基于SWAT模型的滏陽河流域斷流河道復流研究

洪梅 趙明明 魏濤 林豪棟

摘要：針對滏陽河流域斷流河道生態修復的問題，為了實現斷流河道盡可能恢復有水時間并且恢復基本生態功能的目標，基于節水措施和調水工程現狀，通過建立滏陽河流域SWAT （ soil and water assessment tool） 水文模型，在模型中設置不同補水水量、補水方式的生態補水情景，分析不同情景下斷流河道斷面的徑流量變化和恢復有水天數，并結合生態流量評價標準評價不同情景的河流生態恢復效果。結果表明：滏陽河流域邯鄲斷面在節水情景和調水情景中恢復河流生態效果較好，在通過上游節水措施和補充年調水1.00×10⁸m³/a的情景下，可以達到5—10月恢復有水184 d、恢復徑流量3 486.7×10⁴m³/a的目標；年內恢復徑流峰值在8月中旬，并且河道年均徑流量可以恢復到“好”等級的生態流量標準。滏陽河下游邢臺斷面在節水情景和調水情景下恢復徑流量較少，河道有水天數不達標，需要在上游節水條件下補充外來調水水量1.50×10⁸m³/a來達到恢復年有水天數304 d、恢復徑流量1 906.5×10⁴m³/a的目標，年內恢復徑流峰值分別在3月中旬和8月中旬；并且在達到恢復有水目標的情景下邢臺斷面僅達到“一般”等級的生態流量標準，需要考慮增加調水水量進行分時段單點位補水的補水方案。

關鍵詞：SWAT模型；生態補水；恢復有水；情景分析；滏陽河流域

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220051

中圖分類號：P641.1

文獻標志碼：A

收稿日期：2022-03-02

作者簡介：洪梅（1972—）， 女， 教授， 博士生導師， 主要從事污染場地控制與修復方面的研究， E-mail： hongmei@jlu.edu.cn

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFC370220）；國家重大科技專項（2018ZX07111001）

Supported by the National Key Research and Development Program of China （2022YFC370220） and the National Science and Technology Major Project （2018ZX07111001）

Study on Water Restoration in the Dried-up River of the Fuyang

River Basin Based on the SWAT ModelHong Mei^1，2， Zhao Mingming^1，2， Wei Tao^1，2， Lin Haodong³

1. College of New Energy and Environment， Jilin University， Changchun 130021， China

2. National Local Joint Engineering Laboratory of Petrochemical Pollution Site Control and Remediation Technology，

Jilin University， Changchun 130021， China

3. Taizhou Engineering Technology Center of Pollution Control， Taizhou 318000， Zhejiang，China

Abstract： In order to achieve the goal of restoring water to the river as long as possible and to restore the basic ecological functions， a SWAT （soil and water assessment tool） hydrological model for the Fuyang River basin was established based on the current status of water conservation measures and water transfer projects. The different ecological water replenishment scenarios were designed， the variation of runoff volume and the restoration of the annual number of days with water were analyzed for different scenarios. Ecological restoration effects were analyzed based on the ecological base flow standard. The results show that the river ecological restoration effect is better in the water conservation scenario and the water transfer scenario in the Handan section of Fuyang River basin， and 184 days of water restoration from May to October can be achieved through the upstream water conservation measures and the scenario of 1.00×10⁸m³/a of supplemental annual water transfer， and the restored runoff volume of 3 486.7×10⁴m³/a， the water replenishment can reach the ecological baseflow standard and guarantee the basic ecological function of the river. The Xingtai section in the lower reaches of Fuyang River has less restored runoff under water-saving and water transfer scenarios， so the number of days with water in the river does not meet the standard， and it needs to supplement the external water transfer volume of 1.50×10⁸m³/a under the upstream water conservation condition to achieve the restoration of the annual number of days with water is 304 days and the restored runoff volume of 1 906.5×10⁴m³/a， and Xingtai section under the scenario of achieving the target of restoring water. The ecological replenishment scheme of increasing water transfer for single point replenishment in different periods needs to be considered as it cannot reach the ecological base flow standard of the river.

