基于分项调查法和SWAT模型的水资源评价方法

王延旋, 胡铁松, 王镜淋, 吴凤燕, 王 欣

(1.武汉大学 水资源工程与调度全国重点实验室, 湖北 武汉 430072; 2.湖北省水利水电科学研究院, 湖北 武汉 430072)

1 研究背景

水资源评价是水资源规划和管理的基础性工作,具有一致性的长系列径流过程是开展水资源评价的重要基础[1-2]。但随着取用水规模的扩大、人类建设活动的干扰以及气候变化的影响,水文系统的稳定性发生了改变[3-5],水文站断面实际观测的河川流量与天然状况相比存在一定偏差,径流资料系列的一致性受到破坏[6-9]。因此还原人类活动的影响,得到现状下垫面条件下的长系列天然径流系列对合理评价水资源具有重要价值。

为了考虑大坝、水库等水利工程的影响,Fantin-Cruz等[10]和Tongal等[11]根据水文观测数据由水位-库容关系曲线计算水库蓄水量变化,利用气象资料对水库净蒸发率进行评估得到蒸发损失。国内有学者依据水位-渗漏量关系曲线,根据实测水位计算渗漏量,由建库前后陆面蒸发和水面蒸发计算增加的蒸发量[12]。对于农业、工业以及生活用水,一般有两种计算方法[13],当引、退水资料完整时,利用引水量减掉退水量推求行业耗水量;若实际资料缺乏,通常采用定额法结合行业耗水率[14]或回流系数[15]计算各项耗水量。在土地利用和土地覆盖变化的影响下,为进一步得到一致下垫面条件下的天然径流系列,国内外学者通常采用修正系数法、神经网络和水文模型等方法进行一致性修正[16-21]。牛最荣等[22]利用修正系数分析了洮河流域天然径流变化规律,但采用修正系数法难以反映水文的渐变过程;岳斌等[23]考虑不同组合形式的径流影响因素,利用LM-BP神经网络(back propagation neural network based on Levenberg-Marquard algorithm)建立预测模型对天然径流进行一致性修正,而该方法需要大量训练数据,且机理性较弱;陈佳蕾等[24]利用受人类活动影响较小的子流域径流数据率定SWAT(soil and water assessment tool)模型,借助参数延展进行全流域长系列地表水资源量计算,但该方法对参数率定的数据要求较高,近似天然的流域或时段往往较难找到;Nobert等[25]通过输入不同年份土地利用条件,利用SWAT模型分析土地利用和土地覆盖变化对瓦米河流域(Wami River Basin)地表径流和基流的影响,但该研究将实测流量数据用于模型率定和验证,忽略了人类取用水活动对径流的影响。

本文以浠水流域为研究区域,首先采用分项调查法对流域内3个水文站的径流数据进行还原,在此基础上利用与现状下垫面条件相近年份的还原数据率定SWAT模型参数,进而根据历史气象资料进行流域长系列径流模拟计算,并对来水成果的合理性进行分析。该研究减少了对实际水文观测资料系列长度的要求,克服了天然径流还原过程对修正系数的依赖,且物理机制明确。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

浠水流域位于湖北省东部,地处东经115°04′～116°04′,北纬30°12′～31°09′之间,地形总体呈现为东北高、西南低,涉及黄冈市英山、罗田、浠水和蕲春4个县级行政区,流域面积共计2 803 km2。浠水为长江一级支流,其上游为东、西两条河流,经鄂东北山丘区和鄂东沿江平原汇入长江(图1)。流域属亚热带湿润季风性气候,气候温暖湿润,多年平均降水量为1 390 mm,雨量充沛,但时空分布不均[26]。

图1 浠水流域概况

流域内有白莲河水库、张家咀水库和红花水库等大中型水库(表1)以及150余座小型水库,水库在丰水期蓄水和泄洪、在枯水期补水的调蓄功能显著改变了河川天然降水-径流关系。此外,流域内有白莲河灌区、策湖灌区和匡河灌区等19处大中型灌区(表2),水利工程和农田灌溉规模较大。受经济社会快速发展、土地资源开发利用等因素影响,浠水流域土地利用格局发生了显著变化[27]。从1980和2020年的土地利用变化(表3)可以看出,浠水流域内耕地和水域面积减少,城乡建设用地面积显著增加,增幅为73.51%,林地面积基本保持稳定。综上所述,人类活动与下垫面变化显著改变了浠水流域的产汇流特征。

