水文资料缺乏地区水资源量计算——以都匀市为例

刘 锐，张新华

(1.黔南州水利水电勘测设计研究院，贵州 都匀 558000；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

都匀市位于贵州省南部偏东，苗岭山脉南侧，距省会贵阳高速公路里程80 km。都匀市径流资料缺乏，仅有的文峰塔水文站于1951年7月设立，控制集雨面积448 km2，观测项目有水位、流量、输沙率、水温等；由于受到上游水库和翻板坝的影响，1984年以后已经停止测流，因此对都匀市现状水资源情况无法获得准确的资料。本文以都匀市为例，针对其径流资料缺乏的问题，通过构建SWAT分布式水文模型，对都匀市境内各干支流流量进行模拟[1]，计算得到了都匀市各分区的水资源量及其年变化情况。

1 模型简介和原理

1.1 SWAT分布式水文模型

SWAT( soil and water assessment tool) 模型是由美国农业(USDA) 开发的流域尺度分布式模型, 可用来模拟预测在具有多种土壤类型、土地利用和管理条件的复杂大流域中土地管理措施对水、沙、化学物质等的长期影响。其显著特点是具有很强的物理基础，并能在资料缺乏地区建模和运行[2]，SWAT模型的模拟时段可根据需要分为年、月、日3种。

为了考虑流域内下垫面特性和气候因素空间分布的非均匀性, SWAT 模型首先将整个研究流域细分为若干个子流域, 对每个子流域分别进行模拟计算, 再将各子流域的模拟结果叠加在一起作为整个研究流域的模拟结果。子流域内的水文过程模拟可分为坡面水文循环过程模拟和河道水文循环过程模拟[3]2个部分。前者控制每个子流域内主河道水量、沉积物、氮和化学物质等的输入量, 后者控制水、沙等物质从河网汇集到流域出口的过程。SWAT模型采用模块化设计，便于模型的扩展和改进[4]。各子模块主要包括水文过程模型、土壤侵蚀模型、污染负荷模型[5]。李忠娟等利用敏感性分析模块率定了三河流域影响产汇流的不同参数，得到了精度较高的径流量模拟值[6]。杨姗姗等利用SWAT模型对卧虎山水库流域径流进行了相应的计算[7]。

1.2 水文过程模型的基本原理简介

1.2.1 水文循环的陆地阶段

SWAT模型水文循环陆地部分水量平衡是SWAT模型的基础驱动，可以用水量平衡方程表示整个陆地上的水文循环过程，其表达式为：

(1)

式中：SWt为土壤最终的含水量，mm；SW0为土壤前期含水量，mm；t为时间步长，d；Rday为第i天降雨量，mm；Qsurf为第i天的地表径流，mm；Ea为第i天的蒸发量，mm；Wseep为第i天存在于土壤平剖面地层的渗透量和测量流，mm；Qgw为第i天地下水含量，mm。

1.2.2 水文循环的演算阶段

(1)地表径流。SWAT模型以水文响应单元(HRU)为基本计算单元来模拟地表径流，然后累积到子流域，最后演算汇集到流域出口得到总径流量。采用SCS径流曲线法对流域地表径流量进行模拟。

(2)土壤水。通过降雨和地表下渗到土壤中的水分以各种形式运行，土壤水既可以被植物吸收和蒸散发而损耗掉，也可以通过渗透补给地下水和在地表土层形成径流，该径流方式称为壤中流，壤中流采用动力贮水方法来计算，该方法考虑了水力传导系数、坡度和土壤含水量的时空变化特征，计算较为精确。

(3)地下水。地下水径流以河流的基流形式存在，可由地下水蓄量和枯季持续径流量推出。

(4)蒸散发。在SWAT模型中，蒸散发是指经降雨形成的水分部分转化为水蒸气的过程，包括树冠、草地和地面枯叶所截留的水分的蒸发和植物蒸腾，以及土壤水的蒸发。在流域的生态需水研究时，需要估算蒸散发需水，因此，准确评估蒸散发量，是计算生态需水量重要的环节。

以上计算公式和方法可见李红军等资料缺乏地区水功能区纳污能力计算-以都匀市清水江为例[8]。

1.2.3 水文循环的汇流阶段

SWAT模型根据水文响应单元(HRU)计算各子流域的汇流时间，包括坡面汇流时间和河道汇流时间。

坡面汇流时间的计算公式为：

(2)

式中：oτ为坡面汇流的时间，h；sl为子流域的平均坡长，m；n为各水文响应单元的坡面曼宁系数；S为坡面的坡度。

河道汇流时间的计算公式为：

(3)

