SWAT模型下河網(wǎng)水文過程分布式模擬研究

劉 倩

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

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SWAT模型下河網(wǎng)水文過程分布式模擬研究

劉 倩

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

文章選擇遼河流域作為重點研究區(qū)，采用SWAT模型，制定一套針對平原河網(wǎng)區(qū)水文過程進(jìn)行分布式模擬的完整建模方案。該方案采用概化方式，將環(huán)狀及交叉河網(wǎng)處理成單一的枝狀河網(wǎng)，以此結(jié)合河道分流比例跨子流域調(diào)水的方式，對該研究區(qū)原始河道的傳輸過程進(jìn)行分析。文章最終通過對該研究區(qū)2013—2015年的月均徑流量進(jìn)行分析驗證，結(jié)合數(shù)據(jù)觀測值及模擬值分別對3個不同水文站的水文過程進(jìn)行研究計算。分析結(jié)果表明，SWAT模型在遼寧省平原河網(wǎng)區(qū)水文過程分布式模擬中具有較高的適用性。

SWAT模型；平原河網(wǎng)；水文過程；較高的適用性

分布式水文模型能夠?qū)^(qū)域水文要素空間變化過程及流域水資源管理和配置以及水文預(yù)報、非點源污染等進(jìn)行計算分析。由于平原河網(wǎng)地區(qū)地形平坦及湖庫密集交織，導(dǎo)致這一地區(qū)空間水文環(huán)境呈嵌套特征，一般難以對地下水環(huán)境空間離散單元模塊進(jìn)行劃分以及對水系變化特征進(jìn)行科學(xué)提取?；诖耍恼聦⒉捎肧WAT模型，對遼寧省平原區(qū)河網(wǎng)水文過程進(jìn)行分布式模擬，著重通過對平原區(qū)河網(wǎng)水文結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行科學(xué)解析，以此采用分布式建模技術(shù)方法，對該研究區(qū)非點源污染控制提供技術(shù)和理論支持。

1 研究區(qū)資料背景分析及數(shù)據(jù)選取

該研究區(qū)流域?qū)嶋H占地面積為7359km2，中部地區(qū)與東部地區(qū)均為河網(wǎng)平原區(qū)，總占地面積占全區(qū)實際面積的比例為72%，其中泵以及閘和涵等相關(guān)構(gòu)筑物廣泛分布于該研究區(qū)復(fù)雜的河網(wǎng)中，因此這一區(qū)域水文結(jié)構(gòu)特征較為明顯。具體區(qū)域分布情況如圖1所示：

圖1 研究區(qū)河網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)及分布情況示意圖

結(jié)合上述區(qū)域特征，在相關(guān)數(shù)據(jù)選取時，主要選取當(dāng)?shù)貧庀笠约暗匦渭巴寥篮屯恋乩妙愋?、水文等指?biāo)作為數(shù)據(jù)分布描述的對象[1]。相關(guān)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源如下表1所示：

2 研究過程中SWAT模型構(gòu)建分析

結(jié)合上述數(shù)據(jù)指標(biāo)，為了在分析過程中，綜合該研究區(qū)水文過程空間差異性及流域內(nèi)地理特征因子差異，基于SWAT模型科學(xué)構(gòu)建HRUs空間離散分布體系，采用柵格DEM對該研究區(qū)各流域內(nèi)河網(wǎng)子流域進(jìn)行科學(xué)切割，以此對枝狀河網(wǎng)結(jié)構(gòu)流域內(nèi)的環(huán)狀交叉水系水文過程進(jìn)行合理模擬分析。具體而言，需按照以下步驟對該研究區(qū)平原河網(wǎng)區(qū)空間離散度進(jìn)行計算評估，SWAT模型構(gòu)建流程圖見圖2。

圖2 SWAT模型構(gòu)建流程

數(shù)據(jù)主要類型數(shù)據(jù)詳細(xì)描述主要數(shù)據(jù)指標(biāo)來源DEM數(shù)字高程模型遼寧某區(qū)2012-2015年逐日降水、氣溫、相對濕度、風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)遼寧省地理信息中心氣象觀測數(shù)據(jù)遼寧某區(qū)遙感影像監(jiān)測數(shù)據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)土地利用數(shù)據(jù)遼寧某區(qū)土地利用圖中國科學(xué)院地理研究所土壤物理屬性數(shù)據(jù)遼寧某區(qū)1:20萬土壤類型分布圖數(shù)據(jù)2015年遼寧省35個剖面土壤樣本分析數(shù)據(jù)水利工程及水文觀測數(shù)據(jù)遼寧某區(qū)2013-2015年逐日流量觀測數(shù)據(jù)遼寧省各區(qū)域地方水利局及水文站水文觀測資料流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水管理數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)居民、工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐用水?dāng)?shù)據(jù)2013-2015年遼寧省各區(qū)域水利年報及野外實際調(diào)查分析數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)原始交叉河網(wǎng)模塊化分析