Key words： SWAT model; ecological water replenishment; water restoration; scenario analysis; Fuyang River basin

0 引言

近年來，隨著經濟發展和人類活動強度、范圍的擴大，我國水資源面臨著資源量嚴重短缺、水資源時空分布不均等一系列問題。華北平原地區是我國水資源緊張地區之一，特別是滄州、邯鄲、邢臺等城市，區域水資源供需不平衡，流域內河流生態遭到破壞^[1-2]。子牙河上游滏陽河流域地處華北平原的中部，隨著人類活動和氣候變化，流域內干旱少雨，水資源日益匱乏，導致部分河流季節性或常年斷流，水生態環境遭到了破壞^[3-4]。

生態流量是維持和保障河流系統健康的重要基礎，為了修復流域生態環境，恢復流域生態水量，需要對流域內河流進行生態補水^[5-6]。生態補水是指在一些無法滿足生態需水量而受損的流域，通過工程或者非工程措施向流域系統調水，補充其生態系統用水量，使被破壞的生態系統逐漸恢復其原有的、能自我調節的基本功能，達到恢復流域生態平衡的目標^[7-8]。2020年水利部印發《2020年度河湖生態補水方案以及補充方案》^[9]，統籌利用南水北調工程、引黃工程等調水工程，并結合當地水庫和其他水源向京津冀22條河湖實施生態補水44.2億m³。近年來，在子牙河上游流域已經實施了多種生態補水方案，例如2018年邢臺市利用南水北調中線工程向境內七里河、白馬河、午河、泜河、滏陽河等河流實施生態補水共2.85億m³，恢復了境內多條河流的河道生態功能^[10]。生態補水已經成為解決斷流河道恢復生態功能的一種有效途徑，而制定科學的生態補水方案需要結合河道水文地理和地質條件，針對實際斷流情況設置補水水量和方式^[11-12]。確定斷流河道所需的生態補水總量和方式需要通過補水過程分析，減小補水過程中的損耗，以達到補水效益最優化及水生態修復目標^[13]。目前，農業灌溉節水、生活工業再生水、跨流域調水等非常規水源已經成為生態補水的水資源來源，多水源的補給方式為生態補水提供了效益優化的空間^[14]。

為優化生態補水方案，探究生態破壞河流生態需水量，已有學者在永定河流域基于永定河生態補水試驗對永定河北京段生態補水調度進行研究^[15]，還有研究者選取永定河斷流河道構建河道水力學模型，模擬分析研究區近兩年生態補水過程^[16]；然而，現有研究中河流生態補水方案優化多是基于現狀補水工程試驗效果，缺乏科學的情景預測模擬和徑流恢復效果分析。SWAT（soil and water assessment tool）模型作為分布式水文模型，在世界范圍內的流域尺度徑流模擬中應用和研究廣泛，其可以對流域徑流進行不同時間、空間尺度的長期連續模擬^[17-19]，可用來研究不同管理條件下大尺度復雜流域內預測水資源管理措施對徑流的影響^[20]。例如，李建新等^[21]利用SWAT模型預測未來不同管理情景下的海河流域水資源變化趨勢，為流域水資源管理提供了依據。

本研究基于SWAT模型，針對子牙河上游滏陽河流域斷流情況進行生態補水情景模擬，并對于規劃目標設置不同情景下的生態補水方案，結合生態流量評價方法，探究不同補水方案下河道恢復有水效果，以期為實際制定科學生態補水方案提供參考和建議。

1 研究區概況

滏陽河屬于海河流域子牙河水系，發源于太行山東麓邯鄲市峰峰礦區滏山南麓，流經河北省多地，流域內有沙河、泜河等支流，多條支流與滏陽河干流至艾辛莊匯合（圖1），流域面積2 747 km²。流域屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均降雨量在550 mm左右，降雨多集中在7—9月。滏陽河流域興建水利設施用于供水蓄水和調節下游河道流量，其中大型水庫有：東武仕水庫，位于滏陽河干流；朱莊水庫，位于支流沙河；臨城水庫，位于支流泜河上游。

