張蕭蕭,高 舒,李旺林,霍 云
(濟(jì)南大學(xué),濟(jì)南 250022)
沭河流域是山東省降水最豐富的地區(qū)之一,沭河既是日照市境內(nèi)最大的河流,也是其重要的供水來(lái)源之一,但是也存在著滯留雨洪水量不足而出境水量巨大的問(wèn)題。現(xiàn)如今,城市化進(jìn)程明顯加快,日照市內(nèi)需水量急劇增加,導(dǎo)致水資源對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響越來(lái)越大。目前,國(guó)內(nèi)外已有很多利用SWAT模型模擬流域徑流過(guò)程并計(jì)算水資源量的研究實(shí)例,模型的適用性也得到了很好的驗(yàn)證。例如:Faramarzi 等人[1]利用SWAT水文模型預(yù)測(cè)氣候?qū)φ麄€(gè)非洲大陸水資源不同部分組成的影響,并進(jìn)行水資源總量的計(jì)算;Azimi等人[2]利用SWAT模型對(duì)伊朗干旱和半干旱地區(qū)的河流流域進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)該流域的生態(tài)水文模型進(jìn)行了校正和驗(yàn)證;Daggupati[3]了解開(kāi)發(fā)、校準(zhǔn)、驗(yàn)證模型的一些重要決策是如何影響水文過(guò)程和徑流模擬結(jié)果的,對(duì)該模型更好的廣泛應(yīng)用于水文過(guò)程、土地利用和氣候變化影響做出了重要貢獻(xiàn);金鑫[4]對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn),并開(kāi)發(fā)出LU-SWAT模型,對(duì)比兩者徑流模擬效果,發(fā)現(xiàn)后者能更適用于黑河中游區(qū)域的水循環(huán)模擬及徑流變化;周帥等人[5]探究參數(shù)的不確定性對(duì)徑流模擬的影響,通過(guò)提高模型參數(shù)的準(zhǔn)確性來(lái)改善徑流模擬的精度。在雨洪水資源利用潛力方面,趙飛等人[6]采用日降雨序列估算法和多年平均降水量計(jì)算法對(duì)北京以及全國(guó)進(jìn)行了較為全面的雨洪資源綜合利用潛力估算,進(jìn)一步表明在實(shí)施雨洪資源利用措施后,取得的總體效益十分顯著。馮浩等人[7]在分析不同雨水利用方式的基礎(chǔ)上,提出了理論潛力、現(xiàn)實(shí)潛力等多個(gè)雨水資源化潛力的概念,對(duì)小流域雨水資源化潛力的計(jì)算方法進(jìn)行了探討;羅乾等人[8]重新定義雨水資源利用潛力,驗(yàn)證得到在連云港市采用水量平衡法能更好的對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算;王銀堂等人[9]提出了流域?qū)用娴暮樗Y源利用模式,并對(duì)北京規(guī)劃市區(qū)雨水資源可利用量及海河流域洪水資源利用現(xiàn)狀和利用潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。徐學(xué)選等人[10]根據(jù)雨量觀測(cè)站的逐月降水資料測(cè)算了陜西省雨水匯流潛力。馬瑾瑾等人[11]建立了以雨水資源為研究對(duì)象的海綿城市建設(shè)中雨水利用潛力評(píng)價(jià)體系,并對(duì)比綜合徑流系數(shù)法結(jié)果,驗(yàn)證了其合理適用性;趙西寧等人[12]構(gòu)建了區(qū)域雨水資源化潛力定量評(píng)價(jià)模型;李曉貝等人[13]建立了城市雨水資源利用的功能與需求耦合效益識(shí)別模型,在云南省的應(yīng)用更是驗(yàn)證了其有效性及精確性;郭曉輝等人[14]利用SCS-CN模型計(jì)算徑流潛力,并確定清水河流域潛在集雨工程的位置,為當(dāng)?shù)鼐C合治理山區(qū)雨洪資源問(wèn)題和規(guī)劃設(shè)計(jì)集雨工程提供一系列科學(xué)依據(jù)。高舒[15]運(yùn)用此模型在日照研究區(qū)域進(jìn)行的攔蓄雨洪的設(shè)施布置方案更是驗(yàn)證了其良好的適用性。本文通過(guò)構(gòu)建雨洪水資源化模型分析和計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)雨洪資源量和利用潛力,并結(jié)合SCS-CN模型和ArcGIS平臺(tái)對(duì)該流域進(jìn)行雨水集蓄措施潛在位置的分析及蓄水量的估算。
日照市地處大陸沿海中部、山東半島東南部,是一座新興的港口城市。日照市南北長(zhǎng)約82 km,東西寬約90 km,總面積5 359 km2。沭河發(fā)源于臨沂市沂水南麓泰薄頂,由沂水進(jìn)入莒縣境內(nèi),是過(guò)境河,干流長(zhǎng)約為83.29 km,流域面積約占全市總面積的40.3%,達(dá)到2 141.3 km2。
