基于SWAT模型的瀼渡河生态流量计算方法

谢培，方源,2，张雷，孙宁，黄法铭，乔飞*

1.中国环境科学研究院

2.湖北大学资源环境学院

近年来，随着人口的急剧增长和经济的高速发展，水资源主要用于工农业生产及生活用水，生活、生产用水与生态环境用水之间的矛盾日渐突出，致使水资源开发利用过度，甚至出现河道断流现象[1-2]，既影响了生态环境的可持续发展，又在一定程度破坏了水生态环境[3]。为调节水资源短缺与用水需求增加的矛盾，提出了生态流量的概念[4]。生态流量指维持河流生态系统最低生存和运转功能的基础流量，即为河道内的最小生态流量[5-6]，对于保持河流生态系统健康极其重要。若低于该值，河道无法保障水文联通，水生生态系统将遭受破坏甚至短期内不能恢复[7]。因此，研究生态流量能够科学调控和保障水资源。

我国现有水文监测站网建设还不完善，目前只在一些较大的河流上设有水文监测站。瀼渡河是长江上游的一条小支流，无实测长时间序列径流量资料，笔者实地调研不同水期河流流量现状，发现该河流枯水期下游河段流量较小，局部无流量，甚至存在河道干涸现象，引发一系列水生态水环境问题。此外，该河流存在水利工程的开发建设及降水分布不均等情况，急需对其生态流量进行保障。

笔者针对无实测流量数据的瀼渡河流域提出利用SWAT水文模型还原流量过程的方法，对比分析河流生态流量常用的计算方法并综合确定研究河段的生态流量，再基于水质达标校核得到生态补水的优化配置措施，以期为瀼渡河流域水资源综合利用和水生态保护提供科学依据。

1 研究区概况

瀼渡河流域（108°06′E～108°18′E，30°35′N～30°46′N）发源于铁峰山南麓的大沟垭口，经万州区分水镇、甘宁镇，于瀼渡镇附近汇入长江（图1）。瀼渡河流域面积为 273 km2，河流全长 44 km，多年平均流量4.36 m3/s，河道平均比降11.5‰。瀼渡河流域共涉及李河镇、分水镇、柱山乡、响水镇、甘宁镇和瀼渡镇6个乡镇，甘宁水库位于瀼渡河中上游，坝址控制集水面积为 149.5 km2。

图1 瀼渡河流域Fig.1 Map of Rangdu River basin

2 研究方法

2.1 基于SWAT模型的水文过程模拟

SWAT模型由美国农业部（USDA）农业研究中心于1994年开发[8]，是一种基于GIS的分布式流域水文模型[9]。其适用于流域尺度，可以进行连续时间序列模拟，具有很强物理机制的分布式水文模型[10-12]，并广泛应用于水环境管理工作[13-15]。模型主要模拟的水文过程分为陆面及水面2个过程：陆面主要包括产流和坡面汇流2个部分，需要输入水、沙、营养盐等物质的量；水面为河道汇流部分，主要为各物质向出口的输送过程[16-17]。在操作过程中，应首先根据数字高程模型（DEM）划定一定数量和面积的子流域分区，进而划分水文响应单元，即同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域[18]。每个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。水量平衡方程如下：

式中：SWt为最终土壤含水量，mm；SW0为初始土壤含水量，mm；t为模拟时间，d；Rday为日降水量，mm；Qsurf为日地表径流量，mm；E为日蒸散发量，mm；Wseep为土壤剖面地层的渗透量，mm；Qgw为地下水的回流量，mm。

2.2 生态流量计算方法

生态流量的计算方法主要包括水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法4类[19]，考虑到我国缺乏生态资料，生境模拟法和整体法难于应用，水力学法需要现场数据，耗费较长时间和较大的人力物力，应用较为困难。因此，研究借鉴水文学法，该方法基于天然流量，通过确定比率来计算生态流量，在流量较大且水文资料时间较长的河流使用率较高[20]。水文学法主要包括蒙大拿法、最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法和流量历时曲线法等[21]。