2 材料與方法

2.1 SWAT模型原理

本研究通過構建滏陽河SWAT分布式水文模型模擬生態補水情景下流域水文循環和徑流響應。SWAT模型是由美國農業部（USDA）農業研究中心 Jeff Arnold 博士開發的流域尺度分布式水文模型，模型開發的最初目的是在不同土壤類型、土地利用和管理條件特征的大尺度流域內， 預測不同管理措施對流域產水、產沙及污染物負荷等影響^[22]。模型中的水文循環過程包括降水、入滲、蒸發、地表徑流、壤中流等。SWAT的水文循環基于水量平衡方程進行：

式中：S_t為最終土壤含水量，mm；S₀為初始土壤含水量，mm；t為時間，d；R_day為第i天的降水量，mm；Q_surf為第i天的地表徑流量，mm；E_a為第i天的蒸散發量，mm；W_seep為第i天從土壤剖面進入包氣帶的水量，mm；Q_gw為第i天回歸流的水量，mm。

2.2 SWAT模型構建

SWAT模型數據包括數字高程模型、數字水系圖、土地利用/覆被數據、土壤空間和屬性數據、氣象數據和水文數據等，收集的具體數據內容及來源見表1。模型先根據研究區數字高程圖設置子流域最小面積閾值，并利用研究區河網矢量圖修正模型生成河網；然后根據河網特征和地形特征參數劃分子流域，模型共劃分為25個子流域；再根據土地利用圖、土壤類型數據等數據文件生成水文響應單元（HRUs），設置土地利用面積、土壤面積和坡度的閾值分別為10%、10%和20%，共生成246個HRUs。流域模型子流域、水庫、水文站及斷面分布如圖1所示。由于本文構建的SWAT模型是對2008—2016年實測徑流的模擬，考慮了人為用水和水庫蓄放水，因此模型中計算了人工取水量和水庫日出流量，以達到實際模擬效果。

2.3 生態流量評價方法

生態流量評價中包含了生態基流的考慮，生態基流一般是指維持河流基本形態和基本生態功能、保障水生態系統基本功能正常運轉和河道功能發揮、避免河道中的水生活物可存活的最小流量，是評價水生態環境是否遭到破壞的臨界指標。目前生態基流的計算方法有很多種，包括水文學法、水力學法、生境模擬法和整體法等^[23-24]。其中：水文學法中的Tennant法不要求流量序列長期完整，適合在資料缺乏的流域使用，該計算方法主要基于河流天然狀態下的多年平均流量，按照相應級別的百分比作為河流生態環境的流量推薦值。根據表2，一般認為，河流多年平均流量的10%是維持河道內生物短期生存的最小流量，平均流量的30%可以維持生物生命活動的良好生存條件，平均流量的60%可以為大多數生物在生長活動時期提供適宜的生存棲息環境^[25]。

Tennant法側重河道流量的年際變化，用河道流量占多年平均徑流量的比例將水生生物生存環境適宜程度、河道健康狀況與河流流量聯系起來，即按照河道恢復的流量占年均流量和生態流量的比例得到對生態補水后河道生態狀況的評價。

基于Tennant法，最小生態流量應在平均流量的10%～30%之間，并且在當年10月—次年3月的一般用水時期建議河道流量在多年平均流量的20%以上，在4—9月的魚蝦類水生動物產卵期建議保障平均流量的40%。計算流域河道最小生態需水量公式^[26]為

式中：W_q為河道生態環境基本需水量，m³；T_i為第i月天數，d；Q_i為多年平均流量，m³/s；P_i為第i月推薦基流占比，%。

相關研究^[27]表明，海河流域河流生態流量目標應占多年平均流量的26.27%以上。

2.4 恢復有水情景

2.4.1 恢復有水目標

針對現有平水年實際斷流情況，設置了以下斷流河道的恢復目標，見表3（有水條件設定為河道流量≥0 m³/s）。

2.4.2 補水情景設置

實際子牙河流域上游滏陽河控制單元內斷流河道恢復目標位于邯鄲市和邢臺市境內，參考實際流域節水工程和調水工程情況，在模型中通過3個水庫（東武仕水庫、朱莊水庫、臨城水庫）和4個入水口（退水閘）進行水量分配，設置具體補水情景（表4）如下。