對于分布式河網(wǎng)的建模處理，需要構(gòu)建空間集水單元以及其與相關(guān)湖泊及河網(wǎng)以及水庫等不同要素之間的空間聯(lián)系?；赟WAT模型，從該研究區(qū)數(shù)字高程模型DEM中提取了河網(wǎng)數(shù)據(jù)以及子流域數(shù)據(jù)等，以此結(jié)合該研究區(qū)自然地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征分析，從而對實際河網(wǎng)進(jìn)行分級處理，將選取的主干道河網(wǎng)進(jìn)行概化處理，其主要目的是能夠使原本復(fù)雜交錯的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，科學(xué)劃分為簡單的枝狀型結(jié)構(gòu)，從而為該地區(qū)河網(wǎng)水文過程分布式模擬奠定基礎(chǔ)[2]?；赟WAT模型的河網(wǎng)提取和空間集水單元劃分示意圖見圖3。

2.2 DEM河網(wǎng)修正處理及水系提取

在模型分析過程中，為了保證真實河網(wǎng)與DEM提取的河網(wǎng)保持一致，采用Burn in方法(河網(wǎng)疊加修正法)，對柵格DEM進(jìn)行局部修正處理，以此提高數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性和完整性。

2.3 基于SWAT模型的研究區(qū)河網(wǎng)湖泊空間離散度分析

本研究區(qū)平原處河網(wǎng)湖泊較多，因此地形結(jié)構(gòu)圖示呈閉合狀態(tài)。在河網(wǎng)水文過程分布式分析模擬時，采用空間疊加方式，對區(qū)域空間的離散情況進(jìn)行合理描述，以此將整個研究區(qū)劃分為若干個不同的獨立離散單元，然后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域集水特征，對整個流域內(nèi)的子流域進(jìn)行合理劃分析[3]。

圖3 原始河網(wǎng)以及處理后的河網(wǎng)輪廓

2.4 基于SWAT模型的空間分布疊加，自動生成區(qū)域水文響應(yīng)單元

在子流域內(nèi)通過土地利用圖以及數(shù)字土壤圖進(jìn)行空間統(tǒng)計疊加，最終形成單一土地類型組合的水文相響應(yīng)單元，將其作為SWAT模型下河網(wǎng)水文過程分布式模擬中的基本運行單元。研究過程中，該研究區(qū)一共劃分為187個不同的子流域以及700個不同的水文響應(yīng)單元。為了在地形圖中進(jìn)行合理區(qū)分，分別通過不同的灰度表示區(qū)域相鄰子流域[4]。

3 基于SWAT模型的河網(wǎng)水文過程分布式模擬

按照上述方法，對原始河道的河網(wǎng)進(jìn)行處理之后，原始徑流分配方式會發(fā)生明顯的變化，此時基于SWAT模型的河網(wǎng)水文過程分布模擬結(jié)果也會受到影響。因此，在實際模擬過程中，文章為了能夠在原始河網(wǎng)被打亂后，依然可以正確表達(dá)徑流在原始河網(wǎng)中的流量分配，文章采用SWAT模型中的調(diào)水模塊，對該研究區(qū)河網(wǎng)的調(diào)水過程進(jìn)行模擬[5]。按照觀測數(shù)據(jù)對調(diào)水比例進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，以此實現(xiàn)對該研究區(qū)河網(wǎng)水文過程進(jìn)行分布式模擬。該模型模擬方法有效還原了原始河網(wǎng)的實際水量變化過程。在對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定分析時，文章選取了該研究區(qū)河網(wǎng)上、中、下游3個不同區(qū)域的流量觀測數(shù)據(jù)，對SWAT模型參數(shù)模擬結(jié)果進(jìn)行驗證和率定，率定和驗證參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 基于SWAT模型的河網(wǎng)水文過程分布式模擬參數(shù)率定和驗證

基于SWAT模型，對該研究區(qū)2013-2015年河網(wǎng)月徑流過程進(jìn)行了分布式模擬。在此模擬過程中，該模型的模擬參數(shù)值與實際觀測值之間的相關(guān)程度分別通過納什效率系數(shù)Ens和r來反映。從該研究區(qū)河網(wǎng)徑流過程研究結(jié)果來看，區(qū)域降水時間與月平均流量之間基本呈正相關(guān)關(guān)系，1月達(dá)到一年中的低谷值，而在7月達(dá)到一年中的峰值[6]。從3個不同站點的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，實際觀測值與模型分布式模擬值之間的變化過程基本吻合。在對河網(wǎng)水文過程進(jìn)行分布式模擬中，3個不同監(jiān)測站點在校正期和驗證期間所得到的nash-sutcliffe efficiency coefficient系數(shù)(納什效率系數(shù)Ens)和相關(guān)系數(shù)r見表3。

