楊帆，韓晶，肖羽

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東佛山528000)

中國洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重，而作為重要防汛非工程措施的現(xiàn)有大部分水文預(yù)報都是著眼于有資料流域，即根據(jù)已有資料建立合適的經(jīng)驗關(guān)系或模型進(jìn)行預(yù)報。但在實際應(yīng)用中，由于受到社會發(fā)展等各方面因素的影響，還存在著無資料或資料稀缺的流域，而且有些已具備資料的流域可能因為環(huán)境變化使得歷史資料不可用。位于珠江三角洲地區(qū)的佛山市高明河流域，由于降雨資料系列短，且無長系列實測的河道水位流量數(shù)據(jù)等，同樣面臨著這些問題。

1965年，水文界曾啟動了第一個國際水文十年計劃(International Hydrological Decade, 簡稱 IHD)。2003年，國際水文科學(xué)協(xié)會啟動了第二個國際水文十年計劃，開展了“無測站流域水文預(yù)測”研究(Predictions for Ungauged Basins，簡稱PUB)[1]，成為又一個對水文學(xué)發(fā)展影響深遠(yuǎn)的里程碑[2]。PUB研究計劃具有重要的作用和意義，其前沿重點是估計和減少預(yù)報的不確定性，以及對整個水文過程的預(yù)報[3]。目前國內(nèi)外針對PUB的方法主要有3種[4]：一是通過內(nèi)插和外延，即將已有測站資料流域的響應(yīng)信息推到無資料流域的方法，主要有：參數(shù)移植法、參數(shù)回歸法等；二是利用地理信息技術(shù)，即GIS和RS等技術(shù)，采用土地利用類型等各類基于流域?qū)嶋H特征值的模型研究；三是建立具有物理機制的分布式流域水文模型等。其中分布式流域水文模型的應(yīng)用已經(jīng)成為PUB研究的難點，在中國應(yīng)用較多的分布式水文模型有SWAT、VIC等。SWAT模型充分考慮了流域內(nèi)土壤、水情、植被、地形、土地利用等下墊面情況，各參數(shù)具有明確的物理意義。近年來，SWAT模型在中國的應(yīng)用研究得到了快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到水文學(xué)的不同領(lǐng)域，張蕾娜等[5]通過分析模擬6種土地覆被情況下的徑流結(jié)果，得出還草比還林可以增加徑流的結(jié)論；朱利等[6]針對氣候變化對SWAT模型水文響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。

本文采用PUB計劃的研究思路和方法，將SWAT分布式水文模型應(yīng)用于珠江三角洲高明河流域，利用GIS的空間分析與數(shù)據(jù)處理能力，對流域水文氣象和下墊面資料進(jìn)行分析處理，率定模型參數(shù)，研究SWAT模型在降雨資料系列短、無長系列實測的河道水位流量數(shù)據(jù)、缺少有效的水文預(yù)報方案等缺資料的珠三角中小流域的適用性，并嘗試分析誤差原因。

1 高明河概況

高明河，珠江水系三角洲河流，古名倉步水、滄溪，又名滄江河，發(fā)源于高明區(qū)西部合水鎮(zhèn)托盤頂，干流經(jīng)合水、更樓、新圩、明城、人和、西安、三洲、荷城，從?？谒铝魅胛鹘?圖1)，全長80.78 km，總落差446 m，河道平均坡降0.45‰，干流寬度在70～120 m之間。主要支流有楊梅河與更樓河。

1.1 水文特征

高明河流域?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均降雨量1 681 mm[7]，降雨量與徑流量年際變化較大[8]，雨量年內(nèi)分配不均，雨季多發(fā)生在4—9月，約占全年降雨量的82%，其中4—7月以鋒面雨為主，7—9月以臺風(fēng)雨為主。

高明河下游受潮汐影響較大，水流方向不定，1 d內(nèi)有2次漲潮和退潮，平均漲潮歷時約為9 h，平均退潮歷時約為15 h。

1.2 洪澇特點

高明河中游明城以上支流匯入較多，坡度較陡，易受山洪沖刷。遇暴雨則成澇，無雨則受旱，山丘區(qū)的洪災(zāi)威脅主要來自高明河雨洪，圍田區(qū)的洪災(zāi)威脅除來自高明河暴雨洪水外，還來自西、北江洪水倒灌、頂托。遇高明河上游暴雨發(fā)洪，圍田地區(qū)構(gòu)成重災(zāi)的可能性極大。易澇滯洪區(qū)較集中在新圩、更樓和明城鎮(zhèn)。旱區(qū)較集中在合水鎮(zhèn)。