1）不同節水措施下補水情景：模型中通過滏陽河流域臨城水庫、朱莊水庫以及東武仕水庫進行農業節水和城市生活工業節水水量的分配。根據河北平原節水灌溉工程節水效果研究及研究區農業節水潛力分析^[28]，取平水年農業資源節水量及2019年各行政區實際農業用水比例，按照灌溉月份取用比例的不同進行水量分配。根據《南水北調中線主要城市節水潛力分析與對策》^[29]提出的邯鄲市、邢臺市的工業生活節水量，參考當前和未來城市節水潛力，制定了3種不同梯度節水補水情景：情景1（S₁）為在當前節水工程情況下的生態補水情景，補水水量共3.10×10⁸m³/a；情景2（S₂）為取最大農業節水量情況下，結合當前工業生活節水量的節水補水情景，補水水量為3.89×10⁸ m³/a；情景3（S₃）為取最大農業節水量情況下，結合預測未來工業生活節水量的節水補水情景，補水水量為4.14×10⁸m³/a。

2）外來調水補水情景：設置情景4（S₄）為補水水量與S₃最大節水水量相同的對比情景，補水水量也為4.14×10⁸m³/a，即通過模型內退水閘模擬實際調水點位，將同等水量按照恢復有水目標時段進行調水補水情景模擬。

3）綜合補水情景：情景5（S₅）為在S₃最大節水量補水情景基礎上，分別增加邯鄲斷面上游調水量1.00×10⁸m³/a、邢臺斷面上游調水量1.50×10⁸m³/a，模擬節水措施下結合外來調水進行生態補水的情景，補水水量共6.64×10⁸m³/a。

3 結果與討論

3.1 模型率定及驗證

本文采用SWAT-CUP工具中的SUFI-2方法對模型進行參數的不確定性分析、敏感性分析，及參數率定和結果驗證。對模型全部的水量模擬相關參數用t值（t檢驗）和P值（P-value）來衡量參數敏感性，其中：t代表參數敏感程度，絕對值越大越敏感；P代表參數敏感性的顯著性，值越接近于0越顯著^[30-31]。選擇滏陽河流域出口艾辛莊水文站水文觀測數據為模型率定及驗證的實測數據，根據所選擇的水量參數敏感性（P≤0.4）篩選了流域敏感性參數10個，按照敏感性從大到小排序，參數分別為徑流曲線數、河岸調蓄基流α因子、平均坡長、基流α因子、土壤飽和滲透系數、土壤濕容重、地下水時間延遲、側向水流坡長、淺層含水層水位和支流曼寧系數。模型具體參數取值見表5。

采用確定性系數R²和Nash-Suttcliffe效率系數（NSE）來綜合評價SWAT模型的模擬效果。R²表示模擬值與觀測值變化趨勢的一致性，R²值越接近于1，說明模擬值與實測值趨勢越吻合；NSE表示實測值與模擬值的偏離程度，NSE值越接近于1，表明模擬值越接近于實測值。一般情況下當R²≥0.65，NSE≥0.5時，表示模型模擬的結果較符合實際^[32-33]。

對艾辛莊水文站2008—2016年月平均流量觀測數據進行收集，由于資料缺乏連貫性，選擇2008年為預熱期，2009—2011年為模型率定期，2015—2016年為模型驗證期。水量擬合結果如圖2所示，通過實測值和模擬值點線圖可以看出，流域月均流量模擬結果較吻合。根據模型結果可知，艾辛莊水文站在率定期R²=0.83，NSE=0.60，驗證期R²=0.80，NSE=0.72，滿足模型模擬精度要求，模型模擬效果較符合實際。

3.2 河道生態流量

根據生態流量評價方法（本文2.3小節），認為“一般”等級下的生態流量占比為維持河流生態的基本等級，“好”等級以上的生態流量占比可以認為河流系統開始恢復，在“最佳范圍”內可以保證河流的完整性（表2）。根據Tennant法計算河道基本生態需水量^[26]。由歷史數據可得2006—2017年年均流量和徑流量數據（圖3），由此計算得知滏陽河流域的2006—2017年的年均流量為3.050 m³/s，年均徑流量為0.960×10⁸m³/a。

