SWAT模型在青銅峽灌區水循環的應用研究Ⅱ：模型應用

蘇 欣，陳 震

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部節水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉 453002；2.黃河水利科學研究院，河南 新鄉 453003)

1 模型應用區域概況

青銅峽灌區地處祖國西北內陸，屬中溫帶干旱氣候區，大陸性氣候明顯，干旱少雨，蒸發強烈。本文選取整個青銅峽灌區作為模型的應用區域。在《SWAT模型在青銅峽灌區水循環的應用研究》[1]的建模基礎上，應用完善后的模型設置不同的情景模式進行灌區相關水文過程的模擬，分析不同水管理措施對灌區水量平衡及相關評價指標的影響。

SWAT模型很好地處理了農業生產管理措施(灌水、施肥、農藥使用、作物種植管理、作物種植結構調整等等)對流域中水文過程的影響，是區別于目前許多大型的分布式水文模型的顯著特點[2-5]，為灌區水資源的優化管理與節水灌溉評價提供一個新的研究手段[6]。在印度Gosain等[7]應用SWAT模擬了印度Pslleru流域的灌溉回歸水，并模擬了在實施渠道引水灌溉之后基流的變化，結果發現基流量達到引水量的50%之多，這一發現對水資源管理及規劃具有重要意義。Kang等[8]在SWAT模型中添加了一個專門模擬水稻田水量平衡的模塊，采用日平均入滲強度來模擬灌區尺度稻田滲漏，較成功的模擬了水稻田的非點源污染情況。國內方面，焦鋒等[9]耦合了SWAT模型和馬爾科夫鏈模型，對稻田灌溉的水分、養分循環進行了模擬。胡遠安等[10]針對SWAT模型對水田在蓄水期的降雨-徑流過程的模擬過于簡化，對水田蓄水的情況進行了修改，將水田劃分為蓄水與非蓄水時期分別進行計算。王宏等[11]集成了SWAT模型與GMS模型，對華北平原地下水系統進行聯合模擬調參。

利用先進的流域尺度分布式水文模型來回答各項節水措施對灌區水文循環的效應問題，國內外的研究成果較少，僅在美國，Santhi等[12]利用SWAT模型，并添加了渠系灌溉功能，模擬了德克薩斯州格蘭德河灌區內的作物需水量和渠系用水效率，并對節水措施下的灌區內灌溉需水量與節水潛力進行了評價。但文中僅模擬了渠系水的利用系數，并未考慮田間水利用系數、灌溉水利用系數，文中的節水措施未包括噴灌、微灌等節水灌溉工程措施。

2 模型應用區域及水均衡模擬

2.1 現狀灌水量下水循環要素的變化規律

本文明確了現狀水平的灌水量(如表1)，采用完善后的SWAT模型模擬水循環要素的變化規律。

表1 青銅峽灌區不同作物生育期的現狀灌水量

2.1.1 地表、地下徑流對主河道總徑流的貢獻量

采用校準后的SWAT 模型進行2003-2011年序列月徑流的模擬，并對常規灌水量下灌區逐年地表徑流、地下徑流對主河道的貢獻量進行了統計及對比。模擬結果如圖1所示。

圖1 灌區逐年地表、地下徑流量對主河道的貢獻模擬結果

從圖1可以看出，研究期限內地表徑流對主河道總徑流的貢獻量變化范圍為96～168 mm，地下徑流對主河道總徑流的貢獻量變化范圍為155～200 mm，進入主河道的總水量變化范圍為263～355 mm。

地下徑流對主河道總徑流的貢獻量約占進入主河道總水量的58.3%，地表徑流對主河道總徑流的貢獻量約占進入主河道總水量的41.7%。

豐水年(2006年)地表徑流對主河道總徑流的貢獻量約占進入主河道總水量的45%。

2.1.2 根部區域滲漏的水量

采用校準后的SWAT 模型進行2003-2011年序列月徑流的模擬，并對常規灌水量下灌區通過根部區域滲漏的水量進行了統計及對比。模擬結果如圖2所示。

圖2 灌區逐年根部區域滲漏的水量模擬結果

從圖2可以看出，9年間灌區通過根部區域滲漏的水量變化范圍為161～212 mm，年均滲漏量為187 mm，豐水年(2006年)通過根部區域滲漏的水量為212 mm，為滲漏量峰值。降水量越多，滲漏水量隨之加大。

