張峰水庫入庫流量模擬及產(chǎn)流分析

侯芳 李曉暉 胡文慧 李光永

摘 要：本研究依托GIS，構(gòu)建張峰水庫上游流域SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型?；跇?gòu)建的模型，創(chuàng)新性采用從上游到下游依次對孔家坡、飛嶺、張峰3水文站1993～2008年的月徑流進(jìn)行多站點(diǎn)校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以1993～2002年為校準(zhǔn)期，2003～2008年為驗(yàn)證期。3站點(diǎn)校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（Ens）均大于0.70，相關(guān)性系數(shù)（R2）達(dá)到0.80以上，表明模型能夠適用于集水區(qū)徑流過程。基于模擬結(jié)果表明，耕地單位面積產(chǎn)流比林地和草地大，是主要的產(chǎn)流土地利用方式；此外土壤、坡度對產(chǎn)流影響也非常大，因此土地利用方式、土壤、坡度綜合，導(dǎo)致飛嶺以上區(qū)域產(chǎn)流大于飛嶺以下。

關(guān)鍵詞：SWAT模型；張峰水庫；徑流模擬；土地利用

中圖分類號：P332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0064-03

Abstract： This study relies on GIS to build the SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model of the upstream basin of Zhangfeng Reservoir. Based on the model， the monthly runoff of Kongjiapo， Feiling and Zhangfeng hydrometric stations from 1993 to 2008 is calibrated and verified from upstream to downstream. The calibration period is 1993-2002， and the validation period is 2003-2008. The Nash-Sutcliffe efficiency coefficients （Ens） of the calibration period and validation period of three stations are respectively more than 0.70 and the correlation coefficient（R2） is higher than 0.80， which indicates that the model can be applied to runoff process in catchment area. Based on the simulation results， the runoff yield per unit area of cultivated land is larger than that of woodland and grassland， which is the main way of land use. In addition， the influence of soil and slope on runoff production is also very large， so the land use pattern， soil and slope are integrated. The runoff in the area above Feiling is greater than that below it.

Keywords： SWAT model； Zhangfeng Reservoir； runoff simulation； land use

1 概述

張峰水庫位于山西省晉城市，是黃河一級支流沁河上游一座重要的水利樞紐工程，主要供給以農(nóng)村人畜飲水、城市生活用水和工業(yè)用水，兼顧發(fā)電、防洪。由于氣候變化，城市化建設(shè)造成下墊面的改變，洪水日益頻發(fā)。有歷史文獻(xiàn)記載的洪水139次，其中張峰測站1892年洪峰流量達(dá)到4150～4810m3/s，1937年為2300～3140m3/s。

為指導(dǎo)水庫調(diào)度，僅通過單點(diǎn)降雨徑流觀測數(shù)據(jù)分析已經(jīng)不能滿足要求。近年來采用分布式水文模型對沁河流域水文規(guī)律的研究較少，亟待基于研究流域內(nèi)土地利用、土壤、坡度等空間分布規(guī)律對產(chǎn)流的影響，從而分析入庫徑流的影響因素，進(jìn)而指導(dǎo)流域綜合治理，防洪抗災(zāi)。采用分布式水文模型，可提高評價水資源的精度[1]，為水土保持提供重要理論依據(jù)。

分布式水文模型Soil and Water Assessment Tool（SWA

T）模型在國內(nèi)外均得到廣泛的應(yīng)用，模擬適用性較好[2～4]。本文針對張峰水庫上游流域，以GIS為平臺，基于SWAT模型構(gòu)建分布式水文模型。創(chuàng)新性的采用孔家坡、飛嶺、張峰3個水文站月徑流資料，進(jìn)行多站點(diǎn)校準(zhǔn)及驗(yàn)證，既對模型的適用性上進(jìn)行實(shí)踐，更進(jìn)一步研究相關(guān)參數(shù)的取值，探討產(chǎn)流關(guān)鍵區(qū)及其影響因素，以期為當(dāng)?shù)厮帘３旨八畮煺{(diào)度提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