根據SWAT模型模擬出的斷面月均流量，各子流域年均流量差距不大，因此邯鄲斷面和邢臺斷面分別使用流域出口（子流域14和子流域4，圖1）的模擬流量計算生態流量。根據Tennant法計算標準^[25]可知：生態流量低于多年平均流量的10%，即低于0.305 m³/s時，可評價為“差”等級；生態流量在平均流量的10%～20%之間，即0.305～0.610 m³/s，可評價為“一般”等級；生態流量在多年平均流量的20%～30%之間，即達到0.610～0.915 m³/s時，可評價為“好”等級，考慮為保證一定河流的生態功能；在生態流量大于多年平均流量的30%，即達到0.915 m³/s以上時，可評價為“非常好”，即生態流量占比最佳狀態。因此，滏陽河流域斷面最小生態流量應在0.305 m³/s，基本生態水量為0.096×10⁸m³/a。

3.3 恢復有水情景結果

3.3.1 恢復徑流量及有水天數

不同情景下滏陽河年內斷面補水效果如圖4、圖5所示，圖4表示了不同情景下斷流河道的恢復流量曲線，圖 5表示了不同情景下斷流河道年內恢復的徑流量及天數。在S₁—S₃情景下，邯鄲斷面和邢臺斷面恢復徑流量隨著補水水量增加而上升（表4、圖5）：S₃情景下可恢復邯鄲斷面水量1 412.3×10⁴ m³/a，年內恢復河道有水的天數共172 d，其中恢復目標下的5—10月中占104 d（圖4）；可恢復邢臺斷面水量541.6×10⁴ m³/a，年內恢復河道有水的天數共147 d（圖5）。

在S₄情景下，在邯鄲斷面上游集中5—10月調水補水情況下，對比S₃情景達到了更好的補水效果，恢復了邯鄲斷面徑流量2 770.9×10⁴ m³/a（圖5），5—10月的斷流天數顯著減少；可以看出在相同補水水量的情況下，補水時間集中，補水頻率更高，能達到更好的恢復河道有水的效果。S₄情景在邢臺斷面上游每月增加外來調水量，對比相同水量按月節水比例分配的情景，全年河道有水天數由147 d增加至225 d，斷面徑流量恢復到783.1×10⁴ m³/a（圖5）；說明在相同補水水量情況下，根據缺水時段需求通過調水工程進行針對性補水對比節水補水情景更有利于達成斷流恢復有水的目標。

S₄情景下2個斷面補水情況分別為上游邯鄲斷面的單線路補水和下游邢臺斷面的多通道補水，對比可知，邢臺斷面在補水水量增加的情況下，恢復徑流量仍較??；說明上游補充的水量由于經過蒸發、入滲等過程難以補充至下游斷面，通過多點位補水的損耗率要大于單點位補水的損耗率，因此邢臺斷面的補水難度要高于邯鄲斷面。

4種單一模式補水情景（S₁—S₄）下都未能達到2個斷面的恢復有水目標，因此達到目標需要依靠兩種方式結合的綜合補水情景。S₅情景是在S₃的最大節水量情景下，增加邯鄲斷面上游調水量1.00×10⁸m³/a和邢臺斷面上游調水量1.50×10⁸m³/a，S₅補水水量共6.64×10⁸m³/a（表4），以達到斷面恢復目標。其中：邯鄲斷面可恢復徑流量3 486.7×10⁴m³/a，5—10月恢復天數共184 d；邢臺斷面可恢復徑流量1 906.5×10⁴m³/a，全年恢復有水天數共304 d，達到恢復有水目標（圖5）。并且可以看出，在5種模擬情景下2個斷面恢復徑流量時期集中在3—10月：邯鄲斷面年內最高斷面徑流量時期在8—9月，徑流量峰值在8月中旬；邢臺斷面年內恢復徑流量峰值分別在3月中旬和8月中旬，與年內降雨變化有關。

