基于SWAT模型的瀼渡河生態(tài)流量計(jì)算方法

謝培，方源,2，張雷，孫寧，黃法銘，喬飛*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院

近年來(lái)，隨著人口的急劇增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源主要用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水，生活、生產(chǎn)用水與生態(tài)環(huán)境用水之間的矛盾日漸突出，致使水資源開發(fā)利用過(guò)度，甚至出現(xiàn)河道斷流現(xiàn)象[1-2]，既影響了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，又在一定程度破壞了水生態(tài)環(huán)境[3]。為調(diào)節(jié)水資源短缺與用水需求增加的矛盾，提出了生態(tài)流量的概念[4]。生態(tài)流量指維持河流生態(tài)系統(tǒng)最低生存和運(yùn)轉(zhuǎn)功能的基礎(chǔ)流量，即為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量[5-6]，對(duì)于保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康極其重要。若低于該值，河道無(wú)法保障水文聯(lián)通，水生生態(tài)系統(tǒng)將遭受破壞甚至短期內(nèi)不能恢復(fù)[7]。因此，研究生態(tài)流量能夠科學(xué)調(diào)控和保障水資源。

我國(guó)現(xiàn)有水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)還不完善，目前只在一些較大的河流上設(shè)有水文監(jiān)測(cè)站。瀼渡河是長(zhǎng)江上游的一條小支流，無(wú)實(shí)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間序列徑流量資料，筆者實(shí)地調(diào)研不同水期河流流量現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)該河流枯水期下游河段流量較小，局部無(wú)流量，甚至存在河道干涸現(xiàn)象，引發(fā)一系列水生態(tài)水環(huán)境問(wèn)題。此外，該河流存在水利工程的開發(fā)建設(shè)及降水分布不均等情況，急需對(duì)其生態(tài)流量進(jìn)行保障。

筆者針對(duì)無(wú)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)的瀼渡河流域提出利用SWAT水文模型還原流量過(guò)程的方法，對(duì)比分析河流生態(tài)流量常用的計(jì)算方法并綜合確定研究河段的生態(tài)流量，再基于水質(zhì)達(dá)標(biāo)校核得到生態(tài)補(bǔ)水的優(yōu)化配置措施，以期為瀼渡河流域水資源綜合利用和水生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瀼渡河流域（108°06′E～108°18′E，30°35′N～30°46′N）發(fā)源于鐵峰山南麓的大溝埡口，經(jīng)萬(wàn)州區(qū)分水鎮(zhèn)、甘寧鎮(zhèn)，于瀼渡鎮(zhèn)附近匯入長(zhǎng)江（圖1）。瀼渡河流域面積為 273 km2，河流全長(zhǎng) 44 km，多年平均流量4.36 m3/s，河道平均比降11.5‰。瀼渡河流域共涉及李河鎮(zhèn)、分水鎮(zhèn)、柱山鄉(xiāng)、響水鎮(zhèn)、甘寧鎮(zhèn)和瀼渡鎮(zhèn)6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，甘寧水庫(kù)位于瀼渡河中上游，壩址控制集水面積為 149.5 km2。

圖1 瀼渡河流域Fig.1 Map of Rangdu River basin

2 研究方法

2.1 基于SWAT模型的水文過(guò)程模擬

SWAT模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心于1994年開發(fā)[8]，是一種基于GIS的分布式流域水文模型[9]。其適用于流域尺度，可以進(jìn)行連續(xù)時(shí)間序列模擬，具有很強(qiáng)物理機(jī)制的分布式水文模型[10-12]，并廣泛應(yīng)用于水環(huán)境管理工作[13-15]。模型主要模擬的水文過(guò)程分為陸面及水面2個(gè)過(guò)程：陸面主要包括產(chǎn)流和坡面匯流2個(gè)部分，需要輸入水、沙、營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)的量；水面為河道匯流部分，主要為各物質(zhì)向出口的輸送過(guò)程[16-17]。在操作過(guò)程中，應(yīng)首先根據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）劃定一定數(shù)量和面積的子流域分區(qū)，進(jìn)而劃分水文響應(yīng)單元，即同一個(gè)子流域內(nèi)有著相同土地利用類型和土壤類型的區(qū)域[18]。每個(gè)水文響應(yīng)單元內(nèi)的水平衡是基于降水、地表徑流、蒸散發(fā)、壤中流、滲透、地下水回流和河道運(yùn)移損失來(lái)計(jì)算的。水量平衡方程如下：