日照市土壤分為風(fēng)砂土、鹽土、砂姜黑土、水稻土、潮土、褐土、棕壤7個(gè)土類,15個(gè)亞類,以棕壤土面積最大,主要分布在山地丘陵區(qū)。日照市地處溫帶,屬典型的暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)大陸性氣候,四季分明,冷熱季和干濕季區(qū)別十分明顯,具有春旱、夏澇、晚秋又旱,旱澇不均的氣候特點(diǎn)。
本文在確定研究區(qū)域時(shí),為提高研究范圍的準(zhǔn)確性,利用ArcGIS多次進(jìn)行水文分析,同時(shí)為了盡量保證流域的完整性,得到更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,將研究區(qū)域劃定在以日照為主且含有小部分沂水縣沭河流域的地方,區(qū)域面積達(dá)到2 422 km2,位置如圖1所示。
圖1 研究區(qū)域位置示意圖
SWAT模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部在ArcGIS平臺(tái)的基礎(chǔ)之上,開(kāi)發(fā)的一種適合運(yùn)用于較大流域尺度的水文模型,近幾年來(lái)模型研究發(fā)展迅速,并被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域,它根據(jù)地理信息和遙感系統(tǒng)來(lái)提供空間信息,達(dá)到可以模擬水文物理化學(xué)過(guò)程的目的。土壤、氣象、水文、地形等均成為SWAT模型是否能夠準(zhǔn)確運(yùn)用的關(guān)鍵條件,根據(jù)研究區(qū)域自然地理?xiàng)l件和氣象水文特征可以選擇建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù),并劃分子流域,引入多水文響應(yīng)單元,經(jīng)率定后驗(yàn)證該模型在研究區(qū)域具有良好的適用性。
可靠的數(shù)據(jù)源和完整的數(shù)據(jù)庫(kù)是SWAT模型成功運(yùn)行的先決條件。因此,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和預(yù)處理非常重要。本文通過(guò)實(shí)地考察、網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)、相關(guān)部門申請(qǐng)等多種方式獲取數(shù)據(jù)。
2.1.1 土壤及土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建
本次研究的土壤數(shù)據(jù)來(lái)自世界和諧土壤庫(kù)(HWSD),其中南京土壤研究所在第二次全國(guó)土地調(diào)查中提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)成為此次研究過(guò)程中中國(guó)主要的數(shù)據(jù)來(lái)源。根據(jù)SWAT模型要求計(jì)算所需的土壤參數(shù)并進(jìn)行修改。
利用資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)中2010年山東省遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),以及研究區(qū)域中采用的SWAT模型內(nèi)置土地利用類型將土地利用種類根據(jù)一級(jí)類型重新進(jìn)行分類。
2.1.2 氣象數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建
本文所使用氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于CMADS1.1數(shù)據(jù)集,其中研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于選取的143-237、143-236、144-237、144-236、145-236、145-235共6個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù),根據(jù)模型要求,給出相應(yīng)的日最高溫度、日最低溫度、日平均濕度、日平均風(fēng)速、日平均輻射數(shù)據(jù)及索引表TXT文件。
按照SWAT建模程序,對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行子流域的劃分,為了后期模型驗(yàn)證及流域內(nèi)雨洪資源量的評(píng)價(jià),以青峰嶺和莒縣兩個(gè)水文觀測(cè)站為出水口,將研究區(qū)劃分為67個(gè)子流域,如圖2所示。在子流域的基礎(chǔ)上,將土地利用類型和坡度的面積閾值設(shè)置為20%,土壤類型閾值則設(shè)置為10%,以此為依據(jù)最終將研究區(qū)域劃分為240個(gè)水文響應(yīng)單元。
圖2 SWAT子流域劃分圖
