基于改進(jìn)SWAT 模型的金堂縣城區(qū)洪水組成分析

敬 熠，張 卓，張新華

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065，2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065)

四川省金堂縣處于沱江上游流域，北河(沱江河源)、中河、毗河三條支流交匯處，四川盆地平原區(qū)與丘陵區(qū)相交處，受沱江鹿頭山暴雨區(qū)(綿遠(yuǎn)河、石亭江、湔江)洪水和平原區(qū)暴雨洪水影響顯著.同時(shí)又由于金堂縣地處三河匯口處，北河、中河、毗河洪水容易疊加，尤其是汛期持續(xù)性降雨會(huì)使土壤變成飽和土，更容易造成支流洪峰遭遇，在金堂城區(qū)造成危險(xiǎn)性大的洪水[1].金堂城區(qū)近年來頻繁遭受洪水淹沒，尤其是2013、2018、2020 年三年共四場(chǎng)大洪水淹沒主城區(qū)，最大洪峰流量均超過8 000 m3/s，重現(xiàn)期超過100年一遇.2020 年8 月，沱江流域2 場(chǎng)持續(xù)的強(qiáng)降雨過程，致使沱江三皇廟水文站實(shí)測(cè)洪峰兩次超過7 000 m3/s，造成了極端的洪澇災(zāi)害，前所未有[2].

四川省金堂縣嚴(yán)峻的洪水問題給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來了巨大的損失，已成為四川省防洪問題最為嚴(yán)重的地區(qū)，因此研究金堂城區(qū)洪水組成已成為金堂防洪減災(zāi)工作的關(guān)鍵和首要任務(wù).現(xiàn)行常用的洪水組成方法有水文統(tǒng)計(jì)法、典型年法或者同頻率法，傳統(tǒng)水文學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)在于容易計(jì)算、方便使用，但計(jì)算的都是某種單一的特定區(qū)域組成，而沒有考慮所有可能的組合形式[3-6]，也往往對(duì)水文循環(huán)過程中物理機(jī)制考慮欠缺. 當(dāng)前學(xué)者們已經(jīng)開始使用改進(jìn)后的SWAT 分布式水文模型來進(jìn)行洪水的模擬計(jì)算，這也為解決復(fù)雜洪水組成問題的研究提供了一個(gè)新的思路[7].SWAT 模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局開發(fā)，結(jié)合了降雨和流域下墊面等特性具有物理機(jī)制的分布式水文模型，根據(jù)水文氣象數(shù)據(jù)資料計(jì)算各子流域的產(chǎn)流過程與匯流過程，最終得到干流出口子流域洪水流量過程，已被廣泛運(yùn)用在流域水文過程影響的模擬與預(yù)測(cè)[8-9]. Zhang 等人評(píng)估了產(chǎn)匯流模塊改進(jìn)后SWAT 模型在較小流域小時(shí)尺度上SWAT 模型與新安江模型對(duì)洪水的模擬能力，并探究了空間尺度對(duì)SWAT 模型的影響[10].段永超等人在SWAT 模型洪水模擬改進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過提高降水類型的判斷能力，使模型計(jì)算中涉及的降水分類更加準(zhǔn)確，充分考慮了積溫對(duì)融雪的影響，修正了積雪融化的閾值，使模型更適合于高海拔山區(qū)的融雪洪水模擬[11].

本文基于ArcGIS 軟件平臺(tái)，針對(duì)三皇廟水文站以上沱江流域構(gòu)建SWAT 分布式水文模型，將洪水模擬率定驗(yàn)證結(jié)果結(jié)合《洪水情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》綜合評(píng)價(jià)洪水模擬精度，并計(jì)算金堂縣沱江三河匯口處洪水的干支流組成，總結(jié)分析洪水的空間組成規(guī)律. 為區(qū)域防洪減災(zāi)決策、土地資源的利用規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域規(guī)劃提供必要的支持.

