基于改进SWAT 模型的金堂县城区洪水组成分析

敬 熠，张 卓，张新华

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065，2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

四川省金堂县处于沱江上游流域，北河(沱江河源)、中河、毗河三条支流交汇处，四川盆地平原区与丘陵区相交处，受沱江鹿头山暴雨区(绵远河、石亭江、湔江)洪水和平原区暴雨洪水影响显著.同时又由于金堂县地处三河汇口处，北河、中河、毗河洪水容易叠加，尤其是汛期持续性降雨会使土壤变成饱和土，更容易造成支流洪峰遭遇，在金堂城区造成危险性大的洪水[1].金堂城区近年来频繁遭受洪水淹没，尤其是2013、2018、2020 年三年共四场大洪水淹没主城区，最大洪峰流量均超过8 000 m3/s，重现期超过100年一遇.2020 年8 月，沱江流域2 场持续的强降雨过程，致使沱江三皇庙水文站实测洪峰两次超过7 000 m3/s，造成了极端的洪涝灾害，前所未有[2].

四川省金堂县严峻的洪水问题给当地经济社会发展带来了巨大的损失，已成为四川省防洪问题最为严重的地区，因此研究金堂城区洪水组成已成为金堂防洪减灾工作的关键和首要任务.现行常用的洪水组成方法有水文统计法、典型年法或者同频率法，传统水文学方法的优点在于容易计算、方便使用，但计算的都是某种单一的特定区域组成，而没有考虑所有可能的组合形式[3-6]，也往往对水文循环过程中物理机制考虑欠缺. 当前学者们已经开始使用改进后的SWAT 分布式水文模型来进行洪水的模拟计算，这也为解决复杂洪水组成问题的研究提供了一个新的思路[7].SWAT 模型是美国农业部农业研究局开发，结合了降雨和流域下垫面等特性具有物理机制的分布式水文模型，根据水文气象数据资料计算各子流域的产流过程与汇流过程，最终得到干流出口子流域洪水流量过程，已被广泛运用在流域水文过程影响的模拟与预测[8-9]. Zhang 等人评估了产汇流模块改进后SWAT 模型在较小流域小时尺度上SWAT 模型与新安江模型对洪水的模拟能力，并探究了空间尺度对SWAT 模型的影响[10].段永超等人在SWAT 模型洪水模拟改进的基础上，通过提高降水类型的判断能力，使模型计算中涉及的降水分类更加准确，充分考虑了积温对融雪的影响，修正了积雪融化的阈值，使模型更适合于高海拔山区的融雪洪水模拟[11].

本文基于ArcGIS 软件平台，针对三皇庙水文站以上沱江流域构建SWAT 分布式水文模型，将洪水模拟率定验证结果结合《洪水情报预报规范》综合评价洪水模拟精度，并计算金堂县沱江三河汇口处洪水的干支流组成，总结分析洪水的空间组成规律. 为区域防洪减灾决策、土地资源的利用规划、经济发展和区域规划提供必要的支持.

1 研究区域概况

四川省金堂县位于长江一级支流沱江上游，北河(沱江正源绵远河、石亭江、湔江)、中河、毗河三河汇合处，介于东经 104°22′ ～ 104°28′，北纬 30°49′ ～30°54′之间如图1 所示.本研究以三皇庙水文站以上沱江流域为研究对象，三皇庙站地处沱江金堂峡，控制集雨面积6 590km2，沱江三条支流北河河口断面控制集水面积4 172 km2，中河(青白江)河口控制集水面积1 113 km2，毗河河口断面控制集水面积1 145 km2.北河上游三条支流均发源于鹿头山暴雨区，河流出山后进入成都平原和丘陵区，水网交汇，人口集中。研究区域年平均气温17.1 ℃，多年平均降雨量746 ～1 553 mm，其中山区变化在1 200 ～1 900 mm，海拔高度 385 ～4 984 m.

