基于SWAT 模型的珲春河流域地表径流分析

刘飞 权赫春*

（延边大学地理与海洋科学学院，吉林 珲春 133300）

1 概述

珲春河流域近些年来频繁受到台风和暴雨带来的洪水灾害威胁，2016 年8 月29 日至9 月1 日受台风“狮子山”影响，珲春河流域发生暴雨，洪水水位超过预警，珲春市转移人口2.16万人，洪水毁坏水利工程203 处，直接经济损失3.93 亿元[1]，2019 年8 月10 日至17 日，受9 号台风“利奇马”和10 号台风“罗莎”带来的暴雨影响，珲春河控制站珲春水文站8 月16 日21 时洪峰水位超警1.15m，超保证水位0.15m[2]。SWAT 模型是由美国农业部(USDA)研究开发的具有物理机制的分布式水文模型[3]。模型的应用主要体现在流域水文特征的模拟，包括降雨量、径流量、蒸散发等，也可以用于农药杀虫剂以及化肥氮磷等的含量模拟，以及径流量等因素对于气候、土地覆被变化的响应。SWAT 模型的水文循环过程遵循水量平衡方程

公式(1)中SWt为土壤最终含水量，SW0为土壤前期含水量，t 为时间，Rday为降水量，Qsurf为地表径流量，Ea为土壤蒸散发量，Wseep为土壤剖面地层的渗透量，Qgw为地下水含量[4]。GIS 软件具有强大的数据处理功能，集数据的存储、编辑、管理、建模、分析功能于一体。本文基于ArcGIS10.2 软件平台，主要用到其空间分析、栅格数据处理、属性值统计功能。并且以ArcSWAT 工具为主，从子流域、河道、水文响应单元三个方面模拟2019 和2020年珲春河流域7、8、9 三个月的径流特征。本文选择的三个月时间为夏秋季，珲春河流域的雨季开始较晚，在这个时间内台风、气旋活动频繁，降雨量较多，是珲春河流域的暴雨洪水易发时间段。模拟输出的结果为月内日平均值，然后进一步计算取值为六个月的平均值，这样取值能够避免单独年份、单月数值带来的唯一性。

2 研究区概况

研究区珲春河流域位于吉林省最东端延边朝鲜族自治州珲春市境内。处于中国、俄罗斯、朝鲜三国交界处，具有重要的地理战略位置。珲春河流域总体呈西南- 东北方向，地势西北部高且多山地，西南低多平原。珲春河是图们江下游的一级支流，也是珲春市内的最大河流。由东北方向流向西南方向。珲春河流域分布有珲春河主河道、兰家趟子河、草帽顶子河、西土门子河、小红旗河、松林河等支流。属于温带大陆性季风气候区，东部距离海洋近，海洋特征较明显，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，夏秋季节易发洪涝灾害，影响研究区的天气系统有气旋和台风[5]。珲春河流域不仅是当地人们生产生活用水重要来源，对于珲春市的经济社会发展至关重要，而且还能够维持流域内生态环境安全。（图1）

图1 研究区位置

3 研究方法

在SWAT 官网（http://swat.tamu.edu/software/arcswat/）下载SWAT 工具和气象数据，建立研究区的土地类型和土壤类型的数据库。根据研究区30m×30mDEM 数字高程数据，利用ArcSWAT 工具生成闭合流域、河流流向、面积、划分子流域等有关计算。然后根据建立的数据库并且参考我国的土地、土壤类型等级划分情况，进行土地利用类型、土壤类型、坡度的重分类，将土地利用类型分为七类（图2），土壤类型分为十一类（图3），由于坡度低的地方相对容易发生洪水灾害，在本研究中将坡度分为五类（图4）。将三个要素进行叠加，方便之后的进一步分析。根据研究区的经纬度选择从官方网站下载的气象数据进行计算。读取SWAT 的输入数据，最后选取2019 年、2020 年7、8、9三个月进行模拟。根据模拟结果，在ArcGIS 中将模拟结果数据分别与子流域、河道、水文响应单元做连接，并且将研究区两年时间的7、8、9 月的数据相加做平均值运算，采用自然间断点法进行分类，可以尽量突出各区域的差异，本文选择从降雨量、径流量、土壤含水量、蒸发量方面进行模拟，分析珲春河流域的地表径流特征。

图2 土地利用

图3 土壤类型

图4 坡度(%)