式中：SWt為最終土壤含水量，mm；SW0為初始土壤含水量，mm；t為模擬時(shí)間，d；Rday為日降水量，mm；Qsurf為日地表徑流量，mm；E為日蒸散發(fā)量，mm；Wseep為土壤剖面地層的滲透量，mm；Qgw為地下水的回流量，mm。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法

生態(tài)流量的計(jì)算方法主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體法4類[19]，考慮到我國(guó)缺乏生態(tài)資料，生境模擬法和整體法難于應(yīng)用，水力學(xué)法需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間和較大的人力物力，應(yīng)用較為困難。因此，研究借鑒水文學(xué)法，該方法基于天然流量，通過(guò)確定比率來(lái)計(jì)算生態(tài)流量，在流量較大且水文資料時(shí)間較長(zhǎng)的河流使用率較高[20]。水文學(xué)法主要包括蒙大拿法、最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法和流量歷時(shí)曲線法等[21]。

2.2.1 蒙大拿法

蒙大拿法于1976年由田納特提出，其根據(jù)歷史流量資料確定不同時(shí)段的需水量，取河道年均流量的百分比作為河流生態(tài)需水量的推薦值，是當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的一種生態(tài)流量計(jì)算方法[17]。研究顯示，保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量為多年平均流量的10%[22]。國(guó)外確定非汛期為10月—次年3月、汛期為4—9月，而我國(guó)因汛期、非汛期與國(guó)外確定方式不同，因此，在我國(guó)應(yīng)用蒙大拿法時(shí)需將時(shí)間改為非汛期10月—次年5月、汛期6—9月。

2.2.2 最小月平均流量法

最小月平均流量法根據(jù)河流最小月多年平均流量作為生態(tài)流量，計(jì)算公式如下：

式中：W為河流基本生態(tài)需水量，108m3；Qij為第i年第j月的平均流量，m3/s；T為換算系數(shù)，取31.536×106s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)，a[23]。

2.2.3 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法是基于水文學(xué)參數(shù)，考慮水質(zhì)影響的生態(tài)需水量的計(jì)算方法。國(guó)外一般使用90%保證率下最枯連續(xù)7 d的平均流量作為河流最小生態(tài)流量。而我國(guó)則根據(jù)最近10年的最枯月平均流量作為最小生態(tài)流量，計(jì)算公式與最小月平均流量法相同，其中n=10，主要側(cè)重于河道需水量的計(jì)算。

2.2.4 流量歷時(shí)曲線法

流量歷時(shí)曲線法是利用歷史流量資料形成各月流量歷時(shí)曲線，然后根據(jù)某個(gè)頻率確定對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量[24]。汛期與非汛期所采用的生態(tài)流量對(duì)應(yīng)的頻率不同，非汛期采用的頻率為90%，汛期采用的頻率為50%[25]，該方法不僅保留了采用流量資料計(jì)算生態(tài)流量的簡(jiǎn)單性，同時(shí)也考慮了各月份流量的差異。

3 基于SWAT模型的生態(tài)流量水文過(guò)程模擬

3.1 模型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

利用SWAT模型模擬月徑流過(guò)程的主要輸入?yún)?shù)，包括地形特征、土地利用/覆被、土壤類型、氣象以及其他參數(shù)。數(shù)字高程、土地利用和土壤類型均采用2010年的數(shù)據(jù)，其中，數(shù)字高程為80 m的SRTM數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）；土地利用數(shù)據(jù)采用landsat系列影像，來(lái)源于清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系構(gòu)建的FROM-GLC系統(tǒng)；土壤類型數(shù)據(jù)為2010年中國(guó)土壤特征數(shù)據(jù)集1:100萬(wàn)數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家青藏高原數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）；氣象數(shù)據(jù)采用 1990—2019年的CMADS數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水、濕度、日照等基本氣象要素逐小時(shí)數(shù)據(jù)。

