基于swa模型的闽江流域产沙模拟研究

基于swa模型的闽江流域产沙模拟研究

降水土壤侵蚀是一个极其复杂的过程，其基础是降水、地表径流、地形、植被、人类活动等诸多因素的综合影响。在传统的多因素水文模型和土壤侵蚀模型（如usle）中，不能有效地模拟水和侵蚀过程的时间变异性。分布流域水文模型是国内外水文模型研究的热点问题之一。通过将流域划分为几个基本单元，通过一系列反映水文和侵蚀过程的计算程序，计算出单元的生产过程沙，最后进行河流模拟，以准确模拟整个流域的生产过程。结果表明，该模型是一个代表性模型。它可以模拟和预测不同土壤、土地使用方法和管理条件下复杂流域中水文、沉积物和农业化学物质的影响。中国于2003年引入了这一模型，但目前的研究还处于初步阶段。研究内容主要包括产量模拟，但产量沙模拟很少。从研究区域分布的范围来看，主要位于半干旱的内陆地区。例如，张雪松等人以黄河下游洛河流域为研究区，并应用swt模型对流域进行生产沙。郝芳等人通过建立不同的土地利用景观，分析了土地利用变化对流域生产沙的影响，并没有报告东南部沿海地区是否有丰富降雨量丰富的流域的成果。福建属于山区多山地区，地处亚热带，水热条件好，植被茂盛。然而，由于土地利用不足，一些地区的植被遭到严重破坏，尤其是泉州土壤侵蚀。因此，本文以晋江西溪流域为研究区，采用swt模型，通过地表径流模拟在当年和月度产沙过程，为该盆地土地利用变化下的产沙过程提供参考。在模拟的基础上，模拟每年和月度产沙过程，为该盆地土地利用和植被变化引起的产沙过程提供参考。1研究区基本概况晋江流域是福建省水土流失最严重的流域之一,年均侵蚀模数为835t/km2.土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主,大多为面状侵蚀.西溪位于晋江水系之西,属戴云山脉向东南延伸部分.由西北向东南流,全长145km,流域面积为3101km2.本文选择西溪流域安溪水文站(23°03′N,118°10′E)控制以上区域为研究区(图1),流程105km,集水面积为2466km2.研究区位于安溪西部山区,属于晋江流域高径流区.区内降水量丰富,海拔高差大,且雨量集中,7-9月的降水量占全年37%~39%.由于该区域土壤主要为花岗岩母质发育形成的红壤和砖红壤性红壤,风化壳深厚疏松,面蚀、沟状侵蚀和重力侵蚀的现象多有发生,年均侵蚀模数达到1082t/km2.2流域产流模型构建产流模拟是产沙模拟的基础,因此本研究首先构建流域产流模型,并进行校准与验证.产流模型的构建包括属性数据库和空间数据库的建立及模型空间结构的选择.2.1建立基本数据库的基础2.1.1气象数据包括逐日最高气温、最低气温、降水、太阳辐射、风速、相对湿度等数据.2.1.2土壤数据地形数据为30m分辨率的DEM.土壤数据为1∶50万的晋江流域土壤图.土地利用数据参考1∶10万的福建省土地利用/覆被遥感解译数据.2.2子流域划分结果将研究区划分为22个子流域和183个水文响应单元(HRU)用于模拟研究,子流域划分结果如图1所示.径流模拟选择“dailyrain/cn/daily”方法,潜在蒸发的模拟选择“Penman-Monteith”方法,河道演算采用“Variablestorage”方法.2.3径流模拟结果验证利用构建的径流模型对西溪流域1970-1979年的年、月径流进行模拟,并以相对误差RE、相关系R2数和效率系数Ens3个指标作为评价标准.径流模拟结果表明,校准期内(1970-1975年)年径流模拟结果的RE为7.2%,月径流模拟结果的R2为0.92,Ens为0.91,精度满足模型要求,且Ens达到甲等水平.