基于ArcSWAT的日照沭河流域雨水集蓄潜力分析

张萧萧，高 舒，李旺林，霍 云

(济南大学，济南 250022)

0 引 言

沭河流域是山东省降水最丰富的地区之一，沭河既是日照市境内最大的河流，也是其重要的供水来源之一，但是也存在着滞留雨洪水量不足而出境水量巨大的问题。现如今，城市化进程明显加快，日照市内需水量急剧增加，导致水资源对于经济发展的影响越来越大。目前，国内外已有很多利用SWAT模型模拟流域径流过程并计算水资源量的研究实例，模型的适用性也得到了很好的验证。例如：Faramarzi 等人[1]利用SWAT水文模型预测气候对整个非洲大陆水资源不同部分组成的影响，并进行水资源总量的计算；Azimi等人[2]利用SWAT模型对伊朗干旱和半干旱地区的河流流域进行测试，并对该流域的生态水文模型进行了校正和验证；Daggupati[3]了解开发、校准、验证模型的一些重要决策是如何影响水文过程和径流模拟结果的，对该模型更好的广泛应用于水文过程、土地利用和气候变化影响做出了重要贡献；金鑫[4]对模型进行改进，并开发出LU-SWAT模型，对比两者径流模拟效果，发现后者能更适用于黑河中游区域的水循环模拟及径流变化；周帅等人[5]探究参数的不确定性对径流模拟的影响，通过提高模型参数的准确性来改善径流模拟的精度。在雨洪水资源利用潜力方面，赵飞等人[6]采用日降雨序列估算法和多年平均降水量计算法对北京以及全国进行了较为全面的雨洪资源综合利用潜力估算，进一步表明在实施雨洪资源利用措施后，取得的总体效益十分显著。冯浩等人[7]在分析不同雨水利用方式的基础上，提出了理论潜力、现实潜力等多个雨水资源化潜力的概念，对小流域雨水资源化潜力的计算方法进行了探讨；罗乾等人[8]重新定义雨水资源利用潜力，验证得到在连云港市采用水量平衡法能更好的对其进行定量计算；王银堂等人[9]提出了流域层面的洪水资源利用模式，并对北京规划市区雨水资源可利用量及海河流域洪水资源利用现状和利用潜力进行定量评价。徐学选等人[10]根据雨量观测站的逐月降水资料测算了陕西省雨水汇流潜力。马瑾瑾等人[11]建立了以雨水资源为研究对象的海绵城市建设中雨水利用潜力评价体系，并对比综合径流系数法结果，验证了其合理适用性；赵西宁等人[12]构建了区域雨水资源化潜力定量评价模型；李晓贝等人[13]建立了城市雨水资源利用的功能与需求耦合效益识别模型，在云南省的应用更是验证了其有效性及精确性；郭晓辉等人[14]利用SCS-CN模型计算径流潜力，并确定清水河流域潜在集雨工程的位置，为当地综合治理山区雨洪资源问题和规划设计集雨工程提供一系列科学依据。高舒[15]运用此模型在日照研究区域进行的拦蓄雨洪的设施布置方案更是验证了其良好的适用性。本文通过构建雨洪水资源化模型分析和计算研究区域内雨洪资源量和利用潜力，并结合SCS-CN模型和ArcGIS平台对该流域进行雨水集蓄措施潜在位置的分析及蓄水量的估算。

1 研究区概况

日照市地处大陆沿海中部、山东半岛东南部，是一座新兴的港口城市。日照市南北长约82 km，东西宽约90 km，总面积5 359 km2。沭河发源于临沂市沂水南麓泰薄顶，由沂水进入莒县境内，是过境河，干流长约为83.29 km，流域面积约占全市总面积的40.3%，达到2 141.3 km2。

日照市土壤分为风砂土、盐土、砂姜黑土、水稻土、潮土、褐土、棕壤7个土类，15个亚类，以棕壤土面积最大，主要分布在山地丘陵区。日照市地处温带，属典型的暖温带湿润季风区大陆性气候，四季分明，冷热季和干湿季区别十分明显，具有春旱、夏涝、晚秋又旱，旱涝不均的气候特点。

本文在确定研究区域时，为提高研究范围的准确性，利用ArcGIS多次进行水文分析，同时为了尽量保证流域的完整性，得到更加准确的模拟结果，将研究区域划定在以日照为主且含有小部分沂水县沭河流域的地方，区域面积达到2 422 km2，位置如图1所示。

