中国小流域治理实践-韭园沟流域模拟成果

对韭园沟流域的水土保持水资源、水环境效应的模拟采用SWAT模型，SWAT模型是在20世纪90年代中后期推出的，是一个具有物理基础的、以日为时间单位运行的流域尺度的动态模拟模型，可以进行连续多年的模拟计算。模拟结果可以选择以年、月或日为时间单位输出。模型主要模拟不同的土地利用以及多种农业管理措施对流域的长期影响，不能进行单一事件的细节模拟。

3.4.1.1　SWAT模型模拟

根据韭园沟的土地利用类型图，统计得到各土地利用类型面积百分比。其中耕地面积最大，占总面积的67.6%；荒地面积其次，占总面积的29.3%。具体情况见表3.17。

表3.17　各种土地利用类型面积

韭园沟流域土地利用类型图上提供土壤种类为5种，为了与模型的土壤类型数据库对应，对土壤进行重新编号：黄绵土（Hmt）、二色土（Est）、黑垆土（H1t）、红胶土（Hjt）、淤积土（Yjt）。将土壤类型图进行矢量化后，将土壤类型shp文件经栅格化转换就生成ArcView的Grid格式的土壤类型图，其栅格大小为2m×2m。经过模型运算，得到各土壤类型面积及在整个流域中所占的比例。其中黄绵土所占的比例最大为46.6%，达到3142.2hm2；其次是二色土35.5%，所占面积为2395.4hm2。两种土壤所占的比例达到82.16%，具体情况见表3.18。

表3.18　各种土壤类型面积

SWAT模型应用TOPAZ自动进行数字地形分析的软件包，基于D8方法，最陡坡度原则和最小给水面积阈值的概念，对DEM进行预处理，定义流域的范围，划分子流域。在SWAT模型中，同一子流域具有相同的气象因子（降雨量、气温、日照、辐射等）、地形因素（坡度、坡长）、河流河道特征、地下水特征等，划分的子流域如图3.4所示，全流域一共划分了43个子流域。对于一个集水区或一个流域，划分出的每一个子流域内部也完全可能存在着多种土地利用方式和多种土壤类型，不同的土壤植被组合也具有不同的水文响应，为了反映这种差异，通常需要在每个子流域内部进行更详细的划分。

图3.4　SWAT模型子流域划分

水文相应单元（HRUs）划分的好处是增加了对子流域负荷预测的准确性。不同种类的植被的生长和发展有很大的不同，只有考虑了子流域内部植被覆盖的多样性，从子流域中进入主渠道的径流量才会更准确，对每个给定的子流域应该有1～10个HRUs。当对子流域内的多个HRUs进行模拟时，子流域内水文循环的陆地阶段也同时进行了模拟，并对子流域内所有的HRUs的负荷进行了总汇，子流域的净负荷通过流域河网进行演算。

模型数据输入后，初步定好模型参数，运行模型，得出各子流域出口的径流过程和产沙过程，以及有机氮、有机磷的输移过程。通过对参数的进一步调整，得到模拟结果。图3.5～图3.9是沟口站2025年日观测径流和模拟径流的对比图、流域的产沙过程以及有机氮有机磷的输移过程。

图3.5　沟口站2025年日观测径流和模拟径流的对比图(https://www.daowen.com)

3.4.1.2　模拟结果分析

根据韭园沟流域数据的特点，土地利用类型图只有一张，故采用缺值比较计算，如需要计算林地的拦截能力，将林地的地块类型值改变为裸地，模拟计算出一个径流过程，与所有土地利用类型参与计算的径流过程进行对比，即可获得该流域林地的拦截能力。同理，进行其他各类土地利用类型的模拟计算。在现有的土地利用类型基础上模拟得到的沟口站年径流量为4.2m3/s，年径流总量为358837.4m3，年产沙量为21851.8t/hm2，有机氮的年输移量为9611.4kg/hm2，有机磷的年输移量为7900.8kg/hm2。模拟结果与实测值比较峰值偏小，其他过程偏小，地表径流总量偏小，分析原因有以下几种可能：基流偏小，地表径流偏小，蒸发量偏大。对径流过程进行调整，增加不同土地利用类型的半湿润条件径流曲线数CN2值，减小可供水量SOL-AWC，增加土壤蒸发补偿系数，默认值为0.95。同时，减小深层地下水下渗率RCHRG，减少基流出流阈值GWQMN，减少土壤再蒸发系数REVAP，减小土壤再蒸发发生的阈值REVAPMN，模型率定参数见表3.19。

图3.6　沟口站2025年产沙过程模拟值

图3.7　沟口2025年有机氮过程模拟值

图3.8　沟口2025年有机磷过程模拟值

图3.9　沟口2025年日径流模拟值与观测值散点图

表3.19　模型主要率定参数

参数调整后，半湿润条件径流曲线数CN2为8，土壤层有效利用水量SOL-AWC为-0.05，土壤蒸发补偿系数ESCO为0.95，地下水再蒸发系数GW-REVAP为0.02，渗漏到深层地下水的浅含水土层的初始水深REVAPMN为10，径流总量增加到4.97m3/s，调整幅度为19.8%，图3.9是观测径流和模拟径流的散点图。发现模拟结果与实测资料相关关系不是很密切，线性回归系数R2=0.5953。

由于韭园沟建有2000多座淤地坝（其中骨干坝系有40多座），无法全部在DEM图上体现，目前只能进行骨干坝的布置。而淤地坝的拦水拦沙能力是十分显著的，所以流域出口拦水拦沙量与水土保持方法计算值对比差距很大。