2.2.1 蒙大拿法

蒙大拿法于1976年由田纳特提出，其根据历史流量资料确定不同时段的需水量，取河道年均流量的百分比作为河流生态需水量的推荐值，是当下应用较为广泛的一种生态流量计算方法[17]。研究显示，保持河流生态系统健康的最小流量为多年平均流量的10%[22]。国外确定非汛期为10月—次年3月、汛期为4—9月，而我国因汛期、非汛期与国外确定方式不同，因此，在我国应用蒙大拿法时需将时间改为非汛期10月—次年5月、汛期6—9月。

2.2.2 最小月平均流量法

最小月平均流量法根据河流最小月多年平均流量作为生态流量，计算公式如下：

式中：W为河流基本生态需水量，108m3；Qij为第i年第j月的平均流量，m3/s；T为换算系数，取31.536×106s；n为统计年数，a[23]。

2.2.3 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法是基于水文学参数，考虑水质影响的生态需水量的计算方法。国外一般使用90%保证率下最枯连续7 d的平均流量作为河流最小生态流量。而我国则根据最近10年的最枯月平均流量作为最小生态流量，计算公式与最小月平均流量法相同，其中n=10，主要侧重于河道需水量的计算。

2.2.4 流量历时曲线法

流量历时曲线法是利用历史流量资料形成各月流量历时曲线，然后根据某个频率确定对应的生态流量[24]。汛期与非汛期所采用的生态流量对应的频率不同，非汛期采用的频率为90%，汛期采用的频率为50%[25]，该方法不仅保留了采用流量资料计算生态流量的简单性，同时也考虑了各月份流量的差异。

3 基于SWAT模型的生态流量水文过程模拟

3.1 模型数据库的建立

利用SWAT模型模拟月径流过程的主要输入参数，包括地形特征、土地利用/覆被、土壤类型、气象以及其他参数。数字高程、土地利用和土壤类型均采用2010年的数据，其中，数字高程为80 m的SRTM数据，来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）；土地利用数据采用landsat系列影像，来源于清华大学地球系统科学系构建的FROM-GLC系统；土壤类型数据为2010年中国土壤特征数据集1:100万数据，来源于国家青藏高原数据中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）；气象数据采用 1990—2019年的CMADS数据，包括气温、降水、湿度、日照等基本气象要素逐小时数据。

3.1.1 子流域划分

河网提取及子流域的划分借助SWAT模型中的流域划分模块（watershed delineation）完成。考虑河流自然节点、水文站位置、水库位置等因素将瀼渡河流域划分为38个子流域（图2）。

图2 瀼渡河子流域分布Fig.2 Distribution map of Rangdu River sub basin

3.1.2 土地利用、土壤的加载和水文响应单元的设置

水文响应单元是SWAT模型的最小计算单元，具有统一的土壤、土地利用属性和坡度等级。将土地利用数据与SWAT模型数据进行匹配，考虑土壤数据，按 0～8°、8～15°和>15° 3 个坡度类型进行水文响应单元定义，并根据CMADS 1.0数据集，将气温、降水、风速、日照等资料按照要求输入数据库。

3.2 模型的率定与验证

模型模拟得出1990—2019年近30年的月径流过程，由于瀼渡河流域无水文站用于模型率定和验证过程，以重庆市生态环境局多年（1980—2015年）平均径流量统计值为依据。选取瀼渡河流域水量平衡进行模型率定，模拟得到河流年均流量为4.44 m3/s，年均径流量为1.4亿m3，与该流域多年平均径流量（1.55亿m3）基本一致，模拟值略小于多年平均值是由近年来瀼渡河流域水资源开发利用强度增大所致。选取瀼渡河上游甘宁水库进行模型验证，模拟得出甘宁水库近5年和近10年平均流量分别为2.33和2.68 m3/s，与甘宁水库流域多年平均流量（2.9 m3/s）基本一致，模拟结果具有合理性。