图1 三皇庙站以上沱江流域概况图Fig.1 Overview of the Tuojiang River Basin above Sanhuangmiao Station

2 研究方法与基础数据

2.1 SWAT 改进模型

SWAT(Soil and Water Assessmnet Tool)分布式水文模型是由美国农业部(USDA)在SWRRB 模型的基础上，开发的分布式流域尺度水文模型. 最新版本的SWAT 模型已经能够进行小时尺度的短期洪水模拟计算.2012 版SWAT 模型在计算地表径流时采用的是SCS 径流曲线数法，主要是通过日降雨量与流域物理特性的经验关系来估算地表径流. 而经改进后的SWAT 模型则在计算地表径流时选用Green＆Ampt 下渗方程，下渗量由降雨强度与下渗率的关系来计算，超出入渗的降雨则形成地表径流，通过降雨强度和下渗率的直接关系对地表径流进行连续模拟. 根据Jeong 等对两种方法的对比研究显示，相比于SCS 曲线数法Green＆Ampt 下渗方法可以更好地模拟小时尺度的洪水过程[12]. 本研究使用改进SWAT 模型进行了金堂县三皇庙水文站以上沱江流域的洪水模拟，从而实现金堂城区干支流洪水的组成研究.

2.1.1 基础数据库构建

构建SWAT 模型的数据库需要包含地理空间数据库和气象数据库，其中地理空间数据库包括DEM高程数据，土地利用类型和土壤类型等. 本研究采用的DEM 为地理空间数据云平台下载的分辨率30 m的SRTM 高程数据；土地利用数据采用了中国科学院数据中心2015 年分辨率为1 km 的土地利用栅格，并对土地利用栅格进行重分类，划分为草地、建设用地、林地、耕地、水域、其他用地这6 大类；构建的Access格式土壤数据库，选用了世界协调土壤数据库HWSD(1:100 万)土壤类型栅格图；水文气象数据采用流域内7 个气象站的逐日温度、风速、相对湿度、太阳辐射、降雨等实测数据，以及2013 -2020 年三皇庙站洪水逐小时实测流量数据.

2.1.2 模型参数敏感性分析与评价标准

SWAT-CUP 程序用来为SWAT 模型提供参数的敏感性分析，模型的校准、验证和不确定性分析.本文采取SWAT-CUP 程序的SUFI -2 算法来进行参数的最优估计.SUFI -2 算法通过LH -OAT 拉丁超立方体随机采样法抽取一组随机参数带入SWAT 程序进行目标函数的计算. 通过Global 与One - at - a -time 两种方式实现模拟参数的敏感性分析.

为判断模型的模拟效果，分别选取了纳什系数NSE 和确定性系数R2两个评价指标作为模型精度判断依据.其计算公式为:

式中:Qs，i代表的是实测流量，单位为 m3/s； Qm，i代表的是模拟流量过程，单位为m3/s；Q-s 代表的是实测流量平均值，单位为m3/s ；Q-m 代表的是模拟流量过程的均值，单位为m3/s；n 代表的是实测数据个数.纳什系数NSE 和确定性系数R2越靠近1 时，表示模拟结果越精确，当R2≥0.5，NSE≥0.5 时表示模拟结果可接受，当R2≥0.7，NSE≥0.7 时表示模拟结果比较准确.

3 结果分析

3.1 SWAT 模型参数率定与验证

基于DEM 生成流域河网水系并对子流域进行划分，以三皇庙站作为流域出口断面，将沱江上游流域划分成47 个子流域，并将子流域内土地利用、土壤、坡度类型的面积阈值均设置成10%，划分出338 个水文相应单元HRUs.本文以三皇庙站2013 -2018 年共6 场洪水作为率定期模拟对象，选取了SWAT 模型中洪水率定常用的11 个参数[13-15]，使用SWAT -CUP程序分析参数敏感性并自动进行参数率定，最终率定参数取平均值结果如表1 所示.由表1 可以看出，SCS径流曲线系数CN2、主河道曼宁系数CH＿N2、基流消退系数ALPHA＿BF 等参数为敏感参数.

表1 参数敏感性分析和率定结果Table 1 Parameters sensitivity analysis and calibration results

率定期2013 ～2018 年6 场洪水中包括了量级不同的洪水，单峰和复峰洪水，通过率定这些场次洪水获得的参数更具有代表性，逐场次率定此6 场洪水的参数，模型最终推荐参数取历年洪水率定参数之平均值.验证期选用2019 ～2020 年共3 场洪水，其中2020年包含“20200812”和“20200817”两场大洪水. 金堂三皇庙站SWAT 模型模拟验证的精度评价结果如图2 所示.从图2 中可以看出验证期历年模拟洪水过程线与实际洪水过程线形势基本符合，复峰洪水的洪峰流量模拟效果相比于单峰洪水的模拟效果稍差.由三皇庙站洪水模拟的率定期与验证期的纳什系数NSE与确定性系数R2的结果如表2 所示，从表2 可知率定期的R2与NSE 的值均大于0.73，验证期R2与NSE 的值均大于0.70，R2和NSE 的值均优于评价标准，表明本文构建的SWAT 模型能够模拟三皇庙水文站以上沱江流域的洪水过程.