1 研究區(qū)域概況

四川省金堂縣位于長江一級(jí)支流沱江上游，北河(沱江正源綿遠(yuǎn)河、石亭江、湔江)、中河、毗河三河匯合處，介于東經(jīng) 104°22′ ～ 104°28′，北緯 30°49′ ～30°54′之間如圖1 所示.本研究以三皇廟水文站以上沱江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，三皇廟站地處沱江金堂峽，控制集雨面積6 590km2，沱江三條支流北河河口斷面控制集水面積4 172 km2，中河(青白江)河口控制集水面積1 113 km2，毗河河口斷面控制集水面積1 145 km2.北河上游三條支流均發(fā)源于鹿頭山暴雨區(qū)，河流出山后進(jìn)入成都平原和丘陵區(qū)，水網(wǎng)交匯，人口集中。研究區(qū)域年平均氣溫17.1 ℃，多年平均降雨量746 ～1 553 mm，其中山區(qū)變化在1 200 ～1 900 mm，海拔高度 385 ～4 984 m.

圖1 三皇廟站以上沱江流域概況圖Fig.1 Overview of the Tuojiang River Basin above Sanhuangmiao Station

2 研究方法與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 SWAT 改進(jìn)模型

SWAT(Soil and Water Assessmnet Tool)分布式水文模型是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)在SWRRB 模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)的分布式流域尺度水文模型. 最新版本的SWAT 模型已經(jīng)能夠進(jìn)行小時(shí)尺度的短期洪水模擬計(jì)算.2012 版SWAT 模型在計(jì)算地表徑流時(shí)采用的是SCS 徑流曲線數(shù)法，主要是通過日降雨量與流域物理特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來估算地表徑流. 而經(jīng)改進(jìn)后的SWAT 模型則在計(jì)算地表徑流時(shí)選用Green＆Ampt 下滲方程，下滲量由降雨強(qiáng)度與下滲率的關(guān)系來計(jì)算，超出入滲的降雨則形成地表徑流，通過降雨強(qiáng)度和下滲率的直接關(guān)系對(duì)地表徑流進(jìn)行連續(xù)模擬. 根據(jù)Jeong 等對(duì)兩種方法的對(duì)比研究顯示，相比于SCS 曲線數(shù)法Green＆Ampt 下滲方法可以更好地模擬小時(shí)尺度的洪水過程[12]. 本研究使用改進(jìn)SWAT 模型進(jìn)行了金堂縣三皇廟水文站以上沱江流域的洪水模擬，從而實(shí)現(xiàn)金堂城區(qū)干支流洪水的組成研究.

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

構(gòu)建SWAT 模型的數(shù)據(jù)庫需要包含地理空間數(shù)據(jù)庫和氣象數(shù)據(jù)庫，其中地理空間數(shù)據(jù)庫包括DEM高程數(shù)據(jù)，土地利用類型和土壤類型等. 本研究采用的DEM 為地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載的分辨率30 m的SRTM 高程數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)采用了中國科學(xué)院數(shù)據(jù)中心2015 年分辨率為1 km 的土地利用柵格，并對(duì)土地利用柵格進(jìn)行重分類，劃分為草地、建設(shè)用地、林地、耕地、水域、其他用地這6 大類；構(gòu)建的Access格式土壤數(shù)據(jù)庫，選用了世界協(xié)調(diào)土壤數(shù)據(jù)庫HWSD(1:100 萬)土壤類型柵格圖；水文氣象數(shù)據(jù)采用流域內(nèi)7 個(gè)氣象站的逐日溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽輻射、降雨等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及2013 -2020 年三皇廟站洪水逐小時(shí)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù).

2.1.2 模型參數(shù)敏感性分析與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

SWAT-CUP 程序用來為SWAT 模型提供參數(shù)的敏感性分析，模型的校準(zhǔn)、驗(yàn)證和不確定性分析.本文采取SWAT-CUP 程序的SUFI -2 算法來進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)估計(jì).SUFI -2 算法通過LH -OAT 拉丁超立方體隨機(jī)采樣法抽取一組隨機(jī)參數(shù)帶入SWAT 程序進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算. 通過Global 與One - at - a -time 兩種方式實(shí)現(xiàn)模擬參數(shù)的敏感性分析.

為判斷模型的模擬效果，分別選取了納什系數(shù)NSE 和確定性系數(shù)R2兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為模型精度判斷依據(jù).其計(jì)算公式為:

式中:Qs，i代表的是實(shí)測(cè)流量，單位為 m3/s； Qm，i代表的是模擬流量過程，單位為m3/s；Q-s 代表的是實(shí)測(cè)流量平均值，單位為m3/s ；Q-m 代表的是模擬流量過程的均值，單位為m3/s；n 代表的是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).納什系數(shù)NSE 和確定性系數(shù)R2越靠近1 時(shí)，表示模擬結(jié)果越精確，當(dāng)R2≥0.5，NSE≥0.5 時(shí)表示模擬結(jié)果可接受，當(dāng)R2≥0.7，NSE≥0.7 時(shí)表示模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確.