表1 浠水流域主要大中型水库信息

表2 浠水流域主要大中型灌区基本情况

表3 1980和2020年浠水流域土地利用类型占比 %

2.2 数据来源

浠水流域土地利用数据来自资源环境数据云平台(https://www.resdc.cn/),时间为1980和2020年,空间分辨率分别为1 km、30 m,通过重分类划分为4种类型(表3);数字高程数据(digital elevation model,DEM)来自美国宇航局提供的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数字高程数据库,空间分辨率为12.5 m;土壤类型数据来自全球土壤数据库(Harmonized World Soil Database,HWSD),空间分辨率为1 km;英山、浠水2个气象站1975—2020年的逐日气象数据来源于中国气象数据网,主要包括气温、降水、风速、大气压、相对湿度以及日照时数等;流域内13个雨量站以及白莲河、落令河、英山3个水文站1975—2020年逐日降水、流量数据收集于湖北省水利水电科学研究院。浠水流域气象站、雨量站及水文站站点分布如图2所示。

图2 浠水流域气象站、雨量站及水文站站点分布

2.3 研究方法

本文提出一种将分项调查还原法与SWAT水文模型相结合的水资源评价方法,首先通过分项调查还原法消除取、用、耗、排等人类活动的影响,将增加或损耗的水量进行还原(简称为“还原”)。在此基础上,为进一步消除不同下垫面的影响,利用与现状下垫面条件相近年份的还原后的径流数据构建SWAT模型,通过参数延展计算历史降水资料在现状下垫面条件下形成的天然径流过程(简称为“还现”)。为评价径流序列的一致性,本研究采用Mann-Kendall 检验法和降水-径流双累积曲线进行分析,具体方法分述如下。

2.3.1 分项调查还原法 由于人类活动的影响,流域的天然径流特性发生了变化,使实测资料不能真实地反映天然状态下径流的变化规律。如以地表水为水源的农业灌溉、工业生活用水以及水库水量调节直接影响了下游水文站控制断面的实测径流量。本文采用分项调查还原法,对水文站的实测径流按历年逐日进行还原,计算公式如下:

W天然=W实测+W灌溉+W工业+W生活±W库蓄+

W库蒸±W跨流域引水±W分洪+W库渗

(1)

式中:W天然为还原后天然水量;W实测为水文站实测水量;W灌溉、W工业和W生活分别为灌溉、工业及生活耗水量;W库蓄为计算时段始末水库蓄水变量,增加为正值,减少为负值;W库蒸为水库水面蒸发量;W跨流域引水为跨流域引水量,引出为正值,引入为负值;W分洪为河道分洪水量,分出为正值,分入为负值;W库渗为水库渗漏水量,一般数值较小,可以不计。上述各项单位均为104m3。

若一个流域内有多个水文站,需按照“自上而下”的原则进行还原,此外根据水文站与水库之间距离的远近,各项的具体计算方法不同。当水文站与水库出口之间有一定距离,灌溉、供水和泄洪的退水均经过该测站时(位置关系如图3(a)所示),可按公式(1)计算还原后的天然水量。当水文站位于水库下游出口附近,灌溉、供水和泄洪的退水均不经过该测站时(位置关系如图3(b)所示),结合水库水量平衡方程,公式(1)可以写为:

图3 水文站与水库位置关系

W天然=R区间入流+W入库

(2)

W库蓄=W入库-W下泄-W灌溉引水-W供水引水-W泄洪-

W库蒸±W跨流域引水±W分洪-W库渗

(3)

W天然=W实测+W灌溉引水+W供水引水+W泄洪+W库蓄+

W库蒸±W跨流域引水±W分洪+W库渗

(4)

式中:W入库和W下泄分别为水库入库和下泄入河道的水量;R区间入流为水库和水文站之间的区间入流水量;W灌溉引水和W供水引水分别为从水库引水进行灌溉和工业、生活供水的水量;W灌溉退水和W供水退水(图3)分别为考虑耗水之后的灌溉退水和工业、生活退水量;W泄洪为水库向下游泄洪的水量。上述各项单位均为104m3。

2.3.2 SWAT水文模型 SWAT模型是由美国农业部开发的一套具有很强物理机制的适用于复杂大流域的水文模型[28]。模型根据流域地形提取河网水系,进行子流域划分,根据子流域内土壤、土地利用、坡度等下垫面自然要素建立水文模型,可以在不同的时间尺度上进行产汇流计算。在模型中,下垫面各类要素的水文特性通过一系列具有物理含义的参数反映。

