基于分布式水文模型的湘江流域水资源时空演变规律及发展趋势研究

　　主要完成人：宁迈进 蒋昌波 刘东润 隆院男 胡世雄 顾庆福 李正最

　　聂小保 陈 杰 邓 斌 李广源 李炳辉 凌向韶 孙豪文

　　获奖等级：2014年度湖南省水利水电科技进步二等奖

　　一、项目简介

　　本项目针对湘江流域分布式水文模型及水资源时空演变规律及发展趋势开展研究，在收集大量水文气象、地形、土壤类型等资料的基础上，得到了流域径流年内年际分布特征，建立了湘江流域的分布式水文模型，基于该模型，选取了典型小流域，研究了流域的非点源污染特征，并揭示了流域水资源情势演变规律。成果可为长株潭两型社会建设、湘江流域综合治理提供科学依据，为流域规划和水资源利用提供技术支撑，具有显著的社会经济效益。

　　二、详细内容

　　1、立项背景（相关科学技术状况及其存在问题）

　　水资源作为一种重要的自然资源，由于近几十年来人类活动和自然因素的共同影响，使得流域水文循环规律日趋复杂，如温室效应与气候变异，土地利用变化等都在改变着水循环。许多国家和地区流域内出现河流流量减少、水环境恶化以及水质污染等问题，严重制约了区域社会经济的发展。因此有必要对新时期的流域径流演变规律进行深入研究，分析其演变规律并预测其变化过程。

　　流域水文循环是一个多因素相互作用的复杂过程，用数学方法描述和模拟实际水文循环的主要过程和变化规律，已成为研究流域水文循环的科学方法和必然手段。作为对水文循环规律进行多元化研究的重要工具，流域水文模型逐渐产生并发展起来。随着计算机技术、地理信息系统和遥感（GIS/RS）技术、信息技术以及通信技术的不断发展，分布式水文模型以能方便、客观地反映气候、下垫面因子的空间分布不均匀性对流域降雨径流形成的影响，而逐渐成为现代流域水资源与水环境研究的重要工具和方法之一。现有的水文模型的一个显著特点是同数字高程模型（DEM）结合，因此也被称为数字水文模型。其融合了传统水文学、信息技术以及其他相关学科的研究成果，代表了水文模型的最新发展方向，是解决流域水资源、水环境及生态等问题的一种有效途径。

　　分布式水文模型的提出解决了水文过程的空间变异性问题，正是由于有大量的、丰富的、空间分布的参数作为支撑，才使它对流域水文现象的模拟和描述能体现很好的空间不均匀性，从而更加真实地预测或再现流域的各种行为。其中具有代表性的模型有：SHE模型（Systeme Hydrologique Europeen），英国的IHDM模型（Institute of Hydrology Distributed Model）、美国农业部农业研究中心的SWAM模型（Small Watershed Model）、Beven和Kirby提出的TOPMODEL以及SWAT（Soil Water and Assessment Tools）模型等。其中，由美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的流域尺度模型——SWAT（Soil Water and Assessment Tools）模型，被广泛用于模拟地表水和地下水的水质和水量，预测长期土地管理措施对具有多种土壤、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响。它具有很强的物理基础，适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资料缺乏的地区建模，在国内外得到了广泛的应用。据不完全统计，随着该模型的不断完善，SWAT模型现已在欧亚非27个国家得到了推广和应用，研究内容涉及到径流模拟、非点源污染、模型输入参数和气候变化的水文效应以及模型的改进等诸多方面。在现有的分布式水文模型中，SWAT模型以其强大的功能在分布式水文模型中占有重要地位。

　　湘江是湖南省最大的河流，为长江主要支流之一。发源于广西灵川，在湖南省永州市市区与发源于湖南省永州市蓝山县的潇水汇合，开始称湘江，流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙，至湘阴县入洞庭湖后归长江。干流长856km，湘境里程670km，湘江大小支流共2157条，其中一级支流124条，流域面积94660km²，在湖南省境内流域面积为85383km²，占湖南全省总面积的40％。其中零陵以上为上游，永州至衡阳为中游，河宽250m-1000m，衡阳以下进入下游，河宽500m-1000m。

　　湘江流域属亚热带季风湿润气候，人均水资源占有量多年平均为2158m3。湘江水量大多来自降雨，河流流量受降雨影响很大，湘江流域多年平均降水量约为1436mm，降水集中于春夏两季，4月至6月为多雨季节，冬季的12月到来年2月是少雨季节，为枯水期；雨季湘江水位上涨，年最高水位出现在4月至7月。湘江多年平均流入洞庭湖水量713亿m3。湘江流域水系发育，支流众多，但左右两岸不对称。右岸支流发育，流域面积大于5000km2的支流有潇水、舂陵水、耒水、洙水、渌水等5条，左岸支流由于均发源于衡邵丘陵区，流域面积均不大，仅涟水流域面积在5000km²以上，其余多短小，水量也不及右岸支流丰富。

