王筱俊，王賀龍，楊輝斌，蘇龍強(qiáng)

（1.浙江省水資源水電管理中心，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

浙江省地處南方豐水地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水量較大，占用水總量的比例達(dá)44%。開展農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測和分析統(tǒng)計(jì)是提升水資源監(jiān)控能力的重要組成部分，也是支撐水資源和節(jié)水管理的重要基礎(chǔ)。而浙江省灌區(qū)數(shù)量眾多，大中型灌區(qū)有122處，小型灌區(qū)約35 000余處。同時，浙江省灌區(qū)具有典型的多水源特征，水源類型包括水庫、山塘、河道引水堰壩、河道提水泵站等。據(jù)2011年水利普查數(shù)據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，全省水庫有1 800余座、山塘148 000余座、泵站28 000余座、堰壩30 000余座。由此可見，采用直接監(jiān)測灌溉取水口的統(tǒng)計(jì)方式，投資巨大，經(jīng)濟(jì)上基本不可行[1]。同時浙江省灌區(qū)一般分布在人類活動密集的河谷平原地帶，灌區(qū)水源大多承擔(dān)供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)環(huán)境用水等多項(xiàng)興利任務(wù)，水源端放水量一般包含多種用途供水，灌溉用水量分離計(jì)量存在一定難度[2]。目前只能通過對典型田塊的計(jì)量監(jiān)測來推算灌區(qū)灌溉用水量，但是受限于樣點(diǎn)灌區(qū)的代表性不足、水源多種用途放水量無法有效分離、灌溉回歸水重復(fù)利用量無法定量統(tǒng)計(jì)等問題，上述統(tǒng)計(jì)方法難以滿足實(shí)際管理需求。

針對上述問題，結(jié)合浙江省山丘區(qū)灌區(qū)特點(diǎn)，基于自然—人工二元水循環(huán)理論[3]，提出灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施布局方法和基于水循環(huán)模擬的農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計(jì)方法[4]。以浙江省安吉縣賦石水庫灌區(qū)為例，開展農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施布局安裝以及農(nóng)業(yè)灌溉用水量的分析統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證本方法的合理性與統(tǒng)計(jì)精度。

1 農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施布局

1.1 布局原則

為精確掌握灌區(qū)自然—社會二元水循環(huán)規(guī)律，根據(jù)灌溉用水的循環(huán)過程（水源放水—干渠引水—支渠分水—田間用水—田間退水），在灌溉用水的取供用排等主要水循環(huán)節(jié)點(diǎn)布設(shè)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)控設(shè)施，具體水循環(huán)節(jié)點(diǎn)包括：

1）典型水源渠首：通過監(jiān)測典型水源工程渠首放水量，可掌握灌區(qū)主要水源的灌溉放水過程。典型水源包括灌區(qū)龍頭控制性水庫和渠系較為完整的代表性小型水庫、山塘及堰壩、機(jī)埠。

2）典型支渠分水口：通過監(jiān)測典型灌溉支渠分水量，可掌握各支渠灌片的灌溉放水過程。典型灌溉支渠為干渠的一級支渠。

3）典型灌片：通過監(jiān)測典型田塊的灌溉進(jìn)水量及排水量，可精確掌握該灌片的實(shí)際灌溉用水量及畝均灌溉定額，作為整個灌區(qū)灌溉用水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果的校核標(biāo)準(zhǔn)。

4）流域總出水口：為掌握灌區(qū)所在流域總出水口的出流過程，需要對流域總出水口進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)總出水口附近建有流量監(jiān)測站時，可不用重復(fù)建設(shè)計(jì)量監(jiān)控設(shè)施。