图1 研究区域位置示意图

2 SAWT径流模拟适用性分析

SWAT模型是美国农业部在ArcGIS平台的基础之上，开发的一种适合运用于较大流域尺度的水文模型，近几年来模型研究发展迅速，并被广泛应用在各大领域，它根据地理信息和遥感系统来提供空间信息，达到可以模拟水文物理化学过程的目的。土壤、气象、水文、地形等均成为SWAT模型是否能够准确运用的关键条件，根据研究区域自然地理条件和气象水文特征可以选择建立相适应的数据库，并划分子流域，引入多水文响应单元，经率定后验证该模型在研究区域具有良好的适用性。

2.1 数据需求与来源

可靠的数据源和完整的数据库是SWAT模型成功运行的先决条件。因此，基础数据的数据库建设和预处理非常重要。本文通过实地考察、网络申请、相关部门申请等多种方式获取数据。

2.1.1 土壤及土地利用数据库的构建

本次研究的土壤数据来自世界和谐土壤库(HWSD)，其中南京土壤研究所在第二次全国土地调查中提供的1∶100万土壤数据成为此次研究过程中中国主要的数据来源。根据SWAT模型要求计算所需的土壤参数并进行修改。

利用资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn/)中2010年山东省遥感监测的数据,以及研究区域中采用的SWAT模型内置土地利用类型将土地利用种类根据一级类型重新进行分类。

2.1.2 气象数据库的构建

本文所使用气象数据来源于CMADS1.1数据集，其中研究区域的气象数据主要来源于选取的143-237、143-236、144-237、144-236、145-236、145-235共6个站点的数据，根据模型要求，给出相应的日最高温度、日最低温度、日平均湿度、日平均风速、日平均辐射数据及索引表TXT文件。

2.2 SWAT模型建立

按照SWAT建模程序，对研究区域进行子流域的划分，为了后期模型验证及流域内雨洪资源量的评价，以青峰岭和莒县两个水文观测站为出水口，将研究区划分为67个子流域，如图2所示。在子流域的基础上，将土地利用类型和坡度的面积阈值设置为20%，土壤类型阈值则设置为10%，以此为依据最终将研究区域划分为240个水文响应单元。

图2 SWAT子流域划分图

本次模拟根据气象站9年(即2008-2016年)实测数据，SWAT模型运行预热期(NYSKIP)设定为3年(即2008-2010年)，模拟过程以2008年1月1日作为开始日期，结束日期为2016年12月31日，以月尺度输出。

2.3 参数率定及验证

本次选择ALPHA_BF、GW_DELAY、GWQMN、GW_REVAP、ESCO、SOL_AWC、SOL_BD、SOL_K、CN2作为径流模拟参数，分析全局敏感性，将参数率定后用于径流的模拟过程，得到的莒县站和青峰岭站率定期及验证期月径流的实测值与模拟值见图3、图4。

图3 青峰岭站月径流实测值与模拟值对比图

图4 莒县站月径流实测值与模拟值对比图

对模型的适用性评价是采用相关系数R2和纳什系数Ens进行判断，通过模拟得到青峰岭站、莒县站验证期实测值与模拟值的相关系数R2分别为0.89和0.88，Ens为0.87和0.86，说明SWAT模型在研究区域具有良好的适用性，可以用于研究月尺度的径流模拟。

3 雨洪资源量和利用潜力计算与分析

雨洪资源利用又称雨洪资源化，就是在区域安全、经济、环境等制约条件的前提下，通过工程或非工程措施，将雨洪水作为一种资源转化为地表水或地下水，以此来供人类利用的过程。根据已有的城市雨洪水资源化计算模型在低山丘陵地区的适用性研究[13]，证明模型在山地同样具有适用性，即可以在研究区域运用此模型。因此，利用SWAT模型对该地区雨洪资源量进行合理的计算与分析，既得到研究区的雨洪资源量和利用潜力，增加水资源总量，也为研究区雨洪资源的优化利用提供依据。

3.1 水资源总量计算

水资源总量是指在降水过程中所形成的地表水资源量(即河川径流量)和地下水资源量(即降水入渗补给量)之和，其中研究区域平均降雨入渗补给系数是由研究区地表土渗透性来确定的，取值为0.16。但是水资源总量并不等于地表水资源量与地下水资源量的简单相加，需扣除两者重复量(原因是水资源量统计有一个时间上的间隔，由于水文循环，在此间内会产生地表水与地下水的转换)，这部分重复计算量即河川基流量。计算公式如下：

