四湖流域径流及蓝水绿水资源时空分布模拟

　　摘要：为了解四湖流域的水文特征及蓝水绿水资源时空分布，通过水系概化、子流域划分、总出口概化、湖泊概化，完成 SWAT 模型构建，采用 SUFI-2 算法分析了模型参数的敏感性，基于决定系数 R 2、Nash-Sutcliffe 效率系数 ENS 与相对误差|Re|评价了模型的有效性。研究结果表明：(1)对四湖流域径流模拟影响最大的参数是 ALPHA_BF (基流 α 系数)、 GWQMN (基流判定系数)、CH_K2 (河道水力传导系数)、CN2_AGRL (SCS 曲线系数(耕地))、CH_N2 (主河道曼宁系数)和 SOL_AWC (土壤层含水率参数)，表明地下水模块参数和河网概化参数对四湖流域水文过程影响较大;(2)月径流模拟过程与实测水文过程拟合较好，率定期和验证期 R 2与 ENS 分别为 0.75、0.72 和 0.69、0.63， |Re|均在 5%以内，均达到令人满意的结果;(3)四湖流域绿水资源量年度变化相比蓝水资源更为稳定，降雨量与蓝水资源呈正相关性，在空间上蓝水资源分布较为均匀，绿水资源分布呈现西北部和东南部多，中部少，绿水系数与绿水资源分布特征相似，降雨量对蓝水资源空间分布影响较大。

　　关键词：四湖流域;SWAT 模型;参数敏感性;径流模拟;蓝水绿水

　　尹述政; 许峰; 王文荟; 霍雯蓉; 黄运新 环境工程 2021-12-17

　　0 引 言

　　土壤和水评价工具(SWAT)是模拟、分析和预测流域水文过程的重要工具[1]。SWAT 模型是一个连续时间、半分布式、基于过程的流域模型，可用于地表径流、泥沙流失、污染物迁移等水文水质过程模拟，是我国流域水环境模拟的常用模型之一[2-5]。已有研究表明，SWAT 模型既能用于山地、丘陵等地势起伏较大、分水岭明显的流域，也能用于地势较为平坦的平原流域，但由于平原地区地势平坦，流域边界和子流域边界难以直接通过数字高程模型(digital elevation model，DEM)进行识别，从而造成模型精度降低[6]。除此之外，平原不存在明显的产汇流特征，为了保证农业生产和湖泊等水利工程的正常运转，通常采用涵洞或电排站进行调节，从而改变了自然的汇流过程，对 SWAT 模型的应用带来挑战[7]。

　　已有研究表明，SWAT模型用于模拟平原流域时，具有一定不确定性[6]。BRITTA SCHMALZ 等[8]通过对平原小流域模拟分析，发现其流域内水文过程受到地下水、湖泊等影响较大。 Turcotte 等[9]在平原灌区利用基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系划分方法解决了基于原始 DEM 提取水系与实际水系不相符的问题。李蔚等[10]在东江流域通过对水电站水量调度研究，改进原有水库算法，与原有水库算法对比，达到了更好的模拟效果。SWAT 模型在平原流域多用于探索模型适用性、地表径流模拟等方面，对平原流域水资源时空分布研究较少。 Falkenmark[11]在评价水资源规划与管理创新中提出蓝水、绿水的概念，蓝水是指降雨产生的地表径流和地下水渗流，绿水是指实际蒸散发量和土壤中的水分。Yuan 等[12]对洱海盆地流域气候变化对蓝水绿水的空间分布影响进行了研究，但平原流域蓝水绿水资源时空分布研究尚不多见。

　　四湖流域属平原流域，地处江汉腹地，是长江中游重要的农业生产基地和蓄洪区。到目前为止，虽然已有针对四湖流域的地表径流模拟的初步研究 [13]，但相关研究主要集中在气候变化对地表径流的影响。本研究利用水系概化、湖泊概化和总出口概化对四湖流域进行 SWAT 模型构建，分析水文径流参数的敏感性，评估 SWAT 模型在四湖流域的径流模拟，并在此基础上探索蓝水绿水资源时空分布，为进一步分析四湖流域农村面源污染打下基础。

