SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計(jì)算及應(yīng)用

張雪剛,毛媛媛,董家瑞,李致家

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室,江蘇南京 210029)

SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計(jì)算及應(yīng)用

張雪剛1,毛媛媛2,董家瑞1,李致家1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室,江蘇南京 210029)

為了準(zhǔn)確模擬區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)變化,將地表水SWAT模型與地下水MODFLOW模型進(jìn)行耦合計(jì)算。根據(jù)SWAT分布式模型的特點(diǎn),以其水文響應(yīng)單元(HRU)和MODFLOW模型的有限差分網(wǎng)格(cell)作為基本交換單元,將SWAT模型計(jì)算的地下水補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量引入MODFLOW模型的地下水補(bǔ)給(RCH)模塊和潛水蒸發(fā)(EVT)模塊中,并將其應(yīng)用于徐州市張集地區(qū)的地下水模擬計(jì)算。結(jié)果表明,SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計(jì)算能準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)該地區(qū)的地下水水情及其地表水和地下水之間的相互作用。

地表水;地下水;SWAT模型;MODFLOW模型;模型耦合;徐州市

地表水和地下水之間存在密切的聯(lián)系和相互作用,地表水和地下水之間的相互作用規(guī)律一直是水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)地表水和地下水模擬的模型很多,如以模擬地表徑流為主的 TOPMODEL[1]、SWAT模型[2-3]、新安江模型等[4],以模擬飽和地下水流為主的MODFLOW[5]、FEFLOW[6]等,在不同區(qū)域的水資源管理和規(guī)劃中得到了廣泛應(yīng)用。在地表水和地下水的聯(lián)合模擬方面也有許多相關(guān)研究,開(kāi)發(fā)的模型有SWATMOD[7-8]、IGSM[9]、MODHMS[10]、MIKE-SHE[11]模型等。這些耦合與集成模型功能完善,但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)需要大量參數(shù)和數(shù)據(jù)支撐,模型建立和率定非常耗時(shí),在應(yīng)用上受到一定限制。因此根據(jù)實(shí)際情況,研究簡(jiǎn)單、實(shí)用的地表水與地下水模型耦合計(jì)算的方法,準(zhǔn)確、有效地模擬地表水與地下水系統(tǒng)之間的相互作用,對(duì)于水資源的準(zhǔn)確評(píng)價(jià),科學(xué)開(kāi)發(fā)利用、有效管理以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

張集地區(qū)位于江蘇省徐州市,區(qū)內(nèi)地下水資源豐富,建有日供水量10萬(wàn)t的地下水水源地,是向徐州市提供飲用水的水源地之一。由于地區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件特點(diǎn),地表水滲漏作用強(qiáng)烈,對(duì)地下水存在很強(qiáng)的補(bǔ)給作用。準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)地區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)保障徐州市供水至關(guān)重要,也是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源有效保護(hù)和可持續(xù)利用的關(guān)鍵。

在地下水模型的模擬計(jì)算中,地下水的補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量直接影響地下水動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果,但是通常很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確估算和賦值。筆者根據(jù)張集地區(qū)地下水模擬的要求,在地區(qū)SWAT模型模擬和MODFLOW模型建立的基礎(chǔ)上,根據(jù)SWAT分布式模型的特點(diǎn),通過(guò)SWAT模型水文響應(yīng)單元(HRU)與MODFLOW差分網(wǎng)格(cell)的對(duì)應(yīng),構(gòu)建SWAT-MODFLOW的交互界面。應(yīng)用ARCGIS軟件,將SWAT模型地下水補(bǔ)給量與潛水蒸發(fā)量的模擬計(jì)算結(jié)果及空間分布引入MODFLOW相應(yīng)的地下水補(bǔ)給子模塊RCH和潛水蒸發(fā)子模塊EVT中,實(shí)現(xiàn)模型的耦合計(jì)算。對(duì)張集地區(qū)地下水水位進(jìn)行模擬,并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 模型方法

1.1 SWAT模型

SWAT(soil and water assessment tool)模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究所(ARS)開(kāi)發(fā)的適用于大流域尺度的分布式非點(diǎn)源污染計(jì)算模型,用于模擬預(yù)測(cè)在具有多種土壤類(lèi)型、土地利用和管理?xiàng)l件的大尺度流域里,土地管理措施對(duì)水、沙和化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響。SWAT是基于物理過(guò)程的模擬模型,模型主要輸入要素包括氣象、水文、土壤特性、植被覆蓋、化學(xué)物質(zhì)和土地利用情況等。SWAT模型計(jì)算效率較高,可以模擬和研究長(zhǎng)期的變化過(guò)程。在國(guó)外水資源管理、水土流失等方面得到了成功應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用主要側(cè)重于水文模擬方面。

