基于SWAT的貴州大井流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究

黨志文 宮志強(qiáng) 郭潔雨 楊昊坤 王天增

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張家口 075000；2.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，石家莊 052460)

0 引 言

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是Jeff Amonld博士在上世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)，主要應(yīng)用于美國(guó)的農(nóng)業(yè)研究上，后來(lái)廣泛應(yīng)用到降水、蒸散發(fā)、土壤水、地下水和河道匯流中，在水利工程、地表水等相關(guān)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景.該模型是在GIS基礎(chǔ)上，以日作為模擬期分布式流域水文模型，使用地理信息系統(tǒng)和遙感中的空間信息模塊來(lái)模擬水文過(guò)程[1-2].

本文引入SWAT地表水模型，對(duì)工作區(qū)進(jìn)行適用性分析，進(jìn)而定量的研究地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系.

1 研究區(qū)概況

大井流域位于貴州高原南部斜坡地帶，屬惠水縣、平塘縣、羅甸縣管轄.流域沿著地下河發(fā)育，地形狹長(zhǎng)，范圍大小約為82.23km2.研究區(qū)地勢(shì)起伏強(qiáng)烈，表現(xiàn)為北高南低，相對(duì)高差250m～600m,自地下河航龍入口處至大井村大井出口大部分為暗流河段，總長(zhǎng)度約為15Km，少部分地區(qū)為明流河段，變現(xiàn)為巖溶洼地和落水洞[2].另外，自中游至下游發(fā)育南北向的董當(dāng)張性斷裂.研究區(qū)的水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1.

圖1 大井流域水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

研究區(qū)的地下河有兩條，都是延構(gòu)造發(fā)育(圖2).左側(cè)地下河南北向發(fā)育，主要沿著南北向的董當(dāng)張性斷裂發(fā)育，長(zhǎng)度約為15km，寬度約為1～10m；右側(cè)地下河沿著北東-南西走向的節(jié)理發(fā)育，長(zhǎng)度約為6.5Km，寬度約1～5m，2條地下河水利聯(lián)系密切.另外，左側(cè)地下河與小井流域的地下河有一定的水利聯(lián)系.貴州省地質(zhì)調(diào)查院在2003年開(kāi)展了大小井地下河系統(tǒng)失蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖2，示蹤試驗(yàn)選用鉬酸銨和食鹽溶劑作為示蹤劑，在444號(hào)入口處投放鉬酸銨，在521伏流人口處投放食鹽溶劑(NaCI)，取樣進(jìn)行水樣檢測(cè).結(jié)果在582號(hào)出口和508號(hào)出口檢測(cè)到鉬離子；在583出口檢測(cè)出氯離子(Cl-)，但是在582出口未檢測(cè)到氯離子(Cl-)濃度發(fā)生變化.示蹤結(jié)果說(shuō)明航龍至馬鞍寨區(qū)間，大小井地下河水力聯(lián)系密切，而在馬鞍寨之后兩條地下河幾乎沒(méi)有水力聯(lián)系，相互獨(dú)立.

圖2 大小井地下河間的水力聯(lián)系 圖3 模型范圍

2 SWAT地表水模型

在充分了解大井流域水文地質(zhì)條件及大小井之間水力聯(lián)系的基礎(chǔ)上，對(duì)獲取的水文地質(zhì)資料展開(kāi)科學(xué)處理.SWAT地表水的模型主要分為兩部分：第一部分建立大小井流域的模型，模擬大井出入口的流量；第二部分將第一部分模擬的結(jié)果作為已知，模擬大井流域內(nèi)部的水文現(xiàn)象.

2.1 模型范圍

大小井流域是大井流域上一層的三級(jí)子流域，東側(cè)以石炭系大塘組一段(C1d1)碎屑巖形成的侵蝕低中山所構(gòu)成的擺朗河與曹渡河之間的地表分水嶺為界；西側(cè)邊界則較為復(fù)雜，上游的洗馬塘——大華段為地下分水嶺，大華至大保寨段為擺朗河與漣江的地表分水嶺；流域下游的扳傲至令當(dāng)段邊界為邊陽(yáng)壓扭性斷裂；北側(cè)邊界為長(zhǎng)江與珠江兩大水系的分水嶺；南側(cè)為大小井地下河排泄帶.如圖3，流域面積1732.35Km2.