分项调查还原法在还原断面以上未实测到的水量时,只考虑了人工取用水和水利工程对径流的影响,其计算结果是历史下垫面条件下的天然径流,而非现状下垫面条件下的产流量。因此,为提高径流系列的一致性,利用现状下垫面条件下的分项调查还原成果结合SUFI-2(sequence uncertainty fitting-2)算法对SWAT模型进行参数率定和验证,选择Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)、决定性系数(R2)和Kling-Gupta效率系数(KGE)作为精度评价分析指标。

(1)Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)

(5)

(2)决定性系数(R2)

(6)

(3)KGE系数

(7)

式中:r为相关系数;σs为模拟值的标准偏差;σr为还原值的标准偏差;μs为模拟值的平均值;μr为还原值的平均值。KGE的范围为-∞～1,其值越接近1,表明模拟值与还原值之间的匹配程度越高。

2.3.3 一致性检验方法

(1)Mann-Kendall检验。Mann-Kendall(M-K)检验不要求样本服从一定的分布,也不受部分数据缺失的影响和少数异常值的干扰,可用于分析径流量随时间变化的规律[29-30]。设Q1,Q2,…,Qn为径流时间序列变量,n为样本数量,秩序列Sk被定义为:

(8)

(9)

假设时间序列变量间随机独立,构造统计量UFk:

(10)

式中:E(Sk)和Var(Sk)分别为Sk的均值和方差,计算方式如下:

(11)

(12)

统计量UFk呈标准正态分布,当显著性水平α=0.1时,置信区间为(-1.645, 1.645)。若UFk<0,表明序列呈下降趋势;反之,则呈上升趋势。若|UFk|>1.645,说明径流系列减少或增加趋势变化显著。将径流序列按照逆序排列后重复上述步骤,计算得到统计量UBk。绘制统计量序列曲线UF和UB以及临界值直线,若两条曲线在置信区间内出现交点,则该交点为时间序列突变点。

(2)降水-径流双累积曲线。双累积曲线法简单直观,在水文气象要素长期变化趋势分析中应用广泛[31-32]。为进一步进行一致性分析,根据水文站年径流量及水文站控制范围内面平均年降水量绘制年降水量-径流量双累积曲线,将累积降水量作为参考,通过累积径流量的变化趋势反映人类活动或环境因素等导致的下垫面变化对径流的影响。若曲线存在拐点,则表明拐点年份前后的降水量与径流量关系发生了变化。

3 结果与分析

3.1 分项调查还原法结果及分析

采用分项调查还原法对浠水流域的白莲河、英山、落令河3个水文站1975—2020年共46 a的逐日径流量进行计算。由于流域内无跨流域调水和分洪工程,因此不考虑W跨流域引水和W分洪。由图2可知,英山和落令河水文站距上游水库有一定距离,采用公式(1)计算水文站还原后的天然水量。而白莲河水文站位于白莲河水库出口附近,故采用公式(2)～(4)进行还原计算。对于白莲河水文站,根据水库实际引水资料计算W灌溉引水和W供水引水,而由于公式(2)～(4)中白莲河水库入库水量W入库并非天然水量,因此需考虑水文站控制范围内位于水库以上的灌溉耗水量以及工业和生活耗水量。

3.1.1 农业灌溉耗水量 由于引、退水资料缺乏,灌溉耗水量采用定额法计算。白莲河水文站位于黄冈市罗田县,英山和落令河水文站均处于黄冈市英山县内。根据逐日气象资料使用Penman-Montieth公式计算浠水流域内各县的逐日潜在蒸散发量(ET0);各县作物种植结构组成来自《黄冈市统计年鉴》,假定县内作物种植结构相同;灌溉制度及单种作物灌溉定额和相关参数均参照《湖北省灌溉用水定额修编》《湖北省农业用水定额》等相关文件选取,据此可求得各县的综合灌溉净定额;根据《2019年湖北省农田灌溉有效利用系数测算分析成果报告》和各县大中小型有效灌溉面积比例,计算灌溉水利用系数;依据水资源公报确定农业耗水率,最终计算得到灌溉耗水量W灌溉,见图4。由图4可知,由于耕地面积年际变化较大,导致农业灌溉耗水量波动较大,白莲河站多年平均农业耗水量为2 142.35×104m3,英山和落令河站分别为619.96×104m3、443.23×104m3。