验证期内(1976-1979年)月径流模拟结果的R2为0.90,Ens为0.85,表明模型对本流域产流的适应性较好.因此,在已有的径流模型数据库基础上,增加安溪水文站实测年、月平均输沙量数据,可进一步模拟流域产沙.3沙模型的产沙模拟原理和结果分析3.1改进的通用土壤流失方程流域产沙包括坡面产沙和河道输沙两个过程.坡面产沙过程中,SWAT模型采用Williams修改后的美国通用土壤流失方程(MUSLE)模拟每个水文响应单元的土壤侵蚀和泥沙负荷过程.MUSLE通过利用地表径流和最大径流量计算土壤侵蚀和产沙过程,利用径流量的变化同时进行泥沙侵蚀和输移变化过程的模拟.不同于USLE仅利用降水量进行土壤侵蚀模拟,因此MUSLE的模拟过程不考虑输移比的影响,这不仅改善了泥沙模拟过程,而且可应用于次洪峰事件的模拟.修改后的通用土壤流失方程如下所示:sed=11.8(Qsurf⋅qpeak⋅areahur)0.56⋅KUSLE⋅CUSLE⋅PUSLE⋅LSUSLE⋅CFRG.sed=11.8(Qsurf⋅qpeak⋅areahur)0.56⋅ΚUSLE⋅CUSLE⋅ΡUSLE⋅LSUSLE⋅CFRG.式中,sed-输沙量(t);Qsurf-地表径流深(mm/hm2);qpeak-最大径流量(m3/s);areahur-水文响应单元的面积(hm2);KUSLE-土壤侵蚀因子(0.013(t·m2·h)/(m3·t·cm));CUSLE-植被覆盖和管理因子;PUSLE-保持措施因子;LSUSLE-地形因子;CFRG-粗碎屑因子.从MUSLE中可以看出,输沙量与各因子均呈正比.对于某个水文响应单元来说,在其下垫面保持一定的情况下,地表径流深或最大径流量越大,产沙量越大;且地表径流深或最大径流量模拟的效率与产沙模拟的效率成正比.河道输沙过程包括河道泥沙的侵蚀和沉积过程.模型采用Williams定义的方程用于计算泥沙在河道中的运动过程.涉及的参数包括河道侵蚀因子、河道覆被因子以及泥沙输移线性系数等.3.2计算结果分析Qsurf和qpeak由径流模拟结果得到;areahur由不同子流域划分得到;KUSLE针对研究区土壤数据库中主要土壤类型,参照福建省主要土壤可蚀性特征研究中相应成果;LSUSLE通过利用水文响应单元的坡度、坡长求得;CFRG在研究区内的计算结果均为1;最小CUSLE采用SWAT土地利用数据库中的默认值;PUSLE在取值范围内利用试错法进行模型的校准.值得注意的是,虽然SWAT产沙模拟中泥沙来源涉及到子流域和河道两个过程,但通过校准地表径流和基流与总径流的比率,就可以得到较为合理的泥沙模拟结果.而且在大多数情况下,由于能获取的关于河道泥沙侵蚀和沉积过程的数据不足,影响了河道泥沙输移结果的校准.因此本文在模拟过程中通过校准子流域产沙结果,使其达到较佳的模拟精度,并把河道泥沙过程作为影响模拟效率的一个因子考虑.3.3模型模拟评价指标由于收集的径流和输沙数据有限,缺乏更长时间序列的数据,因此本文通过对比研究区内安溪水文站1972—1979年实测年、月输沙量,构建西溪流域水土流失模型,其中1972年作为模型模拟预热期,不用于结果评价.模型模拟效率的高低反映模型在研究区的适应性,本文选取4个指标用于模型评价,分别是相对误差RE,绝对误差MD,效率系数Ens以及决定系数R2.3.3.1年输沙量与年输沙量模型时长对模拟结果影响分析表1中,模拟结果的变化趋势与实测年径流深的变化相一致,R2达到0.86.除1979年外,其余年份模拟结果的RE均小于25%,年均相对误差为-11%,模拟结果精度较高,说明模型能较好地用于该流域年输沙量的模拟.