张峰水库入库流量模拟及产流分析

侯芳 李晓晖 胡文慧 李光永

摘 要：本研究依托GIS，构建张峰水库上游流域SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型。基于构建的模型，创新性采用从上游到下游依次对孔家坡、飞岭、张峰3水文站1993～2008年的月径流进行多站点校准和验证，以1993～2002年为校准期，2003～2008年为验证期。3站点校准期和验证期Nash-Sutcliffe效率系数（Ens）均大于0.70，相关性系数（R2）达到0.80以上，表明模型能够适用于集水区径流过程。基于模拟结果表明，耕地单位面积产流比林地和草地大，是主要的产流土地利用方式；此外土壤、坡度对产流影响也非常大，因此土地利用方式、土壤、坡度综合，导致飞岭以上区域产流大于飞岭以下。

关键词：SWAT模型；张峰水库；径流模拟；土地利用

中图分类号：P332 文献标志码：A 文章编号：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

張峰水库位于山西省晋城市，是黄河一级支流沁河上游一座重要的水利枢纽工程，主要供给以农村人畜饮水、城市生活用水和工业用水，兼顾发电、防洪。由于气候变化，城市化建设造成下垫面的改变，洪水日益频发。有历史文献记载的洪水139次，其中张峰测站1892年洪峰流量达到4150～4810m3/s，1937年为2300～3140m3/s。

为指导水库调度，仅通过单点降雨径流观测数据分析已经不能满足要求。近年来采用分布式水文模型对沁河流域水文规律的研究较少，亟待基于研究流域内土地利用、土壤、坡度等空间分布规律对产流的影响，从而分析入库径流的影响因素，进而指导流域综合治理，防洪抗灾。采用分布式水文模型，可提高评价水资源的精度[1]，为水土保持提供重要理论依据。

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

T）模型在国内外均得到广泛的应用，模拟适用性较好[2～4]。本文针对张峰水库上游流域，以GIS为平台，基于SWAT模型构建分布式水文模型。创新性的采用孔家坡、飞岭、张峰3个水文站月径流资料，进行多站点校准及验证，既对模型的适用性上进行实践，更进一步研究相关参数的取值，探讨产流关键区及其影响因素，以期为当地水土保持及水库调度提供依据。

2 研究区概况

张峰水库总库容5.05亿m3，坝址以上干流长224 km，控制面积4990km2。研究区北高南低，北部沁河河源至飞岭以上以土石丘陵和山石林区为主，南部飞岭至张峰为土石山区，东西群山林立，沟壑纵横，中部较低，沁河干流于中部纵贯南北。流域年均气温4.4～17.5°C。多年平均降水量587.3mm，多集中在6～9月。多年平均蒸发量为1000 mm，由南向北递减，为降水量的2.3～3.7倍。研究区的径流比降水滞后一个月，年内分配极不均匀，7～10月占全年径流量59%～69%。据1958～1980年径流资料显示，沁河来水量自上游到下游逐渐增加，每平方公里年产水量，上游孔家坡9.2m3，飞岭到张峰站增加到11.18～15.04m3[5]。

3 模型构建

3.1 数据准备

模型需空间数据包括DEM图、土地利用图、土壤图以及河网水系图。属性数据包括土壤、气象、水文等数据。本文投影坐标采用WGS 1984 UTM Zone 49N。

本文选用流域内及周边的介休、阳城、安泽、沁源4个气象站，王村、卫村等15个雨量站，孔家坡、飞岭、张峰3个水文站日观测值（见图1）。数据系列为1991～2008年连续18年逐日观测数据。

本文采用中国科学院资源环境科学数据中心提供的2000年，1：10万的土地利用数据。采用中国科学院资源环境科学数据中心提供的2000年，1：100万的土壤数据。

3.2 子流域和水文响应单元划分

本文采用90m×90m分辨率的数字高程图（DEM）。以张峰水库为出口，将研究区划分成67个子流域和785个水文响应单元（HRUs）。

3.3 参数敏感性分析及率定

本文采用综合LH（Latin Hypercube）抽样方法和OAT（One factor At a Time）灵敏度分析方法的拉丁超立方随机取样（LH-OAT）法进行敏感性分析。结合模型敏感性分析结果和前人研究成果[6]，选取对集水区径流影响较大的5个参数进行率定（见表1）。

3.4 模型校准及验证

本文采用SCS曲线数法计算地表径流，Penman-Monteith計算潜在蒸腾蒸发量，变动存储系数法演算河道。采用孔家坡、飞岭、张峰3个水文站进行多站点法校准和验证模型。

利用构建好的分布式水文模型对张峰水库上游流域月径流进行模拟。1993～2002年为校准期，2003～2008为验证期。采用Nash-Sutcliffe效率系数Ens、相关性系数R2、相对平均误差RME评价模型的适用性。