表2 三皇庙站洪水模拟结果评价Table 2 Evaluation of flood simulation results at Sanhuangmiao Station

图2 三皇庙站验证期洪水模拟结果Fig.2 Flood simulation results ofSanhuangmiao Station during the verification period

3.2 SWAT 模型模拟结果分析

利用三皇庙站2013 ～2020 年共9 场洪水的洪峰流量、洪量和峰现时间的实测与模拟统计结果，结合《水文情报预报规范(GB/T22482 -2008)》中的洪水预报评价指标对模拟结果进行精度评定，其中洪峰流量、洪量的许可误差应在实测值的20%以内，峰现时间的许可误差需在预报根据时间至实际峰现时间之间的时长30 %以内，各评价指标的精度结果见表3.表中显示，率定期洪峰流量合格率为100 %，洪量合格率为83.3 %，峰现时间合格率为100 %，验证期洪峰流量合格率为100 %，洪量合格率为100 %，峰现时间合格率为100 %.模型在三皇庙水文站洪峰流量模拟达到甲级标准，洪量模拟达到乙级标准，峰现时间的模拟达到甲级标准.故模型的模拟结果可以用来金堂县城区的洪水组成规律分析.

表3 洪水预报精度评定表Table 3 Flood forecast accuracy evaluation table

3.3 金堂城区洪水组成分析

金堂县城区的洪水组成分析，主要是研究金堂县城赵镇沱江三河汇口处，北河、中河、毗河来水所占沱江干流洪水的比重情况.本文以三皇庙洪水模拟结果为依据，模拟输出三河汇口处北河、中河、毗河河口子流域的洪水过程，以洪量来统计干支流洪水组成占比情况，并结合暴雨中心分布对典型年洪水组成进行具体分析.

3.3.1 多年平均洪水组成

以三皇庙水文站洪水过程为依据，在SWAT 模拟输出结果中逐年统计2013 ～2020 年北河、中河、毗河河口子流域历年相应发生的时段洪水流量数据，得到三河汇口处洪水组成情况结果如表4 所示，表4 为历年洪水三条河河口最大洪量的占比情况，总体来说每场洪水的占比为北河洪水＞中河洪水＞毗河洪水，北河洪水占比最大的原因是上游有绵远河、石亭江、湔江来水汇合.同时每年洪水组成占比的差异，受暴雨中心的位置影响，暴雨中心位于北河上游时，北河洪水占比均超过70 %；暴雨中心位于中河毗河上游时，北河洪水占比则低于65 %，而中河毗河的洪水占比则会增大.

表4 历年洪水三条河洪水占比Table 4 The Historical flood proportion of the three rivers

三河汇口处每条河的占比情况如图3 所示.三河汇口沱江干流的洪水组成中，洪量多年平均情况为北河约占干流洪水的73.41 %，中河约占17.98 %，毗河约占8.61 %.其中北河的洪水是主要组成部分，中河来水在洪水组成中次之，洪水比重接近其集水面积之比；毗河的洪水组成比重最小.

图3 三河汇口洪水组成Fig 3 Flood composition at the Confluence of three rivers

3.3.2 典型年洪水分析

依据SWAT 模型模拟结果对三河汇口处北河河口、中河河口、毗河河口洪水遭遇情况进行分析，选取20130709、20180711、20200817 这三场典型洪水进行分析.依据《金堂县县城防洪规划》中三皇庙水文站设计洪水的计算结果，采用水文比拟法推算出三条支流河口处的设计洪水，各断面设计洪水结果见下表5:

表5 设计洪水成果表Table 5 Design flood results table

2013 年 7 月 9 日，三皇庙站发生了 20 ～ 50 年一遇的最大洪水，且为复峰洪水，最大洪峰流量达到7250 m3/s.根据模型模拟三条河河口洪水过程线如图4，北河河口 7 月 9 日 13 时洪峰流量达到4910 m3/s，洪峰量级相当于20 ～50 年一遇；中河河口7 月9 日15 时洪峰流量达到2 180 m3/s，洪峰量级大于100 年一遇；毗河河口7 月9 日17 时洪峰流量达到876 m3/s，洪峰量级小于2 年一遇；三条河同时发生洪水遭遇时，三皇庙洪水量级为20 ～50 年一遇.根据表4 中2013 年暴雨中心位于中河、毗河上游的都江堰市天马镇，造成中河洪水占比增大，北河与干流三皇庙站同频率.