1.3 水文站

尼教水文站位于佛山市高明區(qū)荷城街道尼教村，屬于廣東省中小河流項目新建站點，目前監(jiān)測項目為水位和雨量，規(guī)劃有流量監(jiān)測，是高明河流域控制水文站。站點斷面附近河段順直，左、右岸均為人工修建的河堤及農(nóng)田，河寬約200 m，河床為泥沙質(zhì)；斷面上游約20 m右岸有牛圍竇小型水閘，上游50 m有尼教公路大橋，上游300 m處有西安河從左岸匯入；下游約1.2 km有高明大道三洲大橋。當(dāng)下游滄江水閘開啟時，該站受西江水位變化和潮汐影響。

1.4 水利工程

高明河匯入西江河口處建有滄江水利樞紐，樞紐西北連高明城區(qū)，東南面與南海區(qū)西岸接壤，是一項以防洪、排澇為主，集灌溉、航運等多功能于一體的綜合性大型水利樞紐工程[9]。

高明河流域共有水庫69宗，其中中型水庫2宗，為西坑水庫和深步水水庫。西坑水庫位于高明區(qū)西南面27 km，北距楊梅鎮(zhèn)14 km，離皂幕山、萬寶山莊僅3 km，集水面積10.5 km2，總庫容1 015萬m3。深步水水庫是南海區(qū)最大的水庫，位于更合鎮(zhèn)更樓河的中游地段，距更樓圩3 km，集水面積30.94 km2，總庫容1 540萬m3，集水區(qū)內(nèi)多為較高的山體，植被較好。本文考慮了2宗中型水庫的調(diào)蓄和調(diào)度。

2 模型應(yīng)用

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的一種流域模型。它考慮了氣候和下墊面的空間分布不均勻性，模擬流域降雨徑流的形成過程，可以反映出氣候和下墊面因子的空間分布不均勻性對流域徑流和水量變化的影響，并且可以將土壤特性、水情、植被、地形、土地管理措施與水循環(huán)、氮磷循環(huán)、泥沙運動等過程結(jié)合起來[10]。

2.1 資料處理

2.1.1流量數(shù)據(jù)

a) 河道流量方面，由于高明河流域無長系列實測流量資料，模型驗證所采用的河道流量資料由尼教站水位資料通過曼寧公式轉(zhuǎn)換，曼寧公式[11]見式(1)：

(1)

式中A——斷面面積；I——坡降；n——糙率；R——水力半徑。

本文在應(yīng)用曼寧公式計算流量時，將尼教站斷面近似概化為拋物線型，其公式為y=0.0006x2-0.1499x+6.5347，相關(guān)性系數(shù)為0.812 2，見圖2。以此拋物線型為基礎(chǔ)，利用面積分求得對應(yīng)于不同水位的過水?dāng)嗝婷娣e。

b) 水庫出流方面，SWAT是日模型模擬，故本文將西坑和深步水2宗中型水庫下泄調(diào)度轉(zhuǎn)為日平均出流代入模型運算。本文未考慮小型水庫調(diào)度影響。

2.1.2氣象數(shù)據(jù)

SWAT模型所需的日最高最低溫度、日平均相對濕度、日輻射以及日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)由SWAT官網(wǎng)(http://swat.tamu.edu/)提供的位于高明河流域的監(jiān)測站資料。

2.1.3DEM數(shù)據(jù)

采用國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺90 m×90 m的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)ArcGIS水文分析工具處理，得到流域的DEM(圖3)。

2.1.4土地利用數(shù)據(jù)

采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的USGS-2000分類系統(tǒng)對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，見表1，分類后的土地利用分布見圖4。

2.1.5土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)提供的土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database，HWSD)，比例尺為1∶1000000。利用ArcGIS裁切出流域土壤類型分布(圖5)，土壤類型代碼及所占的面積，見表2，借助FAO提供的土壤參數(shù)，計算SWAT模型所需要的土壤參數(shù)，如土壤層數(shù)、土壤粒徑、土壤水文學(xué)分組等，并建立高明河流域的土壤數(shù)據(jù)庫。

表2 高明河流域土壤類型代碼

2.2 子流域及響應(yīng)單元劃分

本研究以水文站的地理位置和河網(wǎng)水系的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以尼教站斷面作為流域的出口斷面，將高明河流域劃分為46個子流域和151個HRU水文響應(yīng)單元(圖6)。

2.3 參數(shù)敏感性分析

SWAT模型屬于分布式水文模型，參數(shù)一般都具有物理意義，在參數(shù)率定前首先做參數(shù)敏感性分析，然后再對相對敏感參數(shù)進(jìn)行率定。本研究中采用LH-OAT靈敏度分析法來進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

由于SWAT模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)較多，給模型參數(shù)率定帶來了一定的困難。本文采用人機聯(lián)合優(yōu)化率定，所用的參數(shù)優(yōu)化方法為SUFI-2(Sequential uncertainty Fitting，ver.2)方法[12]。通過敏感性分析，確定了對高明河流域徑流模擬影響較大的6個參數(shù)，率定結(jié)果見表3。

