SWAT模型在青铜峡灌区水循环的应用研究Ⅱ：模型应用

苏 欣，陈 震

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；2.黄河水利科学研究院，河南 新乡 453003)

1 模型应用区域概况

青铜峡灌区地处祖国西北内陆，属中温带干旱气候区，大陆性气候明显，干旱少雨，蒸发强烈。本文选取整个青铜峡灌区作为模型的应用区域。在《SWAT模型在青铜峡灌区水循环的应用研究》[1]的建模基础上，应用完善后的模型设置不同的情景模式进行灌区相关水文过程的模拟，分析不同水管理措施对灌区水量平衡及相关评价指标的影响。

SWAT模型很好地处理了农业生产管理措施(灌水、施肥、农药使用、作物种植管理、作物种植结构调整等等)对流域中水文过程的影响，是区别于目前许多大型的分布式水文模型的显著特点[2-5]，为灌区水资源的优化管理与节水灌溉评价提供一个新的研究手段[6]。在印度Gosain等[7]应用SWAT模拟了印度Pslleru流域的灌溉回归水，并模拟了在实施渠道引水灌溉之后基流的变化，结果发现基流量达到引水量的50%之多，这一发现对水资源管理及规划具有重要意义。Kang等[8]在SWAT模型中添加了一个专门模拟水稻田水量平衡的模块，采用日平均入渗强度来模拟灌区尺度稻田渗漏，较成功的模拟了水稻田的非点源污染情况。国内方面，焦锋等[9]耦合了SWAT模型和马尔科夫链模型，对稻田灌溉的水分、养分循环进行了模拟。胡远安等[10]针对SWAT模型对水田在蓄水期的降雨-径流过程的模拟过于简化，对水田蓄水的情况进行了修改，将水田划分为蓄水与非蓄水时期分别进行计算。王宏等[11]集成了SWAT模型与GMS模型，对华北平原地下水系统进行联合模拟调参。

利用先进的流域尺度分布式水文模型来回答各项节水措施对灌区水文循环的效应问题，国内外的研究成果较少，仅在美国，Santhi等[12]利用SWAT模型，并添加了渠系灌溉功能，模拟了德克萨斯州格兰德河灌区内的作物需水量和渠系用水效率，并对节水措施下的灌区内灌溉需水量与节水潜力进行了评价。但文中仅模拟了渠系水的利用系数，并未考虑田间水利用系数、灌溉水利用系数，文中的节水措施未包括喷灌、微灌等节水灌溉工程措施。

2 模型应用区域及水均衡模拟

2.1 现状灌水量下水循环要素的变化规律

本文明确了现状水平的灌水量(如表1)，采用完善后的SWAT模型模拟水循环要素的变化规律。

表1 青铜峡灌区不同作物生育期的现状灌水量

2.1.1 地表、地下径流对主河道总径流的贡献量

采用校准后的SWAT 模型进行2003-2011年序列月径流的模拟，并对常规灌水量下灌区逐年地表径流、地下径流对主河道的贡献量进行了统计及对比。模拟结果如图1所示。

图1 灌区逐年地表、地下径流量对主河道的贡献模拟结果

从图1可以看出，研究期限内地表径流对主河道总径流的贡献量变化范围为96～168 mm，地下径流对主河道总径流的贡献量变化范围为155～200 mm，进入主河道的总水量变化范围为263～355 mm。

地下径流对主河道总径流的贡献量约占进入主河道总水量的58.3%，地表径流对主河道总径流的贡献量约占进入主河道总水量的41.7%。

丰水年(2006年)地表径流对主河道总径流的贡献量约占进入主河道总水量的45%。

2.1.2 根部区域渗漏的水量

采用校准后的SWAT 模型进行2003-2011年序列月径流的模拟，并对常规灌水量下灌区通过根部区域渗漏的水量进行了统计及对比。模拟结果如图2所示。

图2 灌区逐年根部区域渗漏的水量模拟结果

从图2可以看出，9年间灌区通过根部区域渗漏的水量变化范围为161～212 mm，年均渗漏量为187 mm，丰水年(2006年)通过根部区域渗漏的水量为212 mm，为渗漏量峰值。降水量越多，渗漏水量随之加大。