图4 1975—2020年浠水流域3个水文站集水区农业灌溉、工业和生活耗水量变化

3.1.2 工业及生活耗水量 工业及生活耗水量采用定额法计算。以《湖北省黄冈市水资源公报》数据为参照,根据各县万元工业增加值用水定额,结合历年工业总产值计算工业需水;依据人均日用水量定额以及用水人口计算城镇和农村居民生活需水,结合耗水率得到工业及生活耗水量W工业和W生活,计算结果见图4。图4表明,随着工业化快速发展和人口增长,工业耗水量呈显著上升趋势,生活耗水量平稳增加。以白莲河站为例,2020年与1975年比较,工业耗水量由1.07×104m3增大至370.81×104m3,生活耗水量也增长了31.5%。

3.1.3 水库蓄变量和水库蒸发量 因流域内大中型水库较多,主要考虑了位于3个水文站集水区内的白莲河水库、张家咀水库和红花水库。依据水库实际运行资料,利用水位-库容关系曲线计算各水库逐日的库容蓄变量W库蓄。同时,库面蒸发是重要的耗水部分。本研究根据各县大中型水库日蒸发量和ET0得到水面蒸发系数,依据各水库水位与库面面积关系计算相应水位下的库面面积,进而计算得到水库蒸发耗水量W库蒸。

2015—2020年3个主要大中型水库逐年蓄变量与蒸发量见表4。由表4可以看出,受气象条件和降水丰枯变化的影响,各水库蓄变量和蒸发量年际变化幅度较大。

表4 2015—2020年浠水流域3个水文站集水区主要大中型水库年蓄变量与蒸发量 104 m3

3.1.4 长系列径流还原结果 根据上述逐项损耗水量计算结果,结合3个水文站的实测径流量,利用水量平衡原理采用公式(1)或公式(2)～(4)进行还原计算,得到各水文站长系列逐日径流还原值。白莲河、英山和落令河水文站多年平均实测径流量、还原后天然径流量如表5所示。

表5 浠水流域3个水文站多年平均实测与天然径流量

根据图2和表5可知,浠水流域落令河及英山水文站位于流域上游,集水面积较小,还原水量较小,占实测径流量的比例小于3%;而白莲河水文站位于流域中部,集水面积为1 697 km2,受人类活动以及水库调度的影响较大,还原水量较大,占实测径流量的比例为7%,因此本研究以白莲河水文站为例,点绘其年径流实测值和径流还原值的多年变化过程线,如图5所示,其中白莲河水文站1987及1998—2001年部分年内实测径流资料缺失,未进行绘制。从图5可以看出,浠水流域径流量年际变化幅度较大,且丰水年的还原水量较大。

图5 1975—2020年白莲河水文站径流量多年变化过程

为检验水文站还原结果一致性,首先采用M-K检验法进行分析,检验结果见图6。由图6可知,3个水文站UF统计量在1983—1999年间均位于0～1.645之间,年径流量呈增加趋势,但变化趋势不显著,其余年份UF统计量小于等于0(白莲河2001—2003年除外),年径流量呈下降趋势,且在部分年份统计量超过90%显著区间下限,下降趋势显著。此外,在90%显著区间内,白莲河水文站UF和UB序列曲线交点为1991和2005年,英山站和落令河站交点均为1989和2006年,表明水文站径流序列在这些年份发生了突变。进一步绘制年降水-径流双累积曲线(见图7)进行一致性分析,从图7可以明显看出,在研究时段内经分项调查还原后3个水文站均仍存在明显拐点,其中白莲河站出现拐点的年份为1991和2005年,英山站和落令河站均为1989和2006年,与M-K检验的结果一致。根据拐点年份绘制不同时期水文站年降水量-径流深关系曲线(见图8),可知还原结果一致性较差。

图6 1975—2020年浠水流域3个水文站M-K检验结果

图8 还原后1975—2020年不同时期浠水流域3个水文站年降水量-径流深关系曲线

不同年代降水量-径流量关系一致性较差的原因是多方面的,首先,可能是在长系列径流还原过程中,需要详实的水库运行资料,而本文在还原过程中仅考虑了3个水文站集水区内的白莲河水库、张家咀水库、红花水库3个主要大中型水库,且张家咀水库的资料系列为2003—2020年,红花水库的资料系列为2008—2020年,导致不同时期降水量-径流量关系存在较大差异。其次,分项调查还原过程未考虑浠水流域下垫面条件的变化,而近几十年下垫面受人类活动的影响发生了较大变化(表3),这也会对还原结果产生较大影响,从而导致降水量-径流量关系出现偏差。因此需要进一步通过SWAT模型进行径流还现,以修正径流系列的一致性,使河川径流计算成果能基本反映天然情况。