3 結(jié)果分析

3.1 SWAT 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

基于DEM 生成流域河網(wǎng)水系并對(duì)子流域進(jìn)行劃分，以三皇廟站作為流域出口斷面，將沱江上游流域劃分成47 個(gè)子流域，并將子流域內(nèi)土地利用、土壤、坡度類型的面積閾值均設(shè)置成10%，劃分出338 個(gè)水文相應(yīng)單元HRUs.本文以三皇廟站2013 -2018 年共6 場(chǎng)洪水作為率定期模擬對(duì)象，選取了SWAT 模型中洪水率定常用的11 個(gè)參數(shù)[13-15]，使用SWAT -CUP程序分析參數(shù)敏感性并自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)率定，最終率定參數(shù)取平均值結(jié)果如表1 所示.由表1 可以看出，SCS徑流曲線系數(shù)CN2、主河道曼寧系數(shù)CH＿N2、基流消退系數(shù)ALPHA＿BF 等參數(shù)為敏感參數(shù).

表1 參數(shù)敏感性分析和率定結(jié)果Table 1 Parameters sensitivity analysis and calibration results

率定期2013 ～2018 年6 場(chǎng)洪水中包括了量級(jí)不同的洪水，單峰和復(fù)峰洪水，通過率定這些場(chǎng)次洪水獲得的參數(shù)更具有代表性，逐場(chǎng)次率定此6 場(chǎng)洪水的參數(shù)，模型最終推薦參數(shù)取歷年洪水率定參數(shù)之平均值.驗(yàn)證期選用2019 ～2020 年共3 場(chǎng)洪水，其中2020年包含“20200812”和“20200817”兩場(chǎng)大洪水. 金堂三皇廟站SWAT 模型模擬驗(yàn)證的精度評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2 所示.從圖2 中可以看出驗(yàn)證期歷年模擬洪水過程線與實(shí)際洪水過程線形勢(shì)基本符合，復(fù)峰洪水的洪峰流量模擬效果相比于單峰洪水的模擬效果稍差.由三皇廟站洪水模擬的率定期與驗(yàn)證期的納什系數(shù)NSE與確定性系數(shù)R2的結(jié)果如表2 所示，從表2 可知率定期的R2與NSE 的值均大于0.73，驗(yàn)證期R2與NSE 的值均大于0.70，R2和NSE 的值均優(yōu)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，表明本文構(gòu)建的SWAT 模型能夠模擬三皇廟水文站以上沱江流域的洪水過程.

表2 三皇廟站洪水模擬結(jié)果評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of flood simulation results at Sanhuangmiao Station

圖2 三皇廟站驗(yàn)證期洪水模擬結(jié)果Fig.2 Flood simulation results ofSanhuangmiao Station during the verification period

3.2 SWAT 模型模擬結(jié)果分析

利用三皇廟站2013 ～2020 年共9 場(chǎng)洪水的洪峰流量、洪量和峰現(xiàn)時(shí)間的實(shí)測(cè)與模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(GB/T22482 -2008)》中的洪水預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定，其中洪峰流量、洪量的許可誤差應(yīng)在實(shí)測(cè)值的20%以內(nèi)，峰現(xiàn)時(shí)間的許可誤差需在預(yù)報(bào)根據(jù)時(shí)間至實(shí)際峰現(xiàn)時(shí)間之間的時(shí)長30 %以內(nèi)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的精度結(jié)果見表3.表中顯示，率定期洪峰流量合格率為100 %，洪量合格率為83.3 %，峰現(xiàn)時(shí)間合格率為100 %，驗(yàn)證期洪峰流量合格率為100 %，洪量合格率為100 %，峰現(xiàn)時(shí)間合格率為100 %.模型在三皇廟水文站洪峰流量模擬達(dá)到甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，洪量模擬達(dá)到乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，峰現(xiàn)時(shí)間的模擬達(dá)到甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn).故模型的模擬結(jié)果可以用來金堂縣城區(qū)的洪水組成規(guī)律分析.