張峰水庫總庫容5.05億m3，壩址以上干流長224 km，控制面積4990km2。研究區(qū)北高南低，北部沁河河源至飛嶺以上以土石丘陵和山石林區(qū)為主，南部飛嶺至張峰為土石山區(qū)，東西群山林立，溝壑縱橫，中部較低，沁河干流于中部縱貫?zāi)媳?。流域年均氣?.4～17.5°C。多年平均降水量587.3mm，多集中在6～9月。多年平均蒸發(fā)量為1000 mm，由南向北遞減，為降水量的2.3～3.7倍。研究區(qū)的徑流比降水滯后一個月，年內(nèi)分配極不均勻，7～10月占全年徑流量59%～69%。據(jù)1958～1980年徑流資料顯示，沁河來水量自上游到下游逐漸增加，每平方公里年產(chǎn)水量，上游孔家坡9.2m3，飛嶺到張峰站增加到11.18～15.04m3[5]。

3 模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

模型需空間數(shù)據(jù)包括DEM圖、土地利用圖、土壤圖以及河網(wǎng)水系圖。屬性數(shù)據(jù)包括土壤、氣象、水文等數(shù)據(jù)。本文投影坐標(biāo)采用WGS 1984 UTM Zone 49N。

本文選用流域內(nèi)及周邊的介休、陽城、安澤、沁源4個氣象站，王村、衛(wèi)村等15個雨量站，孔家坡、飛嶺、張峰3個水文站日觀測值（見圖1）。數(shù)據(jù)系列為1991～2008年連續(xù)18年逐日觀測數(shù)據(jù)。

本文采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2000年，1：10萬的土地利用數(shù)據(jù)。采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2000年，1：100萬的土壤數(shù)據(jù)。

3.2 子流域和水文響應(yīng)單元劃分

本文采用90m×90m分辨率的數(shù)字高程圖（DEM）。以張峰水庫為出口，將研究區(qū)劃分成67個子流域和785個水文響應(yīng)單元（HRUs）。

3.3 參數(shù)敏感性分析及率定

本文采用綜合LH（Latin Hypercube）抽樣方法和OAT（One factor At a Time）靈敏度分析方法的拉丁超立方隨機(jī)取樣（LH-OAT）法進(jìn)行敏感性分析。結(jié)合模型敏感性分析結(jié)果和前人研究成果[6]，選取對集水區(qū)徑流影響較大的5個參數(shù)進(jìn)行率定（見表1）。

3.4 模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證

本文采用SCS曲線數(shù)法計(jì)算地表徑流，Penman-Monteith計(jì)算潛在蒸騰蒸發(fā)量，變動存儲系數(shù)法演算河道。采用孔家坡、飛嶺、張峰3個水文站進(jìn)行多站點(diǎn)法校準(zhǔn)和驗(yàn)證模型。

利用構(gòu)建好的分布式水文模型對張峰水庫上游流域月徑流進(jìn)行模擬。1993～2002年為校準(zhǔn)期，2003～2008為驗(yàn)證期。采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ens、相關(guān)性系數(shù)R2、相對平均誤差RME評價模型的適用性。

根據(jù)模擬結(jié)果3站點(diǎn)校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)均大于0.70。3站月實(shí)測與模擬徑流相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.80以上。相對平均誤差RME均在20%以內(nèi)（表2）。

孔家坡、飛嶺、張峰站的月徑流模擬結(jié)果表明，在校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期，各水文站徑流模擬值和實(shí)測值趨勢基本一致，構(gòu)建的模型可以較好的模擬張峰水庫上游月徑流過程。

4 研究區(qū)產(chǎn)流規(guī)律分析

4.1 不同土地利用產(chǎn)流貢獻(xiàn)

本研究區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)、工礦、居民用地、水域四種土地利用占比為0.33%，占比較少。本文主要探討耕地、林地、草地3種土地利用方式的產(chǎn)流貢獻(xiàn)率（見表3）。