本次模擬根據(jù)氣象站9年(即2008-2016年)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),SWAT模型運(yùn)行預(yù)熱期(NYSKIP)設(shè)定為3年(即2008-2010年),模擬過(guò)程以2008年1月1日作為開(kāi)始日期,結(jié)束日期為2016年12月31日,以月尺度輸出。
本次選擇ALPHA_BF、GW_DELAY、GWQMN、GW_REVAP、ESCO、SOL_AWC、SOL_BD、SOL_K、CN2作為徑流模擬參數(shù),分析全局敏感性,將參數(shù)率定后用于徑流的模擬過(guò)程,得到的莒縣站和青峰嶺站率定期及驗(yàn)證期月徑流的實(shí)測(cè)值與模擬值見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 青峰嶺站月徑流實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖
圖4 莒縣站月徑流實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖
對(duì)模型的適用性評(píng)價(jià)是采用相關(guān)系數(shù)R2和納什系數(shù)Ens進(jìn)行判斷,通過(guò)模擬得到青峰嶺站、莒縣站驗(yàn)證期實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.89和0.88,Ens為0.87和0.86,說(shuō)明SWAT模型在研究區(qū)域具有良好的適用性,可以用于研究月尺度的徑流模擬。
雨洪資源利用又稱雨洪資源化,就是在區(qū)域安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等制約條件的前提下,通過(guò)工程或非工程措施,將雨洪水作為一種資源轉(zhuǎn)化為地表水或地下水,以此來(lái)供人類利用的過(guò)程。根據(jù)已有的城市雨洪水資源化計(jì)算模型在低山丘陵地區(qū)的適用性研究[13],證明模型在山地同樣具有適用性,即可以在研究區(qū)域運(yùn)用此模型。因此,利用SWAT模型對(duì)該地區(qū)雨洪資源量進(jìn)行合理的計(jì)算與分析,既得到研究區(qū)的雨洪資源量和利用潛力,增加水資源總量,也為研究區(qū)雨洪資源的優(yōu)化利用提供依據(jù)。
水資源總量是指在降水過(guò)程中所形成的地表水資源量(即河川徑流量)和地下水資源量(即降水入滲補(bǔ)給量)之和,其中研究區(qū)域平均降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)是由研究區(qū)地表土滲透性來(lái)確定的,取值為0.16。但是水資源總量并不等于地表水資源量與地下水資源量的簡(jiǎn)單相加,需扣除兩者重復(fù)量(原因是水資源量統(tǒng)計(jì)有一個(gè)時(shí)間上的間隔,由于水文循環(huán),在此間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生地表水與地下水的轉(zhuǎn)換),這部分重復(fù)計(jì)算量即河川基流量。計(jì)算公式如下:
W=R+Q-D
(1)
R=D+Rs
(2)
Q=Pr=Pα
(3)
式中:W表示水資源總量,萬(wàn)m3;P表示降雨量,萬(wàn)m3;R表示地表水資源量(即河川徑流量,萬(wàn)m3);Q表示地下水資源量(即降水入滲補(bǔ)給量Pr,萬(wàn)m3);D表示地表水與地下水重復(fù)計(jì)算量(即河川基流量Rg,萬(wàn)m3);Rs表示地表徑流量(即地表水資源量與河川基流量之差,萬(wàn)m3);α表示平均降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)。
由表1可知,以日照為主的沭河流域年平均水資源總量為64 738.2 萬(wàn)m3,地表水年平均資源量為51 882.0 萬(wàn)m3,地下水年平均資源量為21 139.2 萬(wàn)m3,其中年平均基流量為8 283.0 萬(wàn)m3;對(duì)比《日照統(tǒng)計(jì)年鑒》中統(tǒng)計(jì)數(shù)值,其中日照市年平均水資源總量為147 300 萬(wàn)m3,地表水年平均資源量為118 048 萬(wàn)m3,地下水年平均資源量為48 100 萬(wàn)m3,年平均基流量為18 848 萬(wàn)m3,根據(jù)沭河流域面積約占日照市總面積的40%左右,比較可知計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性基本得到驗(yàn)證。
表1 研究區(qū)域雨洪資源量計(jì)算表
雨洪資源利用潛力是將雨洪資源可利用量中扣除已開(kāi)發(fā)利用部分后尚可開(kāi)發(fā)利用的量,具體是通過(guò)計(jì)算地表水可利用量和地下水可開(kāi)采量來(lái)確定的。在城市雨洪資源集蓄研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)區(qū)域水文、氣象等一系列觀測(cè)資料,分析流域未來(lái)城市化發(fā)展水平,研究雨洪資源可能的利用程度并進(jìn)行雨洪資源利用潛力的計(jì)算,為雨洪資源的有效管理、合理配置和保護(hù)利用提供強(qiáng)有力的依據(jù)。