2.1.3 蒸散量

采用校准后的SWAT 模型进行2003-2011年序列月径流的模拟，并对常规灌水量下灌区蒸散量进行了统计及对比。模拟结果如图3所示。

图3 灌区逐年蒸散量模拟结果

从图3可以看出，灌区潜在蒸散量与实际蒸散量年际间变化趋势一致，实际蒸散量变化范围为441～491 mm，潜在蒸散量变化范围为690～794 mm，年均实际蒸散量为468 mm，年均潜在蒸散量为756 mm。丰水年(2006年)的实际蒸散量不是极值，可见蒸散量与降雨量的关系不显著。蒸散量可能跟日照时数、风速有显著关系。

2.2 不同灌水量下水循环要素的变化规律

由于研究系列较长，特选取典型年进行不同灌溉引水量下水循环要素的变化规律研究。水文学中习用丰水年、平水年、枯水年，频率基本为25%、50%、75%，一般选择平水年进行研究。根据降水频率统计，得出平水年75%频率下的降雨量为125～145 mm。因此选取2011年为典型平水年，降雨量为148 mm。

首先设计典型年下的灌溉制度，在明确现状灌水量的基础上设置高水(120%×现状灌水量)、低水(80%×现状灌水量)两个灌水水平进行模型模拟，如表2所示。

表2 青铜峡灌区不同作物生育期的3个灌水水平

2.2.1 蒸散量

采用校准后的SWAT 模型进行典型年序列月径流的模拟，并对不同灌溉引水量下灌区逐月实际蒸散量进行了统计及对比。模拟结果如图4所示。

图4 不同灌溉引水量下灌区月蒸散量模拟结果

结果显示，实际蒸散量排序为高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉，高水灌溉下的年蒸散量为490.8 mm，低水灌溉下的年蒸散量为440.7 mm，中水灌溉下的年蒸散量为471.1 mm。实际蒸散量与灌水量的变化趋势一致，随着灌水量的增加蒸散量值变大。

2.2.2 根部区域渗漏的水量

采用校准后的SWAT 模型进行典型年序列月径流的模拟，并对不同灌溉引水量下灌区逐月根部区域渗漏的水量进行了统计及对比。模拟结果如图5所示。

图5 不同灌溉引水量下灌区逐月根部区域渗漏的水量模拟结果

结果显示，根部区域渗漏的水量排序为高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉。从年内变化看，11月份冬灌水量最大，渗漏量也最多。渗漏量主要集中在4-9月和11月。根部区域渗漏的水量与灌水量的变化趋势一致，随着灌水量的增加渗漏量值变大。

2.2.3 地表、地下径流对主河道总径流的贡献量

采用校准后的SWAT 模型进行典型年序列月径流的模拟，并对不同灌溉引水量下灌区地表径流对主河道总径流的贡献量进行了统计及对比。模拟结果如图6所示。

图6 不同灌溉引水量下灌区地表径流对主河道总径流的贡献量模拟结果

结果显示，地表径流对主河道总径流的贡献量排序为高水灌溉>中水灌溉>低水灌溉。从年内变化看，贡献量主要集中在4-11月。地表径流对主河道总径流的贡献量与灌水量的变化趋势一致，随着灌水量的增加地表径流对主河道总径流的贡献量值变大。

采用校准后的SWAT 模型进行典型年序列月径流的模拟，并对不同灌溉引水量下灌区地表径流对主河道总径流的贡献量进行了统计及对比。模拟结果如图7所示。

图7 不同灌溉引水量下灌区地下径流对主河道总径流的贡献量模拟结果

结果显示，地下径流对主河道总径流的贡献量无差异。从年内变化看，地下径流对主河道总径流的贡献量不随灌水量的变化而变化，与灌水量的相关性不大。

3 小 结

SWAT模型在自然流域内的水文循环、水资源管理中的应用十分广泛；同时，也被国内外的学者成功地应用于灌区水分和养分循环等方面。然而，在利用SWAT模型研究节水措施对灌区水文循环的效应问题上，国内外的研究成果较少。因此，本文结合SWAT模型分布式、开放性的特点，分析不同水管理措施对灌区水循环转化的定量影响及其相关水平衡要素的变化规律，为灌区节水灌溉技术发展提供科技支撑。

本文模拟分析表明, 文献[1]建立的灌区分布式水文模型较好地反映了灌区水文特点以及水管理措施对灌区水分循环和水量平衡评价指标的影响。该模型为灌区不同作物不同水管理措施下相关指标的分析评价提供了有效工具。

灌区分布式水文模型的研究与针对自然流域开发的分布式水文模型应用相比，还处于起步阶段。本文模型对地下水运动的模拟是概念性的，在今后的研究中需要进一步改进。