SWAT模型在小流域水土保持減流 減沙效益評價中的應用研究

(葫蘆島市南票區水利局，遼寧 葫蘆島 125000)

人類不斷的開發利用自然資源加重了各地區的土壤侵蝕和流失問題，因此，必須對土壤侵蝕和流失地區采取相應的水土保持措施以防止問題的進一步惡化[1]。在不斷總結經驗的前提下，形成了多種定量評價水土保持措施效益的方法。

SWAT模型是一種開放式的典型分布式水文模型，具有開放性、清晰性、簡便性、完整性、同時性等一系列優點，可用于模擬地下水、地表水的水質和水量情況，也可用于不同土地管理措施、土地利用方式以及不同土壤類型對流域水文、泥沙以及農業化學物質狀況的影響[2]。目前，已有專家學者將其應用于灌區效益評價以及流域面源污染時空分布方面的分析研究，對于SWAT模型在水文方面的應用推廣起到了一定的借鑒作用[3-4]。

郝臺子小流域是葫蘆島市建昌縣境內的一個小流域，為了防止和減輕流域地區的水土侵蝕和流失問題，多年來當地政府采取了多種水土保持措施以期能達到減流減沙、蓄水保土的效果。為避免傳統量化法對于評價水土保持措施效益的不足，本文擬采用SWAT模型對郝臺子小流域地區不同水土保持措施的減流減沙效益進行分析研究，以期能夠為類似小流域地區水土保持工作提供經驗借鑒。

1 研究區概況

郝臺子小流域位于葫蘆島市建昌縣西南部喇嘛洞鎮境內，流域面積約41km2，境內年平均降水量518mm，且多集中于7—9月，年徑流深為160mm，年平均溫度約為8.9℃；郝臺子共有3個自然村，共1205戶、6832人，人均耕地面積為0.24hm2,人均收入僅為2289元。目前，該流域水土流失面積已占總流域面積的50%以上，坡耕地面積、無工程果林、疏幼林、灌木林地以及荒山荒地等面積分別為584hm2、157hm2、493hm2、425hm2和422hm2。

2 SWAT模型構建和運行

2.1 數據庫的建立

由于SWAT模型是基于北美地區的氣候、土壤、植被數據為基礎的水文模型，在其他地區使用前需要將該地區數據轉化為模型需要的數據。?需要對郝臺子小流域進行分辨率為10×10m的DEM數據進行提取；?對該流域的土地利用數據進行統計分析，并建立相對應的代碼關系，見表1；?根據當地的土壤類型和水

表1 土地利用分類及對應代碼

文情況建立對應的土壤水文組和對應代碼，見表2；?統計分析當地的氣象數據資料。

表2 郝臺子小流域土壤水文組分類

2.2 模型運行

SWAT模型運行流程為：?運行SWAT模型之前，需要對郝臺子小流域進行流域劃分，得到該流域的水系分布情況；?在水系劃分基礎上，進一步生成水文的響應單元；?在水文響應單元依次生成后，將氣象、土壤等數據輸入模型；?通過分析水文氣象數據，初步選擇最為適合的模型模擬方法。SWAT模型運行流程見圖1。

圖1 SWAT模型運行流程示意圖

3 不同水土保持措施減沙減流效益評價

SWAT模型自帶高等耕作、帶狀耕作、水平梯田、保護性耕作、保護性作物輪作、河岸濾草帶等水土保持措施，能夠模擬這些措施下的減流減沙效果。利用模型進行水土保持效益評價還需要定義一個基準模擬期作為參考值，用來與設計情況(措施)的結果進行對比，因此，在采用具體措施時，需要對參數進行適當調整，本文擬采用水平梯田、保土耕作、封禁、果園4種水土保持措施進行模擬分析，其對應的參數調整見表3。

評價水土保持措施的減流減沙效益，仍采用絕對值來評定，即

AR=prepi-postPi

(1)

(2)

式中AR——采取措施前后差值；

RR——占比；

prepi——某一水土保持措施前的徑流量或者泥沙量；

postPi——采取某水土保持措施后的徑流量或者泥沙量。

表3 不同水土保持措施前后模型參數調整值

SWAT模型的出口斷面泥沙量主要包括坡面產沙和河道匯集沙量兩種，泥沙量的減少自然也應該包括坡面匯集量的減少和河道的沉積量，水文響應單元尺度是一種只跟水土保持措施相關的評價尺度，避開了復雜的計算情況，因而本文選擇以水文響應尺度為基礎進行定量評價。

輸入近年來當地的氣象、水文、土壤等數據，選擇SCS曲線法進行地表徑流量的模擬分析，采用偏正態分布法對降雨量進行模擬分析，選擇Penman-Monteith法對潛在蒸發進行模擬，選擇變動存儲系數模型對河道演算進行模擬分析，定量得到了4種水土保持措施下的減流減沙效果評價結果見圖2。采取各種水土保持措施后，該流域土壤侵蝕量年減少約3941t，比采取措施前減少了近40%，其中，水平梯田、保土耕作、封禁以及果園分別減少土壤侵蝕量為415.25t、884.95t、1092.38t以及1549.22t,減沙效益值分別為89%、36%、25%以及61%，可見水平梯田及果園措施對于減沙效果較為理想；而水平梯田、保土耕作、封禁以及果園的減流效益值分別為42%、38%、37%以及35%，水平梯田對于減流效果較佳，其他三種措施相差不大，在35%～38%。從整體上看，水平梯田的減流減沙效果較為理想，是最佳的水土保持措施，但封禁措施相對其他措施而言，投入較低，最為經濟，且該流域林地面積大，因此封禁措施相對來講也是較為可行的水土保持措施之一。

圖2 不同水土保持措施下的減流減沙效益評價結果

4 結 論

本文以葫蘆島市郝臺子小流域為例，采用SWAT模型對水平梯田、保土耕作、封禁以及果園4種常見水土保持措施下的減流減沙效益進行了分析研究，發現水平梯田具有良好的減流減沙效果，在考慮經濟投入的情況下，也可適當考慮封禁措施。研究方法及結果對于類似小流域地區的水土保持工作具有一定的借鑒作用。