出流量、无控制水库的年均泄流量、控制水库的目标泄流量，前2种方法是以较为准确的出流量来刻画水库出流，后2种方法是以库容、流量等因素控制条件来管理水库出流，而还原流域水文循环过程的研究一般多使用前2种控制水库出流的方法。

SWAT计算水库水量均衡方程见式(1)。

V=Vst+Vin-Vout+Vp-Ve-Vse

(1)

式中V——某时段末的水库蓄水量，m3；Vst——某时段初的水库蓄水量，m3；Vin——某时段的入库水量，m3；Vout——某时段的水库出流量，m3；Vp——某时段水库上的降雨来量，m3；Ve——某时段水库的蒸发量，m3；Vse——某时段水库的渗透损失量，m3。

图1 河段内的楔蓄量和柱蓄量

(2)

河段内水量平衡方程可用式(3)表示：

Vst,2-Vst,1

(3)

将式(2)与式(3)合并简化得到：

qout,2=C0qin,2+C1qin,1+C2qout,1

(4)

方程两边同时乘以时间步长Δt，得到总槽蓄量：

Vout,2=C0Vin,2+C1Vin,1+C2Vout,1

(5)

(6)

(7)

(8)

C0+C1+C2=1

(9)

天然状态下河流的流量因子X取值范围为0～0.3，平均值接近0.2，由用户输入，模型为了避免计算出流量为负值将时间步长控制在2K·X<Δt<2K·(1-X)，并且通过曼宁公式来控制河段蓄水时间常数，该公式所涉及的河道属性参数多数可通过GIS平台自动获取，使得上游断面流量与下游断面流量呈现线性关系，进而为该模型响应方程的建立提供理论基础。

2 模型应用

2.1 区域概况

研究区(图2)位于广西壮族自治区桂林市桂江流域，流域发源于桂林市兴安县西北部越城岭猫儿山附近，是西江流域桂江水系上游河段的通称[17]，整个研究区域范围为北侧、东侧及西侧以地表分水岭为界，南侧以桂林市边界为界所构成的封闭式流域，以阳朔县南侧桂江河道为总流域出口，研究区总面积为5 283.57 km2，其中桂林站上游集水面积为2 540 km2。研究区气候属于亚热带季风型气候，总体特点为炎热多雨，年平均降雨量为1 543.2 mm，年平均气温为18.7 ℃，年平均相对湿度75.6%。

图2 研究区分布

研究区内有5个水库，从纬度上由高到低依次分布为斧子口水库、川江水库、小溶江水库、青狮潭水库及思安江水库，其中桂林水文站上断面流域涉及前4个水库。青狮潭水库为建造最早库容最大的水库，为了减轻桂林市区的防洪压力，在此基础上，兴建了其他4个水库。研究区主要河流均属雨源型，径流与降雨量的变化具有一致性，即丰水期出现在4—8月，径流量约占年70%～80%，12月至翌年3月中旬为枯水期，其他时间为平水期。

2.2 模型建立

SWAT模型所需要的基础数据有空间地理数据、水文气象数据，见图3，其中空间地理数据控制着模型基本结构，需要用GIS处理为统一投影坐标系，该模型为Beijing_1954_GK_Zone_19N投影坐标系统。

a)土地利用数据

b)土壤类型数据

c)水文站及水库

d)模型划分子流域及HRU

a)空间地理数据：主要包括数字高程(DEM)、土地利用及土壤类型数据，其中DEM来源于地理空间数据云，通过GIS的填洼处理精度为90 m的空间数据。土地利用和土壤类型是分别来源于寒区旱区环境与工程研究所遥感与地理信息科学研究室及世界粮农组织(FAO)土壤数据库精度为1 000 m的栅格数据。

b)水文气象数据：主要包括河流矢量数据、水文站监测数据及研究区气象数据，其中河流矢量、水文站径流数据及水库属性参数由岩溶所提供，其中水库属性参数是控制着水库的库容曲线，是SWAT模型水库模块必要参数(表1)，气象数据来源于中国大气同化驱动集(CMADS)，分别为日尺度降水、风速、温度、辐射及湿度等五类数据。

c)子流域与水文响应单元：通过输入统一投影坐标系下的空间地理数据后，将该流域划分为69个子流域，1 499个水文响应单元(HRU)。

表1 水库属性参数

2.3 模型验证

为了分析流域参数对模型的影响程度及影响结果，本研究选取15个流域参数利用SWAT-CUP中镶嵌的SUFI-2算法进行流域参数的敏感性分析，通过1 000次迭代选用敏感性前十的流域参数。参数率定的精度需要多尺度径流拟合来实现，不同尺度的径流模拟流域参数存在差异性，尺度越小参数率定的精度越高，越能接近流域真实的水文地质参数，因此本研究先以日为尺度率定流域参数，然后通过月径流模拟验证模型适用性。

