淮河上游產沙模擬研究

鄒宏榮,王　燁,陸國賓,李瓊芳,張　弘,虞美秀,陳蕓蕓,閆方秀

(1. 河海大學水文水資源學院, 江蘇 南京　210098;2. 河海大學國際河流研究所,江蘇 南京　210098;3. 河海大學水利水電學院, 江蘇 南京　210098)

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淮河上游產沙模擬研究

鄒宏榮1,2,王燁2,3,陸國賓1,2,李瓊芳1,2,張弘1,2,虞美秀1,2,陳蕓蕓1,2,閆方秀1,2

(1. 河海大學水文水資源學院, 江蘇 南京210098;2. 河海大學國際河流研究所,江蘇 南京210098;3. 河海大學水利水電學院, 江蘇 南京210098)

摘要：以淮河上游息縣水文站以上流域為研究區域,將基于網格(1 km×1 km)的新安江模型與土壤侵蝕概念模型集成,構建基于網格的淮河上游泥沙負荷模擬模型,以日為時間尺度,利用息縣水文站2000—2008年實測降雨、徑流和含沙量等資料,模擬計算得到息縣水文站以上流域的泥沙負荷。結果表明,建立的泥沙負荷模擬模型能有效模擬淮河流域產沙過程,且模擬精度較高。研究成果可為淮河上游水土流失治理提供依據,也為其他流域的水土流失模擬提供借鑒。

關鍵詞：淮河上游;土壤侵蝕；含沙量；新安江模型;泥沙負荷

隨著人口的急劇增加和科學技術水平的提高,人類正以空前的速度和規模改變著賴以生存的地球環境,地球上水的循環正在發生變化,并引發了一系列環境和生態劣變,如水土流失加劇、水環境惡化、土地荒漠化等,對人類的生存和社會的發展構成了極大的威脅。以我國水土流失為例,2000年水土流失給國家帶來的經濟損失至少在2 000億元以上,相當于當年全國GDP的2.25%。因此,水土流失的治理已成為世界各國的重要課題,很多專家學者開展水土流失治理相關方面的研究,包括水土流失模擬。國外已有很多模型對流域水土流失進行預測,具有代表性的有美國農業部提出的SWAT[1-2]模型 (該模型主要應用于水土流失及面源污染模擬、預報)。近年來,美國農業部又提出新一代水蝕預測模型 (WEPP)[3],這是一個土壤侵蝕的物理模型。我國許多學者在流域水土流失方面也開展了大量的研究工作,具有代表性的模型有包為民[4]提出的具有物理概念的土壤侵蝕模型。但是，將廣泛應用于我國降雨徑流模擬的新安江模型與泥沙侵蝕概念模型進行集成,來模擬流域水土流失過程,這類研究還有待深入。

據《淮河上游水土保持規劃》,淮河流域多年的平均土壤侵蝕量為1.58億t,水土流失面積為20.1萬km2,其中上游地區的多年平均侵蝕量為1.08億t,占全流域土壤侵蝕量的68.4%。因此,開展淮河上游產沙模擬研究十分必要。筆者選擇淮河上游息縣水文站以上流域為研究區,將新安江模型與土壤侵蝕概念模型進行集成融合,構建基于網格的分布式泥沙負荷模擬模型,根據2000—2008年實測日降雨、日徑流和日含沙量等資料,對流域徑流量、泥沙負荷時空變化全過程進行模擬,旨在為淮河上游水土流失治理提供依據,為其他流域的水土流失模擬提供參考。

1　泥沙負荷模擬模型構建

1.1產水模擬

本文采用基于網格(1 km×1 km)的新安江模型[5],以3層蒸散發模型計算蒸散發量,以網格作為計算單元[4]進行產流計算,以“先演后合”的匯流計算方法進行匯流演算。坡面匯流采用線性水庫法,在計算河道匯流時,將流域劃分為25個子流域,將各柵格單元在子流域出水口的總流量按照基于匯流系數的洪水演算法演算至大流域出口,然后在大流域出口斷面進行產流和匯流的疊加,最終得到出口斷面的流量過程[6]。

1.2泥沙負荷模擬模型的構建

1.2.1產沙模型[7]

根據產沙機制的差異,將流域產沙概化成坡面產沙與溝道產沙,則流域產沙量S為坡面產沙量和溝道產沙量之和:

