黄河流域内蒙古区间降雨径流模拟及水量平衡分析

　　黄河是流经内蒙古的最大河流，是黄河流域重要的农业基地，由宁夏回族自治区石咀山市入境，经拉僧庙、磴口、包头、托克托至准格尔旗的榆林湾出境，在内蒙古境内河流呈"几"字型。干流总长 830km，区内流域面积 1． 51 ×105km2，最宽处 4000m，最窄处仅 200m。面积为 15． 1 万 km2( 包括黄河内流区) ，约占黄河流域总面积的 19． 3%，拔海高度约在 741m － 2414m 之间。内蒙古黄河流域跨越内蒙古西部 7 个盟市、39 个旗县区，西以狼山、贺兰山与西北盆地区分界，北接乌兰察布高原，南部沿鄂尔多斯高原南缘向西至腾格里沙漠东南缘，东部及东南部大体沿长城 － 神木 － 榆林为界。中国第三大灌区，即河套灌区直接从黄河内蒙古干流上引水，目前灌溉面积 56 万 hm2，该地区降水少、蒸发大，加上灌溉引水河道渗漏损失等因素，近年来，黄河水资源供需矛盾十分尖锐。

　　文中以黄河流域内蒙古区间为研究区，通过应用分布式水文模型 SWAT( Soil and Water AssessmentTool) 构建和模拟研究区的降雨径流来分析其降雨、径流及水量平衡的关系，为该流域用水问题提供参考。

　　1 流域气候特征

　　选取黄河流域内蒙古区间内 23 个气象站为代表站进行降雨径流模拟，站点分布( 图 1) 。统计该 23个气象站近 32 年( 1981 ～2012 年) 的监测数据得到，黄河流域内蒙古区间年平均降水量为 267mm，较全区偏少 11． 8mm，大致呈现西少东多分布，且量值差别较大，最小值出现在位于该流域最西部的吉兰太( 53502) 站，年平均降水量仅 100． 5mm，最大值出现在位于流域东南部的清水河( 53562) 站，年平均降水量为 417． 3mm; 且降水的时间分布不均匀，表现为夏季降水量占全年降水量的一半以上，冬季降水量不到年降水量的 10%; 降水量的年际变化大为该流域降水的又一明显特征，例如伊克乌素( 53522) 降水最多的年份是最少年份降水量的 7 倍之多。流域年平均气温为 7． 2℃，较全区偏高 2． 2℃，气温的东西向梯度明显大于南北向梯度，大致呈西高东低分布，最低值出现在流域东北部的卓资( 53472) 站，为 3． 4℃，最高值出现在流域西部的乌海( 53502) 站，为 10． 1℃; 且流域内年平均最高气温与年平均最低气温之间的温差较为悬殊，大约为 13℃。流域年平均相对湿度为 50%，而全区为 44%，较全区略高，呈现西低东高分布，最小相对湿度出现在吉兰太站，为 39． 3%，最大相对湿度出现在卓资站，为 58． 5%。黄河流域内蒙古区间由于光照充足，太阳辐射较强，使得流域内蒸发量较大，与降水量分布趋势相反，降水大的地区蒸发量小，降水小的地区蒸发量大，因此流域上游的蒸发量要大于下游，且上游的蒸发量远远大于降水量，流域最西部的吉兰太( 53502) 站年平均蒸发量达到年平均降水量 28 倍之多。时间分布的不均匀性也是该流域蒸发的重要特征，冬季( 11 ～2 月) 寒冷、气温低，蒸发小，4 个月蒸发量仅占年蒸发量的 5 ～10%，春秋两季( 3～ 5 月、9 ～ 10 月) 风大，气候干燥、蒸发较大，5 个月蒸发量占年蒸发量的 50% 左右; 夏季( 6 ～ 8 月) 气温高、蒸发量大，3个月蒸发量占年蒸发量的 40% ～ 50%，全区最大月蒸发值出现在 5、6 月份，这是由于内蒙古春夏之交风大、气温高、干燥等多种因素造成。

　　黄河流域内蒙古区间多年( 1956 ～2000 年) 平均径流量为 2． 11 × 109m3，径流深 14． 0mm，而全区多年平均径流量 4．07 × 1010m3，径流深 35． 1mm，较全区偏少。
　　
　　2 数据来源及降雨径流模型构建
　　
　　2． 1 数据来源

