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SWAT模型的西南岔河流域洪水资源利用潜力分析

2024-10-17 115 上传者：管理员

摘要：科学评价洪水资源利用潜力是高效利用流域洪水资源、保障流域生态功能正常稳定运行的前提，为评估西南岔河流域洪水资源利用潜力，建立SWAT模型对西南岔河流域的多年径流过程进行模拟，采用极限分析理论分析其洪水资源利用潜力。结果表明，SWAT模型可以较好地适用于西南岔河流域的径流模拟；在丰沛来水情况下，该流域实际利用率仍可维持在稳定水平；该流域洪水资源利用潜力较大，但年际分布不均，主要集中在降水丰富的年份。

关键词：
SWAT模型
季风气候
径流模拟
洪水资源利用潜力
西南岔河流域
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我国主要江河受季风气候影响，径流年内分布具有显著的季节性规律，汛期的洪峰流量在河流总径流量中占较大比重，是地表水资源开发利用的重点[1]。为了应对水资源供需矛盾，我国开始探索从传统的洪水控制向洪水管理转变的新策略，将增加洪水资源的有效利用量作为“开源”的重要途径。

胡庆芳[2]以海河流域为研究对象，阐述了洪水资源利用量、可利用量、利用潜力等基本概念，构建了洪水资源利用评价的基本框架和理论体系，并综合评价了流域洪水资源利用现状及合理性。杨吉[3]基于极限分析理论量化评价了西枝江流域上、中、下游河段的洪水资源利用潜力，并结合水质条件探讨了西枝江流域洪水资源利用的可行性。许继军[4]深入分析了鄱阳湖地区水资源季节分布不均和干旱的问题，并基于对洪水资源潜力的估算提出通过工程和非工程措施加强洪水资源的利用，以缓解枯季干旱、缺水问题。张建[5]以黄河流域为研究对象，运用洪水资源潜力综合测算方法，评价了黄河流域洪水资源潜力，发现水资源开发、水利设施建设与洪涝资源利用程度提升之间存在着紧密联系。

本文从资源利用角度出发，结合洪水资源量等相关概念，以西南岔河流域为研究区域建立水文模型，运用极限分析方法评价洪水资源状况以及估算利用量，并结合其实际利用情况及利用潜力，分析流域内洪水资源的利用现状，以期丰富洪水资源化利用研究，提高洪水资源利用效率，减少洪涝灾害影响，优化流域水资源配置。

1、研究区概况

西南岔河为黑龙江汤旺河右岸一级支流，松花江二级支流，位于伊春市南部，发源于铁力市小城墙砬子山西北1149高地，流经朗乡、带岭和南岔区，于南岔区东部汇入汤旺河，流域范围在东经128°35′～129°25′、北纬46°35′～47°18′之间，流域总面积2 755 km2，干流河长85km，流域内降水表现出明显的季风性特征，降水主要集中在6～9月，占年降水量的73.0%～87.2%。西南岔河流域径流来源以降雨为主，其次是地下径流和融雪径流，年径流深分布受气候、降水、地形、地质等条件的综合影响，径流年际变化波动较大，极值较高。

西南岔河流域森林覆盖率高，依据2021年《黑龙江省主体功能规划》，属于大小兴安岭森林生态功能区，被划分为水源涵养型生态功能区，是“两山一平原”生态安全战略格局的重要组成部分，承担着涵养水源、保障生态安全的重要功能。

2、研究数据及方法

2.1研究数据处理

SWAT模型能够直观高效地模拟各子流域径流变化规律，可有效应用于计算流域断面水资源量，分析流域洪水资源利用潜力。构建SWAT模型所需数据及来源如表1所示。其中，DEM数字高程数据需要利用ArcGIS软件对其进行裁剪和投影变换，采用Arc SWAT中的算法对原始DEM数据进行校正，生成精确的河流水系；土地利用数据采用ArcGIS软件进行重分类得到适用于SWAT的土地利用数据集，包括饱和薄层土、简育黑土、松软潜育土、简育高活性淋溶土、饱和雏形土共5种土地利用类型；土壤属性数据需进行剪裁并转换投影，采用美国农业部土地类型分级标准对土壤进行再划分，并采用SPAW软件计算土壤属性参数，以此来构建适用于西南岔河流域的土壤属性数据库。

