四湖流域徑流及藍(lán)水綠水資源時(shí)空分布模擬

　　摘要：為了解四湖流域的水文特征及藍(lán)水綠水資源時(shí)空分布，通過水系概化、子流域劃分、總出口概化、湖泊概化，完成 SWAT 模型構(gòu)建，采用 SUFI-2 算法分析了模型參數(shù)的敏感性，基于決定系數(shù) R 2、Nash-Sutcliffe 效率系數(shù) ENS 與相對(duì)誤差|Re|評(píng)價(jià)了模型的有效性。研究結(jié)果表明：(1)對(duì)四湖流域徑流模擬影響最大的參數(shù)是 ALPHA_BF (基流 α 系數(shù))、 GWQMN (基流判定系數(shù))、CH_K2 (河道水力傳導(dǎo)系數(shù))、CN2_AGRL (SCS 曲線系數(shù)(耕地))、CH_N2 (主河道曼寧系數(shù))和 SOL_AWC (土壤層含水率參數(shù))，表明地下水模塊參數(shù)和河網(wǎng)概化參數(shù)對(duì)四湖流域水文過程影響較大;(2)月徑流模擬過程與實(shí)測(cè)水文過程擬合較好，率定期和驗(yàn)證期 R 2與 ENS 分別為 0.75、0.72 和 0.69、0.63， |Re|均在 5%以內(nèi)，均達(dá)到令人滿意的結(jié)果;(3)四湖流域綠水資源量年度變化相比藍(lán)水資源更為穩(wěn)定，降雨量與藍(lán)水資源呈正相關(guān)性，在空間上藍(lán)水資源分布較為均勻，綠水資源分布呈現(xiàn)西北部和東南部多，中部少，綠水系數(shù)與綠水資源分布特征相似，降雨量對(duì)藍(lán)水資源空間分布影響較大。

　　關(guān)鍵詞：四湖流域;SWAT 模型;參數(shù)敏感性;徑流模擬;藍(lán)水綠水

　　尹述政; 許峰; 王文薈; 霍雯蓉; 黃運(yùn)新 環(huán)境工程 2021-12-17

　　0 引 言

　　土壤和水評(píng)價(jià)工具(SWAT)是模擬、分析和預(yù)測(cè)流域水文過程的重要工具[1]。SWAT 模型是一個(gè)連續(xù)時(shí)間、半分布式、基于過程的流域模型，可用于地表徑流、泥沙流失、污染物遷移等水文水質(zhì)過程模擬，是我國(guó)流域水環(huán)境模擬的常用模型之一[2-5]。已有研究表明，SWAT 模型既能用于山地、丘陵等地勢(shì)起伏較大、分水嶺明顯的流域，也能用于地勢(shì)較為平坦的平原流域，但由于平原地區(qū)地勢(shì)平坦，流域邊界和子流域邊界難以直接通過數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)進(jìn)行識(shí)別，從而造成模型精度降低[6]。除此之外，平原不存在明顯的產(chǎn)匯流特征，為了保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和湖泊等水利工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常采用涵洞或電排站進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變了自然的匯流過程，對(duì) SWAT 模型的應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)[7]。

　　已有研究表明，SWAT模型用于模擬平原流域時(shí)，具有一定不確定性[6]。BRITTA SCHMALZ 等[8]通過對(duì)平原小流域模擬分析，發(fā)現(xiàn)其流域內(nèi)水文過程受到地下水、湖泊等影響較大。 Turcotte 等[9]在平原灌區(qū)利用基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系劃分方法解決了基于原始 DEM 提取水系與實(shí)際水系不相符的問題。李蔚等[10]在東江流域通過對(duì)水電站水量調(diào)度研究，改進(jìn)原有水庫算法，與原有水庫算法對(duì)比，達(dá)到了更好的模擬效果。SWAT 模型在平原流域多用于探索模型適用性、地表徑流模擬等方面，對(duì)平原流域水資源時(shí)空分布研究較少。 Falkenmark[11]在評(píng)價(jià)水資源規(guī)劃與管理創(chuàng)新中提出藍(lán)水、綠水的概念，藍(lán)水是指降雨產(chǎn)生的地表徑流和地下水滲流，綠水是指實(shí)際蒸散發(fā)量和土壤中的水分。Yuan 等[12]對(duì)洱海盆地流域氣候變化對(duì)藍(lán)水綠水的空間分布影響進(jìn)行了研究，但平原流域藍(lán)水綠水資源時(shí)空分布研究尚不多見。

　　四湖流域?qū)倨皆饔颍靥幗瓭h腹地，是長(zhǎng)江中游重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和蓄洪區(qū)。到目前為止，雖然已有針對(duì)四湖流域的地表徑流模擬的初步研究 [13]，但相關(guān)研究主要集中在氣候變化對(duì)地表徑流的影響。本研究利用水系概化、湖泊概化和總出口概化對(duì)四湖流域進(jìn)行 SWAT 模型構(gòu)建，分析水文徑流參數(shù)的敏感性，評(píng)估 SWAT 模型在四湖流域的徑流模擬，并在此基礎(chǔ)上探索藍(lán)水綠水資源時(shí)空分布，為進(jìn)一步分析四湖流域農(nóng)村面源污染打下基礎(chǔ)。

