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九龙江流域自然径流量计算与水文模型相结合

  摘要:由于人类活动影响,水文站的实测径流过程普遍发生显著变化,而大量水资源分析计算工作必须以天然径流量为基础。以九龙江流域为例,提出将分项调查法与水文模型法相结合的流域天然径流量综合还原法,即采用分项调查法对主要水文站控制集水区的实测径流数据做还原计算,利用还原后的径流数据构建以子流域为单元的SWAT降雨径流模型,进而通过参数移用,利用该模型模拟得到全研究区不同子流域的天然径流数据。利用该方法得到的主要控制站及无径流观测子流域的天然径流数据均具有较高准确性。该方法既可以充分利用有资料流域的详实观测数据,又可以解决无资料区对天然径流数据的需求,可以为水资源评价、水量分配等工作提供依据。

  关键词:九龙江;天然径流还原;分项调查法;SWAT模型

  1引言

  水资源评价与规划、水量分配等水资源分析计算工作以天然径流量为基础[1],但伴随经济发展带来的用水量剧增和水利工程建设等人类活动,许多水文站的观测流量数据受到强烈影响。因此,通过径流还原获得天然径流数据是流域水资源评价的首要环节,其计算精度直接关系区域水资源量评价成果的质量。天然径流计算方法包括分项调查法、水文模型法、蒸发差值法、降雨径流关系法等[2-4]。蒸发差值法的径流还原量为人类活动前后流域蒸发量变化量,但可靠的区域蒸发量数据难以获得;降雨径流关系法通过修正不同时期的降雨径流关系以实现径流还原计算,但该方法依据的是降雨~径流间的线性关系,不能准确描述流域下垫面因子与径流量间的非线性关系,只能看作是水文模型法的一种简化。因此,分项调查法、水文模型法在实践最广为应用。分项调查法基于水量平衡原理,运用详实的实测水文气象数据及用水、耗水调查资料等来估算各项还原水量[5-7],这种方法可靠性高,是最为常用的径流还原计算方法,但需要有详实的水文观测数据与用水数据,无法应用于无资料地区;水文模型法利用人类活动干扰较弱时段或近似天然流域的水文站实测流量来率定模型参数,并将参数按一定原则移植至受人类活动干扰的时段或者流域不同子区,实现对受干扰时段或不同区域的天然径流量计算[8-13],但构建水文模型时通常利用人类活动影响相对较小的“天然”时段或“天然”流域的降雨径流数据进行模型率定,而这样的时段或流域往往难以找到,直接应用水文模型法模拟得到的径流过程并不“天然”。

  针对单一径流还原计算方法存在的问题,本文提出将分项调查法与SWAT模型模拟手段相结合的流域天然径流量综合还原法,以福建省九龙江流域为例,采用分项调查法对流域内有全面观测数据的三个主要水文站径流数据进行还原计算,并对还原后的径流数据进行降雨径流关系一致性修正,然后利用还原与修正后的径流数据构建SWAT模型,通过参数移用实现对全流域各子流域的天然径流过程模拟计算。

  2数据与方法

  2.1研究区概况

  九龙江为福建省第二大河流,由北溪、西溪、南溪三条主要河流组成,全长285km,流域面积14741km2,流经龙岩市、漳州市,同时也是厦门市的主要供水来源。本文天然径流计算研究区包括龙岩市及漳州市位于九龙江北溪、西溪流域的各县区,以及以北溪为主要水源的厦门市(见表1和图1)。此外,龙岩市的连城县、上杭县以及三明市的大田县、永安市在九龙江流域内所占面积较小,且地处上游山区,人口较少,用水量小,因此仅考虑这些区域的产水量,但不考虑其用水耗水对径流过程的影响。

  2.2数据来源

  2.2.1水文气象数据

  本文降水、蒸发和流量数据均采用1971~2015年逐月数据。降水数据使用研究区42个雨量站数据;蒸发数据使用九龙江流域内郑店与白沙蒸发站数据;流量数据来自研究区9个水文站,其中九龙江流域7个,厦门2个。各站点的位置分布如图1所示。此外使用中国气象数据网中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中研究区附近8个气象站点的1971~2015年气象数据。

  点绘九龙江流域的漳平、浦南、郑店三个主要水文站1971~2015年的面平均降水量与径流深的双累积曲线(见图2)表明,三站集水区的降雨径流双累积曲线在后期(漳平、浦南约于2003年,郑店约于2009年)偏离原始直线,累积径流量呈现减小的趋势,说明降雨径流关系存在不一致现象。

  2.2.2社会经济及基础地理资料

  社会经济及涉水相关数据来源于研究区内厦门、漳州及龙岩市的国民经济和社会发展规划、1971~2015年统计年鉴、2000~2015年水资源公报、水资源有关规划、土地利用规划、水利普查数据等。