式中：cτ为河道汇流的时间，h；L为河道长度，km；n为河道曼宁系数；A为水文响应单元的面积，km2；cS为河道的坡度。

2 模型在都匀市地表水资源计算中的应用

2.1 模型构建

模型构建基础如下。

(1)数字高程模型。DEM图数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)。

(2)土地利用数据库。SWAT模型中用美国国家地质调查局(USGS)的土地利用分类系统。

(3)土壤数据库。根据我国土壤分类体系和都匀市土壤类型的具体情况，按照亚类对都匀市的土壤进行分类统计，制作Soil图。

(4)气象数据库。主要包括流域逐日的降水量、日最高最低气温、日太阳辐射量、日平均风速和日平均相对湿度。都匀市及其周边降雨站点主要有凯里、墨冲、摆忙、王司、杨柳街共5个站点，气象站仅有凯里1个站点。

2.2 模型运行和结果分析

2.2.1 模型的初步运行

DEM图、土地利用图、土壤图及气象数据都准备好后，进行都匀市三分区的水文循环初步模拟。根据已有数据的年限，模型计算开始日期为1974年1月1日，结束日期为2012年12月31日。由于生态需水计算主要根据的平均流量进行计算，因此选择以“月”为单元的模拟尺度。

2.2.2 SWAT模型的校准和验证

SWAT2009包含了敏感性分析和自动校准模块，根据资料情况，选定下司监测站的流量数据对模型进行自动校准。

SWAT模型的敏感性分析采用LH-OAT方法，结合抽样法LH(Latin Hypercube)和敏感性分析OAT(One-factor-At-a-Time)，确保所有参数在其取值范围内均被采样，并且明确地确定哪一个参数改变了模型的输出，减少了需要调整参数的数目，提高了计算效率。

表1 都匀市SWAT模型径流敏感性分析结果表Tab.1 Results of runoff sensitivity analysis of SWAT Model in Duyun

从表1中可以看出，SWAT模型模拟都匀市的径流过程中敏感度高的参数主要有CN2、ESCO、sol_z、BIOMIX、SOL_AWC等，且在各个区域参数并不一致。根据敏感性分析出来的结果，选取敏感度较高的几个参数对模型进行校核。

2.2.3 模型模拟结果评价

采用相对误差Re、相关系数R2、Nash-Suttcliffe系数Ens来评价模型的适用性[8]。

(1)相对误差计算公式为：

式中：Re为模型模拟相对误差；Qm为模拟值；Qo为实测值。若Re为正值，说明模型模拟值偏大；若Re为负值，说明模型模拟值偏小；若Re=0，说明模型模拟结果与实测值正好吻合。

(2)相关系数计算公式为：

(5)

(3)Nash-Suttcliffe系数Ens的计算公式为：

(6)

在SWAT模型运行初期，模型给土壤含水量的初始值一般赋值为零，这对模型模拟结果影响很大，因此将模拟初期作为SWAT模型运行的预热阶段。本次研究以1974-1976年为预热期，1977-1995年为校准期，1995-2006和2012年为验证期。其中，下司水文站2007-2011年由于资料缺失，采用SWAT进行模拟。

图1和图2分别为下司站的月径流模拟结果，表2为校准期和验证期的评价参数。一般认为，当R2>0.6和Ens>0.5时，模型模拟结果可以接受。可以看出SWAT对都匀市的径流模拟效果良好。

图1 下司站1977-1995年月径流量模拟值与实测值对比图Fig.1 Comparison of monthly runoff simulation value and measured value in xiasi from 1977 to 1995

图2 下司站1996-2006、2012年月径流量模拟值与实测值对比图Fig.2 Comparison of monthly runoff simulation value and measured value in xiasi from 1996 to 2006 and in 2012

测站校准期1977-1995年R2Ens验证期1996-2006、2012年R2Ens下司站0．910．870．910．90

3 都匀市地表水资源量计算

为保证年径流量系列的一致性，针对都匀市内受水利工程影响而改变径流情势的问题进行还原计算，将模拟径流系列修正为天然径流系列，控制断面的天然径流量为实测径流量和还原水量之和，还原计算的主要部分为都匀市内两中型水库，运用SWAT分布式水文模型计算不考虑水库蓄水影响的情景，模拟得到了都匀市沅江区、红水河区和都柳江区1977-2012年共计36年的年均径流量，并计算得到其地表水资源量[9]。