　　1 材料與方法 1.1 研究區(qū)概況

　　四湖流域地處于長(zhǎng)江中游、江漢平原腹地(112°00'E~114°00'E，29°21'N~30°00'N)，跨越荊州、荊門、潛江三市，因境內(nèi)原有洪湖、長(zhǎng)湖、三湖、白鷺湖四個(gè)大型湖泊而成名，后因自然因素和人為因素，造成四湖流域湖泊面積驟降，四湖流域現(xiàn)僅剩長(zhǎng)湖和洪湖，承擔(dān)防洪、供水、灌溉、生態(tài)保護(hù)等功能，水資源較為豐富，是湖北省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。本研究以四湖總干渠為主干流對(duì)四湖流域徑流特征進(jìn)行研究，研究區(qū)面積為 8850 km2，地形以平原為主，地勢(shì)自西北向西南呈緩傾斜，中部廣闊而平坦。四湖總干渠是匯集長(zhǎng)湖來水，接納兩岸洪澇漬水，經(jīng)過洪湖調(diào)蓄后，經(jīng)閘站進(jìn)入到東荊河或長(zhǎng)江。流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，四季分明，雨量充沛，年均降雨量約 1200 mm，汛期一般為 6~9 月;地下水資源豐富，但大部分為淺層潛水水質(zhì)，與地表水直接水力聯(lián)系。流域土地利用以耕地為主，面積為 6180 km2，主要種植農(nóng)作物以水稻為主。

　　1.2 數(shù)據(jù)來源及處理 1.2.1 數(shù)據(jù)來源

　　SWAT 模型數(shù)據(jù)庫所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程數(shù)據(jù) DEM、土地利用類型數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及水文數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)類型及來源見表 1。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建所需柵格數(shù)據(jù)需采用相同坐標(biāo)系，根據(jù)模型需要，本研究采用 WGS1984 地理坐標(biāo)系，并在 WGS_1984_UTM_Zone_49N 投影坐標(biāo)系下統(tǒng)一進(jìn)行投影變換。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)處理

　　四湖流域 DEM、土地利用類型、土壤類型如圖 1、圖 2、圖 3 所示。由于平原流域水系復(fù)雜，產(chǎn)流匯流人為影響較大，其與自然流域具有較大差別[14,15]，并且多為人工河道，支流與干流之間多以涵閘或抽排站連接，流域內(nèi)湖泊水位達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，通過電排站人為將湖泊中的多余水量排除[16]。本研究采取 DEM 劃分流域邊界與基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系劃分相結(jié)合的方法，以預(yù)處理流域邊界圖為掩膜文件、流域水系圖層為預(yù)處理數(shù)據(jù)，采用基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系劃分方法對(duì)研究區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行提取，并結(jié)合流域的實(shí)際調(diào)研，對(duì)水系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終將流域分成 35 個(gè)子流域。為了更好符合實(shí)際流域狀況，本研究將流域內(nèi)的 4 個(gè)出口概化成流域總出口(圖 1)，以 4 個(gè)出口電排站排水量總和作為總出口排水量(簡(jiǎn)稱為實(shí)測(cè)值)。根據(jù)湖北省水文水資源局和相關(guān)文獻(xiàn)[17]對(duì)流域湖泊水位的統(tǒng)計(jì)與分析，本研究采用目標(biāo)庫容法估算出水量，將不同時(shí)期湖泊蓄水量作為水庫目標(biāo)水庫蓄水量，湖泊蓄水量根據(jù)不同時(shí)期湖泊水位進(jìn)行估算，具體蓄水量如表 2 所示。

　　研究區(qū)土地利用類型有耕地、林地、水系、草地、建設(shè)用地、交通用地、混合濕地，其中耕地所占面積最大，約為總面積的 70%，其次為水系，約在總面積的 18%，其余種類面積均在 5%以下，其中林地分布較為集中，主要分布為四湖總干渠上游，其他 4 種土地利用類型分布分散，對(duì)流域影響較小，見圖 2。土壤類型共 21 種，其中潛育灰壤所占比最大，約為總面積的 26%，其次為水淋溶土、普通灰壤、不飽和始成土、松軟潛育土和普通灰色森林土，所占比例分別為 13%、8%、7%、7%、5%，其他土壤類型所占比例為 5%以下，見圖 3。土壤物理性質(zhì)通過土壤數(shù)據(jù)集或者 SPAW 軟件進(jìn)行查詢和計(jì)算，最終設(shè)置土地利用類型面積閾值、土壤類型閾值和坡度閾值為 5%，最終將流域分成 848 個(gè)水文響應(yīng)單元。

　　1.3 研究方法 1.3.1 模型評(píng)價(jià)方法

　　本研究選取確定系數(shù) R 2、Nash-Sutcliffe 效率系數(shù) ENS 和相對(duì)誤差|Re|作為模型參數(shù)率定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，R 2 和 ENS 越接近于 1，模型模擬結(jié)果越好，一般認(rèn)為 R 2>0.6，ENS>0.5 和|Re|<20% 時(shí)，模型模擬基本滿足實(shí)際情況[18,19]。其計(jì)算公式如下：