　　收集了构建 SWAT 降雨径流模型所需的黄河流域内蒙古区间地形、土壤、土地利用、气象、水文等基本数据。其中，数字高程模型为 1:5000 基础地理数据，土壤数据为全国第二次土壤普查 1:100000 土壤数据集，土地利用数据来自 2000 年基于 Landsat MSS、TM 和 ETM 遥感图像建立的中国 1:10000 土地利用影像和矢量数据库。所用的气象数据为黄河流域内蒙古区间内 23 个代表气象站近 30 年的日降水量、水汽压、气温、风速、相对湿度、太阳辐射、最大半小时降水等实测气象数据，选取黄河上游石嘴山、中游万家寨水文站为研究区的入、出站，并收集了 2001 ～2011 年石嘴山、万家寨水文站的实测日径流资料以及黄河流域内蒙古区间的月耗水量和水资源使用情况。利用收集到的 1:100000 土壤数据集，建立了模型计算所需的土壤物理属性表，主要包括土壤分层数、各层厚度、土壤颗粒组成、土壤水文分组、饱和水力传导系数等，其决定着土壤剖面中水和气的运动状况，并对各个水文响应单元中的水循环起着重要作用，土地利用类型分类依据中国 2000 年 1:10 万土地利用数据、一个分层的土地覆盖分类系统和 6 个一级类( 耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿、居民用地和未利用土地) ，按照对照表 1 进行分类，将研究区内土地利用类型分为混合林地、草场、水域、居民用地、低密度居民用地、工业用地、裸地、混和湿地、耕地等九种。

　　2． 2 降雨径流模型构建

　　SWAT( soil and water assessment tool) 模型是 20 世纪 90 年代美国农业部农业研究中心( USDA － ARS)开发的流域尺度、时间连续、基于过程的半分布式机理模型。在模拟非点源污染、水文对环境变化的响应以及洪水短期预报等方面得到了国际上大量的应用。其模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分( 即产流和坡面汇流部分) 和水循环的水面部分( 即河道汇流部分) 。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量，后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。它可以在水文响应单元的空间尺度上模拟地表径流、入渗、侧流、地下水流、回流、融雪径流、土壤温度、土壤湿度、蒸散发等多种过程以及各种农业管理措施( 耕作、灌溉、施肥、收割、用水调度等) 对这些过程的影响。整个水分循环系统遵循水量平衡规律。文中基于 ArcSWAT 2． 1． 5( ArcSWAT 扩展模块是 SWAT 模型在 Arc-GIS 平台上的图形用户界面) 版本建立了该流域区的降雨径流模拟系统。

　　利用前面所述的收集、整理建模数据，按照 ArcSWAT2． 1． 5 统一的标准接口将土地利用类型、土壤类型及属性、气象观测站气候特征和水文控制站入、出水流量等数据集加工、处理，并导入于 SWAT 模型数据库中。

　　定义流域入水口为石嘴山水文站，出水口为万家寨水文站，通过运行模式"流域界定"模块，设定集水域的阈值，实现集水区、河网的人机交互划分，生成该区域的 127 个子流域( 图 1) 。通过设定土地利用、土壤、坡度在子流域内所占面积百分比的阈值，采用优势地面覆被/优势土壤类型方法，将该流域划分为 694 个水文响应单元( HRU) 。再根据模型的接口，建立并加载该区域的气候特征因子、代表站的水文、气象要素等数据库表，并提取模型所需信息和参数，从而建立该流域的径流模型。

　　3 结果与分析

　　3． 1 模拟及率定

　　以 2001 ～2007 年作为模型校准期，2008 ～2011 年作为模型验证期，进行了系统的年尺度敏感性分析和参数率定，率定前 R2= 0． 93255，率定后 R2= 0． 964202。基于 2001 ～ 2011 年石嘴山和万家寨水文站的年/月/日流量数据和黄河流域内蒙古区间的年/月耗水量数据，对 2001 ～2011 年逐年径流量进行了模拟，模拟值与实况的对比( 图 2) 。从图上可以看出，在整个模拟期，流量大致呈增长趋势，2005 ～2006 年模拟值较实况偏低，2000 ～2001 年、2009 ～2010 年与实况吻合的较好，其余年份模拟值均较实况偏高。在年尺度敏感性分析基础上，进行了系统的月尺度敏感性分析和参数率定，参数校准值( 表 2) 。图 3 为 2001 ～ 2010 年逐月径流模拟值与实况比较，校准前 R2= 0． 591025，校准后R2= 0． 623639。从图上可以看出，12 ～ 2 月模拟值较实况偏大，与黄河内蒙古段封河期相对应，而 3 月份前后实况值突然增大，模拟值较实况值偏小，与黄河内蒙古段开河期对应，说明该模型在模拟流域封冻、凌汛方面，存在一定的不足，有待于进一步深入研究; 此外，3 月份前后模拟值小于实况值的另一原因可能是近年来气候开始逐渐转暖，冬季温度较高，造成河流结冰层融化，从而导致了实况径流值大于模拟径流值，在 9 ～10 月模拟值较实况偏高，造成此现象的主要原因除了模型的系统误差之外，主要是由于模拟过程中未能完全考虑流域内的农用灌溉、池塘蓄水等人为因素，所以导致了模拟值要大于实况。