  基础地理数据包括地形数据、土地覆盖类型、土壤类型等。其中,地形数据采用美国宇航局(NASA)提供的SRTM数字高程模型数据集(http://srtm.csi.cgiar.org/),空间分辨率为90m;土地覆盖数据采用2010年中国1∶10万比例尺土地利用现状遥感监测数据,源自中科院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/),根据SWAT输入要求对土地利用类型重新编码、分类;土壤类型及土壤质地数据来源于联合国粮农组织(FAO)和维也纳国际应用系统研究所(IIASA)构建的世界土壤数据库(HWSD)(HarmonizedWorldSoilDatabaseversion1.1)(http://bdc.casnw.net/sjfw/tssjj/250342.shtml),空间分辨率为1km,将土壤栅格数据裁剪后对同名土壤类型重新分为14类。

  2.3分项调查与水文模型相结合的天然径流量综合还原法

  分项调查与水文模型相结合的天然径流量综合还原法由分项调查法、降雨-径流关系一致性修正以及SWAT降雨径流模拟三部分组成,分述如下。

  2.3.1分项调查法

  分项调查法基于水量平衡原理,将断面天然径流量分解为断面实测径流量加上不同类型人类活动对河川径流影响的水量,即:Q分项=Q实测+Q灌+Q工业+Q生活+Q库蒸+Q库渗±Q库蓄±Q引±Q分洪

  (1)式中:Q分项为还原后得到的天然径流量;Q实测为实测径流量;Q灌为农业灌溉耗水量;Q工业为工业耗水量;Q生活为城镇与农村居民生活耗水量;Q库蒸为水库水面蒸发与陆面蒸发的差值;Q库渗为水库渗漏量;Q库蓄为水库蓄水变量;Q引为跨流域引水量;Q分洪为河道分洪决口水量。通过对公式(1)右侧各项水量逐项调查估算,求和得到Q分项。

  2.3.2降雨-径流关系的一致性修正

  对于较长的年径流系列,即使将实测系列还原成天然系列,仍难以做到系列具有较好的一致性,且计算成果也不能反映近期下垫面条件下的产流量,对此可以通过分析不同时期的降雨-径流关系的差异,进行降雨-径流关系修正。首先,点绘面平均年降水量与天然年径流深相关图;然后将年降雨-径流的点据划分为变化前后两个部分,分别过点群中心绘制年降水-径流关系曲线;再通过年降水值P,在曲线上查得变化前后的年径流深值(W1和W2),按照公式(2)计算年径流修正系数β:

  β=W2/W1(2)

  按照不同年降水量的β值绘制P-β关系曲线,并根据所需修正年份的降水量P,从P-β曲线上查得相应β,乘以该年修正前的天然径流量Q分项,即为修正后的天然径流量Q′分项。

  2.3.3SWAT降雨径流模型

  SWAT是由美国农业部(USDA)农业研究中心开发[14]的具有较强物理机制的分布式水文模型,适用于不同土地利用方式和水资源管理条件下的复杂大流域降雨径流模拟。SWAT依据DEM生成水系并由此划分子流域,在子流域内根据土壤、土地利用、坡度划分水文响应单元(HRU),从而进行分布式的产汇流计算。该模型与GRASS、ArcGIS等多种GIS平台集成,具有友好的用户界面,其中基于ArcGIS平台的ArcSWAT插件是最广为使用的SWAT模型构建工具。

  利用修正后的天然径流量Q′分项,利用SWAT模型

  参数率定工具SWAT-CUP的PSO算法进行模型参数率定,以效率系数NSE作为模型模拟径流的精度评价指标,构建研究区的SWAT水文模型,实现对研究区不同子流域的天然径流量计算。

  3九龙江天然径流计算结果

  3.1分项调查计算结果

  首先采用分项调查法对漳平站、浦南站、郑店站的1971~2015年天然径流量做逐月计算。由于2015年之前三站以上的跨流域调水量较小且无分洪情况,因此不考虑公式(1)中的Q引、Q分洪,其他各项水量还原计算结果分别阐述如下。

  3.1.1农业灌溉耗水量计算

  由于研究区引退水资料缺乏,采用定额法计算农业耗水量。根据研究区统计年鉴中的历年耕地面积与2011年福建省水利普查的实灌面积,折算得到研究区历年实灌面积。农业灌溉定额以漳州市水文水资源勘测分局2013年编制的《九龙江北溪流域用水户调查报告》为依据,并以《灌溉用水定额编制导则》(GBT29404-2012)中的灌溉定额计算方法算得P=97%灌溉定额,再按照邻近原则确定各县区灌溉定额。研究区农田灌溉耗水率依据福建省耗水量统计数据,并参考江西、广东的水资源公报耗水数据综合确定(见表2)。最终,根据实灌面积、灌溉定额及耗水率计算断面集水区历年农业耗水量Q灌(见图3)。根据漳州、龙岩统计年鉴中2006~2015年平均作物播种面积与福建省行业用水定额中平水年(P=50%)作物灌溉用水定额,计算各类作物需水量在农业需水量中的权重,并根据南方地区主要作物年内需水过程[15],得到漳州、龙岩的农业耗水量年内分配特征。