3.2.1 地表水可利用量
地表水可利用量的估算可采用倒算或者正算的方法,由于相關(guān)資料難以收集,本次評(píng)價(jià)采用倒算法,即以地表水資源量為基礎(chǔ),扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量,并且考慮汛期大洪水時(shí)不能下泄的棄水量,計(jì)算公式如下:
Wc=Wt-Wr-Wfd
(4)
式中:Wc為多年平均地表水資源可利用量(地表水可利用量);Wt為地表水資源量;Wfd為洪水棄水量;Wr為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。
對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)沭河流域進(jìn)行地表水可利用量的計(jì)算時(shí),洪水棄水量是采用汛期天然徑流量減去流域調(diào)蓄和耗用的最大水量并計(jì)算多年平均值得到的,為13 826.0 萬(wàn)m3,研究區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量約占天然徑流量的10%左右,為5 188.0 萬(wàn)m3。地表水可利用量計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。
表2 研究區(qū)域地表水可利用量總結(jié)表 萬(wàn)m3
計(jì)算得到,研究區(qū)內(nèi)沭河流域多年平均地表水可利用量為32 868.0 萬(wàn)m3。
3.2.2 地下水可開(kāi)采量
地下水開(kāi)采量,指儲(chǔ)存在地表以下未被開(kāi)采,通過(guò)采取相對(duì)經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境允許的措施從含水層中可以獲取的水資源總量。在本次研究中,采用無(wú)因次開(kāi)采系數(shù)(根據(jù)《日照水資源調(diào)查評(píng)價(jià)》中數(shù)據(jù),取0.7)與淺層地下水總補(bǔ)給量的乘積來(lái)表示,計(jì)算公式如下:
Qey=ρQtr
(5)
式中:Qey表示地下水可開(kāi)采量,萬(wàn)m3/a;Qtr表示淺層中地下水總補(bǔ)給量,萬(wàn)m3/a;ρ表示無(wú)因次可開(kāi)采系數(shù)。
計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)多年平均淺層地下水可開(kāi)采量為14 797 萬(wàn)m3。
3.2.3 利用潛力計(jì)算
現(xiàn)狀條件下,研究區(qū)域內(nèi)地下水資源年均開(kāi)采量和地表水資源年均開(kāi)發(fā)利用量分別為8 427和9 675 萬(wàn)m3。計(jì)算公式如下:
Wp=Wc-Waq
(6)
Qp=Qey-Qeq
(7)
式中:Wp表示地表水開(kāi)采潛力;Waq表示地表水開(kāi)發(fā)利用量;Qp表示地下水開(kāi)采潛力;Qeq表示地下水年均開(kāi)采量。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,研究區(qū)地下水開(kāi)采潛力為6 370 萬(wàn)m3,約占地下水年均可利用量的43%;地表水開(kāi)采潛力為23 193 萬(wàn)m3,約占地表水年均可利用量的70%。
雨水集蓄是指對(duì)降水進(jìn)行收集、儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)利用的微型水利工程或其他相關(guān)雨水收集儲(chǔ)存措施。近年來(lái),雨洪資源化進(jìn)程快速發(fā)展,人們對(duì)于研究蓄水量以及雨水集蓄措施的布局都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文研究區(qū)域以日照沭河流域?yàn)橹?,該地區(qū)地形地勢(shì)多為低山丘陵,非常適合進(jìn)行小范圍雨水集蓄。因此,在SCS-CN模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)域基本概況,兼顧經(jīng)濟(jì)因素,分析研究雨水集蓄潛在位置并計(jì)算蓄水量,為研究區(qū)域提供一個(gè)高效的雨水集蓄方案。
SCS-CN(Soil Conservation Service Curve Number)模型是廣泛應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)性水文模型,模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,模擬結(jié)果精度較高,可以根據(jù)不同的下墊面條件(如土壤類型、土地利用、河流水系、坡度等)計(jì)算相應(yīng)的徑流量,常被用來(lái)用來(lái)確定雨水集蓄措施的潛在位置。因此,本文首先使用SCS-CN模型來(lái)確定研究區(qū)的徑流潛力,再利用ArcGIS進(jìn)行坡度、集水面積等因素的疊加和集雨路徑的分析,五種雨水集蓄措施的約束集和規(guī)格參數(shù)如表3、表4所示。