　　
　　3． 2 水量平衡分析

　　从年代变化和丰枯段统计分析看，黄河流域上游年降雨径流关系存在不同步性，中游则存在同步性，而且降水量、径流量及径流系数距平值( 指与 1950 ～1999 年均值相比) 有很大的差异。流域的水循环过程对水量水质状况产生重要影响，对于生态环境的可持续发展有着重要作用。而区域水量平衡各分量特别是支出项的观测比较困难，探求区域内各水量的分配，需借助模型模拟的研究手段。对 SWAT 模型所划分出来的 127 个子流域均存在如下水量平衡关系:ΔS = P + melt － ET － PET － SW － perc － Gwq－ WYLD － Lat式中: ΔS 为流域的水量变化; P 为降水量; melt 为融雪量; ET 为实际蒸发量; PET 为潜在蒸发量; SW为土壤含水量; perc 为入渗量; WYLD 为地表径流量; Lat 为侧向流量。

　　根据 2001 ～2010 年模型模拟结果，对流域进行了水量平衡分析( 图 4) 。通过分析得出:

　　( 1) 除去基流外，黄河流域内蒙古区间的主要来水项有降水、融雪、灌溉，去水项主要包括耗水量、蒸腾蒸发、下渗量、地表径流、侧向流等，由于在黄河流域周边存在大量农田以及工矿企业等，所以耗水量是主要去水项，在径流量的模拟计算中，将耗水量与实际流量之和作为出水口流量，所以在水量平衡分析中，对耗水量不加以讨论。( 2) 蒸发项( 潜在蒸发 + 实际蒸发) 是另一主要去水项，年平均蒸发量是年平均降水量的 14 倍之多，去水项的值要远远大于来水项，所以黄河流域内蒙古区间大量的蒸发主要是靠基流、灌溉以及池塘、湖泊、湿地等的蒸发来补给。

　　( 3) 土壤含水量、入渗量、侧向流量、地表径流量等去水项之和占总去水项的 5． 33%，该流域地处内蒙古高原，水资源短缺，降水少并且蒸散发量较大，降水难以形成除蒸发以外的其余去水项。
　　
　　4 讨论

　　文中通过构建区域降雨径流模型来分析该区域的降雨、径流变化及水量平衡，根据 2001 ～2010 年模型的模拟结果分析，构建的模型在系统性的率定后，年尺度径流模拟与实况有较好的吻合，月尺度径流模拟与实况的 R2虽然仅为 0． 623639，但是模拟值与实况的偏差具有明显的规律性，与黄河封冻和凌汛密不可分，有待于进一步深入研究，此外，3 月份前后模拟值小于实况值的另一原因可能是近年来气候开始逐渐转暖，冬季温度较高，造成河流结冰层融化，从而导致了实况径流值大于模拟径流值，在 9 ～10 月模拟值较实况偏高，造成此现象的主要原因除了模型的系统误差之外，主要是由于模拟过程中未能完全考虑流域内的农用灌溉、池塘蓄水等人为因素，所以导致了模拟值要大于实况，但在整个模拟过程中模拟值整体上要大于实况值; 从水量平衡分析的结果上看，蒸发是该流域主要去水项，且远远大于来水项，基本符合当地干旱气候下径流的特征。实际上，影响该区域径流量的因素较复杂，尤其是人类活动，如水利工程、水库的蓄水放水、冰雪融化、上游的径流量等，不同因素对该区域径流的影响程度及获取相关信息进行进一步的研究、模拟乃是值得我们去探究的。

　　5 结论
　　
　　( 1) 黄河流域内蒙古区间农用灌溉、池塘蓄水等人为因素对径流量的影响要大于气候变化对其的影响。

　　( 2) 在干旱的气候条件下，降水少，蒸散发量较大，从年尺度上看，通过降雨形成的径流量是非常有限的。

　　参考文献
　　［1］卢秀娟，张耀存． 黄河流域代表水文站径流和降水量变化的初步分析［J］． 气象科学，2003，23( 2) : 192 －198．
　　［2］内蒙古土壤普查办公室，内蒙古土壤肥料工作站． 内蒙古土壤［M］． 北京: 科学出版社，1994．
　　［3］内蒙古土壤普查办公室，内蒙古土壤肥料工作站． 内蒙古土壤资源数据册［M］． 呼和浩特: 内蒙古人民出版社，1994．