大井流域是一個(gè)獨(dú)立的四級(jí)子流域，邊界相對(duì)清晰.研究區(qū)的西部是大井流域與小井流域的分水嶺，區(qū)域的東部邊界多為山區(qū)，海拔較高，易形成分水嶺；東北部沿著航龍、舊宅、塘邊一帶為二疊系吳家坪組，巖性為滲透性很差的泥巖和頁(yè)巖，形成比較天然的隔水邊界；北部航龍附近是伏流入口，是研究區(qū)主要的點(diǎn)狀流入邊界；西北部有一段季節(jié)性的地表河流，處理為流出邊界.南部為大井出口，是整個(gè)流域的集中排泄邊界.東南部邊界為行政邊界，同時(shí)海拔較高，可看作地下水的分水嶺.整個(gè)模擬區(qū)面積與大井流域保持一致，面積為82.23km2.

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)及模型構(gòu)建

(1)土壤數(shù)據(jù).

利用HWSD數(shù)據(jù)庫(kù)和利用SPAW軟件的SWC模塊計(jì)算來(lái)構(gòu)建模型的土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，最終按照usersoil的標(biāo)準(zhǔn)格式整理導(dǎo)并入到SWAT2012.mdb.得到的成果見(jiàn)如表1、2和3所示.

表1 流域土壤屬性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 流域第一層土壤屬性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 流域第二層土壤屬性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

(2)氣象數(shù)據(jù).

模型共需要溫度、降雨、輻射、濕度和風(fēng)速五類(lèi)數(shù)據(jù)，降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間會(huì)對(duì)研究區(qū)地表水匯入到地下河的過(guò)程產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響研究區(qū)的水均衡；另外四類(lèi)數(shù)據(jù)主要通過(guò)蒸發(fā)影響水文過(guò)程.

這五類(lèi)數(shù)據(jù)采用國(guó)家氣象站檢測(cè)處理后的大氣同化驅(qū)動(dòng)集CMADS，包含2010年-2014年日溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，同時(shí)還包括日均氣壓、濕度、太陽(yáng)輻射和濕度等.

(3)流域分布數(shù)據(jù).

大井流域內(nèi)部地勢(shì)復(fù)雜，為了更準(zhǔn)確的模擬其水文現(xiàn)象，需根據(jù)地層巖性、地形地貌和水系分布等進(jìn)一步劃分局部的匯水系統(tǒng)，即子流域.子流域的劃分基于SWAT模型中的GIS功能，同時(shí)考慮大井流域落水洞等特點(diǎn)，將落水洞所在處設(shè)置為子流域出口，可方便得出落水洞匯水面積和徑流數(shù)據(jù)導(dǎo)入大井流域水系矢量文件，再添加水文基站信息，選取大井流域的出入口作為模型的出入口總閥門(mén)，進(jìn)行子流域劃分.

最終，將大井流域劃分為8個(gè)子流域，如圖4所示.落水洞分別對(duì)應(yīng)在子流域1、2、4、7出口，巖溶洼地對(duì)應(yīng)子流域3、5、6、8出口，不能通過(guò)Inlet添加航龍入口伏流量，但在天然狀態(tài)下(僅降雨補(bǔ)給)的大井SWAT模型中，降雨補(bǔ)給可滿(mǎn)足研究區(qū)的各項(xiàng)損失，最后將伏流量添加到相應(yīng)子流域即可.通過(guò)Pre-defined操作導(dǎo)入SWAT，生成子大井流域各個(gè)子流域，各子流域的面積見(jiàn)表4.

圖4 子流域分布圖

表4 子流域面積分布

(4)水文相應(yīng)單元(HRU)的劃分.

HRU是SWAT模型的最基本模擬單元，每個(gè)HRU是土壤類(lèi)型、土地利用和坡度三個(gè)要素的非線(xiàn)性組合，HRU的數(shù)量會(huì)影響模型的計(jì)算復(fù)雜程度.對(duì)于大井研究區(qū)，在8個(gè)子流域的基礎(chǔ)上，加載土地利用數(shù)據(jù)和土壤類(lèi)型分布圖，設(shè)置流域坡度分級(jí)，并依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置土地利用類(lèi)型面積閾值為20%、土壤類(lèi)型面積閾值為10%、坡度閾值為20%，最終劃分HRU的數(shù)目為46.

2.3 模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

需要導(dǎo)入SWAT模型的數(shù)據(jù)主要包括水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、流域參數(shù)和氣象數(shù)據(jù).其中水文地質(zhì)數(shù)據(jù)主要指DEM參數(shù)，流域參數(shù)主要針對(duì)研究區(qū)內(nèi)外的流域出入口數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)主要包括降雨、溫度、風(fēng)速、濕度和太陽(yáng)輻射.