3.3.2 恢復河道生態效果

根據3.2小節得到的最小生態流量和基本生態水量，對5種模擬情景（S₁—S₅）下的斷面流量進行數據分析，結果見表6。

由表6可知：邯鄲斷面恢復效果在前3種節水補水情景（S₁—S₃）下均不能達到“好”的評價等級，說明僅靠這一區域的節水措施補充河道水量對于斷流河道而言不能完全恢復河流基本生態；在調水情景S₄中，邯鄲斷面恢復流量占年均流量比例達到28.8%，可以達到生態流量“好”等級評價，認為可以恢復到河流基本生態水平；綜合補水方案S₅為最佳補水方案，即在以節水措施為補水來源的基礎上，引調少量外來水量1.00×10⁸m³/a，上游共補水3.37×10⁸m³/a時，斷面流量（1.110 m³/s）可達到生態流量占比36.4%，為生態流量“非常好”等級評價，認為可以恢復河道完整性。并且綜合補水情景減小了僅靠外來調水方式的供水壓力，以本地節水水量回補為基礎，更有利于節約水資源。

相較于邯鄲斷面，下游的邢臺斷面在5種補水情景下都無法恢復到“好”等級的生態流量標準（表6），其中：在前4種情景（S₁—S₄）下，徑流量占年均流量的比例均小于10.0%，屬于“差”等級的生態流量評價標準；在綜合補水情景（S₅）下，上游補水共3.27×10⁸ m³/a時，斷面流量（0.605 m³/s）可達到生態流量占比19.8%，恢復效果可以達到“一般”等級，說明可以維持一定的流動性和生態功能，并且在上游支流較多并且有斷流河道條件下，想要通過上游的生態補水措施恢復下游斷流河道更好的生態效果，需要引調更多的補水水量，調水水量需大于1.50×10⁸ m³/a。另由前文結果可知，針對缺水月份補水和通過單點位補水可以在相同水量條件下達到更好的補水效果，在邢臺斷面考慮選取河道上游補水點位分時段調水補水，對于恢復河道生態可取得更佳效果。

4 結論與建議

1）通過建立滏陽河上游的SWAT模型，并率定了SWAT模型參數，利用SWAT模型模擬了滏陽河流域2009—2016年月徑流變化。根據滏陽河上游出口流域水文站艾辛莊實測流量數據，驗證了流域徑流模擬結果在驗證期R²=0.80，NSE=0.72，模型模擬效果較符合實際。

2）基于節水措施和調水情況設置的5種不同生態補水情景中，由單一路徑補水的上游邯鄲斷面恢復徑流效果均優于多支流補水的下游邢臺斷面，并且集中目標月份調水補水方案的補水效果更佳。綜合補水情景（S₅）中，在最大節水量基礎上，邯鄲斷面通過上游補充水量1.00×10⁸m³/a可以達到恢復5—10月有水天數184 d，恢復徑流量3 486.7×10⁴ m³/a，恢復徑流最高峰時期在8月中旬；邢臺斷面通過上游補充水量1.50×10⁸ m³/a，可恢復年有水天數為304 d，恢復徑流量1 906.5×10⁴ m³/a，年內恢復徑流峰值時期在3月中旬和8月中旬。

3）根據SWAT模型模擬出的多年平均徑流量，基于Tennant法計算出滏陽河流域最小生態流量應為0.305 m³/s。結合5種恢復有水情景模擬結果可以得出，邯鄲斷面在上游補水量3.37×10⁸ m³/a時，斷面流量可達到1.110 m³/s，達到“好”等級的生態流量標準；邢臺斷面在上游補水3.27×10⁸ m³/a時，斷面流量可達0.605 m³/s，達到“一般”等級生態流量標準，為優化補水效果可考慮在斷流河道上游增加補水水量進行分時段單點位補水的生態補水方案。

4）由于河流徑流量變化影響因素復雜，影響生態補水過程的參數和條件眾多，對于實際選擇生態補水方案進行恢復河流生態的情況，有必要進行補水試驗和構建更詳細的流域水文模型。

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