3.3 流量模拟结果

选取干流重要控制断面统计月流量，控制断面的选取根据生态环境保护要求和基础资料条件确定。综合考虑了研究区水文、乡镇和入江河口等因素，流域涉及的6个乡镇与控制断面的对应关系如表1所示。通过模型模拟瀼渡河自然条件下长系列水文过程，结果表明，河流年平均流量由上游到下游逐 渐 增 大 ，分 别 为0.688、2.694、3.160、4.159、4.465和4.639 m3/s。其中断面38为入江口断面，汛期月平均流量为6.921 m3/s，非汛期月平均流量为3.654 m3/s。该河流汛期和非汛期特征明显，汛期各月流量约为月平均流量的1.5倍，最小月流量出现在2月，仅为月平均流量的1/4。

表1 乡镇与河网断面对应关系Table 1 Correspondence of township and river network sections

4 瀼渡河生态流量计算

4.1 基于水文学的生态流量分析

生态流量计算以SWAT水文模型模拟的1990—2019年的径流系列数据为依据，表2～表5为4种水文学法计算得到的逐月生态流量。依据SL/Z 72—2014《河湖生态环境需水计算规范》中“对于大江大河，河流流量占多年平均流量的5%～10%，仍有一定河宽、水深和流速，可以满足鱼类洄游、生存和旅游、景观的一般要求，可以作为保持绝大多数水生生物短时间生存所必需的基本生态流量”。因此，理论上以上4种水文学计算方法均可表征瀼渡河生态流量，生态流量计算值表现为流量历时曲线法（33%）>近10年最枯月平均流量法（18%）>最小月平均流量法（17%）>蒙大拿法（10%）。

表2 蒙大拿法生态流量计算结果Table 2 Calculation results of ecological flow by Tennant method

表5 流量历时曲线法生态流量计算结果Table 5 Calculation results of ecological flow by flow-duration curve method

4.2 基于水质达标的生态流量校核

由瀼渡河国控和市控断面实测水质数据可知，2015—2019年瀼渡河水质存在超过 GB 3838—2002《国家地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值的现象，主要表现为上游总磷浓度超标0.2倍，下游水质较好。考虑到水质达标对生态流量的要求，对计算得到的水质达标所需生态补水流量进行校核。

表3 最小月平均流量法生态流量计算结果Table 3 Calculation results of basic ecological flow by the minimum monthly average flow method

表4 近10年最枯月平均流量法生态流量计算结果Table 4 Calculation results of ecological flow based on the driest monthly average flow method in recent 10 years

各控制断面年径流量由水文模型模拟的长时间系列水文数据计算得到，总磷浓度最大值取年内实测水质数据最大值（表6），瀼渡河下游满足Ⅲ类水质要求，仅上游（断面5、17和18）存在总磷浓度超标现象，涉及李河镇、分水镇和柱山乡。补水所需径流量计算采用河流稀释混合模型，公式如下：

表6 1990—2019年瀼渡河流域总磷指标现状及基本生态流量计算结果Table 6 TP indicator status from 1990 to 2019 and basic ecological flow calculation results

式中：C0为水质标准浓度，mg/L；Cmax为实测水质浓度最大值，mg/L；QR为河流年径流量，m3；QE为年补水设计径流量，m3。

经计算，采用Ⅱ类水补水所需径流量占瀼渡河年均径流量的12%～30%，其中分水镇所需径流量最大，李河镇次之，柱山乡较小。综上，考虑到既符合水文学方法又保证流域水质达标，推荐的生态流量计算方法为流量历时曲线法，补水径流量占该流域年径流量的30%左右。

5 结论

（1）基于SWAT模型模拟瀼渡河1990—2019年逐月流量过程，年平均流量由上游至入江口逐渐增大，入江口年平均流量为4.639 m3/s。该河流汛期和非汛期特征明显，汛期各月流量约为月平均流量的1.5倍，最小月流量出现在2月，仅为月平均流量的1/4。

（2）4种水文学计算方法计算的生态流量表现为：流量历时曲线法最大，为33%；其次为近10年最枯月平均流量法（18%）；最小月平均流量法为17%；蒙大拿法最小，为10%。

（3）现状水文水质条件下，瀼渡河上游涉及李河镇、分水镇和柱山乡区域水体尚不满足Ⅲ类水质要求，利用河流稀释混合模型，在保证水质达标的情况下校核生态流量得出，瀼渡河推荐的生态流量计算方法为流量历时曲线法，补水径流量约占年均径流量的30%。