  3.1.2工业、生活耗水量计算

  工业耗水量Q工业与生活耗水量Q生活也采用定额法计算。根据2015年各市统计年鉴与水资源公报数据计算各县区万元工业总产值用水量,然后根据各县区历年工业总产值以及表2所列工业耗水率计算工业耗水量Q工业;根据福建省地方标准行业用水定额、各市历年统计年鉴的农业/非农业人口以及表2所列城镇与农村居民生活耗水率,计算各县区城镇与农村生活耗水量Q生活。工业耗水量与生活耗水量计算结果见图3。由于二者年内变化较小,所以平均分配到年内各月份。

  3.1.3水库蓄变量和水库蒸发、渗漏损失量计算

  九龙江流域有3座大型水库以及300余座中小型水库。对于大型水库,利用水库的水文观测数据,分别计算各水库的逐月蓄量变化以及渗漏与蒸发损失。对于中小型水库,根据典型水库的观测资料,分析中小型水库的单位库容蓄变量过程与单位库容蒸发渗漏损失过程,并根据三个主要水文站集水区内的中小型水库群逐年总库容,按典型水库库容与逐年总库容的比值,修正求得三站控制区间的中小型水库群逐年蓄变量(Q库蓄)过程(见图4)与蒸发渗漏损失(Q库蒸渗)过程(见图5)。

  利用上述耗、损水量计算结果,结合北溪漳平及浦南水文站、以及西溪郑店水文站这三个水文站的实测径流量,根据公式(1)即可以计算得到三站的逐月天然径流量Q天然。

  3.1.4对分项调查天然径流量的一致性检验与修正

  利用分项调查天然径流量换算为三站的天然径流深,并点绘三站集水区的面平均年降水量与天然年径流深的关系图(见图6)。可见,三站不同时期的降水-径流点据以2003年为分隔,后期点据偏离于前期点据,表明下垫面条件变化对径流有影响,应修正1971~2003年径流系列。依据图6中各代表站不同时期的降水-径流点据回归线,计算三站的年径流修正系数β值,绘制P-β关系曲线,并根据P-β关系曲线对三站1971~2003年天然径流量Q天然进行修正,得到修正后的逐月天然径流量系列Q′天然。三站的年降水与修正后的天然径流Q′天然之间双累积曲线基本呈现单一直线,说明年降水与天然径流之间的一致性关系良好。

  3.2SWAT模型的构建与验证

  模型模拟范围包括北溪、西溪以及厦门市的二条主要河流(西溪、苎溪)的集水区,共划分了122个子流域。模型预热期为1971~1973年,率定期为1974~2013年,验证期为2014~2015年。根据参数敏感性分析结果,选取了10个参数进行率定,率定所用数据为经修型对九龙江流域的月尺度径流模拟效果较好,可以应用于天然径流还原计算。

  进一步依就近原则,将在三个主要水文站率定的参数移用于研究区各子流域的天然径流模拟,验证流域为九龙江上游龙门、麦园、龙山三个支流水文站的径流数据。各站的1971~2015年逐月径流模拟验证结果见表4,可见龙门、麦园和龙山三站的模拟结果具有较高精度,其中龙门站为三个支流站最好的结果,另外两站的结果稍逊,但NSE能达到0.74以上。

  正的分项调查法成果,其中以漳平、浦南站径流数据率定北溪子流域参数,以郑店站径流数据率定西溪子流域参数,结果见表3。率定期模拟精度计算结果表明,漳平的纳什效率系数NSE=0.92;浦南的NSE=0.92;郑店的NSE=0.92。

  使用率定好的参数进行三个主要水文站的径流模拟验证,结果表明:漳平的径流模拟精度为NSE=0.89;浦南的NSE=0.95;郑店的NSE=0.94。

  4讨论:不同计算方法的径流还原精度对比

  由于在人类活动影响强烈的流域(如九龙江流域)不存在严格意义上的天然径流时段,也无法获知特定时段天然径流的真实值,我们可以实测降雨量或径流为参照值,根据还原径流与实测径流之间的吻合程度或者与降雨量之间的相关性,来评价径流还原精度。

  首先以年降雨量为参照,计算不同方法还原得到的天然年径流量(即传统分项调查法的Q′分项与本文综合还原法Q综合)之间的相关系数r。由2.2.1节中的一致性分析结果可知,漳平、浦南与郑店的降雨径流关系在后期发生显著变化,故以2003年为分界线,分别计算了三个站前后二个时段Q实测与降雨量之间的相关系数,计算结果见表5。

作者:顾冉浩 王文 郭富雄 武晶 单位:河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 福建省水文水资源勘测局 闽江河口水文实验站