1.2 布局結(jié)果

安吉縣賦石水庫灌區(qū)水庫型水源包括賦石水庫、天子崗水庫、石沖水庫和16座小（2）型水庫，河道型水源包括西溪、里溪和渾泥港。灌區(qū)主干渠賦石干渠全長43.2 km，連接賦石水庫與天子崗水庫，并通過55條支渠向灌區(qū)灌溉。根據(jù)灌區(qū)水源工程、渠系工程分布現(xiàn)狀和灌區(qū)供用水特點(diǎn)，按照上述布局原則，在灌區(qū)共布設(shè)30套農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施，其中灌溉取水口14套，分水口15套，排水口1套。有20套設(shè)施位于賦石水庫灌溉渠道上，監(jiān)測水庫渠首及各支渠水量；有1套設(shè)施位于天子崗水庫灌溉渠道上，監(jiān)測水庫南干渠水量；有3套設(shè)施位于河道取水堰壩灌溉渠道上，監(jiān)測堰壩灌溉水量；有2套設(shè)施位于河道提水機(jī)埠上，監(jiān)測機(jī)埠灌溉水量；有2套設(shè)施位于小（1）型水庫灌溉渠道上，監(jiān)測小型水庫灌溉水量；有1套設(shè)施位于山塘灌溉渠道上，監(jiān)測小山塘灌溉水量。賦石水庫灌區(qū)監(jiān)測設(shè)施布局結(jié)果見圖1。

2 灌區(qū)水循環(huán)模型構(gòu)建

2.1 SWAT模型簡介

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一個基于物理過程并有時間序列模擬的模型，能便捷地模擬氣候條件變化、土地利用調(diào)整和農(nóng)業(yè)管理措施等對水循環(huán)各要素的長期影響，比較適用于面向水資源管理的長時段的分布式水文過程模擬[5-6]。為滿足灌區(qū)水循環(huán)模擬需要，本次采用改進(jìn)SWAT模型[7-8]開展模型構(gòu)建。

2.2 河網(wǎng)提取與子流域劃分

基于中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供的30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)（ASTER Global DEM），采用SWAT 2012軟件，首先通過DEM數(shù)據(jù)的拼接、剪切、投影及最小集雨面積閾值設(shè)置等步驟，生成密度合適的河網(wǎng)。并以此生成子流域，使其滿足灌區(qū)不同區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量的模擬要求。進(jìn)而根據(jù)賦石水庫灌區(qū)水庫工程分布情況，將灌區(qū)小（2）型及以上水庫、和尚洼山塘均添加到SWAT模型。針對賦石水庫灌區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)集中式污水排放、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水、渠道水力發(fā)電等活動，根據(jù)排、放水口的位置添加點(diǎn)源。最后根據(jù)灌區(qū)所處流域情況，確定賦石水庫灌區(qū)SWAT模型設(shè)定3個流域出口，分別為西溪出口、里溪出口和渾泥港出口。經(jīng)過上述步驟，賦石水庫灌區(qū)SWAT模型共劃分得到82個子流域，劃分結(jié)果見圖2 a）。

圖2 賦石水庫灌區(qū)SWAT模型HRU離散過程圖

2.3 HRU離散化

水文響應(yīng)單元（Hydrological Response Units）是SWAT模型模擬的最小基本單元，具有統(tǒng)一的水文相似性。SWAT模型主要根據(jù)土地利用類型、土壤類型及地形數(shù)據(jù)進(jìn)行HRU離散。

1）土地利用數(shù)據(jù)加載。將賦石水庫灌區(qū)所處流域現(xiàn)狀年土地利用類型數(shù)據(jù)通過格式或投影轉(zhuǎn)換、裁剪、土地利用類型重分類、新建土地利用索引表等操作加載到當(dāng)前SWAT模型。統(tǒng)計(jì)灌區(qū)不同土地利用類型面積見表1，土地利用類型分布見圖2 b）。