(1)

式中:SS為坡面產沙量；SG為溝道產沙量；SSi為i時段坡面產沙量;SGi為i時段溝道產沙量;N為時段數;ΔT為時段長。

坡面產沙方程為

(2)

式中:SC為坡面水流挾沙能力;REM為流域平均的抗侵蝕能力;REMM為流域最大的抗侵蝕能力;BS為抗侵蝕能力分布曲線指數;CM為全流域坡面水流的最大可能含沙量,可取常數,也可取變數,主要取決于坡面水流因素變化幅度的大小;R為全流域坡面平均水流深度;A為全流域坡面面積;REC為土壤的抗侵蝕能力;α為抗侵蝕能力小于REC的面積比值;α0為抗侵蝕能力為0的面積比。

溝道產沙量可表示為

(3)

根據拜格諾的河道水流懸移質泥沙公式[8]來推求CG的概念性表達式從而得到SG的表達式:

(4)

式中:CG為溝道水流含沙量;Q為溝道水流流量;CGM為平均溝道產沙濃度;LQ為 ln(Q+1)的時間平均值;BV為常參數。

1.2.2匯沙模型

泥沙的運動是建立在水流運動之上的,而水流中的泥沙含量又能夠影響水流的速度,進而影響水流的運動,二者是相輔相成的。因此,參考流域水流的匯流模型,建立流域匯沙模型。匯沙包括坡面匯沙與溝道匯沙兩個部分。坡面匯沙和溝道匯沙與水流相似,也存在著泥沙平衡方程和泥沙蓄泄關系。

泥沙平衡方程為

(5)

泥沙蓄泄方程為

(6)

將式(1)進行差分并代入式(2),可得到坡面匯沙方程:

(7)

溝道匯沙方程考慮到河道內泥沙的沖刷和淤積,因此仿照水流分段馬斯京根法可得:

(8)

其中

式中:WS為泥沙蓄量;IS為坡面時段產沙量;IS1、IS2分別為坡面時段1和時段2的產沙量;So為坡面時段出沙量;So1、So2分別為坡面時段1和時段2的出沙量;KS為坡面的匯沙時間;CSS為匯沙系數;Sg1、Sg2分別為溝道時段1和時段2的出沙量；Ig為溝道時段產沙量；Ig1、Ig2分別為溝道時段1和時段2的產水得；b0、b1和b2均為過程系數;KES為河段內的泥沙傳播時間;XES為泥沙比重系數。

1.3產水與產沙模型的集成融合

河道泥沙演算方程中需要輸入河道流入斷面和流出斷面的流量,筆者將把基于網格(1 km×1 km)的新安江模型模擬計算的流量作為河道泥沙演算方程中的河道流入斷面和流出斷面的流量,從而實現泥沙負荷模擬模型與新安江模型的集成與融合。

2　泥沙負荷模擬模型在淮河上游的應用

2.1研究區域概況

淮河流域地處我國南北氣候過渡帶,特殊的過渡性氣候和大規模人類活動對地表的強烈擾動,造成了嚴重的水土流失。研究區息縣(圖1)以上流域位于東經113°15′～114°46′,北緯31°31′～32°43′,流域面積為10 190 km2,多年平均水面蒸發量800～1 000 mm,多年平均降水量800～1 400 mm,多年平均徑流深約371 mm。流域內主要土地利用類型是旱地、林地、水田和灌木叢。對淮河息縣水文站1964—2008年的泥沙資料進行分析,發現年水土流失量主要取決于汛期月份降雨量和暴雨出現次數,泥沙負荷汛期(6—9月)占全年的63.4%。以水土流失為載體的面源污染已成為流域上游主要水源區水質污染的重要來源,危及流域水安全與流域生態系統健康。

圖1　研究區域

2.2資料處理

研究所需數據資料包括地形、土地利用、水文、氣象等方面的資料,數據來源與處理方法是:①采用地圖投影對模型中輸入的所有空間數據的坐標系統進行統一,考慮到研究區域屬于中高緯度地區,采用在該地區變形很小的等角橫軸割圓柱投影[9],即UTM,Universal Transverse Mercator投影。②地形資料選用美國國家地球物理中心提供的、全球分辨率為1 km×1 km的數字高程數據,運用ArcGIS軟件中的掩膜工具,結合流域形狀圖,切割得到研究流域的數字高程圖。③土地利用類型空間分布及面積比例的確定,采用中國科學院提供的2 000 s分辨率為1 km×1 km的土地利用圖,結合流域邊界,切割得到研究流域2 000 s的土地利用圖。