根据模拟结果3站点校准期和验证期Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.70。3站月实测与模拟径流相关系数R2均达到0.80以上。相对平均误差RME均在20%以内（表2）。

孔家坡、飞岭、张峰站的月径流模拟结果表明，在校准期和验证期，各水文站径流模拟值和实测值趋势基本一致，构建的模型可以较好的模拟张峰水库上游月径流过程。

4 研究区产流规律分析

4.1 不同土地利用产流贡献

本研究区内城乡、工矿、居民用地、水域四种土地利用占比为0.33%，占比较少。本文主要探讨耕地、林地、草地3种土地利用方式的产流贡献率（见表3）。

由表3可知林地产流量最小，其原因是植被的存在使得林地地表有效糙率提高，同时植被的根系改良土壤结构提高起入渗强度和蓄水性能，进而有效地拦蓄径流[7]。

4.2 不同水文年产流空间分布

本文将产流空间分为“飞岭以上”和“飞岭-张峰”两部分。在丰水年、平水年、枯水年，“飞岭以上”产流均比“飞岭-张峰”产流量大（见图2）。

产流与降雨、土地利用、土壤、坡度等因素有关。由于流域产流主要是由降雨引起。由表4可知，各水文年两段流域范围内降雨量仅相差5%以内，而产流量相差高达800%以上，由此可得，降雨对产流关键区影响不大，可看成降雨量在流域内均等分布。

从土地利用类型分析，研究区以林地、耕地、草地为主。“飞岭以上”林地大于“飞岭-张峰”，耕地小于“飞岭-张峰”，仅从土地利用方式分析，产流应该增加，而实际情况却相反。因此产流量不仅取决于土地利用方式。

从坡度角度分析，“飞岭以上”坡度在25%以上的面积占比为30.48%，大于“飞岭-张峰”的27.80%。对于低海拔区降水主要以蒸发等形式耗散，较高海拔区更难形成径流。随海拔降低，产流能力逐渐减弱，低海拔区产流能力要明显低于高海拔山区。因此导致“飞岭以上”产流较“飞岭-张峰”多。

考虑土壤类型对产流分布的影响“飞岭以上”主要土壤类型褐土；“飞岭-张峰”主要土壤类型褐土占比较上游减少，且粗骨土、山地草甸土占比提升。根据土壤性质，褐土渗透性能更差，而粗骨土、草甸土渗透性能更好，因此进一步导致“飞岭以上”产流较“飞岭-张峰”大。

综上所述，“飞岭以上”产流大于“飞岭-张峰”，主要原因：（1）“飞岭以上”坡度大，有利于产流（2）“飞岭以上”土壤渗透性能小，有利于产流。通过探究产流空间分布，本研究区的地形坡度和土壤综合作用较土地利用方式对产流影响更大。

5 结论

本文主要结论如下：（1）本文基于ArcGIS构建了张峰水库上游流域SWAT模型。（2）采用孔家坡、飞岭、张峰站的月径流观测值，对模型进行了多站点校准及验证。模拟值与实测值在校准期和验证期Ens均大于0.70，R2均达到0.80以上，RME在20以内。表明对于月径流模拟，模型在张峰水库上游流域具有较好的适用性。（3）通过不同土地利用产流贡献的分析。表明林地产流贡献率最小，耕地产流贡献率最高。（4）研究区主要产流区域在飞岭以上。这跟单位面积山区产流量高于平原地区有关，随海拔降低，产流能力逐渐减弱。此外产流量也受土壤、坡度等下垫面因素的影响。

参考文献：

[1]彭文英，张科利.不同土地利用产流产沙与降雨特征的关系[J].水土保持通报，2001（04）：25-29.

[2]赖格英，吴敦银，钟业喜，等.SWAT模型的开发与应用进展[J].河海大学学报（自然科学版），2012（03）：243-251.

[3]Bekiaris I G.， Panagopoulos I N.， Mimikou M. A. Application of the SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model in the Ronnea catchment of Sweden[M]//2005：A160-A165.

[4]张雪松，郝芳华，杨志峰，等.基于SWAT模型的中尺度流域产流产沙模拟研究[J].水土保持研究，2003（04）：38-42.

[5]沁河水资源利用规划报告[M].水利部黄河水利委员会勘测规划设计院，1991.

[6]林炳青，陈莹，陈兴伟.SWAT模型水文过程参数区域差异研究[J].自然资源学报，2013（11）：1988-1999.

[7]肖金强，张志强，武军.坡面尺度林地植被对地表径流与土壤水分的影响初步研究[J].水土保持研究，2006（05）：227-231.