1981-2013年桃江流域径流与泥沙模拟研究

李志强, 齐述华, 刘旗福, 仝兴庆, 刘贵花, 郑海金

(1.江西师范大学 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室/地理与环境学院, 江西 南昌 330022;2.赣州市水文局, 江西 赣州 341000; 3.江西省水土保持科学研究院, 江西 南昌 330029)

河道的径流和泥沙是河流水文特征的最重要参数，同时受地形、气候、地质、土壤、植被等多种自然因素和人类活动的影响[1]。开展人类活动或自然条件变化对流域水文过程的影响评价，对区域的生态工程建设、维持区域可持续发展提供参考和依据。

目前，利用水文模型模拟人类活动[2-3]、气候变化[4-5]、植被覆盖变化[6-7]等因素对水文过程的影响研究取得了显著的进展。按照水文模型的类型可以划分为集总式模型和分布式模型[8]，集总式模型利用概念和经验关系来描述水流运动状态，具有所需参数较少、参数率定相对简单等优势，在诸多流域的径流和泥沙模拟中取得了较好的效果[9-10]。虽然集总式水文模型应用广泛，但是模型的物理基础较少，只能模拟出水文的宏观表现，难以表达水文现象的本质和物理机制。分布式水文模型因具有明确的物理意义，可以准确的描述水文过程，且具有较强的适应性，目前主要有AnnAGNPS[11]，VIC[12]，WATLAC[13]等模型应用较为普遍，其中SWAT模型是由美国农业部开发的流域分布式水文模型，其主要包括水文过程模型、土壤侵蚀模型和污染负荷模型3大子模型，目前均已得到较为广泛的运用[14]。

鄱阳湖流域地处东亚季风气候区，自1980s年代以来，鄱阳湖流域中主要河流泥沙含量呈下降趋势[15]，这与1980s年代以来江西省发起以“植树造林”为主的“山江湖”生态恢复工程显著改变鄱阳湖流域植被覆盖特征有关[16]，同时也与流域范围内修建水库的拦沙效应有关。鉴于此，本研究拟以赣江上游的桃江流域为研究区，运用SWAT模型对该流域水文泥沙过程进行模拟，分析不同时期土地利用情景对径流与泥沙的影响，并根据泥沙变化情况评价居龙滩水利枢纽工程的拦沙效应，以期界定桃江水文特征变化的主要原因。

1 研究区概况

桃江古称彭水，又名信丰江，发源于赣粤交界的九连山脉，自西南向东北流经江西省赣州市的全南县、龙南县和信丰县，在赣县注入贡水，经贡水注入赣江，流域介于北纬24°30′—25°55′，东经114°10′—115°20′，面积7 864 km2，是赣江的主要源区。桃江流域属于中亚热带湿润季风气候，该区年均气温为19.94 ℃，年均降水量为1 497 mm，降水量年内变化较大，一般4—6月为丰水期，占全年降水量的43.8%，11月至翌年1月为枯水期，占全年降水量的10.4%。流域年平均径流量6.45×109m3,占赣江流域径流量的9.4%，年平均输沙量1.35×106t，占赣江流域输沙量的13.8%。流域内有水库9个，其中居龙滩水利枢纽工程位于桃江下游，库容量为7.36×107m3，为桃江流域内的最大水库，是一座以发电为主，兼有水库养殖、改善航运等综合效益的中型水利工程，水库正常蓄水位122.0 m，发电死水位117.0 m。出库下行1.4 km为居龙滩水文站，是桃江流域的水文控制站。

桃江流域地势南高北低，以山地为主,流域内主要土地利用类型为：以马尾松、杉木松、毛竹松为主的林地(77%)和耕地(17.5%)，特色经济作物为脐橙、柑橘和板栗等。流域内主要土壤类型为红壤(65.10%)，黄红壤(16.83%)和潴育水稻土(13.41%)。

2 数据与方法

2.1 数据收集与预处理

SWAT模型的运行需要针对研究区建立各要素数据库，包括数字高程模型(DEM)、土地利用和土壤等空间数据以及土壤属性数据库。

(1) DEM。由地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)下载的ASTER GDEM，该数据空间分辨率为30 m，利用ENVI软件进行校正并拼接生成研究区的DEM。

(2) 土地利用数据。土地利用矢量数据来自于江西省土地利用/覆盖数据库。该数据库利用秋季获取的无云Landsat卫星遥感影像，参照《环境状况评价技术规范》(HJ/T 192-2006)中土地利用分类方法建立的土地利用数据库。该数据库2005年以来的土地利用数据是经过内业校核和外业核查，Ⅰ级分类的总体精度达到90%以上，Ⅱ级分类精度大于85%，2005年之前的数据是按照前溯变化监测方式完成土地利用制图。依照SWAT模型运行要求，将土地利用归并为如表1 所示的耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6类。