W=R+Q-D

(1)

R=D+Rs

(2)

Q=Pr=Pα

(3)

式中：W表示水资源总量，万m3；P表示降雨量，万m3；R表示地表水资源量(即河川径流量，万m3)；Q表示地下水资源量(即降水入渗补给量Pr，万m3)；D表示地表水与地下水重复计算量(即河川基流量Rg，万m3)；Rs表示地表径流量(即地表水资源量与河川基流量之差，万m3)；α表示平均降雨入渗补给系数。

由表1可知，以日照为主的沭河流域年平均水资源总量为64 738.2 万m3，地表水年平均资源量为51 882.0 万m3，地下水年平均资源量为21 139.2 万m3，其中年平均基流量为8 283.0 万m3；对比《日照统计年鉴》中统计数值，其中日照市年平均水资源总量为147 300 万m3，地表水年平均资源量为118 048 万m3，地下水年平均资源量为48 100 万m3，年平均基流量为18 848 万m3，根据沭河流域面积约占日照市总面积的40%左右，比较可知计算结果的准确性基本得到验证。

表1 研究区域雨洪资源量计算表

3.2 雨洪资源利用潜力计算

雨洪资源利用潜力是将雨洪资源可利用量中扣除已开发利用部分后尚可开发利用的量，具体是通过计算地表水可利用量和地下水可开采量来确定的。在城市雨洪资源集蓄研究的基础上，根据区域水文、气象等一系列观测资料，分析流域未来城市化发展水平，研究雨洪资源可能的利用程度并进行雨洪资源利用潜力的计算，为雨洪资源的有效管理、合理配置和保护利用提供强有力的依据。

3.2.1 地表水可利用量

地表水可利用量的估算可采用倒算或者正算的方法，由于相关资料难以收集，本次评价采用倒算法，即以地表水资源量为基础，扣除河道内生态环境需水量，并且考虑汛期大洪水时不能下泄的弃水量，计算公式如下：

Wc=Wt-Wr-Wfd

(4)

式中：Wc为多年平均地表水资源可利用量(地表水可利用量)；Wt为地表水资源量；Wfd为洪水弃水量；Wr为河道内生态环境需水量。

对于研究区域内沭河流域进行地表水可利用量的计算时，洪水弃水量是采用汛期天然径流量减去流域调蓄和耗用的最大水量并计算多年平均值得到的，为13 826.0 万m3，研究区河道内生态环境需水量约占天然径流量的10%左右，为5 188.0 万m3。地表水可利用量计算结果详见表2。

表2 研究区域地表水可利用量总结表 万m3

计算得到，研究区内沭河流域多年平均地表水可利用量为32 868.0 万m3。

3.2.2 地下水可开采量

地下水开采量，指储存在地表以下未被开采，通过采取相对经济可行、环境允许的措施从含水层中可以获取的水资源总量。在本次研究中，采用无因次开采系数(根据《日照水资源调查评价》中数据，取0.7)与浅层地下水总补给量的乘积来表示，计算公式如下：

Qey=ρQtr

(5)

式中：Qey表示地下水可开采量，万m3/a；Qtr表示浅层中地下水总补给量，万m3/a；ρ表示无因次可开采系数。

计算得到研究区域内多年平均浅层地下水可开采量为14 797 万m3。

3.2.3 利用潜力计算

现状条件下，研究区域内地下水资源年均开采量和地表水资源年均开发利用量分别为8 427和9 675 万m3。计算公式如下：

Wp=Wc-Waq

(6)

Qp=Qey-Qeq

(7)

式中：Wp表示地表水开采潜力；Waq表示地表水开发利用量；Qp表示地下水开采潜力；Qeq表示地下水年均开采量。

经过计算，研究区地下水开采潜力为6 370 万m3，约占地下水年均可利用量的43%；地表水开采潜力为23 193 万m3，约占地表水年均可利用量的70%。

4 雨水集蓄措施潜在位置分析及蓄水量预测

雨水集蓄是指对降水进行收集、储存和调节利用的微型水利工程或其他相关雨水收集储存措施。近年来，雨洪资源化进程快速发展，人们对于研究蓄水量以及雨水集蓄措施的布局都有了长足的进步。本文研究区域以日照沭河流域为主，该地区地形地势多为低山丘陵，非常适合进行小范围雨水集蓄。因此，在SCS-CN模型的基础上，结合研究区域基本概况，兼顾经济因素，分析研究雨水集蓄潜在位置并计算蓄水量，为研究区域提供一个高效的雨水集蓄方案。