2.4 模擬結(jié)果評價

根據(jù)率定得到的參數(shù)值，將模擬結(jié)果分為率定期和驗證期，2014年3月6日至2014年7月31日共148 d為率定期(表4、圖7)，2014年8月1日至2014年9月17日共48 d為驗證期(表5、圖8)。采用相對誤差、相關(guān)系數(shù)以及Nash-Sutcliffe效率系數(shù)三項指標(biāo)對模型模擬結(jié)果分別進(jìn)行評價(部分突變點原因見誤差分析第1點)。

表3 SWAT模型日徑流模擬參數(shù)結(jié)果

表4 高明河流域日徑流模擬率定期評價

表5 高明河流域日徑流模擬驗證期評價

3 誤差分析與討論

高明河流域?qū)儆谌辟Y料地區(qū)，現(xiàn)有實測資料只有尼教站水位(2014年開始監(jiān)測)和5個雨量站(2站從2009年開始監(jiān)測、2站從2013年開始監(jiān)測、1站從2014年開始監(jiān)測)的短系列資料，缺乏長系列(特別是汛期)實測流量數(shù)據(jù)，包括流域出口的流量數(shù)據(jù)和流域內(nèi)各水庫的出流數(shù)據(jù)(只考慮了2宗中型水庫調(diào)度)。從模型應(yīng)用過程中遇到的問題來看，存在以下誤差。

a) 因流域所處位置及滄江水利樞紐控制，作為流域出口斷面的尼教站的水位、流量等要素的變化除受自身流域產(chǎn)匯流影響外，很大程度上還受到西江上游徑流及下游潮汐頂托影響，而本文僅從高明河流域自身的產(chǎn)匯流方面進(jìn)行了分析，未考慮這兩方面的影響，故在水位轉(zhuǎn)換流量后，實測過程線會出現(xiàn)突變點，同時在外江中低水位時，預(yù)報會出現(xiàn)誤差。此外，由于模型考慮了中型水庫的調(diào)蓄和調(diào)度，再加上地下水影響，故模擬結(jié)果存在降雨小反而徑流略有增加的情況，但由于未考慮眾多小型水庫的調(diào)蓄，因此與實際過程仍有誤差。

b) 本文中的流量數(shù)據(jù)是由曼寧公式通過計算而來，而曼寧公式本身就存在誤差[13]。除此之外，應(yīng)用曼寧公式計算流量時，所采用的斷面面積應(yīng)該是河段平均斷面面積，本文將流域出口斷面近似概化為拋物線型。尼教站水位較低，一般在2 m以下，當(dāng)水位在3 m以下時拋物線擬合效果較好，但高水時就會使斷面面積產(chǎn)生一定誤差。

c) SWAT模型運算結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[14]，在校準(zhǔn)過程中，需要在空間上進(jìn)行多站點的校準(zhǔn)，即采用上下游多個站點的水文資料來校準(zhǔn)模型參數(shù)，圖9是SWAT模型校準(zhǔn)技術(shù)流程。由于缺少流域中上游各站點水文資料，本文只能通過流域總出口的水文資料進(jìn)行統(tǒng)一分析，以總出口斷面率定出的模型參數(shù)代替流域中151個水文響應(yīng)單元的參數(shù)，這樣處理必然會帶來一定的誤差。

下一步工作，筆者一方面進(jìn)一步查證歷史資料、更新下墊面數(shù)據(jù)，對最新測驗資料進(jìn)行插補延長；一方面加入西江上游徑流來水、下游潮汐頂托和小型水庫調(diào)蓄等影響因素，考慮不同邊界條件對模型的影響，繼續(xù)優(yōu)化完善模型，減少誤差，提高模擬精度。并以此模型為基礎(chǔ)，分析高明河流域總磷、總氮等污染物通量。

4 結(jié)論

本文以高明河流域尼教站水位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，收集到與水位時間對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、太陽輻射、相對濕度、風(fēng)速，利用高明河流域的5個雨量站數(shù)據(jù)，結(jié)合流域的DEM、土壤類型數(shù)據(jù)庫、土地利用分布圖等其他輔助數(shù)據(jù)，采用SWAT模型，對高明河流域進(jìn)行日徑流模擬。經(jīng)檢驗，率定期和驗證期的相對誤差均在0.2以下，相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)均在0.5以上，達(dá)到GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》中精度評定的丙級(率定期確定性系數(shù)0.63)。上述結(jié)果表明，模擬的徑流過程與實測徑流過程吻合度較好，能夠基本準(zhǔn)確地反映出流量的實際變化，滿足日徑流模擬參考性預(yù)報和估報的精度要求。綜上所述，SWAT分布式水文模型能夠準(zhǔn)確地對高明河流域日時間尺度水文過程進(jìn)行模擬，具有較好的適用性。