2.3 模型率定和檢驗

選定2000—2005年為率定期、2006—2008年為檢驗期,以日為時間尺度對新安江模型和泥沙負荷模擬模型分別進行率定和檢驗。參數率定結果和模型模擬結果分別見表1～2和表3～4。

表1　息縣流域新安江模型參數率定結果

表2　息縣流域泥沙模擬參數率定結果

2.4結果分析

表2中各參數的敏感性分析采用比較函數對各參數的敏感度[10]進行分析的方法。本文主要列出CM和CGM的敏感性分析圖(其余參數經分析后不敏感,故此處不列出),見圖2。由表2可知,流域坡面水流最大可能含沙量CM=0.17 kg/m3,平均溝道產沙濃度CGM=0.6 kg/m3。由圖2可知這兩個參數的敏感性很強,其微小的改變都能夠對結果產生較大的影響,且敏感性隨著參數的增大而增大,因此,調整參數時要特別注意這兩個參數。

表3　息縣流域日徑流模擬結果

表4　息縣流域泥沙日模型模擬結果

圖2　CM和CGM敏感性分析

由表4可知,在率定期與驗證期模型模擬的年輸沙量的相對誤差基本都在20%以內(除2001年以外),確定性系數基本都在0.5以上(除2001年以外)。分析其原因,首先是2001年的降水量僅568.9 mm,小于研究區域多年平均降水量800～1 400 mm,屬于來水量較枯年份,在無人類活動對流域進行破壞干擾的前提下,人類對流域每年的需水量相對穩定,但2001年屬于來水量較枯年份,在扣除人類的需水量后,來水量更少了,而流域的泥沙運動是建立在水流運動之上的,所以實測輸沙量也相應較小,僅0.9萬t,遠遠小于其他年份(流域多年平均輸沙量為150萬～200萬t),因此其相對誤差較大,確定性系數較小,屬于模擬效果較差的年份,其他年份的模擬結果都能夠滿足精度要求(相對誤差在20%以內,確定性系數大于0.5)。

由圖3可知,模型模擬的相關系數為0.98,二者呈強正相關性,表明數據的規律比較可靠,故其日尺度的泥沙負荷模擬可滿足泥沙模型的精度要求。

圖3　泥沙模擬相關性分析

圖4　息縣以上流域2000、2006、2008年模擬與實測的日輸沙量過程線

在本模型中設為常數,但在實際情況下,降雨強度能影響CM值的大小,降雨強度較大的時候,相應的CM值也相應較大,降雨強度與CM之間呈非線性關系。此外,比較表3和表4可知,泥沙模擬結果差于徑流模擬結果,這是因為泥沙模擬是建立在徑流模擬的基礎之上的,徑流模擬的誤差在泥沙模擬時得到了放大,因此泥沙模擬相對誤差會比徑流模擬相對誤差大。

3　結　語

將新安江模型與土壤侵蝕概念模型進行集成與融合,構建了基于網格的淮河上游泥沙負荷模擬模型，并模擬了淮河上游息縣水文站以上流域的泥沙負荷變化過程。研究結果表明,模型參數除CM和CGM比較敏感外,其余參數皆不敏感;在率定期與驗證期模型模擬的年輸沙量的相對誤差基本都在20%以內(除2001年以外),確定性系數基本都在0.5以上(除2001年以外),模型模擬的輸沙量與實測輸沙量的相關系數為0.98,二者呈強正相關性。可見,日尺度的泥沙負荷過程模擬效果較好,可用于該地區的產沙過程模擬,也可為其他地區的產沙負荷模擬提供參考,為流域水土流失治理和科學資源開發利用提供一定的依據。

參考文獻：

[1] NEITSCH S L, ARNOLD J G, KINIRY J R, et al. Soil and water assessment tool user’s manual version 2000[J]. GSWRL Report, 2002, 202：22-26.