本次选取2015年1月1日至2016年12月31日时间段为模型模拟周期，共731个时间步长，以桂林站及阳朔站日径流实测资料为模拟基准，选用纳什系数(NS)、决定系数(R2)作为径流拟合效果的评价指标，其中NS与R2均大于0.5时，且评价因子越接近1，代表模型可信度越高。模型参数敏感性及参数率定范围见表2。

表2 参数敏感性排名及参数率定范围

从图4可以看出，各水文站日模拟径流与实测径流趋势基本一致，桂林站拟合评价因子NS和R2分别为0.66、0.73，阳朔站为0.78、0.74，均大于0.5，说明SWAT模型能够较好地模拟桂江流域径流过程，率定的模型参数能够较好地符合实际流域属性参数。由于水库的蓄放水很大程度上影响下游水文过程，主要表现在对洪峰流量调控上，影响了径流拟合精度，因此在有水利设施的流域内模型需要考虑这些因素。

a)桂林站

b)阳朔站

3 结果与讨论

3.1 流量响应方程的建立

在基于马斯京根理论建立响应方程之前，首先要理解模型中水流运移过程。水库上游水文过程是将上游子流域主河道汇流及该子流域降雨产生的产汇流汇集到水库中，然后以水库出流的形式流到下游子流域，模型中的水库相当于具有水库属性参数的流域结点，作为承接上下游子流域流量的作用，且在流域上水库是以并联的方式存在于各个支流上，水库结点与下游主河道断面之间均以自然流域的形式存在。因此，水库所在子流域的出流与水文站所在子流域的出流的响应关系和水库出流量与水文站径流量响应关系相同。

流域内仅有2015—2016年的桂林站及阳朔站日尺度径流数据，为了获取较为多样本数据，以期更加准确刻画水文响应方程，本文在日尺度模型获取流域参数基础上，建立天然状态下(无添加水库)长时段的分布式水文模型。在马斯京根河道汇流演算基础上，建立水库所在子流域出流量与水文站所在子流域的出流量的线性响应方程，还原上游流量对下游流量的映射。

天然状态下日尺度模型周期为2008年1月1日至2016年12月31日，共3 288个时间步长。由于思安江水库位于桂林站断面以下，因此选用阳朔站日径流与思安江水库建立响应方程，从图5和表3可以看出，除了思安江水库所在子流域与阳朔子流域相关关系较差以外，各水库所在子流域与水文站所在子流域径流响应程度极高，相关关系在0.94以上，均符合线性关系。

图5 水库子流域出流量与水文站子流域出流量响应关系

表3 各水库出流与水文站径流水文响应方程

3.2 水库还原前后对比分析

通过日尺度模型获取流域参数，经马斯京根原理获得各水库月出流量，并运用月尺度模型来验证模型的可靠性及参数的准确性。同时根据水库还原前后各水文站径流拟合评价因子，验证了以日尺度天然状态下无水库所建立的水库子流域流量与下游各水文站流量的响应关系的可靠性。

从表4可以得出，在水库还原前潮田站及灵渠站径流模拟评价因子(R2与NS)均不满足模型精度要求，桂林站及阳朔站径流拟合评价因子均大于0.8，满足模型要求。经过水库还原后各水文站径流拟合评价因子R2与NS都有不同程度的提高，且还原后月平均径流有所增大更加接近实测径流，各个水文站还原后月均流量的增加主要来源于对丰水期月径流模拟精度的提高。还原前后灵渠站及潮田站模拟效果提升比阳朔站及桂林站要高，主要原因是灵渠站及潮田站上游有直接控制流量的水库，且处于河流的源头，流量相对较小，更容易显示出差异性。

图6中所示的还原前模拟是指没有添加水库出流的月尺度模拟，还原后模拟是指根据水文响应方程还原得到的各水库月出流量进行的月出流量模拟。从水库还原前后径流模拟与各水文站实测值拟合图可以得出，经过水库还原的径流模拟整体好于还原前径流模拟，还原前后各水文站径流趋势一致，均能表现出径流随降雨强度的变化，尤其在支流水文站(灵渠站和潮田站)在丰水期经过还原的径流模拟效果得到更大改善。经过还原后的径流模拟弥补了由于水库调洪因素造成的丰水期峰值缺失及枯水期流量的补充，更加准确刻画桂江流域水文过程。