3.2 SWAT模型构建与验证

以2020年土地利用作为现状下垫面条件,对SWAT模型进行参数率定和验证。模型预热期为2008—2010年,率定期为2011—2017年,验证期为2018—2020年,所用数据为经分项调查还原后的逐日径流量。

3.2.1 子流域划分 利用DEM数据生成流域河网,通过设定面积阈值和指定流域的出口生成子流域并计算其相关参数,最终,将浠水流域划分为123个子流域,如图9所示。

图9 浠水流域子流域划分

3.2.2 参数率定与模型验证 基于浠水流域实际自然地理条件、参数敏感性分析和相关研究成果[33-35],选取SWAT模型提供的13个参数,各参数说明及取值见表6,率定期与验证期模拟效果见表7。由表7可以看出,日尺度上,率定期模型NSE、R2均在0.72及以上,KGE在0.60～0.86之间;由于验证期更接近现状下垫面条件,模型效果优于率定期,NSE、R2均在0.75以上,KGE在0.65以上,尤其是白莲河站,其验证期NSE达到0.91,R2达到0.93,说明SWAT模型的模拟结果具有较高精度。

表6 SWAT模型参数说明及取值

表7 SWAT模型率定与验证结果

图10为3个水文站率定期(2011—2017年)和验证期(2018—2020年)逐日流量还原结果及SWAT模型模拟结果,图中还显示了与相应时期水文站以上面平均降水量的对应关系。由图10可以看出,整体上逐日流量过程还原结果与SWAT模型模拟结果的趋势一致,但对应具体降水过程来看,二者的径流过程存在明显差异。如白莲河站2013年7月6日降水量为107.9 mm,相应还原流量值为1 717 m3/s,模拟流量值为711 m3/s;英山站2015年6月17日还原流量值约为模拟流量值的3倍。相较于同期相近水平降水的产流量,模拟值更符合天然降水-径流关系,其原因可能是在水文站附近小范围内产生了较大强度的降雨。如英山站2015年6月17—18日,实测流量从12 m3/s增加至589 m3/s,而模型输入降水量从58.25 mm增加至73.5 mm,导致模型模拟值小于实测值。

图10 率定期和验证期浠水流域3个水文站逐日流量还原结果及SWAT模型模拟结果

3.3 一致性修正与地表水资源量计算

在得到与现状下垫面条件相匹配的模型参数组合后(表6),以1975—2020年历史气象资料为输入,计算浠水流域在2020年土地利用下垫面条件下的长系列来水过程。

3.3.1 现状下垫面条件下水文站长系列径流分析 通过划分子流域时根据水文站位置事先添加的控制点,计算得到浠水流域内3个水文站的长系列来水过程。由表5可知,白莲河、英山和落令河水文站现状下垫面条件下的多年平均天然径流量分别为115 492.19×104、47 552.65×104、35 625.12×104m3,比还原后的多年平均天然径流量分别减少了6 361.43×104m3、1 895.59×104m3、823.66×104m3。分别根据分项调查还原法和现状下垫面条件计算得到的天然径流量绘制白莲河、英山和落令河水文站长系列年降水量-径流深关系曲线如图11所示。由图11中可以看出,经SWAT模型模拟得到的各水文站的降水量-径流深相关性显著增加,白莲河站决定性系数由0.79提高至0.90,英山站决定性系数由0.65提高至0.79,落令河站决定性系数由0.76提高至0.94。

图11 浠水流域3个水文站年降水量-径流深关系曲线

对各水文站1975—2020年SWAT模型径流模拟结果进行一致性分析,M-K检验结果见图12,降水-径流双累积曲线图见图13。图12相较于分项调查法还原得到的M-K检验结果(图6),各水文站统计量均位于90%置信区间内,表明修正后的径流序列无显著增大或减少趋势。此外图13所示各水文站降水-径流双累积曲线均无明显拐点,基本呈单一直线。根据3.1节径流还原结果的分析,浠水流域3个水文站径流还原后的降水-径流双累积曲线均存在拐点。作为对比,本节以相同拐点年份绘制不同时期水文站年降水量-径流深关系曲线,如图14所示。