由表3可知林地產(chǎn)流量最小，其原因是植被的存在使得林地地表有效糙率提高，同時植被的根系改良土壤結(jié)構(gòu)提高起入滲強(qiáng)度和蓄水性能，進(jìn)而有效地?cái)r蓄徑流[7]。

4.2 不同水文年產(chǎn)流空間分布

本文將產(chǎn)流空間分為“飛嶺以上”和“飛嶺-張峰”兩部分。在豐水年、平水年、枯水年，“飛嶺以上”產(chǎn)流均比“飛嶺-張峰”產(chǎn)流量大（見圖2）。

產(chǎn)流與降雨、土地利用、土壤、坡度等因素有關(guān)。由于流域產(chǎn)流主要是由降雨引起。由表4可知，各水文年兩段流域范圍內(nèi)降雨量僅相差5%以內(nèi)，而產(chǎn)流量相差高達(dá)800%以上，由此可得，降雨對產(chǎn)流關(guān)鍵區(qū)影響不大，可看成降雨量在流域內(nèi)均等分布。

從土地利用類型分析，研究區(qū)以林地、耕地、草地為主?！帮w嶺以上”林地大于“飛嶺-張峰”，耕地小于“飛嶺-張峰”，僅從土地利用方式分析，產(chǎn)流應(yīng)該增加，而實(shí)際情況卻相反。因此產(chǎn)流量不僅取決于土地利用方式。

從坡度角度分析，“飛嶺以上”坡度在25%以上的面積占比為30.48%，大于“飛嶺-張峰”的27.80%。對于低海拔區(qū)降水主要以蒸發(fā)等形式耗散，較高海拔區(qū)更難形成徑流。隨海拔降低，產(chǎn)流能力逐漸減弱，低海拔區(qū)產(chǎn)流能力要明顯低于高海拔山區(qū)。因此導(dǎo)致“飛嶺以上”產(chǎn)流較“飛嶺-張峰”多。

考慮土壤類型對產(chǎn)流分布的影響“飛嶺以上”主要土壤類型褐土；“飛嶺-張峰”主要土壤類型褐土占比較上游減少，且粗骨土、山地草甸土占比提升。根據(jù)土壤性質(zhì)，褐土滲透性能更差，而粗骨土、草甸土滲透性能更好，因此進(jìn)一步導(dǎo)致“飛嶺以上”產(chǎn)流較“飛嶺-張峰”大。

綜上所述，“飛嶺以上”產(chǎn)流大于“飛嶺-張峰”，主要原因：（1）“飛嶺以上”坡度大，有利于產(chǎn)流（2）“飛嶺以上”土壤滲透性能小，有利于產(chǎn)流。通過探究產(chǎn)流空間分布，本研究區(qū)的地形坡度和土壤綜合作用較土地利用方式對產(chǎn)流影響更大。

5 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：（1）本文基于ArcGIS構(gòu)建了張峰水庫上游流域SWAT模型。（2）采用孔家坡、飛嶺、張峰站的月徑流觀測值，對模型進(jìn)行了多站點(diǎn)校準(zhǔn)及驗(yàn)證。模擬值與實(shí)測值在校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期Ens均大于0.70，R2均達(dá)到0.80以上，RME在20以內(nèi)。表明對于月徑流模擬，模型在張峰水庫上游流域具有較好的適用性。（3）通過不同土地利用產(chǎn)流貢獻(xiàn)的分析。表明林地產(chǎn)流貢獻(xiàn)率最小，耕地產(chǎn)流貢獻(xiàn)率最高。（4）研究區(qū)主要產(chǎn)流區(qū)域在飛嶺以上。這跟單位面積山區(qū)產(chǎn)流量高于平原地區(qū)有關(guān)，隨海拔降低，產(chǎn)流能力逐漸減弱。此外產(chǎn)流量也受土壤、坡度等下墊面因素的影響。

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