張佩琪，鄧 鵬，王 沃

(四川省成都市成華區(qū)農(nóng)業(yè)和水務(wù)局，成都，610031)

0 引言

中國西南地區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛，由于巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)地貌，地表形成了石芽、干谷、溶溝等；地下形成溶洞、豎井、地下漏斗等[1]。這些獨(dú)特的巖溶構(gòu)造，使得含水層空間結(jié)構(gòu)差異性大，巖溶地表-地下水文循環(huán)存在不均勻性。在這樣的自然背景下，加之人類的一些不合理活動(dòng)，導(dǎo)致植被受損、用水過度、土地石漠化現(xiàn)象比較嚴(yán)重[2]。漓江流域是典型代表之一。

水是生命之源，專家學(xué)者很早便開始了對(duì)水文循環(huán)的探索，水文模型應(yīng)運(yùn)而生。水文模型利用數(shù)學(xué)、物理方法對(duì)復(fù)雜的水文過程進(jìn)行簡化和模擬。SWAT水文模型操作簡便，結(jié)果精準(zhǔn)，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[3]。SWAT水文模型可以模擬流域的水文循環(huán)過程，分析水資源狀況。模型內(nèi)置的BMPs可以設(shè)置退耕還林、殘茬覆蓋、植被緩沖帶等農(nóng)業(yè)管理措施，從而建立最佳的節(jié)水用水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、污染治理措施[4]。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

漓江位于廣西壯族自治區(qū)東北部，屬于珠江流域桂江水系。發(fā)源于桂林市興安縣西北部的越城嶺貓兒山八角田高山沼澤帶，流向自北向南，全長214km，流域面積約5444km2。漓江流域北臨貓山和天平山，西鄰架橋嶺，與長江流域洞庭水系的支流資江及柳江支流尋江、洛清江相接，流域東邊以海洋山為邊界，與長江流域湘江水系支流海洋河、灌陽河接壤[5]。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 漓江流域位置

1.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

SWAT模型的構(gòu)建需要空間地理數(shù)據(jù)(數(shù)字高程DEM、土地利用類型和土壤類型)與氣象數(shù)據(jù)(降水、蒸發(fā)、溫度、徑流等)。利用空間地理數(shù)據(jù)生成河流，組建河網(wǎng)、劃分子流域、生成水文響應(yīng)單元；利用氣象數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，描述流域的輸入輸出。為了率定和驗(yàn)證模型，還需要徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 模型數(shù)據(jù)來源

1.2.2 DEM數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是通過地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面信息的數(shù)字化模擬，即對(duì)二維地理空間上具有連續(xù)變化特征的地理現(xiàn)象的模型化表達(dá)和過程模擬[6]。利用DEM所表示的地形信息，可以生成流域河網(wǎng)水系，劃分流域范圍，進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬。SWAT模型基于對(duì)DEM的分析，獲取漓江流域的高程地形信息，確定河流河網(wǎng)，生成水文響應(yīng)單元(HRU)，刻畫地表徑流情況。

圖2 漓江流域DEM

1.2.3 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用類型反映了流域的下墊面情況，決定著地表徑流的SCS曲線數(shù)，因此，進(jìn)行土地類型的劃分是構(gòu)建水文模型的關(guān)鍵一環(huán)。SWAT模型自帶的土地利用數(shù)據(jù)庫和代碼是國外標(biāo)準(zhǔn)，與中國土地利用標(biāo)準(zhǔn)有所不同。通過與國外土地利用類型分析對(duì)比，同時(shí)結(jié)合中國分類標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型和代碼轉(zhuǎn)換為模型可以運(yùn)行的格式。本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)為清華大學(xué)2010年土地利用數(shù)據(jù)，分辨率為300m。漓江流域土地利用類型經(jīng)過重分類后分為五大類：林地、草地、耕地、水域、城鎮(zhèn)用地。如圖3所示。

圖3 漓江流域土地利用

1.2.4 土壤類型數(shù)據(jù)

土壤質(zhì)地決定著空氣以及水分在土壤內(nèi)部中的運(yùn)動(dòng)情況，影響著流域內(nèi)地表水和地下水的均衡及其相互轉(zhuǎn)化。本文使用的土壤數(shù)據(jù)為世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD v1.1)，其分類系統(tǒng)主要為FAO-90。利用土壤水特性軟件(SPAW)計(jì)算土壤屬性，將計(jì)算好的土壤屬性數(shù)據(jù)輸入到SWAT模型，創(chuàng)建漓江流域土壤屬性數(shù)據(jù)庫。流域土壤分類見圖4。

圖4 漓江流域土壤類型

2 研究方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 研究方法

SWAT模型根據(jù)輸入的氣象水文數(shù)據(jù)，依據(jù)一系列數(shù)學(xué)物理公式進(jìn)行水文、水質(zhì)的循環(huán)模擬。水文循環(huán)過程基于水量平衡方程[7]：