3.1.1 子流域劃分

河網(wǎng)提取及子流域的劃分借助SWAT模型中的流域劃分模塊（watershed delineation）完成?？紤]河流自然節(jié)點(diǎn)、水文站位置、水庫(kù)位置等因素將瀼渡河流域劃分為38個(gè)子流域（圖2）。

圖2 瀼渡河子流域分布Fig.2 Distribution map of Rangdu River sub basin

3.1.2 土地利用、土壤的加載和水文響應(yīng)單元的設(shè)置

水文響應(yīng)單元是SWAT模型的最小計(jì)算單元，具有統(tǒng)一的土壤、土地利用屬性和坡度等級(jí)。將土地利用數(shù)據(jù)與SWAT模型數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，考慮土壤數(shù)據(jù)，按 0～8°、8～15°和>15° 3 個(gè)坡度類型進(jìn)行水文響應(yīng)單元定義，并根據(jù)CMADS 1.0數(shù)據(jù)集，將氣溫、降水、風(fēng)速、日照等資料按照要求輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 模型的率定與驗(yàn)證

模型模擬得出1990—2019年近30年的月徑流過(guò)程，由于瀼渡河流域無(wú)水文站用于模型率定和驗(yàn)證過(guò)程，以重慶市生態(tài)環(huán)境局多年（1980—2015年）平均徑流量統(tǒng)計(jì)值為依據(jù)。選取瀼渡河流域水量平衡進(jìn)行模型率定，模擬得到河流年均流量為4.44 m3/s，年均徑流量為1.4億m3，與該流域多年平均徑流量（1.55億m3）基本一致，模擬值略小于多年平均值是由近年來(lái)瀼渡河流域水資源開發(fā)利用強(qiáng)度增大所致。選取瀼渡河上游甘寧水庫(kù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，模擬得出甘寧水庫(kù)近5年和近10年平均流量分別為2.33和2.68 m3/s，與甘寧水庫(kù)流域多年平均流量（2.9 m3/s）基本一致，模擬結(jié)果具有合理性。

3.3 流量模擬結(jié)果

選取干流重要控制斷面統(tǒng)計(jì)月流量，控制斷面的選取根據(jù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求和基礎(chǔ)資料條件確定。綜合考慮了研究區(qū)水文、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和入江河口等因素，流域涉及的6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與控制斷面的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。通過(guò)模型模擬瀼渡河自然條件下長(zhǎng)系列水文過(guò)程，結(jié)果表明，河流年平均流量由上游到下游逐 漸 增 大 ，分 別 為0.688、2.694、3.160、4.159、4.465和4.639 m3/s。其中斷面38為入江口斷面，汛期月平均流量為6.921 m3/s，非汛期月平均流量為3.654 m3/s。該河流汛期和非汛期特征明顯，汛期各月流量約為月平均流量的1.5倍，最小月流量出現(xiàn)在2月，僅為月平均流量的1/4。

表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)與河網(wǎng)斷面對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence of township and river network sections

4 瀼渡河生態(tài)流量計(jì)算

4.1 基于水文學(xué)的生態(tài)流量分析

生態(tài)流量計(jì)算以SWAT水文模型模擬的1990—2019年的徑流系列數(shù)據(jù)為依據(jù)，表2～表5為4種水文學(xué)法計(jì)算得到的逐月生態(tài)流量。依據(jù)SL/Z 72—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》中“對(duì)于大江大河，河流流量占多年平均流量的5%～10%，仍有一定河寬、水深和流速，可以滿足魚類洄游、生存和旅游、景觀的一般要求，可以作為保持絕大多數(shù)水生生物短時(shí)間生存所必需的基本生態(tài)流量”。因此，理論上以上4種水文學(xué)計(jì)算方法均可表征瀼渡河生態(tài)流量，生態(tài)流量計(jì)算值表現(xiàn)為流量歷時(shí)曲線法（33%）>近10年最枯月平均流量法（18%）>最小月平均流量法（17%）>蒙大拿法（10%）。