表3 洪水預(yù)報(bào)精度評(píng)定表Table 3 Flood forecast accuracy evaluation table

3.3 金堂城區(qū)洪水組成分析

金堂縣城區(qū)的洪水組成分析，主要是研究金堂縣城趙鎮(zhèn)沱江三河匯口處，北河、中河、毗河來水所占沱江干流洪水的比重情況.本文以三皇廟洪水模擬結(jié)果為依據(jù)，模擬輸出三河匯口處北河、中河、毗河河口子流域的洪水過程，以洪量來統(tǒng)計(jì)干支流洪水組成占比情況，并結(jié)合暴雨中心分布對(duì)典型年洪水組成進(jìn)行具體分析.

3.3.1 多年平均洪水組成

以三皇廟水文站洪水過程為依據(jù)，在SWAT 模擬輸出結(jié)果中逐年統(tǒng)計(jì)2013 ～2020 年北河、中河、毗河河口子流域歷年相應(yīng)發(fā)生的時(shí)段洪水流量數(shù)據(jù)，得到三河匯口處洪水組成情況結(jié)果如表4 所示，表4 為歷年洪水三條河河口最大洪量的占比情況，總體來說每場(chǎng)洪水的占比為北河洪水＞中河洪水＞毗河洪水，北河洪水占比最大的原因是上游有綿遠(yuǎn)河、石亭江、湔江來水匯合.同時(shí)每年洪水組成占比的差異，受暴雨中心的位置影響，暴雨中心位于北河上游時(shí)，北河洪水占比均超過70 %；暴雨中心位于中河毗河上游時(shí)，北河洪水占比則低于65 %，而中河毗河的洪水占比則會(huì)增大.

表4 歷年洪水三條河洪水占比Table 4 The Historical flood proportion of the three rivers

三河匯口處每條河的占比情況如圖3 所示.三河匯口沱江干流的洪水組成中，洪量多年平均情況為北河約占干流洪水的73.41 %，中河約占17.98 %，毗河約占8.61 %.其中北河的洪水是主要組成部分，中河來水在洪水組成中次之，洪水比重接近其集水面積之比；毗河的洪水組成比重最小.

圖3 三河匯口洪水組成Fig 3 Flood composition at the Confluence of three rivers

3.3.2 典型年洪水分析

依據(jù)SWAT 模型模擬結(jié)果對(duì)三河匯口處北河河口、中河河口、毗河河口洪水遭遇情況進(jìn)行分析，選取20130709、20180711、20200817 這三場(chǎng)典型洪水進(jìn)行分析.依據(jù)《金堂縣縣城防洪規(guī)劃》中三皇廟水文站設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算結(jié)果，采用水文比擬法推算出三條支流河口處的設(shè)計(jì)洪水，各斷面設(shè)計(jì)洪水結(jié)果見下表5:

表5 設(shè)計(jì)洪水成果表Table 5 Design flood results table

2013 年 7 月 9 日，三皇廟站發(fā)生了 20 ～ 50 年一遇的最大洪水，且為復(fù)峰洪水，最大洪峰流量達(dá)到7250 m3/s.根據(jù)模型模擬三條河河口洪水過程線如圖4，北河河口 7 月 9 日 13 時(shí)洪峰流量達(dá)到4910 m3/s，洪峰量級(jí)相當(dāng)于20 ～50 年一遇；中河河口7 月9 日15 時(shí)洪峰流量達(dá)到2 180 m3/s，洪峰量級(jí)大于100 年一遇；毗河河口7 月9 日17 時(shí)洪峰流量達(dá)到876 m3/s，洪峰量級(jí)小于2 年一遇；三條河同時(shí)發(fā)生洪水遭遇時(shí)，三皇廟洪水量級(jí)為20 ～50 年一遇.根據(jù)表4 中2013 年暴雨中心位于中河、毗河上游的都江堰市天馬鎮(zhèn)，造成中河洪水占比增大，北河與干流三皇廟站同頻率.