但Ens为0.48,主要表现为1976年、1977年和1979年的模拟值与实测值普遍相差较大.Arnold等研究表明降水少的条件下,模型径流模拟结果偏小.由于流域内1977—1979年为枯水年,降水量较小,从MUSLE计算公式看,其结果必然影响了模型对流域输沙模拟过程.另一方面,1976年和1978年的模拟结果表现异常,可能是由于泥沙测量难度大,实测数据误差较大造成.3.3.2动态调节坡面过程中泥沙量的模拟结果从图2可以看出,年初时,泥沙量较小,4—9月泥沙量较大,10月起开始下降,和径流量的年内变化趋势相吻合.从月模拟结果看,模拟值普遍小于实测值.由于确定影响河道输沙过程的参数较为困难,因此校正时通过调节坡面过程的一些影响因子,造成泥沙量模拟值的整体升高或降低.但对比1973—1979年的月平均实测输沙量数据,模拟结果统计得出Ens为0.78,R2为0.79,两者拟合较好.其中,1973—1976年模拟结果的Ens为0.81,R2为0.81;1977—1979年模拟结果的Ens为0.72,R2为0.76.对比降水量较大的1973—1976年和降水量较小的1977—1979年两个时期的输沙模拟结果可以认为,在排除观测值误差和河道输沙差异影响下,模型在降水较多的情况下的输沙模拟效率高于降水较少的情况.整个模拟期的模拟结果说明其可用于进一步进行西溪流域水土流失空间分布研究.4研究区土地利用分布进行流域地理过程的模拟,就是要获得流域内部多种地理过程的定量化结果,并利用这些定量化模拟结果对流域内部的地理因素和地理过程的时空分布、动态变化进行研究、监测,从而实现流域的科学管理和自然资源的合理开发利用.利用产沙模拟输出的各子流域的1973—1979年平均输沙量,与流域所辖乡镇边界图叠合,得到西溪流域模拟期内不同乡镇范围内的产沙分布,如图3所示.按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-96),并结合晋江流域水土流失类型区划分的相关成果,把研究区划分为微度侵蚀区、轻度侵蚀区和中度侵蚀区.位于西溪上游的一都镇、下洋镇与横口乡交界范围,占研究区面积8.6%(212.01km2)属于微度侵蚀区,根据西溪流域土地利用分布图可知该区内林地、灌木林地和高覆盖度草地分布较广,水土保持能力较高;46.0%(1126.92km2)属于轻度侵蚀区,分布较广,主要有西溪上游的桂阳镇、锦斗镇、坑仔口镇等,以及西溪中下游的魁斗镇、城厢镇、莲花镇、翔云镇等22个乡镇;45.4%(1113.39km2)属于中度侵蚀,分布集中于西溪中游的湖头镇、西坪镇、蓬莱镇、虎邱镇、达埔镇等13个乡镇.轻度侵蚀区和中度侵蚀区范围涉及晋江流域上游低山丘陵水源林、用材林面蚀区和中游丘陵茶园果园崩岗(沟蚀)区,以及中下游丘陵台地果园农地面蚀区.该范围内位于上游低山丘陵水源林、用材林区域,水土流失以水力作用产生的面蚀为主,呈片状、层状侵蚀,多发生在植被稀少或没有采取水土保持措施的坡耕地以及疏林地、未成林地和迹地,造成水土流失的主要原因是山高坡陡和滥砍滥伐.其次,位于中游丘陵茶园果园的区域,由于区内矿产资源种类较多,茶园果园种植面积较大,土地资源开发程度高,加之地处典型的花岗岩地带,在水力和重力作用下容易发生崩岗.中度侵蚀区主要位于该范围内,是流域内水土流失最为严重的区域.另外,位于中下游的丘陵台地果园农地的区域,是粮食和水果等经济作物的重要产区,人口密度较大,属于流域水土流失较严重的区域.5应用模型的主要结果(1)选择晋江西溪安溪水文站以上流域为研究区,采用连续8年的实测泥沙数据用于模型年、月输沙模拟结果的对比研究,结果表明该模型能比较准确地模拟西溪流域的产沙过程,且模拟精