　　随着国民经济的快速发展，湘江流域年年都出现“水多、水少、水脏、水土流失”等水问题，要解决这些水问题，应当针对湘江流域水资源时空演变规律及其发展变化趋势开展相应的研究，同时，根据湘江流域的特点，借助分布式水文模型，对湘江流域水资源时空分布特征及变化规律进行研究，减少其带来的社会经济损失，这对湘江流域的综合治理是十分重要和必要的。

　　2、项目的主要技术内容

　　本课题针对湘江流域分布式水文模型及水资源时空演变规律及发展趋势开展研究，该项目取得的主要研究成果及创新点有：

　　一是在大量收集湘江流域相关水文资料的基础上，采用不均匀系数、集中度与集中期、绝对变化率和相对变化率、累积距平法、变差系数与年际极值比等对流域内各站点流量的年内、年际变化规律进行统计分析，得到了流域径流年内年际分布特征。

　　通过研究表明流域内各站点年内径流分布不均，历年变化趋势不明显，但流域内下游站点的年内分布比上游较均匀；各站点流量最大值基本出现在7月至8月间，上游流量年内分布更为集中；根据流域内各站点绝对变化率和相对变化率指标，表明湘江上游的径流年内变化较大，下游径流年内变化较平缓；湘江流域径流年际变化较大，以1983年、1991年、2002年为时间分割点，年径流序列清晰的表现出丰枯交替变换的特征。流域上游径流年际变化幅度大，下游径流年际变化比较平稳。

　　二是建立了湘江流域的分布式水文模型，对研究区的月径流过程进行了模拟，并根据实测资料对模型进行了率定和验证。

　　1）收集和整理了分布式水文模型运行所需的数据：数字高程模型（DEM），土地利用类型图以及土壤类型图（图1-图3）；收集整理了研究区长沙、湘潭、衡阳等42个雨量站的实测数据，根据模型对输入数据要求，采用Visual FoxPro 建立数据库文件。整理了长沙、浏阳等15个站点的气象数据（日降雨、日最高最低气温、日均风速、日相对湿度、日太阳辐射等），以构建模型内自带WXGEN天气发生器所需的数据。此外，还收集了常宁站点的日太阳辐射资料。建立了模型所需的土壤属性数据库，如土层厚度、密度、土壤容重、有效田间持水量、土壤饱和水力传导率以及土壤层中粘粒、粉粒、沙粒、砾石含量等数据。

　　2）在此基础上，建立了流域的分布式水文模型。模拟了湘江流域各站点的径流过程。并采用相关系数和Nash-Suttcliffe效率系数对模型进行了率定和验证，研究表明在研究区利用SWAT模型进行径流模拟是可行的，可进一步借用该模型开展土地利用变化和气候变化对流域水资源影响的研究。

　　根据已建立的分布式水文模型，模拟出湘江流域总面积为8.33万km²，长沙水文站以上湘江流域总面积为8.30万km²，误差较小。进一步将研究区划分为33个子流域。

　　在此基础上，模拟了湘江流域各站点的径流过程。对湘江干流由上游至下游的老埠头站、归阳站、衡阳站、衡山站、株洲站以及湘潭站的实测流量资料进行率定和验证。2001年——2004年属于校准期，2005年——2008年属于验证期。

　　1.率定期

　　由研究区月均流量模拟结果来看，在率定期内，研究区月均流量模拟值符合精度要求，模拟结果令人满意。

　　表1 率定期月均模拟流量与实测值的相关系数与Nash-Suttcliffe效率系数表

系数	老埠头	归阳	衡阳	衡山	株洲站	湘潭站
	0.81	0.87	0.87	0.86	0.87	0.86
	0.82	0.87	0.88	0.87	0.87	0.87

　　2.验证期

　　表2给出了老埠头等6个站点验证期内月均流量的相关系数和Nash-Suttcliffe效率系数值。根据计算得到的模拟精度的评价指标：验证期内，相关系数 最低值为0.79，Nash-Suttcliffe效率系数 最低值为0.79，因此，验证期内，月均流量的模拟精度符合要求，表明模型能较好的模拟湘江流域的月均流量过程。

　　表2 验证期月均模拟流量与实测值的相关系数与Nash-Suttcliffe效率系数表

系数	老埠头	归阳	衡阳	衡山	株洲站	湘潭站
	0.79	0.8	0.79	0.81	0.81	0.81
	0.79	0.8	0.81	0.84	0.84	0.83

　　总的来说，由湘江流域月均流量模拟结果来看，研究区内，模拟值均符合精度要求，模拟结果令人满意。因此，在研究区利用SWAT模型进行径流模拟是可行的，可进一步借用该模型开展土地利用变化和气候变化对流域水资源影响的研究。

　　3）基于建立的流域分布式水文模型，探讨了长沙站2001年至2008年月模拟流量结果，同时，根据长沙水文站控制流域面积以及湘潭站控制面积，得到长沙站逐月流量值，两种方法得到的模拟值相关系数达到0.84。这为无实测流量资料地区提供了一种获取流量数据的方法。