4.1 雨水集蓄措施布局

SCS-CN(Soil Conservation Service Curve Number)模型是广泛应用经验性水文模型，模型结构简单，模拟结果精度较高，可以根据不同的下垫面条件(如土壤类型、土地利用、河流水系、坡度等)计算相应的径流量，常被用来用来确定雨水集蓄措施的潜在位置。因此，本文首先使用SCS-CN模型来确定研究区的径流潜力，再利用ArcGIS进行坡度、集水面积等因素的叠加和集雨路径的分析，五种雨水集蓄措施的约束集和规格参数如表3、表4所示。

表3 5种雨水集蓄措施规格参数表

表4 5种雨水集蓄措施约束集表

根据表3、表4中关于5种雨水集蓄措施的规格参数及约束集，位置的确定采用ArcGIS工具来进行：①首先需要叠加处理径流潜力级别、集雨路径等级、坡度三个因素，然后通过不同的约束集条件，查询相关数据；②根据5种不同的雨水集蓄措施距离居民住宅区和耕地的条件限制，以居民住宅区和耕地作为中心区，缓冲区建立在200和500 m范围处，最大范围可达1 000 m；其次对于日照市境外区域以及青峰岭和小仕阳水库附近拥有较为成熟的雨水收集储存措施的地区进行扣除；经过深入研究最后确定雨水集蓄措施的位置。

通过进行结果统计可得研究区域内各雨水集蓄措施个数及所占面积，具体总结为：①适合建造拦水坝的潜在位置点共有31处；②适合作为居民住宅集雨区的面积约为128.4 km2；③适合修建蓄水坑塘的面积约为30.23 km2；④适合建设蓄水池的潜在位置点共有36处；⑤适合建设大口井潜在位置共有32处；5种雨水集蓄措施的位置分布见图5。

图5 研究区域内5种雨水集蓄措施布置图

4.2 新增蓄水量估算

4.2.1 平均降雨量

本文通过研究分析1956-2015年内青峰岭站、莒县站、陈家庄站、夏庄站、小仕阳站和东莞站6个站点共60年的年降雨数据，采用泰森多边形法，经计算得到雨水集蓄措施潜在布置区内的年平均降雨量为797 mm；在95%、75%、50%和25%的降雨频率下降雨量分别为475.2、621.2、758.2和923.3 mm，呈现出递增的趋势。

4.2.2 蓄水量估算

对研究区域径流潜力分析并结合当地实际概况，具体规划了包括拦水坝、居民住宅集雨区、蓄水坑塘、蓄水池、大口井5种雨水集蓄措施，并分析计算不同降雨频率下的可增加蓄水量，具体计算结果见表5。

由表5可得，在95%、75%、50%和25%的降雨频率下，5种集蓄措施可增加集蓄雨量分别为2 100.27、2 731.26、3 323.36和4 036.89 万m3，与前面雨洪资源利用潜力中地表可利用水量进行对比，按照规划进行雨水集蓄措施的布局所增加集蓄雨量均小于雨洪资源利用潜力。

表5 规划雨水集蓄措施可增加的蓄水量 万m3

5 结 论

本文以ArcGIS为平台，利用SAWT模型进行研究区的径流模拟工作，获得雨洪资源量和利用潜力，同时结合SCS-CN模型，分析雨水集蓄措施的潜在位置并估算蓄水量，通过上述分析和研究，得出主要结论如下。

(1)研究区划分为67个子流域、240个水文响应单元(HRU)，根据模型适用性评价标准判断，SWAT模型在研究区域的径流模拟上具有较好的适用性。

(2)利用率定好的SWAT模型进行径流模拟，得到研究区现状条件下地下水资源开采潜力为6 370 万m3，地表水资源开发潜力为23 193 万m3，分别约占地下水年均可利用量的43%和地表水年均可利用量的70%。

(3)在ArcGIS平台的基础上，结合SCS-CN模型，雨水集蓄措施具体总结为拦水坝、居民住宅集雨区、蓄水坑塘、蓄水池、大口井5种，在95%、75%、50%和25%的降雨频率下，五种集蓄措施可增加集蓄雨量分别为2 100.27、2 731.26、3 323.36和4 036.89 万m3，为研究区域内水资源的高效持续利用提供一系列科学依据。

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