表1 桃江流域1980，2000，2015年各主要土地利用类型面积 km2

(3) 土壤数据。包括土壤类型数据和土壤属性数据。土壤类型数据采用1∶50万土壤图，桃江流域主要分布有13类土壤。土壤属性数据是记录土壤层数、土壤粒径组成、土壤湿密度等属性要素。1∶50万土壤图采用国际制土壤质地分类，与ArcSWAT采用的USDA简化的美国制土壤质地不同，本文运用3次样条插值法将国际制土壤质地标准转换为适用于ArcSWAT模型支持的土壤质地标准[17-18]，并建立土壤属性数据库。

(4) 气象数据。包括1959—2013年温度、降水量、相对湿度、风速与日照时数等数据。ArcSWAT模型的运行需要站点日降水量和日最高、最低温度，其余数据利用桃江流域及其周边共8个气象站点,由模型天气发生器生成。

(5) 水文数据。收集了1980—2013年桃江下游的居龙滩水文站观测的日径流和泥沙含量资料。

2.2 方 法

(1) 子流域和水文响应单元划分。ArcSWAT能够依据DEM提取河网并划分子流域，但由于模型通过默认阈值提取的河网精度不高，文中采用Google Earth平台矢量化的实际河网，然后根据提取的河网划分子流域。

水文响应单元(HRUs)为模型模拟的最小空间单元，依据土地利用、土壤和坡度等，通过设定阈值由ArcSWAT生成，将桃江流域划分为43个子流域和185个水文响应单元。

(2) 模型运行与参数敏感性分析。由SUFI2，GLUE，ParaSol和MCMC等算法集成的SWAT-CUP是一个公共程序，用于ArcSWAT模型参数的敏感性分析，并对模拟结果进行率定和验证。

按照先径流、后泥沙的校准顺序调试运行[19]，以ArcSWAT模型给定的参数范围为基准，利用SWAT-CUP的参数校准工具和ArcSWAT中的sensitivity analysis工具确定各参数敏感性，得出表2中与径流和泥沙有关的23个敏感参数。其中CN2.mgt，GW_REVAP.gw，GWQMN.gw和REVAPMN.gw等参数对径流最为敏感，SPCON.bsn，SPEXP.bsn和USLE_P.mgt等参数对泥沙最为敏感。

表2 桃江流域径流、泥沙敏感参数

2.3 精度评价

采用相对误差(Re)，决定系数(R2)和Nash-Suttcliffe效率系数(Ens)分别评价模拟精度。其中Re评价模拟值与实际值的偏差，Re趋于0说明模拟结果越好；R2描述模拟值与观测值的序列变化趋势的一致性，R2趋于1，说明模拟精度高；Ens表示模拟值与实际值的接近程度：

Ens越接近于1，说明模拟值与实际值的偏离程度越小。一般来说，Ens>0.5时可以认为模拟结果有一定的可信度，Ens>0.65时，模拟结果较好[20-21]。

3 结果与讨论

3.1 径流和泥沙模拟

将SWAT模型模拟时段划分为预热期，率定期和验证期，其中预热期用于确定模型初始变量；率定期用来率定模型的敏感参数；验证期是对率定期确定的敏感参数和模拟结果的评价[22]。根据1980，1990，2000年3期土地利用数据，1980—1990年土地利用变化很小，将1980年设为模拟的预热期，1981—1990年为模拟的率定期，1991—2000年为模拟的验证期。

由表3可以看出，经过SWAT模型的预热和率定，桃江流域在率定期和验证期的径流和泥沙模拟效果良好。

表3 桃江流域率定期与验证期的径流、泥沙模拟精度评价

图1给出了1981—2013年的月径流模拟值与观测值变化趋势，由表4可以看出模拟效果很好。从分时间段的模拟评价结果可以看出：2007—2013年的月径流模拟Ens和R2都表明水电枢纽运行没有显著改变桃江月径流。这是由于居龙滩水电枢纽是以发电为主要功能的河道型水力工程，正常蓄水位122.0 m至起调水位118.0 m，在汛期遇有相应量级的洪水时才进行预泄，将库水位降至118 m；在非汛期，为维持正常蓄水位，上游来水量基本等于水库泄水量。这样的水库运行方案，会影响调蓄洪水后几天的径流，但对月尺度的径流影响较小。因此月径流模拟的结果受居龙滩水电枢纽工程运行的影响较小。