　　三是利用HHT和小波分析法、Mann-Kendall、Hurst指数法等对湘江流域水资源演变情势开展了研究。

　　1）利用HHT和小波分析法对流域年径流量过程进行周期性分析，分析表明大多站点的序列均存在22年左右以及7年左右的周期，流域内年均流量序列均的周期为7年及22年。同时研究表明近30年来流域的年径流量呈缓慢增加的趋势。

　　1. 基于HHT变换周期性分析

　　运用EMD方法对湘江流域12个站1980～2008年的年均流量进行多时间尺度分解，结果如图4所示，内在模态函数经过HHT变换后，得到中心频率，平均周期等统计结果，如表3所示，其中第1个内在模函数IMF₁振幅最大、频率最高、波长最短的一个波动，依次下去的其他内在模函数振幅逐渐变小，频率逐渐变低，波长逐渐变大，平均周期逐渐变长。

　　表3 老埠头站流量时序模态函数的统计表

　　以老埠头站为例，老埠头站年均流量可由4个本征模态函数(IMF₁～IMF₄分量)和1个残余趋势项(Residue分量)通过线性叠加来表示。如表3所示，老埠头站第1个模态IMF₁的平均周期是2.9年，表明径流存在2.9年的年际变化；第2模态IMF₂至第4模态IMF₄的平均周期分别为7.9，17.5，27.8年，表明该站点流量具有明显的代际变化；图4中最后的趋势项表明近30年来的年均流量呈缓慢增加的趋势。相关系数表示各IMF分量与年均流量序列之间的相关关系，从IMF₁至IMF₄相关系数依次减小，表明IMF₁是主要波动，其余各模态函数重要程度依次降低。流域内其他各站点也均存在3年、7年、20年左右的周期变化，同时近30年来的年流量均呈缓慢增加的趋势。

　　2. 基于小波变换的周期性分析

　　图5显示出了老埠头站W_f（a，b）的实部在小波变化域中以基准面上下变化的波动特征，表明小波系数所表征的年流量在不同尺度随时间丰、枯交替变化的特性。其中，以老埠头站为例，22a和6a左右尺度的丰、枯交替变化表现较清晰，波动极值点分布规律明显，而小于5a左右尺度的年流量波动变化频率快，且波动极值点分布散乱，说明较小尺度年流量波动频繁，振荡较为明显。

　　根据小波变换方差的计算公式，得到年均流量距平序列小波变换方差，并绘制小波方差图6。由图可知，大多站点的序列均存在22年左右以及7年左右的周期，表明流域内年均流量序列均的周期为7年及22年。这与Hilbert-Huang（HHT）变换得到的结论基本一致。

　　2）结合Mann-Kendall突变检验分析年均流量序列，研究表明流域内各站点年径流量过程在90年代初均发生了不显著突变。湘江流域年径流量大致经历了20世纪80年代初期的丰水期-80年代中后期到90年代初期的枯水期-90年代中后期-21世纪初的丰水期三个完整丰枯变换。

　　图7给出了老埠头站年均流量Mann-Kendall检验结果图。从图中可以看出，老埠头站的UF与UB系列在1980～2008年间有5个交点，分别位于1980年、1981年、1991年、2006年、2007年，5个交点均位于临界值±1.96之间，但这5个交点前后UB值无明显超过上临界值或下降明显低于下临界值，表明老埠头站年均流量序列无显著的突变点。采用同样方法分析其他站，可以看出，湘江流域年均流量在1980到2008年可能发生突变的地方有五个，但这些交点前后UB值无明显超过上临界值或下降明显低于下临界值。但所有站点的UF与UB线在90年代初期均出现交点，表明在90年代初均发生了不显著突变。研究表明湘江流域年均流量大致经历了20世纪80年代初期的丰水期-80年代中后期到90年代初期的枯水期-90年代中后期-21世纪初的丰水期三个完整丰枯变换。

　　3）通过分析Hurst指数确定了湘江流域年径流量的整体变化趋势。湘江流域自1980年以来年均流量整体呈缓慢上升的变化趋势，这与HHT法得到的结论保持一致，且增加趋势是具有持续性的。

　　图8为流域内12个站点站的年均流量变化序列。由图可知，老埠头、归阳、衡阳、衡山、株洲、湘潭、甘溪、耒阳、神山头、双牌、湘乡11个水文站的年均流量在过去的29年中均表现出递增的变化趋势，而大西滩站的年均流量表现出递减的变化趋势，与HHT变换结果的RESIDUE项的趋势一致，总的来说，湘江年均流量序列呈现增加的变化趋势。

　　四是选取湘江一级支流涟水为研究对象，采用相同的方法，建立了涟水流域的分布式水文模型，研究了流域非点源污染特征。

　　（1）研究表明，涟水流域内主要为非点源污染，非点源污染所占比重均在75%以上。因此，要根本解决流域的水质问题，除了有效减少点源污染的排放外，需加大对流域非点源污染的控制力度。

（2）非点源污染与施肥水平之间存在着正相关关系。随施肥量增加，非点源污染负荷也存在着不同程度的增加，这说明降低耕地的化肥施用水平，可以一定程度地消除非点源污染负荷量。