图12 一致性修正后1975—2020年浠水流域3个水文站M-K检验结果

图13 一致性修正后1975—2020年浠水流域3个水文站年降水-径流双累积曲线

图14 一致性修正后1975—2020不同时期浠水流域3个水文站年降水量-径流深关系曲线

由图14可以看出,利用SWAT模型进行径流还现后,显著改善了下垫面变化对水文站年降水量与径流量之间关系的影响。如在年降水量为1 000 mm的条件下,白莲河站1975—1990年和2005—2020年两个时段还原成果的径流深偏差约为131 mm(图8(a)),而模拟成果的径流深偏差约为9 mm(图14(a)),偏差量相对还原成果减少了93%。此外,英山站、落令河站还原后不同时期降水量-径流深关系存在明显偏差,而还现成果中不同时期关系曲线之间偏差较小。因此,基于现状下垫面条件利用SWAT模型对浠水流域的降水产流进行模拟计算,显著改善了流域不同时期径流的一致性。

3.3.2 研究区地表水资源量评价分析 本研究区域涉及整个英山县以及罗田县、浠水县和蕲春县的部分区域。将SWAT模型模拟得到的各子流域产流过程汇总至县级行政区,计算出各县1975—2020年的径流系列,结果见表8。

表8 浠水流域各县多年平均地表水资源量计算结果

其数值与《湖北省第三次水资源调查评价成果报告》中给出的多年平均径流深变化范围“鄂东南年径流深600～1 200 mm,鄂东北400～800 mm”一致,计算结果具有一定的合理性,同时该结果表明在分项调查还原法的基础上,采用SWAT模型预测浠水流域水资源量具有可行性。

4 讨 论

当水文站上游存在人类影响时,观测到的流量是由自然过程和人类活动产生的。因此天然径流量无法直接测量,必须进行估算。本研究基于分项调查法和SWAT模型构建现状下垫面条件下的水资源评价方法,并对浠水流域进行实例研究。

首先,本文基于取水点、退水点与水文站的空间位置关系建立不同水量平衡方程进行径流还原,强调了“空间位置关系”在人类活动对水文循环影响中的重要作用。现有研究[14]通常笼统地将耗水量作为实际取水量的估计,增加了径流还原过程中的计算误差。其次,分项调查法和SWAT模型相结合显著改善了长系列天然径流的一致性,放宽了以往研究中分项调查法[13]对实际水文观测资料系列长度的严苛要求,同时消除了修正系数法[17]中对修正系数的依赖,提高了天然径流还原过程的科学严谨性。

另外,本文仍存在以下局限:在使用基于现状下垫面条件资料率定得到的参数模拟长系列天然径流时,虽然利用了历史气象资料,但忽略了中长期时间尺度上大气中CO2浓度变化对水文循环过程的影响。已有研究表明[36],CO2浓度升高会引起辐射强迫效应和改变植被生长,如植物气孔导度降低、叶面积增加。为了更准确、全面地估算流域的天然径流,未来需要加强流域尺度下的气候和生态系统过程研究,改善水文模型结构,以减少计算过程中产生的不确定性,为水资源管理和决策提供科学支撑。

5 结 论

在开展水资源量评价分析时,需考虑人类取用水活动、水利工程以及土地利用下垫面条件变化等因素对天然径流的干扰影响。本文基于分项调查法和SWAT模型提出了一种可进行现状下垫面条件下的水资源评价方法,以浠水流域为实例开展研究,得出以下结论:

(1)采用分项调查还原法对浠水流域内水文站的实测径流数据进行还原计算,还原后流域不同时期径流系列仍存在不一致性。

(2)以2020年土地利用为现状下垫面条件,基于各水文站2011—2020年径流还原后的逐日流量数据对SWAT模型进行了率定和验证,其中日尺度上模型NSE系数和决定性系数R2均在0.72及以上,KGE系数在0.60及以上,表明SWAT模型精度较高,用于模拟计算浠水流域现状下垫面条件下的来水具有较高可行性。

(3)将构建的SWAT模型应用于浠水流域1975—2020年长系列来水模拟计算,结果表明:径流还现后流域内各水文站年降水量-年径流深相关关系的决定性系数R2均达到0.79以上,相比基于分项调查法得到的径流还原结果,不同时期的降水-径流关系一致性得到显著改善。而且通过汇总各子流域的径流计算成果得到流域内各县1975—2020年长系列来水模拟结果,发现其多年平均径流深与现有研究成果一致,说明径流模拟准确性较高。

本文的研究结果表明,通过分项调查还原法和SWAT模型相结合可以有效模拟现状下垫面条件下的长系列来水过程,修正了复杂下垫面变化对径流的影响,显著提高了降水-径流关系的一致性,可以为进一步开展水资源评价、水旱灾害分析等工作提供科学支撑。