　　1 材料与方法 1.1 研究区概况

　　四湖流域地处于长江中游、江汉平原腹地(112°00'E~114°00'E，29°21'N~30°00'N)，跨越荆州、荆门、潜江三市，因境内原有洪湖、长湖、三湖、白鹭湖四个大型湖泊而成名，后因自然因素和人为因素，造成四湖流域湖泊面积骤降，四湖流域现仅剩长湖和洪湖，承担防洪、供水、灌溉、生态保护等功能，水资源较为丰富，是湖北省重要的农业生产基地。本研究以四湖总干渠为主干流对四湖流域径流特征进行研究，研究区面积为 8850 km2，地形以平原为主，地势自西北向西南呈缓倾斜，中部广阔而平坦。四湖总干渠是汇集长湖来水，接纳两岸洪涝渍水，经过洪湖调蓄后，经闸站进入到东荆河或长江。流域属于亚热带季风湿润区，四季分明，雨量充沛，年均降雨量约 1200 mm，汛期一般为 6~9 月;地下水资源丰富，但大部分为浅层潜水水质，与地表水直接水力联系。流域土地利用以耕地为主，面积为 6180 km2，主要种植农作物以水稻为主。

　　1.2 数据来源及处理 1.2.1 数据来源

　　SWAT 模型数据库所需基础数据包括数字高程数据 DEM、土地利用类型数据、土壤类型数据、气象数据以及水文数据等，数据类型及来源见表 1。数据库构建所需栅格数据需采用相同坐标系，根据模型需要，本研究采用 WGS1984 地理坐标系，并在 WGS_1984_UTM_Zone_49N 投影坐标系下统一进行投影变换。

　　1.2.2 数据处理

　　四湖流域 DEM、土地利用类型、土壤类型如图 1、图 2、图 3 所示。由于平原流域水系复杂，产流汇流人为影响较大，其与自然流域具有较大差别[14,15]，并且多为人工河道，支流与干流之间多以涵闸或抽排站连接，流域内湖泊水位达到预设值时，通过电排站人为将湖泊中的多余水量排除[16]。本研究采取 DEM 划分流域边界与基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系划分相结合的方法，以预处理流域边界图为掩膜文件、流域水系图层为预处理数据，采用基于“Burn In”算法修正后的 DEM 水系划分方法对研究区河网进行提取，并结合流域的实际调研，对水系进行适当调整，最终将流域分成 35 个子流域。为了更好符合实际流域状况，本研究将流域内的 4 个出口概化成流域总出口(图 1)，以 4 个出口电排站排水量总和作为总出口排水量(简称为实测值)。根据湖北省水文水资源局和相关文献[17]对流域湖泊水位的统计与分析，本研究采用目标库容法估算出水量，将不同时期湖泊蓄水量作为水库目标水库蓄水量，湖泊蓄水量根据不同时期湖泊水位进行估算，具体蓄水量如表 2 所示。

　　研究区土地利用类型有耕地、林地、水系、草地、建设用地、交通用地、混合湿地，其中耕地所占面积最大，约为总面积的 70%，其次为水系，约在总面积的 18%，其余种类面积均在 5%以下，其中林地分布较为集中，主要分布为四湖总干渠上游，其他 4 种土地利用类型分布分散，对流域影响较小，见图 2。土壤类型共 21 种，其中潜育灰壤所占比最大，约为总面积的 26%，其次为水淋溶土、普通灰壤、不饱和始成土、松软潜育土和普通灰色森林土，所占比例分别为 13%、8%、7%、7%、5%，其他土壤类型所占比例为 5%以下，见图 3。土壤物理性质通过土壤数据集或者 SPAW 软件进行查询和计算，最终设置土地利用类型面积阈值、土壤类型阈值和坡度阈值为 5%，最终将流域分成 848 个水文响应单元。

　　1.3 研究方法 1.3.1 模型评价方法

　　本研究选取确定系数 R 2、Nash-Sutcliffe 效率系数 ENS 和相对误差|Re|作为模型参数率定的评价标准，R 2 和 ENS 越接近于 1，模型模拟结果越好，一般认为 R 2>0.6，ENS>0.5 和|Re|<20% 时，模型模拟基本满足实际情况[18,19]。其计算公式如下：