(1)

式中：SWt為土壤某時(shí)段含水量，mm；SW0為土壤初始含水量，mm；t為時(shí)間，d；Rday為第i天的降水量，mm；Qsurf為第i天的地表徑流量，mm；Ea為第i天的蒸散發(fā)量，mm；Wseep為第i天存在于土壤剖面地層的滲透量和側(cè)流量，mm；Qgw為第i天的地下水出流量，mm。

最佳管理措施(BMPs)是針對(duì)農(nóng)業(yè)用水和污染防治的綜合方法。BMPs通過工程措施和非工程措施改變TOLOS(total maximum daily load system)系統(tǒng)的前處理模塊、水文水質(zhì)模擬模塊和土地覆蓋模塊，以達(dá)到水體評(píng)估、用水節(jié)水、削減污染負(fù)荷的目的。圖5是TOLOS結(jié)構(gòu)圖[8]。

圖5 TOLOS結(jié)構(gòu)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

水文模型模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度通過擬合優(yōu)度指標(biāo)來評(píng)價(jià)。常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為納什效率系數(shù)NSE(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)、決定性系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)。NSE是一個(gè)歸一化的無量綱數(shù)值，通過確定數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的方差相比于殘差方差大小來表示擬合程度。NSE取值區(qū)間為負(fù)無窮到1，NSE越趨向于1，表示模擬結(jié)果越好，模型可信度越高；NSE越趨向于0，表示模擬結(jié)果越差，模擬過程誤差大，模擬總體結(jié)果可信；NSE遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0，則模型是不可信的。R2代表模擬值和觀測(cè)值之間的共線性程度或者說相關(guān)性，其取值范圍從0到1，R2越接近1表示模擬結(jié)果的誤差越小，離散越小，模型越具有更好的性能。RMSE是用來衡量模擬值和觀測(cè)值之間的誤差，RMSE越小，偏差越小。MAE表示模擬值和觀測(cè)值之間絕對(duì)誤差的平均值，MAE越小，實(shí)際的預(yù)測(cè)誤差越小。NSE、R2、RMSE和MAE的計(jì)算公式[9]如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

3 模擬結(jié)果

3.1 SWAT模擬結(jié)果

利用SWAT模型對(duì)漓江流域進(jìn)行日尺度的徑流模擬，模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。結(jié)果表明率定期(2006-2011)NSE=0.78，R2=0.78，RMSE=165.68m3/s，MAE=64.30m3/s；驗(yàn)證期(2012-2016)NSE=0.76，R2=0.78，RMSE=160.32m3/s，MAE=79.33m3/s。在率定期和驗(yàn)證期模型模擬結(jié)果NSE和R2均在0.75以上，模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好，SWAT模型在漓江流域具有良好的適用性。

圖6 SWAT模型徑流模擬結(jié)果(率定期：左；驗(yàn)證期：右)

圖7 SWAT模型模擬值與觀測(cè)值的R2結(jié)果(率定期：左；驗(yàn)證期：右)

3.2 退耕還林情景下模擬結(jié)果

SWAT模型內(nèi)置BMPs模塊，通過BMPs模塊將流域內(nèi)坡度25°以上的耕地劃分為林地，對(duì)比前后流域水量平衡變化情況。無任何措施為退耕還林前，設(shè)置參數(shù)為退耕還林后，情景設(shè)置見表2。從表3、表4和圖8可以看出，采取退耕還林措施后，流域內(nèi)的地表徑流量減小，多年平均減少約53mm；蒸發(fā)量增加，多年平均約增加12mm；總體蓄水量增加，多年平均約增加46mm。由于林地具有調(diào)蓄作用，在一定程度上增加了水資源量，起到了節(jié)水效果。

表2 退耕還林情景設(shè)置

表3 退耕還林前水量平衡 (單位：mm)

表4 退耕還林后水量平衡表 (單位：mm)

圖8 退耕還林前后水量平衡要素多年平均對(duì)比

4 結(jié)論

(1)利用SWAT模型對(duì)漓江流域徑流過程進(jìn)行模擬，在率定期和驗(yàn)證期均獲得了較好的模擬結(jié)果和評(píng)價(jià)指標(biāo)。納什效率系數(shù)NSE和決定性系數(shù)R2均在0.75以上。表明SWAT模型在漓江流域具有良好的適用性，可以為探討水文循環(huán)規(guī)律、制定節(jié)水用水方案、管理評(píng)價(jià)水資源總量提供支持。

(2)最佳管理措施BMPs可以直接設(shè)置退耕還林情景，模擬退耕還林前后的水量平衡要素。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采取退耕還林措施后，流域內(nèi)的地表徑流量減小，蒸發(fā)量增加，蓄水量增加。流域內(nèi)可以儲(chǔ)蓄更多的水資源，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。