表2 蒙大拿法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of ecological flow by Tennant method

表5 流量歷時(shí)曲線法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of ecological flow by flow-duration curve method

4.2 基于水質(zhì)達(dá)標(biāo)的生態(tài)流量校核

由瀼渡河國(guó)控和市控?cái)嗝鎸?shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)可知，2015—2019年瀼渡河水質(zhì)存在超過(guò) GB 3838—2002《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為上游總磷濃度超標(biāo)0.2倍，下游水質(zhì)較好?？紤]到水質(zhì)達(dá)標(biāo)對(duì)生態(tài)流量的要求，對(duì)計(jì)算得到的水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需生態(tài)補(bǔ)水流量進(jìn)行校核。

表3 最小月平均流量法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of basic ecological flow by the minimum monthly average flow method

表4 近10年最枯月平均流量法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of ecological flow based on the driest monthly average flow method in recent 10 years

各控制斷面年徑流量由水文模型模擬的長(zhǎng)時(shí)間系列水文數(shù)據(jù)計(jì)算得到，總磷濃度最大值取年內(nèi)實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)最大值（表6），瀼渡河下游滿足Ⅲ類水質(zhì)要求，僅上游（斷面5、17和18）存在總磷濃度超標(biāo)現(xiàn)象，涉及李河鎮(zhèn)、分水鎮(zhèn)和柱山鄉(xiāng)。補(bǔ)水所需徑流量計(jì)算采用河流稀釋混合模型，公式如下：

表6 1990—2019年瀼渡河流域總磷指標(biāo)現(xiàn)狀及基本生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Table 6 TP indicator status from 1990 to 2019 and basic ecological flow calculation results

式中：C0為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/L；Cmax為實(shí)測(cè)水質(zhì)濃度最大值，mg/L；QR為河流年徑流量，m3；QE為年補(bǔ)水設(shè)計(jì)徑流量，m3。

經(jīng)計(jì)算，采用Ⅱ類水補(bǔ)水所需徑流量占瀼渡河年均徑流量的12%～30%，其中分水鎮(zhèn)所需徑流量最大，李河鎮(zhèn)次之，柱山鄉(xiāng)較小。綜上，考慮到既符合水文學(xué)方法又保證流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)，推薦的生態(tài)流量計(jì)算方法為流量歷時(shí)曲線法，補(bǔ)水徑流量占該流域年徑流量的30%左右。

5 結(jié)論

（1）基于SWAT模型模擬瀼渡河1990—2019年逐月流量過(guò)程，年平均流量由上游至入江口逐漸增大，入江口年平均流量為4.639 m3/s。該河流汛期和非汛期特征明顯，汛期各月流量約為月平均流量的1.5倍，最小月流量出現(xiàn)在2月，僅為月平均流量的1/4。

（2）4種水文學(xué)計(jì)算方法計(jì)算的生態(tài)流量表現(xiàn)為：流量歷時(shí)曲線法最大，為33%；其次為近10年最枯月平均流量法（18%）；最小月平均流量法為17%；蒙大拿法最小，為10%。

（3）現(xiàn)狀水文水質(zhì)條件下，瀼渡河上游涉及李河鎮(zhèn)、分水鎮(zhèn)和柱山鄉(xiāng)區(qū)域水體尚不滿足Ⅲ類水質(zhì)要求，利用河流稀釋混合模型，在保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下校核生態(tài)流量得出，瀼渡河推薦的生態(tài)流量計(jì)算方法為流量歷時(shí)曲線法，補(bǔ)水徑流量約占年均徑流量的30%。