2.2研究方法

2.2.1 SWAT分布式水文模型

SWAT模型是一种基于物理学的半分布式水文模型，其水文循环计算基于水量平衡方程，包括降水、蒸散发、地表径流、土壤渗透等，公式如下：

表1模型数据及其来源

式中：St表示第i天的土壤最终含水量（mm);t表示时间（d);S0表示初始含水量（mm);Rdi表示总降水量（mm);Qsi表示地表径流，mm;Edi表示总蒸发蒸腾量（mm);Wsi表示土壤下渗水量（mm);Qgi为地下含水量（mm）。

2.2.2模型适用性评价

在模型模拟过程中，降雨量、土壤类型、土地利用等基础数据的测量误差和模型参数率定优化过程中的不确定性，均会影响模拟结果的准确性。因此，可通过参数率定确定高敏感度参数的最佳取值，将其代入SWAT模型中进行验证，以提高模型在西南岔河流域的模拟精度。

依据西南岔河流域的基础数据构建SWAT模型，将流域划分为33个子流域、219个水文响应单元，并结合SWAT-CUP软件的SUFI-2算法迭代运算完成参数优化，进行水文模型参数的率定和验证过程。模型适用性评价采用决定系数R2和纳什系数NSE两个指标[6]，决定系数用于衡量模型模拟数据与实测数据变化趋势上的相似程度，纳什系数用于评估模型模拟数据相对于实测数据的准确性。当R2与NSE数值越接近1，表明模型模拟数据与实测数据越接近，模型模拟效果越好，模型模拟效果评价等级见表2[7]。

表2模型模拟效果评价等级

2.2.3洪水资源利用潜力

洪水资源分为可利用量和不可利用量两部分，不可利用部分又包括因调控利用水平不足而无法利用的部分，以及为满足流域出口断面以下基本生产生活而不能利用的部分。洪水资源的可利用量取决于洪水调控利用能力，在洪水资源总量不变的条件下，洪水资源的调控能力与可利用量成正比。在极限分析理论的基础上，按照洪水资源利用潜力方法进行计算，计算公式如下：

(1)实际利用量：

(2)不可控径流量：

(3)洪水资源不可利用量：

(4)现状可利用量：

(5)理论可利用量：

(6)现状利用潜力：

(7)理论利用潜力：

式中：W(i）为流域洪水资源量；为流域出境水量；We(i）为最小生态需水量；f[We(i),Wux(i）]为流域洪水资源不可利用量。

3、模拟结果及分析

3.1适用性分析

3.1.1参数率定和验证

基于构建的西南岔河流域SWAT模型，将率定期设定为2008～2012年，验证期为2013～2016年，选取相关的22个参数进行模型参数的率定和验证，参数及参数率定最优值见表3。

3.1.2模型适用性分析

经模型参数率定验证后，对模型模拟结果进行分析，模型率定期和验证期径流模拟结果如图1所示，模型模拟评价结果如表4所示。

由图1可知，该模型月径流量模拟值与实际径流量过程变化趋势相近，观测值与模拟值间的误差相对较小，而根据表4中的SWAT模型模拟评价结果结合模型模拟效果评价等级表（见表2），发现率定期模拟结果的R2、NSE均大于0.8，模拟效果达到优良；验证期模拟结果的R2、NSE均大于0.9，模拟效果达到优秀，表明该水文模型模拟效果比较理想，可用于西南岔河流域的天然径流模拟。

表3 SWAT模型参数最优值结果表

图1模型率定期和验证期径流模拟结果

表4西南岔河流域SWAT模型模拟评价结果

3.1.3模型径流模拟

将率定、验证好的参数应用到模型中，对各子流域的径流过程进行模拟，获取子流域的自然产流过程，结合蒸散发数据，经面积比修正后，计算出2008～2016年西南岔河流域出口控制断面汛期河流天然径流量作为该断面以上流域洪水资源量，结果如表5所示。

3.2西南岔河流域洪水资源计算分析

3.2.1洪水资源利用潜力计算

(1）最小生态环境需水量。参考相关文献[8]，选取多年汛期天然平均径流量的15%，确定西南岔河流域出口断面以上的最小生态需水量为7.22×108m3，详细计算结果见表6。