4 模拟结果

4.1 子流域。根据降雨量模拟结果，从西南到东北大致呈现逐渐递增的情况。春化镇的东北部和西北部降雨量较多，平均最小降雨量为189mm 左右，平均最大降雨量为216mm 左右。哈达门乡东北部、马川子乡一部分和杨泡满族乡降雨量较少，珲春市、珲春边境经济合作区、研究区内三家子满族乡、英安镇东南部、板石镇降雨量相对最少。在地表径流对主河道径流贡献量方面春化镇中部、珲春市东南部、板石镇东北部少等地表径流对主河道贡献水量最大。春化镇东北部、东南部，杨泡满族乡西部、马川子乡大部分、英安镇东南部、哈达门乡东北部、珲春市西南部、三家子满族乡东部等区域较少。春化镇南部、哈达门乡中部、杨泡满族乡东北部等最少。土壤最终含水量是模拟时间步长内最后土壤剖面的水量，土壤最终含水量与降雨量、土地类型、土壤类型密切相关。降雨量多、土地类型为易下渗表面且土壤类型疏松多孔，地表水容易被土壤吸收，土壤含水量相对较多。模拟时间段内，珲春河流域土壤最终含水量总体在64mm至136mm 左右，哈达门乡西南部相对最多，珲春市、研究区内板石镇地区、珲春边境经济合作区等区域相对最少。（图5～6）

图5 降雨量（mm）

图6 地表径流对主河道的贡献量（mm）

4.2 主河道。根据主河道模拟结果，珲春河主河道流入水量总体大于支流流入水量。主河道下游平均每日流入水量相对最多可以达到93.85m3/s 左右，头道沟、四道沟、松林河、黄柏树沟附近支流最少约为0.05m3/s，原因与降水、蒸散发、河流泥沙含量以及干流、支流的汇入数量不同。流出河段的平均每日径流量与流入的径流量相差不大，珲春河主河道下游平均每日流出径流量依然是最多为93.76m3/s 左右，头道沟、小红旗河、松林河等支流流出量相对最少为0.05m3/s 左右。平均每日蒸发损失取决于河流周围的温度、风速等原因，珲春河流域总体蒸发水量不多，大多数河道都位于0.03m3/s 以下，主河道平均每日蒸发损失最多为0.03m3/s 至0.1m3/s 左右，兰家趟子河部分、西土门子河次之，头道沟、三道沟、草帽顶子河再次之，北岔沟、小红旗河、松林河附近河流较少。（图8～10）

图7 土壤最终含水量（mm）

图8 流入河段的平均每日径流(m3/s)

图9 流出河段的平均每日径流(m3/s)

图10 平均每日蒸发损失(m3/s)

4.3 水文响应单元。水文响应单元主要从径流量、径流系数、土壤最终含水量方面进行分析。径流系数是一定时间内地表径流深与降雨量深度的比值。径流系数受到许多因素影响，包括土地利用类型、土壤类型、坡度等，径流系数越大表示降雨越不容易被下垫面吸收，降雨量转变成的地表径流量就越多。在本研究中地表径流量多的区域呈现出沿河流两岸分布的现象，也是水域、湿地、建设用地和农用地集中分布地。水域、湿地、建设用地和农用地的径流系数相对较大，林地、草地的径流系数相对较小。水域地区由于降雨之后一段时间内下渗量和蒸发量少，因此可以看做降雨几乎全部转变成地表径流。林地和草地的土壤特征具有削减洪峰，减少地表径流作用，径流系数则相对较小。农业用地近地表土壤裸露程度高于林地，雨水拦截少，地表粗糙系数低，径流系数大于林地[6]。建设用地因不透水面积大径流不容易下渗，导致径流系数值较大。根据ArcSWAT工具的模拟结果，不同的土地类型土壤最终含水量情况统计（表1），由多到少依次是湿地＞林地＞荒地＞草地＞农用地＞建设用地＞水域。土壤最终含水量对于衡量土壤农作物种植的适宜性、土壤水分的饱和程度以及洪水灾害的研究方面具有参考价值。（图11～13）

表1 土壤最终含水量（mm）

图11 地表径流（mm）

图12 径流系数

图13 土壤最终含水量（mm）

5 结论与讨论

5.1 由于降雨量、坡度高程存在差异，土壤类型和土地类型不尽相同，多种因素综合形成不同的流域特征。林地和草地土壤类型多属于灰棕壤，建设用地多白浆土，农用地多水稻土，河流两岸多冲积土。河流沿岸和平原、丘陵地区多分布居民地和农业用地。总体看来，珲春河流域西北部降雨量、土壤含水量最多，春化镇东南部和珲春市部分地区地表径流对主河道径流的贡献量最多。

5.2 研究区内流入流出河道的平均每日径流维持在0.05m3/s 以上，94m3/s 以下。珲春河主河道下游的流入、流出河段的平均每日径流量最多，主河道中游次之，上游较少。珲春河流域平均每日蒸发损失量总体在0.1m3/s 以下，支流的蒸发量普遍少于主河道蒸发量。

5.3 林地、草地所在区域土壤疏松多孔径流下渗较多，地表径流少，径流系数小。建设用地、农用地、水域形成的地表径流多，径流系数大。径流系数是衡量降雨量转变成径流量的重要衡量指标，在洪水灾害分析中具有一定参考价值。土壤最终含水量由于下垫面土壤类型的不同有所差异，当其达到饱和时会对地表径流量有一定影响。在模拟时间段内，研究区的土壤最终含水量维持在45mm 至126mm 左右。水域、建设用地的土壤最终含水量相对最少，湿地、林地、草地、农用地的土壤最终含水量相对较多。