表1 賦石水庫灌區(qū)土地利用類型統(tǒng)計(jì)表

2）土壤數(shù)據(jù)加載。首先根據(jù)賦石水庫灌區(qū)所處流域邊界，對世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到灌區(qū)土壤數(shù)據(jù)，加載到當(dāng)前SWAT模型。然后根據(jù)HWSD數(shù)據(jù)庫參數(shù)，計(jì)算研究區(qū)土壤的HYDGRP、SOL_ZMX、ANION_EXCL、CMPPCT等參數(shù)，將計(jì)算得到的參數(shù)導(dǎo)入到SWAT2012數(shù)據(jù)庫usersoil表中。土壤類型分布見圖2 c）。

3）HRU離散。SWAT模型中HRU離散可選擇同一子流域劃分單個HRU、多個HRU兩種方式。本文選用同一子流域劃分多個HRU的分配方法。然后通過設(shè)置土地利用面積閾值為15%、土壤類型面積閾值為15%、坡度閾值為10%等操作，完成HRU離散化，共得到212個HRU。

2.4 數(shù)據(jù)文件輸入

1）水文氣象數(shù)據(jù)。降雨量數(shù)據(jù)：天錦堂、墳岱、杭垓、雙舍等16個站點(diǎn)1986—2017年逐日雨量；氣溫?cái)?shù)據(jù)：安吉站1986—2017年日最高氣溫、日最低氣溫；相對濕度：安吉站1986—2017年日相對濕度；太陽輻射：安吉站1986—2017年日太陽輻射，需根據(jù)日均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日均風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度、降水量等數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式計(jì)算得到；日均風(fēng)速：安吉站1986—2017年日均風(fēng)速。

2）水稻生育期劃分。賦石水庫灌區(qū)作物種植類型主要為單季稻，生育期劃分為泡田期、返青期、分蘗前期、分蘗末期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟前期、乳熟后期以及黃熟期共9個階段。參考平湖灌溉試驗(yàn)站試驗(yàn)資料，確定各生育期時間，結(jié)果見表2。

表2 賦石水庫灌區(qū)水稻生育期劃分表

3）其他數(shù)據(jù)文件：除上述數(shù)據(jù)之外，模型還需輸入水庫基本信息、點(diǎn)源排放數(shù)據(jù)、山塘基本信息、田間管理措施、流域配置信息、灌溉水源指定信息等[9-10]。

3 參數(shù)率定與用水量統(tǒng)計(jì)

3.1 模型參數(shù)率定

3.1.1 SWAT模型參數(shù)率定

SWAT模型參數(shù)眾多，在進(jìn)行參數(shù)率定之前需先對各參數(shù)敏感性進(jìn)行分析，找出對模型模擬結(jié)果影響較為顯著的參數(shù)，可提高模型率定的效率。以橫塘村水文站1990—2006年逐月流量資料為基礎(chǔ)，采用SWAT-CUP軟件中的SUFI_2算法對賦石水庫灌區(qū)SWAT模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，得到敏感性前10位的參數(shù)。以此為基礎(chǔ)，采用SWAT-CUP軟件，輔以手動調(diào)參的方法，對模型敏感性參數(shù)進(jìn)行率定，直至模型模擬效果評價參數(shù)達(dá)到合理取值范圍。最后以西溪、里溪、渾泥港等3個出口2007—2017年逐月流量資料為基礎(chǔ)，采用SWAT-CUP軟件對模型進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)經(jīng)過參數(shù)率定模型的適用性及穩(wěn)定性[11-12]。

賦石水庫灌區(qū)SWAT模型率定期及驗(yàn)證期精度見表3。由表3可見，經(jīng)過參數(shù)率定的賦石水庫灌區(qū)SWAT模型驗(yàn)證期模擬結(jié)果相對誤差的評價等級為優(yōu)，線性回歸系數(shù)的評價等級為良，納什系數(shù)的評價等級為優(yōu)，模型精度較高，穩(wěn)定性良好。

