四湖流域徑流及藍水綠水資源時空分布模擬

　　摘要：為了解四湖流域的水文特征及藍水綠水資源時空分布，通過水系概化、子流域劃分、總出口概化、湖泊概化，完成 SWAT 模型構建，采用 SUFI-2 算法分析了模型參數的敏感性，基于決定系數 R 2、Nash-Sutcliffe 效率系數 ENS 與相對誤差|Re|評價了模型的有效性。研究結果表明：(1)對四湖流域徑流模擬影響最大的參數是 ALPHA_BF (基流 α 系數)、 GWQMN (基流判定系數)、CH_K2 (河道水力傳導系數)、CN2_AGRL (SCS 曲線系數(耕地))、CH_N2 (主河道曼寧系數)和 SOL_AWC (土壤層含水率參數)，表明地下水模塊參數和河網概化參數對四湖流域水文過程影響較大;(2)月徑流模擬過程與實測水文過程擬合較好，率定期和驗證期 R 2與 ENS 分別為 0.75、0.72 和 0.69、0.63， |Re|均在 5%以內，均達到令人滿意的結果;(3)四湖流域綠水資源量年度變化相比藍水資源更為穩定，降雨量與藍水資源呈正相關性，在空間上藍水資源分布較為均勻，綠水資源分布呈現西北部和東南部多，中部少，綠水系數與綠水資源分布特征相似，降雨量對藍水資源空間分布影響較大。

　　關鍵詞：四湖流域;SWAT 模型;參數敏感性;徑流模擬;藍水綠水

　　尹述政; 許峰; 王文薈; 霍雯蓉; 黃運新 環境工程 2021-12-17

　　0 引 言

　　土壤和水評價工具(SWAT)是模擬、分析和預測流域水文過程的重要工具[1]。SWAT 模型是一個連續時間、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過程模擬，是我國流域水環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、丘陵等地勢起伏較大、分水嶺明顯的流域，也能用于地勢較為平坦的平原流域，但由于平原地區地勢平坦，流域邊界和子流域邊界難以直接通過數字高程模型(digital elevation model，DEM)進行識別，從而造成模型精度降低[6]。除此之外，平原不存在明顯的產匯流特征，為了保證農業生產和湖泊等水利工程的正常運轉，通常采用涵洞或電排站進行調節，從而改變了自然的匯流過程，對 SWAT 模型的應用帶來挑戰[7]。

　　已有研究表明，SWAT模型用于模擬平原流域時，具有一定不確定性[6]。BRITTA SCHMALZ 等[8]通過對平原小流域模擬分析，發現其流域內水文過程受到地下水、湖泊等影響較大。 Turcotte 等[9]在平原灌區利用基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系劃分方法解決了基于原始 DEM 提取水系與實際水系不相符的問題。李蔚等[10]在東江流域通過對水電站水量調度研究，改進原有水庫算法，與原有水庫算法對比，達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，對平原流域水資源時空分布研究較少。 Falkenmark[11]在評價水資源規劃與管理創新中提出藍水、綠水的概念，藍水是指降雨產生的地表徑流和地下水滲流，綠水是指實際蒸散發量和土壤中的水分。Yuan 等[12]對洱海盆地流域氣候變化對藍水綠水的空間分布影響進行了研究，但平原流域藍水綠水資源時空分布研究尚不多見。

　　四湖流域屬平原流域，地處江漢腹地，是長江中游重要的農業生產基地和蓄洪區。到目前為止，雖然已有針對四湖流域的地表徑流模擬的初步研究 [13]，但相關研究主要集中在氣候變化對地表徑流的影響。本研究利用水系概化、湖泊概化和總出口概化對四湖流域進行 SWAT 模型構建，分析水文徑流參數的敏感性，評估 SWAT 模型在四湖流域的徑流模擬，并在此基礎上探索藍水綠水資源時空分布，為進一步分析四湖流域農村面源污染打下基礎。

　　1 材料與方法 1.1 研究區概況

　　四湖流域地處于長江中游、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，因境內原有洪湖、長湖、三湖、白鷺湖四個大型湖泊而成名，后因自然因素和人為因素，造成四湖流域湖泊面積驟降，四湖流域現僅剩長湖和洪湖，承擔防洪、供水、灌溉、生態保護等功能，水資源較為豐富，是湖北省重要的農業生產基地。本研究以四湖總干渠為主干流對四湖流域徑流特征進行研究，研究區面積為 8850 km2，地形以平原為主，地勢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湖來水，接納兩岸洪澇漬水，經過洪湖調蓄后，經閘站進入到東荊河或長江。流域屬于亞熱帶季風濕潤區，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，與地表水直接水力聯系。流域土地利用以耕地為主，面積為 6180 km2，主要種植農作物以水稻為主。

　　1.2 數據來源及處理 1.2.1 數據來源

　　SWAT 模型數據庫所需基礎數據包括數字高程數據 DEM、土地利用類型數據、土壤類型數據、氣象數據以及水文數據等，數據類型及來源見表 1。數據庫構建所需柵格數據需采用相同坐標系，根據模型需要，本研究采用 WGS1984 地理坐標系，并在 WGS_1984_UTM_Zone_49N 投影坐標系下統一進行投影變換。

　　1.2.2 數據處理

　　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雜，產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，流域內湖泊水位達到預設值時，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 水系劃分相結合的方法，以預處理流域邊界圖為掩膜文件、流域水系圖層為預處理數據，采用基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系劃分方法對研究區河網進行提取，并結合流域的實際調研，對水系進行適當調整，最終將流域分成 35 個子流域。為了更好符合實際流域狀況，本研究將流域內的 4 個出口概化成流域總出口(圖 1)，以 4 個出口電排站排水量總和作為總出口排水量(簡稱為實測值)。根據湖北省水文水資源局和相關文獻[17]對流域湖泊水位的統計與分析，本研究采用目標庫容法估算出水量，將不同時期湖泊蓄水量作為水庫目標水庫蓄水量，湖泊蓄水量根據不同時期湖泊水位進行估算，具體蓄水量如表 2 所示。

　　研究區土地利用類型有耕地、林地、水系、草地、建設用地、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。土壤物理性質通過土壤數據集或者 SPAW 軟件進行查詢和計算，最終設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 個水文響應單元。

　　1.3 研究方法 1.3.1 模型評價方法

　　本研究選取確定系數 R 2、Nash-Sutcliffe 效率系數 ENS 和相對誤差|Re|作為模型參數率定的評價標準，R 2 和 ENS 越接近于 1，模型模擬結果越好，一般認為 R 2>0.6，ENS>0.5 和|Re|<20% 時，模型模擬基本滿足實際情況[18,19]。其計算公式如下：