表3 基于SWAT模型的河網(wǎng)水文過程分布式模擬參數(shù)相關(guān)性

從上述模擬結(jié)果可以看出，該研究區(qū)河網(wǎng)總體水文狀況呈現(xiàn)出多因素變化特征。但是，通過對連續(xù)3a的不同觀測值進(jìn)行分析可以看出，該研究區(qū)河道水位以及實際經(jīng)徑流量并無顯著的周期性波動[7]。但是，個別河網(wǎng)由于人為控閘，河道流量變化較大，以上述數(shù)據(jù)表為例，數(shù)據(jù)監(jiān)測站點1、監(jiān)測站點2以及監(jiān)測站點3中的監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性變化幅度較小，而3個不同站點的那什效率系數(shù)Ens的數(shù)據(jù)相關(guān)性變化差異較大。究其原因，主要由于該研究區(qū)河網(wǎng)除了受降雨因素影響之外，在汛期以及枯水期，河道流量會受到氣候因素影響。在汛期，河道中的水位會不斷上升，此時河道中的徑流猛增；而在枯水期，由于人為蓄水調(diào)節(jié)，導(dǎo)致該研究區(qū)河道中的徑流變化幅度較大；另一方面，由于該研究區(qū)河網(wǎng)處農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，因此灌溉蓄水量較大，導(dǎo)致河網(wǎng)水文過程變化差異非常顯著[8]。

4 結(jié) 語

綜上所述，針對平原河網(wǎng)的氣象以及地質(zhì)和水文特征進(jìn)行了分析，通過采用概化方式，對河網(wǎng)進(jìn)行了模塊化處理。在研究過程中，對該研究區(qū)局部河網(wǎng)的流量等相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正模擬。通過河道提取及數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，最終實現(xiàn)了該研究區(qū)平原河網(wǎng)的空間離散化。另外，在實際模擬過程中，基于SWAT模型，對河網(wǎng)子流域進(jìn)行分析，通過對模擬水量以及實際觀測水量參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，分別對該研究區(qū)2013年1月-2015年12月的河網(wǎng)月徑流過程進(jìn)行分布式水文過程模擬。通過對3個不同站點的相關(guān)系數(shù)r和納什效率系數(shù)Ens進(jìn)行相關(guān)性率定和驗證，最終得到3個不同數(shù)據(jù)監(jiān)測站點的相關(guān)性系數(shù)分別為0.95、0.94、0.89以及0.87、0.77和0.69。因此，結(jié)合數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，可對該研究區(qū)實際經(jīng)徑流量周期性波動變化過程進(jìn)行預(yù)測，以便結(jié)合汛期與枯水期河網(wǎng)實際徑流量科學(xué)安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但需要指出的是，文章所采用的模型模擬方法只適用于平原河網(wǎng)區(qū)的分布式水文建模參數(shù)模擬。因此，在模型分析時，首先需要對研究區(qū)實際河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及水文特征等相關(guān)情況進(jìn)行全面了解，以便在后續(xù)計算研究過程中，能夠采用率定算法對河網(wǎng)水文過程進(jìn)行科學(xué)模擬。

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Distributed Simulation Research of River Net Hydrological Process with SWAT Mode

LIU Qian

(Liaoning Provincial Jinzhou Hydrological Bureau，Jinzhou 121000，China)

This paper selected the Liaohe river basin as the key area to study and adopted the SWAT model to formulate a complete modeling scheme for distributed simulation on the hydrological process of river net area in the plain.This scheme adopts the generalization method to shape the circle and crossing river net into single branch-style river net，so as to analyze the transmission process of original river course in the studied area based on the water transfer across the river in the distributary ratio of river course.Finally，combination with the observed values and simulated values of data，this paper researched and calculated respectively hydrological process of three different hydrological stations by analyzing the monthly runoff volume about the studied area from 2013 to 2015.The analyzed results show that SWAT model is suitable for simulating the distributed model of hydrological process in river net area of the plain in Liaoning Province.

SWAT model; river net of plain; hydrological process;high suitability

1007-7596(2017)02-0013-04

2017-02-12

劉倩(1985-)，女，遼寧錦州人，水利工程師，研究方向為水文、水資源、水情預(yù)報分析等。

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