首先利用DEM高程數(shù)據(jù)形成河網(wǎng)，明確大井流域的入口和出口并且劃分子流域，研究取得DEM及河網(wǎng)見(jiàn)圖5；整個(gè)大井流域出入口存在完整的數(shù)據(jù)檢測(cè)，單獨(dú)的大井流域出入口數(shù)據(jù)不易檢測(cè)，通過(guò)大小井總流域的SWAT地表水模擬獲得；氣象數(shù)據(jù)是以日為時(shí)間不長(zhǎng)的CADS同化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涵蓋了土壤和地表河流的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)Write Swat input table選項(xiàng)實(shí)現(xiàn).

圖5 研究區(qū)DEM及河網(wǎng)圖

3 結(jié)果分析

在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)工作區(qū)SWAT模型運(yùn)行結(jié)果適用性分析.

3.1 參數(shù)率定分析

利用研究區(qū)的水文站的觀測(cè)資料、大小井地下河出入口流量檢測(cè)與各個(gè)子流域建立起相應(yīng)方程，根據(jù)月尺度下SWAT模擬的徑流與已有的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)比較，進(jìn)行參數(shù)的率定與選取.選取流域內(nèi)2014年1月～2015年12月數(shù)據(jù)為率定期，共12個(gè)參數(shù)進(jìn)行率定，初步確定的率定范圍及反復(fù)模擬后的確定值見(jiàn)表5.

表5 SWAT模型參數(shù)率定結(jié)果

3.2 水均衡分析

根據(jù)2014年～2015年大井流域SWAT模型模擬結(jié)果，對(duì)工作區(qū)進(jìn)行土壤水均衡分析.土壤水均衡情況用(1)式計(jì)算.

ΔS=PREC-SURQ-LATQ-PERC-ET

(1)

式中：ΔS為土壤水儲(chǔ)存量的變化量(mm)，PREC為降水量(mm)，SURQ為地表徑流量(mm)，PERC為土壤對(duì)地下水補(bǔ)給量(mm)，LATQ側(cè)向流量(mm)ET為實(shí)際蒸散發(fā)量(mm).

最終獲得的均衡結(jié)果見(jiàn)表6，從均衡表可以看出，無(wú)論是2014年還是2015年土壤水儲(chǔ)存變化量接近0，即補(bǔ)給量與排泄量幾乎持平，從均衡角度驗(yàn)證了模擬過(guò)程的準(zhǔn)確性.首先看補(bǔ)給項(xiàng)，補(bǔ)給項(xiàng)全部來(lái)自降雨，年均降雨量1.066108m3/a；補(bǔ)給項(xiàng)主要由蒸散發(fā)、土壤對(duì)地下水補(bǔ)給、地表徑流和側(cè)向徑流組成，蒸散發(fā)占了總排泄量的一半以上，兩年平均蒸散發(fā)量達(dá)到0.536108m3/a.土壤對(duì)地下水補(bǔ)給量占了四分之一以上，年均排泄量為0.303108m3/a，地表徑流占了百分之十以上，側(cè)向徑流占了不到百分之十.

表6 2014-2015年大井研究區(qū)土壤水均衡表(單位：108m3)

3.3 地表水與地下水的轉(zhuǎn)化量

(1)大井出口流量.

以2014年1月～2014年12月為率定期，大井出口率定期模擬月徑流值對(duì)應(yīng)情況如圖6所示.線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2為0.97，納什效率系數(shù)0.83，模擬效果較好.

圖6 2014年大井出口月徑流模擬值

(2)各個(gè)子流域匯水情況.

將SWAT模型計(jì)算的基于水文響應(yīng)單元(HRU)的落水洞徑流數(shù)據(jù)作為CFP模型的輸入.研究區(qū)落水洞1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)在子流域6、5、4、2出口，徑流數(shù)據(jù)如表4-7.

表7 2014年大井研究區(qū)落水洞和洼地徑流數(shù)據(jù)(m3/s)

計(jì)算出的各個(gè)自流域內(nèi)落水洞、洼地的匯水量如表4～8.

表8 落水洞匯水情況

4 結(jié) 論

本章主要搭建SWAT模型來(lái)研究大井流域地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，得出如下結(jié)論：

(1)構(gòu)建了大井流域地表水模型，并進(jìn)行了模型的識(shí)別驗(yàn)證，結(jié)果具有一定的適用性，大井出口的R2、ENS的評(píng)價(jià)結(jié)果均能基本滿(mǎn)足要求，能夠較好模擬大井流域徑流過(guò)程.

(2)綜合考慮大井流域落水洞等特點(diǎn)，根據(jù)研究區(qū)的河網(wǎng)水系、輸配水管理單元等間的拓?fù)潢P(guān)系并基于研究區(qū)自動(dòng)劃分子流域的結(jié)果劃分了8個(gè)子流域，將落水洞和巖溶外地所在處設(shè)置為子流域出口，表示地表水與地下水轉(zhuǎn)化，得到8個(gè)子流域的匯水面積和匯水量.