图1 桃江流域月径流模拟值与水文观测值比较

从1981—2013年泥沙模拟效果的图2和表4来看，模拟值与观测值的变化趋势基本一致，受2007年居龙滩水电站的建成运行的拦沙影响，Ens只有0.64。以2007年为界，1981—2006年的泥沙模拟效果良好，泥沙模拟的Ens为0.81，模拟值与观测值的决定系数R2为0.81，模拟值与观测值达到显著相关水平；而2007—2013年，尽管模拟值与观测值变化趋势一致决定系数达到极显著，但模拟值明显高于观测值，模拟相对误差显著增加。

图2 桃江流域月输沙量模拟值与水文观测值比较

评价目标模拟期ReEnsR21981—20060．170．920．93流量2007—20139．320．910．921981—20131．920．920．921981—20061．460．810．81输沙量2007—2013345．63-5．080．821981—201321．110．640．69

3.2 土地利用变化对径流、泥沙的影响

分别以1980，2000，2015年3期的土地利用数据，模拟不同土地利用情景下的月尺度桃江流域的径流和泥沙。由表5可以看出：不同土地利用情景下模拟的径流和泥沙变化很小，这主要是由于按照SWAT模型运行需要输入的6大类土地利用类型中1980，2000，2015年这3个时期的土地利用变化很小，导致森林或草地的覆盖度变化对径流和泥沙的影响难以得到表达。尽管如此，仍取得较好的模拟结果，可以认为：1980年以来，桃江流域的森林和草地的植被覆盖度变化不是导致桃江径流和泥沙变化的主要原因。

表5 不同土地利用情景下桃江流域年均径流、泥沙比较

3.3 土壤侵蚀分析

根据SWAT模型的模拟结果，对桃江流域土壤侵蚀做进行进一步的分析：①参考土壤侵蚀强度分级标准表(SL190-96)，依据1980—2013年的模拟结果计算各子流域侵蚀模数，对各子流域土壤侵蚀强度进行分级，得出桃江流域轻度侵蚀区域面积为3 877.06 km2，占桃江流域总面积的51.68%，中度侵蚀区域面积为3 624.90 km2，占桃江流域总面积的48.32%。②表6分析了桃江流域内185个水文响应单元不同土地利用方式对侵蚀产沙的影响，表明不同土地利用类型的土壤侵蚀强度顺序为：草地>耕地>建设用地>林地。

表6 桃江流域不同土地利用类型侵蚀模数

3.4 水利工程对河道输沙的影响

居龙滩水电站于2007年3月第一台机组正式运行，2007年5月全部投入运行[23]，导致桃江流域居龙滩水文站观测的输沙量大幅下降。从图2可以看出，2007年以后，泥沙模拟值普遍大于泥沙观测值，这正是由于难以获得居龙滩水电站的调蓄水方案中的诸多参数所引起。结合水文站观测泥沙含量序列和模拟结果，可以定量评价居龙滩水电站每年的拦沙量，结果如图3所示：居龙滩水电站的建成与运行使桃江输入贡江的泥沙量显著降低，2007—2013年期间居龙滩水电站的拦沙量约7.78×106t。

图3 1981-2013年桃江累积输沙量

4 结论与展望

(1) SWAT模型适用于桃江流域的径流和泥沙模拟，率定期和验证期的模拟精度较高，达到显著相关水平；

(2) 土地利用变化不是引起桃江径流和泥沙变化的主要原因；

(3) 桃江流域轻度侵蚀区域面积为3 877.06 km2，占桃江流域总面积的51.68%，中度侵蚀区域面积为3 624.90 km2，占桃江流域总面积的48.32%；

(4) SWAT模型能够较好地用于水利枢纽工程拦沙效应的定量评价，桃江下游的居龙滩水利枢纽工程在2007—2013年总的拦沙量约为7.78×106t，占桃江流域输沙总量的77.5%，显著改变了桃江的输沙特征。

由于1980,2000和2015年3个年份的森林和草地面积相近，土地利用变化对径流和泥沙的情景模拟结果不能表达20世纪80年代以来植被覆盖度变化对径流和泥沙的影响，在未来的研究中，有必要进一步强化SWAT模型针对不同覆盖度的林、草地的水文特征参数数据库的建设和完善；另外，在实现桃江流域径流和输沙模拟的基础上，有必要进一步对土地利用变化的环境效应进行模拟研究，特别是农业生产和果园开发中大量使用化肥和农药对水质的影响。

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