[2]王中根,劉昌明,黃友波.SWAT模型的原理、結構及應用研究[J].地理科學進展,2003,22(1):79-86.(WANG Zhonggen,LIU Changming,HUANG Youbo.Principle,structure and application of SWAT model[J]. Journal of Geographical Science, 2003, 22 (1): 79-86. (in Chinese))

[3]張玉斌,鄭粉莉,賈媛媛.WEPP模型概述[J].水土保持研究,2004,11(4):146-149.(ZHANG Yubin,ZHENG Fenli,JIA Yuanyuan.Summary of WEPP model[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2004, 11 (4): 146-149. (in Chinese))

[4]包為民.水文預報[M].3版. 北京:中國水利水電出版社,2006.

[5]姚成.基于柵格的分布式新安江模型構建與分析[D].南京:河海大學,2007.

[6]李瓊芳,謝偉,薛運宏,等.新安江模型在土壤侵蝕模擬中的應用[J].水電能源科學,2010, 28(3): 11-13.(LI Qiongfang,XIE Wei,XUE Yunhong,et al.Xin’anjiang model in the application of soil erosion simulation[J]. Water Research and Power, 2010,28 (3): 11-13. (in Chinese))

[7]包為民.黃土地區流域水沙模擬概念模型與應用[M].南京:河海大學出版社,1995.

[8]BRUNASH J C,FERRAL R L,MCGUIRE A,et al.A generalized streamflow simulation system:conceptual modeling for digital computers[R]. Sacramento,CA:Joliet Federal State River Forecasts Center,1973.

[9]莊衛東,汪春.精準農業中 UTM 投影及反算應用研究[J].黑龍江八一農墾大學學報, 2005, 17(3): 47-50.(ZHUANG Weidong,WANG Chun.Studies on the UTM projection and it’s inverse calculation in the precision agriculture[J].Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2015,17(3):47-50.(in Chinese))

[10]李毅,邵明安,王文焰,等.土壤非飽和導水率模型中參數的敏感性分析[J].水科學進展,2003,14(5):593-597.(LI Yi,SHAO Ming’an,WANG Wenyan,et al.Unsaturated soil hydraulic conductivity the sensitivity analysis of parameters in the model[J]. Advance in Water Science, 2003, 14 (5): 593-597.(in Chinese))

由于篇幅有限,圖4只列出2000年、2006年和2008年的模擬與實測的日輸沙量過程線。由圖4可以看出,模型模擬的計算輸沙量存在一個普遍現象,即主峰值上不去。分析其原因,可能是因為參數CM(坡面水流最大含沙量,隨著坡面水流流速的變化而變化)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.013

基金項目:國家自然科學基金(41171220);長江學者和創新團隊發展計劃資助(IRT13062);水利部公益行業經費項目(201001069,201101052)

作者簡介:鄒宏榮(1990—),男,碩士研究生,研究方向為生態水文及水環境保護。E-mail: 453551965@qq.com 通信作者:李瓊芳,教授,博士生導師。E-mail:qfli@hhu.edu.cn

中圖分類號：TV143+.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0080-04

(收稿日期：2015-07-09編輯：彭桃英)

Simulation of sediment yield in upper reaches of Huaihe River

ZOU Hongrong1,2, WANG Ye2,3, LU Guobin1,2, LI Qiongfang1,2, ZHANG Hong1,2,YU Meixiu1,2, CHEN Yunyun1,2, YAN Fangxiu1,2

(1. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.InstituteofInternationalRiversResearchAcademy,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：This study was carried out in the basin located above the Xixian Hydrological Station in the upper reaches of the Huaihe River. A grid-based (1 km×1 km) Xin’anjiang model was coupled with the conceptual model of soil erosion to build the sediment load simulation model for the upper reaches of the Huaihe River. Using the daily measured data of rainfall, runoff, and sediment concentration at the Xixian Hydrological Station from 2000 to 2008, the sediment load in the basin above the Xixian Hydrological Station was calculated. The results show that the built model can be effectively used to simulate the sediment yielding process in the Huaihe Basin, and the model has high precision. This study provides a scientific basis for the control of water loss and soil erosion in the upper reaches of the Huaihe River and provides references for the simulation of water loss and soil erosion in other basins.

Key words：upper reaches of Huaihe River; soil erosion; sediment concentration; Xin’anjiang model; sediment load