SW AT模型是具有很強(qiáng)物理機(jī)制的半分布式流域水文模型,在SW AT模型中,流域被劃分為多個(gè)子流域,在每個(gè)子流域內(nèi),根據(jù)不同的土地利用和土壤類(lèi)型,再將每個(gè)子流域劃分為1個(gè)或多個(gè)下墊面相對(duì)單一的水文響應(yīng)單元(HRU),作為模型的基本計(jì)算單元。每個(gè)HRU的計(jì)算結(jié)果在子流域范圍內(nèi)進(jìn)行累加,并演算到支流,最后通過(guò)河道匯流計(jì)算得到流域出口處的結(jié)果。筆者應(yīng)用AVSW AT 2000進(jìn)行計(jì)算。

1.2 MODFLOW

MODFLOW(the modular finite-difference groundwater flow model)是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開(kāi)發(fā)的、用來(lái)模擬地下水流動(dòng)和地下水中污染物遷移等特性的計(jì)算機(jī)程序,是基于達(dá)西定律和地下水質(zhì)量平衡的具有物理意義的三維地下水模擬模型,使用有限差分方法,采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。Visual MODFLOW[12]是由加拿大waterloo水文地質(zhì)公司在MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上,綜合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型軟件開(kāi)發(fā)的,可進(jìn)行三維水流模擬和溶質(zhì)運(yùn)移模擬。

Visual MODFLOW以其簡(jiǎn)單實(shí)用的求解方法、廣泛的適用范圍及強(qiáng)大的可視化功能等特點(diǎn),成為目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專(zhuān)業(yè)軟件系統(tǒng)。筆者應(yīng)用Visual MODFLOW4.0進(jìn)行地下水模擬計(jì)算。

1.3 SWAT-MODFLOW耦合方法

在SWAT模型中,水文響應(yīng)單元(HRU)是模型最基本的計(jì)算單元,反映了子流域內(nèi)土地利用和土壤覆蓋情況的綜合影響,是分布式模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。通過(guò)模擬,可以得到每個(gè)HRU內(nèi)的地表徑流、地下徑流、壤中流、蒸發(fā)、滲漏量、地下水的補(bǔ)給量等計(jì)算結(jié)果,將HRU計(jì)算結(jié)果在子流域和整個(gè)流域進(jìn)行累加,就得到計(jì)算模型要素在整個(gè)流域的空間分布。MODFLOW的基本計(jì)算單元是有限差分網(wǎng)格(cell)。根據(jù)SW AT中HRU和MODFLOW中有限差分網(wǎng)格的特點(diǎn),構(gòu)建HRU-cell的交互界面[13](圖1)。圖1中上半部分顯示了SW AT模型1個(gè)子流域中HRU的空間分布,下半部分顯示了MODFLOW中有限差分網(wǎng)格(cell)的劃分情況,網(wǎng)格中的數(shù)字分別對(duì)應(yīng)SW AT模型中HRU的編號(hào)。通過(guò)這種對(duì)應(yīng),可以將SW AT模型計(jì)算的模型要素的空間分布賦值給MODFLOW,從而實(shí)現(xiàn)SW AT與MODFLOW的耦合計(jì)算。

圖1 SWAT模型與 MODFLOW的 HRU-cell耦合示意圖

2 SWAT-MODFLOW耦合計(jì)算在張集地區(qū)的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

張集地區(qū)位于江蘇省徐州市東南,距徐州市中心25km,總面積360 km2。地區(qū)地下水儲(chǔ)量豐富。地區(qū)總體地形西北高、東南低,黃泛沖擊平原是區(qū)內(nèi)主要地貌形態(tài),在水源地北部及南部邊界地區(qū)有碳酸巖鹽組成的低山丘陵區(qū),山峰海拔高60～237m,其余地區(qū)為平原區(qū),高程28～38m。張集地區(qū)數(shù)字高程模型DEM及其地理位置見(jiàn)圖2。

圖2 張集地區(qū)DEM及其在徐州市的地理位置示意圖

張集地區(qū)的地下水主要有孔隙水含水層和巖溶水含水層兩種?？紫逗畬訌V泛分布在平原區(qū),組成以砂土、粉土、黏性土為主,厚度一般不足40m。水源地的巖溶含水層以震旦系和寒武系的碳酸鹽巖為主,巖性多變,厚度大、范圍廣,是水源地地下水的主要開(kāi)采層區(qū)。

2.2 SWAT模型率定及模擬計(jì)算

張集地區(qū)面積較小,且缺少實(shí)測(cè)地表水徑流站,因此選擇與張集地區(qū)相鄰的具有相似條件的欄桿集地區(qū),采用欄桿集水文站1980—1987年8年的月實(shí)測(cè)流量對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。

欄桿集地區(qū)位于張集水源地西部,流域面積600km2,與張集地區(qū)同屬淮河流域,地區(qū)內(nèi)的氣候條件、土地利用及土壤覆蓋情況與張集地區(qū)基本相同。模型率定的參數(shù)及地表徑流量的擬合情況見(jiàn)表1和圖3。