表3 5種雨水集蓄措施規(guī)格參數(shù)表
表4 5種雨水集蓄措施約束集表
根據(jù)表3、表4中關(guān)于5種雨水集蓄措施的規(guī)格參數(shù)及約束集,位置的確定采用ArcGIS工具來(lái)進(jìn)行:①首先需要疊加處理徑流潛力級(jí)別、集雨路徑等級(jí)、坡度三個(gè)因素,然后通過(guò)不同的約束集條件,查詢相關(guān)數(shù)據(jù);②根據(jù)5種不同的雨水集蓄措施距離居民住宅區(qū)和耕地的條件限制,以居民住宅區(qū)和耕地作為中心區(qū),緩沖區(qū)建立在200和500 m范圍處,最大范圍可達(dá)1 000 m;其次對(duì)于日照市境外區(qū)域以及青峰嶺和小仕陽(yáng)水庫(kù)附近擁有較為成熟的雨水收集儲(chǔ)存措施的地區(qū)進(jìn)行扣除;經(jīng)過(guò)深入研究最后確定雨水集蓄措施的位置。
通過(guò)進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)可得研究區(qū)域內(nèi)各雨水集蓄措施個(gè)數(shù)及所占面積,具體總結(jié)為:①適合建造攔水壩的潛在位置點(diǎn)共有31處;②適合作為居民住宅集雨區(qū)的面積約為128.4 km2;③適合修建蓄水坑塘的面積約為30.23 km2;④適合建設(shè)蓄水池的潛在位置點(diǎn)共有36處;⑤適合建設(shè)大口井潛在位置共有32處;5種雨水集蓄措施的位置分布見(jiàn)圖5。
圖5 研究區(qū)域內(nèi)5種雨水集蓄措施布置圖
4.2.1 平均降雨量
本文通過(guò)研究分析1956-2015年內(nèi)青峰嶺站、莒縣站、陳家莊站、夏莊站、小仕陽(yáng)站和東莞站6個(gè)站點(diǎn)共60年的年降雨數(shù)據(jù),采用泰森多邊形法,經(jīng)計(jì)算得到雨水集蓄措施潛在布置區(qū)內(nèi)的年平均降雨量為797 mm;在95%、75%、50%和25%的降雨頻率下降雨量分別為475.2、621.2、758.2和923.3 mm,呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。
4.2.2 蓄水量估算
對(duì)研究區(qū)域徑流潛力分析并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際概況,具體規(guī)劃了包括攔水壩、居民住宅集雨區(qū)、蓄水坑塘、蓄水池、大口井5種雨水集蓄措施,并分析計(jì)算不同降雨頻率下的可增加蓄水量,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。
由表5可得,在95%、75%、50%和25%的降雨頻率下,5種集蓄措施可增加集蓄雨量分別為2 100.27、2 731.26、3 323.36和4 036.89 萬(wàn)m3,與前面雨洪資源利用潛力中地表可利用水量進(jìn)行對(duì)比,按照規(guī)劃進(jìn)行雨水集蓄措施的布局所增加集蓄雨量均小于雨洪資源利用潛力。
表5 規(guī)劃雨水集蓄措施可增加的蓄水量 萬(wàn)m3
本文以ArcGIS為平臺(tái),利用SAWT模型進(jìn)行研究區(qū)的徑流模擬工作,獲得雨洪資源量和利用潛力,同時(shí)結(jié)合SCS-CN模型,分析雨水集蓄措施的潛在位置并估算蓄水量,通過(guò)上述分析和研究,得出主要結(jié)論如下。
(1)研究區(qū)劃分為67個(gè)子流域、240個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU),根據(jù)模型適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判斷,SWAT模型在研究區(qū)域的徑流模擬上具有較好的適用性。
(2)利用率定好的SWAT模型進(jìn)行徑流模擬,得到研究區(qū)現(xiàn)狀條件下地下水資源開(kāi)采潛力為6 370 萬(wàn)m3,地表水資源開(kāi)發(fā)潛力為23 193 萬(wàn)m3,分別約占地下水年均可利用量的43%和地表水年均可利用量的70%。
(3)在ArcGIS平臺(tái)的基礎(chǔ)上,結(jié)合SCS-CN模型,雨水集蓄措施具體總結(jié)為攔水壩、居民住宅集雨區(qū)、蓄水坑塘、蓄水池、大口井5種,在95%、75%、50%和25%的降雨頻率下,五種集蓄措施可增加集蓄雨量分別為2 100.27、2 731.26、3 323.36和4 036.89 萬(wàn)m3,為研究區(qū)域內(nèi)水資源的高效持續(xù)利用提供一系列科學(xué)依據(jù)。
□