表3 SWAT模型率定期及驗(yàn)證期精度一覽表

3.1.2 改進(jìn)SWAT模型參數(shù)率定

改進(jìn)SWAT模型新增參數(shù)包括田間損失系數(shù)ξ、河道灌溉用水控制系數(shù)β、山塘灌溉用水控制系數(shù)ζ，用于校正模型對灌溉取用水過程的模擬精度。采用賦石水庫灌區(qū)新建農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施2017年11月—2018年9月實(shí)測數(shù)據(jù)，對上述參數(shù)進(jìn)行率定，得到ξ=0.93、β=0.3，ζ=0.2。率定效果見圖3。

圖3 農(nóng)業(yè)用水計(jì)量實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比圖

3.2 農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計(jì)

1）水循環(huán)模擬結(jié)果分析。以賦石水庫灌區(qū)SWAT模型對灌區(qū)1990—2017年水循環(huán)過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而提取灌區(qū)不同類型水源的來水量、供水量過程，結(jié)果見圖4。對比分析可知：多年平均情況下，灌區(qū)河道來水量2.57億m3，水庫來水量3.06億m3；灌區(qū)水源向農(nóng)業(yè)灌溉供水量0.28億m3，城鄉(xiāng)生活供水量0.33億m3，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境供水量0.27億m3，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境供水量0.77億m3。

圖4 賦石水庫灌區(qū)供水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖

2）灌溉用水量統(tǒng)計(jì)。根據(jù)賦石水庫灌區(qū)水循環(huán)模型1990—2017年模擬結(jié)果，從水源端統(tǒng)計(jì)賦石水庫灌區(qū)子流域內(nèi)部河道、山塘、小型水庫、大中型水庫（賦石、天子崗水庫）等不同類型水源提供的灌溉用水量。不同水文年份統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 賦石水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

3）統(tǒng)計(jì)結(jié)果合理性。從灌溉用水量的年際變化和各水源灌溉用水量的變化規(guī)律2方面分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果的合理性。首先分析灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量與灌溉期降雨量年際變化關(guān)系，結(jié)果見圖5。由圖5可知，賦石水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量與灌溉期降雨量呈反比關(guān)系，即灌溉期降水量較大的年份灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量較小，反之較大，此項(xiàng)變化規(guī)律與實(shí)際吻合。

圖5 灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量與降雨量關(guān)系圖

然后統(tǒng)計(jì)灌區(qū)本地河道、本地山塘、小型水庫及大中型水庫等各類型水源工程不同來水頻率下農(nóng)業(yè)灌溉用水量，結(jié)果見圖6。由圖6可知，本地河道、山塘及小型水庫等灌區(qū)本地水源工程灌溉用水量隨著降水量的減少，灌溉用水量呈現(xiàn)先增后減的趨勢；而賦石水庫、天子崗水庫等灌區(qū)大中型水庫為灌溉補(bǔ)充水源，其灌溉用水量呈現(xiàn)豐水期少、枯水期多的變化規(guī)律，此項(xiàng)變化規(guī)律也與實(shí)際吻合。

圖6 灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量與降雨量關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本文根據(jù)自然—社會二元水循環(huán)理論，提出基于灌區(qū)水循環(huán)模擬的農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施布局及農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計(jì)方法，并在賦石水庫灌區(qū)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

1）通過在灌區(qū)取供用排主要水循環(huán)節(jié)點(diǎn)布設(shè)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測設(shè)施，可掌握典型水源放水量、主要支渠分水量、典型灌片用水量和整個區(qū)域退水量。監(jiān)測設(shè)施數(shù)量可控，監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于灌區(qū)自然—社會二元水循環(huán)模擬的率定使用。

2）采用SWAT模型構(gòu)建的灌區(qū)水循環(huán)模型，可對灌區(qū)各水源放水、各田塊灌溉用水及灌區(qū)退水全過程進(jìn)行模擬。根據(jù)水循環(huán)模擬結(jié)果，可以提取河道、山塘、小型水庫、大中型水庫等各類水源灌溉用水過程，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)得到灌區(qū)灌溉用水量。模型精度可靠，統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足水資源管理需求。