表1 SWAT模型率定的主要參數(shù)值

將率定的SWAT模型應(yīng)用于張集地區(qū)。根據(jù)地區(qū)土地利用和土壤類(lèi)型,共劃分12個(gè)子流域。由于張集區(qū)域面積較小,且土地利用以農(nóng)田為主,土地開(kāi)發(fā)利用方式及土壤覆蓋情況比較單一,因此HRU劃分采用優(yōu)勢(shì)土被占有法,每個(gè)子流域?qū)?yīng) 1個(gè)HRU,共分為12個(gè)HRU(圖3)。選用地區(qū)2005年的實(shí)測(cè)降雨和蒸發(fā)資料,進(jìn)行SWAT月模擬計(jì)算,得到區(qū)域內(nèi)每個(gè)HRU的地下水補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量值。

2.3 SWAT與MODFLOW的耦合計(jì)算

根據(jù)張集地區(qū)的水文地質(zhì)條件,建立區(qū)域的MODFLOW地下水模型。模型分為3層,第1層為非承壓的孔隙含水層,第2層和第3層為承壓巖溶含水層。模型網(wǎng)格劃分為每層46行×60列,每個(gè)單元格(cell)的大小為500m×500m。對(duì)每個(gè)含水層,設(shè)置其滲透系數(shù)、地下水貯水率、給水度等參數(shù)和模型的邊界條件[14]。應(yīng)用ARCGIS軟件,將SW AT 模型計(jì)算的地下水補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量結(jié)果引入MODFLOW模型邊界條件中的地下水補(bǔ)給子模塊RCH和潛水蒸發(fā)子模塊EVT中,進(jìn)行地下水模擬計(jì)算。

圖4為模擬得到的區(qū)域內(nèi)35口地下水觀測(cè)井2005年4月5日的實(shí)測(cè)地下水位與模型計(jì)算地下水位的散點(diǎn)圖,模擬結(jié)果的確定性系數(shù)為0.78,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2為0.81。圖5顯示了位于第7個(gè)HRU內(nèi)的孔隙含水層一觀測(cè)井實(shí)測(cè)與計(jì)算地下水水位過(guò)程線,計(jì)算得到的地下水水位隨地下水補(bǔ)給量的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)地下水位的變化基本吻合。

圖3 SWAT模型率定的欄桿集月徑流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比

圖4 張集地區(qū)2005年4月5日觀測(cè)井計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位散點(diǎn)擬合圖

3 結(jié) 論

本文將地表水SWAT模型與地下水MODFLOW模型進(jìn)行耦合并應(yīng)用于徐州張集地區(qū)的地下水水位模擬計(jì)算。根據(jù)張集地區(qū)地下水模擬的要求,在地區(qū)SWAT模型模擬和MODFLOW模型建立的基礎(chǔ)上,根據(jù)SWAT分布式模型的特點(diǎn),將其水文響應(yīng)單元(HRU)和MODFLOW的有限差分網(wǎng)格(cell)相對(duì)應(yīng),應(yīng)用ARCGIS軟件,將SWAT模型計(jì)算的具有空間分布特征的模型要素地下水補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量引入MODFLOW的地下水補(bǔ)給模塊(RCH)和蒸發(fā)模塊(EVT)中,實(shí)現(xiàn)模型的耦合計(jì)算。

圖5 張集地區(qū)孔隙含水層觀測(cè)井2005年地下水位過(guò)程線

對(duì)區(qū)域2005年地下水模擬計(jì)算結(jié)果表明,計(jì)算得到的區(qū)域地下水位與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。SWAT模型與MODFLOW的耦合計(jì)算對(duì)于更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)地下水水情,進(jìn)一步研究地表水與地下水之間的相互作用提供了科學(xué)方法,對(duì)于區(qū)域水資源的科學(xué)規(guī)劃和管理,實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用具有實(shí)際意義。

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A coupled model simulation and application of SWAT-MODFLOW

ZHANG Xue-gang1,MAO Yuan-yuan2,DONG Jia-rui1,LI Zhi-jia1
(1.College of Hydrology and WaterResources,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Jiangsu WaterResources Planning Office,Nanjing210029,China)

In order to simulate change in regional groundwater,the quasi-distributed watershed model,SWAT was coupled with the fully-distributed groundwater model MODFLOW,in simulation.The hydrologic response units(HRU)in the SWAT model,its basic elements,were exchanged with cells in the MODFLOW model.By using the HRU—cell conversion interface,the distributed groundwater recharge rate and the groundwater evapotranspiration calculated by SWAT were introduced into the RCH and EVT modules of MODFLOW.The application of groundwater simulation in the Zhangji area of Xuzhou demonstrated that the coupled SWAT-MODFLOW was capable of predicting the groundwater situation,and of being used for investigating the interaction between surface water and groundwater.

surface water;groundwater;SWAT model;MODFLOW model;model coupled;Xuzhou City

P339

A

1004-6933(2010)03-0049-04

河海大學(xué)理科基金項(xiàng)目

張雪剛(1971—),男,甘肅會(huì)寧人,講師,主要從事水文水資源方面的研究。E-mail:zhangxg@hhu.edu.cn

Nash Sutcliffe模型效率系數(shù)Ens和線性回歸系數(shù)R2評(píng)估模型的模擬效果。模型率定結(jié)果的確定性系數(shù)為0.85,相關(guān)系數(shù)為0.86。

2009-10-22 編輯:高渭文)