4 都匀市地下水资源量计算

通过对都匀市水文地质条件及地下水资源调查分析并结合SWAT计算采用了以下3种方法进行计算。

(1)用水文分割法计算，将SWAT模型模拟的月径流量进行水文分割，得到沅江区地下水资源量为1.81 亿m3，红水河区地下水资源量为1.45 亿m3，都柳江区为0.25 亿m3，合计3.51 亿m3。计算中使用资料可靠，分割较为合理，计算结果精度较高。与《2011年黔南州水资源公报》结果相差不大,地下水保证资源的计算，可为工农业用水提供规划依据。

(2)用径流模数法计算，本区有地下水枯季资源约93.77 万m3/d。依枯季日资源推算全年，按365 d计算，都匀市有地下水资源3.42 亿m3/a。因本区枯季溪沟流量基本可以反映地下水动储量，计算参数是在大量实测资料的分析、整理基础上选取的，绝大部分块段径流模数值为本块段内有代表性的实测值，因而作为枯水期的地下水资源计算结果基本可靠。

(3)用大气降雨渗入法计算，本区有地下水资源1 561 392 m3/d，即年资源5.7 亿m3/a。此法由于参数的选取为经验数值，人为因素太多，而且以年为单位，故结果较为粗略，仅供参考。

5 都匀市水资源量计算

区域水资源总量为地表水资源量加地下水资源量扣除重复水量计算式：

W=R+Q-D

(7)

式中：W为水资源总量；R为地表水资源量；Q为地下水资源量；D为地表水与地下水相互转化的重复计算量。

地表水与地下水资源量计算中产生的重复计算量D，事实上是因不同地貌类型地下水资源计算方法不同而形成，由于都匀市属山丘区，地下水资源量为地表水与地下水资源之间的重复计算量。

都匀市水资源量综合评价成果见表3。

表3 水资源量综合评价成果表 亿m3

6 结 语

都匀市总体地表水资源量在过去36年间波动变化其总体趋势趋于平缓，其中1989年最小，地表水资源量为7.86 亿m3，2000年最大，地表水资源量为23.67 亿m3，其均值为16.28 亿m3，与调查资料中都匀市地表水资源量16.20 亿m3比较接近，进一步证明了模型的可用性，同时解决了文峰塔水文站停止测流致使都匀市地表水资源量难以计算的问题，丰富了水资源调查评价的方法，拓展了水资源调查评价的外延。用水文分割法计算，将SWAT模型模拟的月径流量进行水文分割，计算得到都匀市地下水资源量3.51 亿m3，而且对枯水期、平水期、洪水期资源分别作了计算，具有一定的实用价值。

本研究利用SWAT模型通过DEM图、土地利用图、土壤图及气象数据库的建立，对都匀市三分区的水文循环进行初步的模拟，通过模型的校准和校验，得到了都匀地区水资源量计算结果，解决了水资源配置过程中水文资料缺乏[10]的问题，能够充分反应区域不同水平年的水资源量及其分布，为水资源配置决策提供了可靠的数据，同时为解决水文资料缺乏地区水资源量计算提供了一种好的思路和方法。

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[1] 秦 宇，罗吉忠，姜国珍，等.径流资料缺乏地区水资源配置研究——以都匀市为例[J].节水灌溉，2015，(3)：35-41.

[2] 李红霞，张新华，肖玉成，等.缺资料流域的非点源污染模拟研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2011，43(5)：59-63.

[3] 罗慈兰，叶水根，李黔湘.SWAT模型在房山区ET的模拟研究[J].节水灌溉，2008，(10)：47-49.

[4] 王中根，刘昌明，黄友波.SWAT模型的原理、结构及应用研究[J].地理科学进展，2003，22(1)：80-86.

[5] 郝芳华，程红光，杨胜天. 非点源污染模型——理论方法与应用[M].北京：中国环境科学出版社，2006.

[6] 李忠娟，马孝义，李贤波，等.基于SWAT模型的三水河流域径流模拟[J].节水灌溉，2013，(4)：22-29.

[7] 杨姗姗，徐征和，孔 珂，等.基于SWAT模型的卧虎山水库流域径流模型[J].中国农村水利水电，2003，(5)：11-14.

[8] 李红军，刘 锐，张建元，等. 资料缺乏地区水功能区纳污能力计算-以都匀市清水江为例[J].节水灌溉，2015，(5)：49-51.

[9] 何俊仕.水资源规划与利用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[10] 王锐琛.中国水力发电工程(工程水文卷)[M].北京：中国电力出版社，2000:35-37.