(2）流域洪水调控利用能力。以流域内实测径流数据和降雨蒸发数据为基础，对面积比例进行修正，将汛期径流量作为流域洪水资源量，将流域出口断面模拟径流量作为出境水量。对于西南岔河流域，选择最大现状实际利用量55.242亿m3作为现状洪水资源调控利用能力。

3.2.2洪水资源利用潜力分析

(1）根据计算结果，西南岔河流域2008～2016年多年平均洪水资源实际利用量为28.758亿m3，平均利用率为59.7%，且洪水资源实际利用量均小于洪水资源总量（见图2），最高实际利用量为55.242亿m3，最低值为11.344亿m3。尽管洪水资源总量有波动，但实际利用量相对较为稳定，且多年维持在现状可利用量以下水平，因2014年可能出现极端气候或丰沛降水，洪水资源量大幅增加，但实际利用率仍保持在一般水平。

表5西南岔河流域汛期天然径流量

表6西南岔河流域洪水资源可利用量和利用潜力计算结果

图2西南岔河流域洪水资源总量与实际利用量

(2）西南岔河流域多年平均洪水资源理论利用潜力为12.82亿m3，大部分年份均具有一定的理论利用潜力，其中最大值为2014年的40.144亿m3，最小值为2013年的8.91亿m3。由图2可知，多数年份的实际利用量小于现状可利用量，表明基于该流域现有工程体系，通过优化调控水资源管理策略，可进一步提高流域水资源实际利用率。

(3）西南岔河流域现状洪水资源可利用量多年平均40.241亿m3，理论可利用量最大值为61.561亿m3，最小值为23.918亿m3。根据图3可知，流域现状可利用量与理论可利用量多年保持一致，表明流域洪水资源利用已达最大化，可通过建设调蓄设施、植被恢复、湿地保护等措施提高自然调蓄能力，加大对洪水资源的利用，帮助该区域的发展。

(4）通过SWAT模型对西南岔河流域的洪水资源利用潜力进行分析，可为实际的水资源管理提供科学依据和指导。根据分析结果，制定洪水资源利用规划，建设洪水滞蓄区，调控洪水流量，减少洪水灾害，增加地下水补给；利用洪水资源恢复和保护流域内湿地，洪水资源进行生态修复，增强生态系统的稳定性和多样性；建立长期监测机制，对洪水资源利用效果进行持续评估，及时发现和解决问题，总结经验和教训，为后续的管理策略提供参考。同时，在提高流域内水资源的利用效率的基础上，可有效减缓洪水灾害，保护生态环境，实现流域水资源的可持续管理。

图3西南岔河流域洪水资源实际利用量与可利用量

4、结语

(1）本文在阐述洪水资源利用潜力等相关概念及计算方法的基础上，构建SWAT模型模拟西南岔河流域天然径流过程，并运用极限分析理论分析该流域洪水资源实际利用量、可利用量、利用潜力之间的关系。研究结果表明，SWAT模型模拟径流及利用潜力计算方法适用于西南岔河流域。

(2）通过分析现状与理论可利用量的关系，可以明确现有洪水资源管理体系中的瓶颈与不足，有助于科学规划水库、堤坝等基础设施建设，有针对性地提升洪水调控设施和管理水平。

(3）本文所提出的洪水资源利用潜力计算方法，由于测站分布，降雨蒸发数据精度仍有不足，多侧重于洪水资源量的计算，对其综合利用潜力评价较少，未能充分考虑洪水资源的社会、经济、生态效益。此外，由于区域差异与适用性，应针对不同区域的具体情况，制定差异化的计算和评价方法，提高此方法的区域适用性。

参考文献:

[1]胡庆芳,王银堂,杨大文.流域洪水资源可利用量和利用潜力的评估方法及实例研究[J].水力发电学报,2010,29(4):20-27.

[2]胡庆芳,王银堂.海河流域洪水资源利用评价研究[J].水文,2009,29(5):6-12.

[3]杨吉,巨鑫慧,李力群,等.基于SWAT模型的西枝江流域洪水资源利用潜力研究[J].水电能源科学,2023,41(8):61-65.

[4]许继军,陈进,黄思平.鄱阳湖洪水资源潜力与利用途径探讨[J].水利学报,2009,40(4):474-480.

[5]张建.黄河流域洪水资源利用水平及潜力分析[D].北京:清华大学,2009.

[6]王美林.基于SWAT模型的妫水河流域面源污染特征及管理措施评估与优化配置[D].北京林业大学,2021.