圖4 三河匯口處2013 年典型洪水過程Fig.4 Typical flood hydrograph atthe Confluence of three rivers in 2013

2018 年7 月11 日三皇廟站發(fā)生了較大洪水，且為復(fù)合型洪水，最大洪峰流量達(dá)到7 810 m3/s，相當(dāng)于50 年一遇的洪水.三條河河口洪水過程線如圖5，北河河口7 月11 日14 時(shí)洪峰流量達(dá)到5330 m3/s，接近50 年一遇；中河河口7 月11 日18 時(shí)洪峰流量達(dá)到 1 330 m3/s，相當(dāng)于 5 ～10 年一遇；毗河河口 7 月11 日 17 時(shí)洪峰流量達(dá)到 1 200 m3/s，相當(dāng)于 2 ～ 5 年一遇；2018 年洪水暴雨中心位置在廣漢市三水鎮(zhèn)，大暴雨主要分布在北河、中河、毗河支流的下游地區(qū)，由于平原區(qū)洪水為上游水文站與三皇廟站區(qū)間的洪水，因此2018 年洪水屬于三河匯口處的平原區(qū)暴雨引發(fā)洪水.

圖5 三河匯口處2018 年典型洪水過程線Fig.5 Typical flood hydrograph at the Confluence of three rivers in 2018

2020 年8 月17 日三皇廟站發(fā)生了本世紀(jì)最大洪水，8 月17 日 14 時(shí)45 分達(dá)到最大洪峰流量達(dá)到8 100 m3/s，重現(xiàn)期接近100 年一遇.根據(jù)模型模擬三條河河口洪水過程如圖6，北河、中河、毗河洪峰在同一日內(nèi)出現(xiàn)形成洪峰遭遇. 北河河口的洪峰達(dá)到6 350 m3/s，重現(xiàn)期大于100 年一遇，中河河口的最大洪峰為1 200 m3/s，重現(xiàn)期為2 ～5 年一遇，毗河河口的最大洪峰為420 m3/s，小于2 年一遇.由于2020 年暴雨中心、副暴雨中心位置分別位于北河上游什邡市師古鎮(zhèn)，上游山區(qū)的綿竹市漢旺鎮(zhèn)，上游水文站以下平原區(qū)洪量占50 %以上，形成山區(qū)洪水與平原區(qū)大洪水的疊加形成全流域型洪水，此次金堂城區(qū)洪水主要為北河來水造成的洪水.

圖6 三河匯口處2020 年典型洪水過程線Fig.6 Typical flood hydrograph atthe Confluence of three rivers in 2020

綜上所述，根據(jù)三皇廟站典型年洪水與北河河口、中河河口、毗河河口相應(yīng)洪水的對(duì)比分析結(jié)果，結(jié)合場(chǎng)次暴雨中心分布位置得知，金堂縣城發(fā)生大洪水主因是成都平原區(qū)暴雨洪水，如果再疊加上游山洪區(qū)暴雨洪水則可形成特大洪水，必定會(huì)對(duì)金堂造成洪水危害.

4 結(jié)論

為了從流域水循環(huán)，特別是洪水形成機(jī)理上研究金堂縣城區(qū)的洪水組成規(guī)律，本文以三皇廟水文站以上沱江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建分布式SWAT 水文模型，對(duì)金堂縣城區(qū)2013 -2020 年洪水進(jìn)行模擬，初步獲得了金堂縣城區(qū)洪水組成的規(guī)律，主要結(jié)論如下:

①基于研究流域的建模數(shù)據(jù)資料，構(gòu)建了分布式SWAT 模型，并利用SWAT -CUP 軟件對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定及驗(yàn)證，結(jié)果表明，改進(jìn)SWAT 模型能夠有效模擬不同量級(jí)的場(chǎng)次洪水(確定性系數(shù)R2值均大于0.75，納什效率系數(shù)NES 值均大于0.7)，具有較好的適用性.

②通過SWAT 模型對(duì)金堂縣城區(qū)洪水進(jìn)行的精細(xì)分析，模型獲得了地區(qū)洪水的組成規(guī)律，在沱江上游干流的洪水組成中，北河的洪水是主要組成部分，中河次之，毗河的洪水占比最小. 洪水組成占比為北河約占73. 41%，中河約占17. 98%，毗河約占8.61%.

③三河匯口處，根據(jù)典型年三條河河口洪水的重現(xiàn)期分析結(jié)合暴雨中心分布位置，得到洪水遭遇的不同類型，全流域暴雨引發(fā)洪水影響遠(yuǎn)大于單純山區(qū)洪水或平原區(qū)洪水.北河洪水的洪峰與洪量都是三條支流中最大的，因此在金堂城區(qū)防洪減災(zāi)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注北河河段.