图4 三河汇口处2013 年典型洪水过程Fig.4 Typical flood hydrograph atthe Confluence of three rivers in 2013

2018 年7 月11 日三皇庙站发生了较大洪水，且为复合型洪水，最大洪峰流量达到7 810 m3/s，相当于50 年一遇的洪水.三条河河口洪水过程线如图5，北河河口7 月11 日14 时洪峰流量达到5330 m3/s，接近50 年一遇；中河河口7 月11 日18 时洪峰流量达到 1 330 m3/s，相当于 5 ～10 年一遇；毗河河口 7 月11 日 17 时洪峰流量达到 1 200 m3/s，相当于 2 ～ 5 年一遇；2018 年洪水暴雨中心位置在广汉市三水镇，大暴雨主要分布在北河、中河、毗河支流的下游地区，由于平原区洪水为上游水文站与三皇庙站区间的洪水，因此2018 年洪水属于三河汇口处的平原区暴雨引发洪水.

图5 三河汇口处2018 年典型洪水过程线Fig.5 Typical flood hydrograph at the Confluence of three rivers in 2018

2020 年8 月17 日三皇庙站发生了本世纪最大洪水，8 月17 日 14 时45 分达到最大洪峰流量达到8 100 m3/s，重现期接近100 年一遇.根据模型模拟三条河河口洪水过程如图6，北河、中河、毗河洪峰在同一日内出现形成洪峰遭遇. 北河河口的洪峰达到6 350 m3/s，重现期大于100 年一遇，中河河口的最大洪峰为1 200 m3/s，重现期为2 ～5 年一遇，毗河河口的最大洪峰为420 m3/s，小于2 年一遇.由于2020 年暴雨中心、副暴雨中心位置分别位于北河上游什邡市师古镇，上游山区的绵竹市汉旺镇，上游水文站以下平原区洪量占50 %以上，形成山区洪水与平原区大洪水的叠加形成全流域型洪水，此次金堂城区洪水主要为北河来水造成的洪水.

图6 三河汇口处2020 年典型洪水过程线Fig.6 Typical flood hydrograph atthe Confluence of three rivers in 2020

综上所述，根据三皇庙站典型年洪水与北河河口、中河河口、毗河河口相应洪水的对比分析结果，结合场次暴雨中心分布位置得知，金堂县城发生大洪水主因是成都平原区暴雨洪水，如果再叠加上游山洪区暴雨洪水则可形成特大洪水，必定会对金堂造成洪水危害.

4 结论

为了从流域水循环，特别是洪水形成机理上研究金堂县城区的洪水组成规律，本文以三皇庙水文站以上沱江流域为研究对象，构建分布式SWAT 水文模型，对金堂县城区2013 -2020 年洪水进行模拟，初步获得了金堂县城区洪水组成的规律，主要结论如下:

①基于研究流域的建模数据资料，构建了分布式SWAT 模型，并利用SWAT -CUP 软件对模型参数进行率定及验证，结果表明，改进SWAT 模型能够有效模拟不同量级的场次洪水(确定性系数R2值均大于0.75，纳什效率系数NES 值均大于0.7)，具有较好的适用性.

②通过SWAT 模型对金堂县城区洪水进行的精细分析，模型获得了地区洪水的组成规律，在沱江上游干流的洪水组成中，北河的洪水是主要组成部分，中河次之，毗河的洪水占比最小. 洪水组成占比为北河约占73. 41%，中河约占17. 98%，毗河约占8.61%.

③三河汇口处，根据典型年三条河河口洪水的重现期分析结合暴雨中心分布位置，得到洪水遭遇的不同类型，全流域暴雨引发洪水影响远大于单纯山区洪水或平原区洪水.北河洪水的洪峰与洪量都是三条支流中最大的，因此在金堂城区防洪减灾中应重点关注北河河段.