2.1.3 蒸散量

采用校準后的SWAT 模型進行2003-2011年序列月徑流的模擬，并對常規灌水量下灌區蒸散量進行了統計及對比。模擬結果如圖3所示。

圖3 灌區逐年蒸散量模擬結果

從圖3可以看出，灌區潛在蒸散量與實際蒸散量年際間變化趨勢一致，實際蒸散量變化范圍為441～491 mm，潛在蒸散量變化范圍為690～794 mm，年均實際蒸散量為468 mm，年均潛在蒸散量為756 mm。豐水年(2006年)的實際蒸散量不是極值，可見蒸散量與降雨量的關系不顯著。蒸散量可能跟日照時數、風速有顯著關系。

2.2 不同灌水量下水循環要素的變化規律

由于研究系列較長，特選取典型年進行不同灌溉引水量下水循環要素的變化規律研究。水文學中習用豐水年、平水年、枯水年，頻率基本為25%、50%、75%，一般選擇平水年進行研究。根據降水頻率統計，得出平水年75%頻率下的降雨量為125～145 mm。因此選取2011年為典型平水年，降雨量為148 mm。

首先設計典型年下的灌溉制度，在明確現狀灌水量的基礎上設置高水(120%×現狀灌水量)、低水(80%×現狀灌水量)兩個灌水水平進行模型模擬，如表2所示。

表2 青銅峽灌區不同作物生育期的3個灌水水平

2.2.1 蒸散量

采用校準后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區逐月實際蒸散量進行了統計及對比。模擬結果如圖4所示。

圖4 不同灌溉引水量下灌區月蒸散量模擬結果

結果顯示，實際蒸散量排序為高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉，高水灌溉下的年蒸散量為490.8 mm，低水灌溉下的年蒸散量為440.7 mm，中水灌溉下的年蒸散量為471.1 mm。實際蒸散量與灌水量的變化趨勢一致，隨著灌水量的增加蒸散量值變大。

2.2.2 根部區域滲漏的水量

采用校準后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區逐月根部區域滲漏的水量進行了統計及對比。模擬結果如圖5所示。

圖5 不同灌溉引水量下灌區逐月根部區域滲漏的水量模擬結果

結果顯示，根部區域滲漏的水量排序為高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉。從年內變化看，11月份冬灌水量最大，滲漏量也最多。滲漏量主要集中在4-9月和11月。根部區域滲漏的水量與灌水量的變化趨勢一致，隨著灌水量的增加滲漏量值變大。

2.2.3 地表、地下徑流對主河道總徑流的貢獻量

采用校準后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區地表徑流對主河道總徑流的貢獻量進行了統計及對比。模擬結果如圖6所示。

圖6 不同灌溉引水量下灌區地表徑流對主河道總徑流的貢獻量模擬結果

結果顯示，地表徑流對主河道總徑流的貢獻量排序為高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉。從年內變化看，貢獻量主要集中在4-11月。地表徑流對主河道總徑流的貢獻量與灌水量的變化趨勢一致，隨著灌水量的增加地表徑流對主河道總徑流的貢獻量值變大。

采用校準后的SWAT 模型進行典型年序列月徑流的模擬，并對不同灌溉引水量下灌區地表徑流對主河道總徑流的貢獻量進行了統計及對比。模擬結果如圖7所示。

圖7 不同灌溉引水量下灌區地下徑流對主河道總徑流的貢獻量模擬結果

結果顯示，地下徑流對主河道總徑流的貢獻量無差異。從年內變化看，地下徑流對主河道總徑流的貢獻量不隨灌水量的變化而變化，與灌水量的相關性不大。

3 小 結

SWAT模型在自然流域內的水文循環、水資源管理中的應用十分廣泛；同時，也被國內外的學者成功地應用于灌區水分和養分循環等方面。然而，在利用SWAT模型研究節水措施對灌區水文循環的效應問題上，國內外的研究成果較少。因此，本文結合SWAT模型分布式、開放性的特點，分析不同水管理措施對灌區水循環轉化的定量影響及其相關水平衡要素的變化規律，為灌區節水灌溉技術發展提供科技支撐。

本文模擬分析表明, 文獻[1]建立的灌區分布式水文模型較好地反映了灌區水文特點以及水管理措施對灌區水分循環和水量平衡評價指標的影響。該模型為灌區不同作物不同水管理措施下相關指標的分析評價提供了有效工具。

灌區分布式水文模型的研究與針對自然流域開發的分布式水文模型應用相比，還處于起步階段。本文模型對地下水運動的模擬是概念性的，在今后的研究中需要進一步改進。