SWAT模型在小流域水土保持減流 減沙效益評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

(葫蘆島市南票區(qū)水利局，遼寧 葫蘆島 125000)

人類不斷的開(kāi)發(fā)利用自然資源加重了各地區(qū)的土壤侵蝕和流失問(wèn)題，因此，必須對(duì)土壤侵蝕和流失地區(qū)采取相應(yīng)的水土保持措施以防止問(wèn)題的進(jìn)一步惡化[1]。在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的前提下，形成了多種定量評(píng)價(jià)水土保持措施效益的方法。

SWAT模型是一種開(kāi)放式的典型分布式水文模型，具有開(kāi)放性、清晰性、簡(jiǎn)便性、完整性、同時(shí)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，可用于模擬地下水、地表水的水質(zhì)和水量情況，也可用于不同土地管理措施、土地利用方式以及不同土壤類型對(duì)流域水文、泥沙以及農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)狀況的影響[2]。目前，已有專家學(xué)者將其應(yīng)用于灌區(qū)效益評(píng)價(jià)以及流域面源污染時(shí)空分布方面的分析研究，對(duì)于SWAT模型在水文方面的應(yīng)用推廣起到了一定的借鑒作用[3-4]。

郝臺(tái)子小流域是葫蘆島市建昌縣境內(nèi)的一個(gè)小流域，為了防止和減輕流域地區(qū)的水土侵蝕和流失問(wèn)題，多年來(lái)當(dāng)?shù)卣扇×硕喾N水土保持措施以期能達(dá)到減流減沙、蓄水保土的效果。為避免傳統(tǒng)量化法對(duì)于評(píng)價(jià)水土保持措施效益的不足，本文擬采用SWAT模型對(duì)郝臺(tái)子小流域地區(qū)不同水土保持措施的減流減沙效益進(jìn)行分析研究，以期能夠?yàn)轭愃菩×饔虻貐^(qū)水土保持工作提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 研究區(qū)概況

郝臺(tái)子小流域位于葫蘆島市建昌縣西南部喇嘛洞鎮(zhèn)境內(nèi)，流域面積約41km2，境內(nèi)年平均降水量518mm，且多集中于7—9月，年徑流深為160mm，年平均溫度約為8.9℃；郝臺(tái)子共有3個(gè)自然村，共1205戶、6832人，人均耕地面積為0.24hm2,人均收入僅為2289元。目前，該流域水土流失面積已占總流域面積的50%以上，坡耕地面積、無(wú)工程果林、疏幼林、灌木林地以及荒山荒地等面積分別為584hm2、157hm2、493hm2、425hm2和422hm2。

2 SWAT模型構(gòu)建和運(yùn)行

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

由于SWAT模型是基于北美地區(qū)的氣候、土壤、植被數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的水文模型，在其他地區(qū)使用前需要將該地區(qū)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型需要的數(shù)據(jù)。?需要對(duì)郝臺(tái)子小流域進(jìn)行分辨率為10×10m的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取；?對(duì)該流域的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并建立相對(duì)應(yīng)的代碼關(guān)系，見(jiàn)表1；?根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥李愋秃退?/p>

表1 土地利用分類及對(duì)應(yīng)代碼

文情況建立對(duì)應(yīng)的土壤水文組和對(duì)應(yīng)代碼，見(jiàn)表2；?統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)資料。

表2 郝臺(tái)子小流域土壤水文組分類

2.2 模型運(yùn)行

SWAT模型運(yùn)行流程為：?運(yùn)行SWAT模型之前，需要對(duì)郝臺(tái)子小流域進(jìn)行流域劃分，得到該流域的水系分布情況；?在水系劃分基礎(chǔ)上，進(jìn)一步生成水文的響應(yīng)單元；?在水文響應(yīng)單元依次生成后，將氣象、土壤等數(shù)據(jù)輸入模型；?通過(guò)分析水文氣象數(shù)據(jù)，初步選擇最為適合的模型模擬方法。SWAT模型運(yùn)行流程見(jiàn)圖1。

圖1 SWAT模型運(yùn)行流程示意圖

3 不同水土保持措施減沙減流效益評(píng)價(jià)

SWAT模型自帶高等耕作、帶狀耕作、水平梯田、保護(hù)性耕作、保護(hù)性作物輪作、河岸濾草帶等水土保持措施，能夠模擬這些措施下的減流減沙效果。利用模型進(jìn)行水土保持效益評(píng)價(jià)還需要定義一個(gè)基準(zhǔn)模擬期作為參考值，用來(lái)與設(shè)計(jì)情況(措施)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，因此，在采用具體措施時(shí)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，本文擬采用水平梯田、保土耕作、封禁、果園4種水土保持措施進(jìn)行模擬分析，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)調(diào)整見(jiàn)表3。

評(píng)價(jià)水土保持措施的減流減沙效益，仍采用絕對(duì)值來(lái)評(píng)定，即

AR=prepi-postPi

(1)

(2)

式中AR——采取措施前后差值；

RR——占比；

prepi——某一水土保持措施前的徑流量或者泥沙量；

postPi——采取某水土保持措施后的徑流量或者泥沙量。

表3 不同水土保持措施前后模型參數(shù)調(diào)整值

SWAT模型的出口斷面泥沙量主要包括坡面產(chǎn)沙和河道匯集沙量?jī)煞N，泥沙量的減少自然也應(yīng)該包括坡面匯集量的減少和河道的沉積量，水文響應(yīng)單元尺度是一種只跟水土保持措施相關(guān)的評(píng)價(jià)尺度，避開(kāi)了復(fù)雜的計(jì)算情況，因而本文選擇以水文響應(yīng)尺度為基礎(chǔ)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

輸入近年來(lái)當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⑺摹⑼寥赖葦?shù)據(jù)，選擇SCS曲線法進(jìn)行地表徑流量的模擬分析，采用偏正態(tài)分布法對(duì)降雨量進(jìn)行模擬分析，選擇Penman-Monteith法對(duì)潛在蒸發(fā)進(jìn)行模擬，選擇變動(dòng)存儲(chǔ)系數(shù)模型對(duì)河道演算進(jìn)行模擬分析，定量得到了4種水土保持措施下的減流減沙效果評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。采取各種水土保持措施后，該流域土壤侵蝕量年減少約3941t，比采取措施前減少了近40%，其中，水平梯田、保土耕作、封禁以及果園分別減少土壤侵蝕量為415.25t、884.95t、1092.38t以及1549.22t,減沙效益值分別為89%、36%、25%以及61%，可見(jiàn)水平梯田及果園措施對(duì)于減沙效果較為理想；而水平梯田、保土耕作、封禁以及果園的減流效益值分別為42%、38%、37%以及35%，水平梯田對(duì)于減流效果較佳，其他三種措施相差不大，在35%～38%。從整體上看，水平梯田的減流減沙效果較為理想，是最佳的水土保持措施，但封禁措施相對(duì)其他措施而言，投入較低，最為經(jīng)濟(jì)，且該流域林地面積大，因此封禁措施相對(duì)來(lái)講也是較為可行的水土保持措施之一。

圖2 不同水土保持措施下的減流減沙效益評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以葫蘆島市郝臺(tái)子小流域?yàn)槔捎肧WAT模型對(duì)水平梯田、保土耕作、封禁以及果園4種常見(jiàn)水土保持措施下的減流減沙效益進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)水平梯田具有良好的減流減沙效果，在考慮經(jīng)濟(jì)投入的情況下，也可適當(dāng)考慮封禁措施。研究方法及結(jié)果對(duì)于類似小流域地區(qū)的水土保持工作具有一定的借鑒作用。