2024年4月20日发(作者：佘水之)
第
22
卷第
5
期
2003
年
9
月
地理科学进展
PROGRESSINGEOGRAPHY
Vol.22~No.5
Sept.~2003
文章编号
:1007-6301(2003)05-0463-09
基于
SWAT
模型的基流估算及评价
以洛河流域为例
杨桂莲
~
郝芳华
~
刘昌明
~
张雪松
(
北京师范大学环境科学研究所
~
水沙科学教育部重点实验室
~
北京
100875)
要
:
SWAT
是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型
~
它能够利用
GIS
和
RS
提供的空间数据信息
~
模拟复杂大流域中的径流成分
O
本文应用
SWAT
模型对
基流进行模拟
~
分别采用
1992~1996
年和
1997~1998
年洛河流域卢氏水文站逐年
~
月实
测径流资料进行模型校准和验证
~
确定模型的敏感性参数
:
径流曲线数
~
地下水再蒸发系
数
~
土壤蒸发补偿系数和植物蒸发补偿系数
;
并借助滤波技术对实测径流进行基流分割
O
将滤波分割的基流与
SWAT
模拟值进行对比
~
采用线性回归系数
(
R
2
)
和
Nash
-
Suttclife
模拟系数
(
E
ns
)
对
SWAT
模型进行评价
~
其结果月基流
R
2
为
0.76~
E
ns
为
0.75~
模拟精
度较高
O
关词
:
SWAT
模型
;
基流估算
;
滤波技术
;
洛河流域
中图分类号
:
P
343;
P
333.1
键
摘
1
引言
地下水的补给和排泄
(
即形成基流
)
特征对地下水资源的高效管理与可持续发展
~
以
及地表水与土壤水转换时的污染最小化方面都至关重要
O
在大西洋海岸平原地区
~
地下径
流占总径流的
90%
以上
[1]
~
而在美国德克萨斯州可达
50%
[2]
O
Reay
等人发现若忽略浅层地
下水这一水源
~
将直接影响水质管理决策的可靠性
[3]
O
地下水补给过程一般较复杂
~
取决于
两类因子
~
一类是气象因子
~
如雨强
~
降水历时
~
气温
~
湿度
~
风速
;
另一类是下垫面因
子
~
如地下水位以上的土壤和岩层特性
~
地形
~
植被和土地利用等
O
这些因子的变化会导
致地下水补给在时空分布上变化显著
[4]
O
计算地下水的补排通常有两种方法
:
水量平衡法或
基于监测水分运动的张力计法
~
示踪剂法
~
重力测渗仪法
[5]
O
后者一般费用较高
~
实际中采
用不多
O
在干旱和半干旱地区
~
大流域的地下水补给和基流计算广泛采用基于水量平衡的
基流估算法
[6~8]
和消退曲线平移法
[9~12]
~
后者只需根据流量观测资料就可确定地下水特征
值
O
SWAT
模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型
~
它能够利用
收稿日期
:2003-06;
修订日期
:2003-08
基金项目
:
国家重点基础研究发展规划项目
(
G
1999043601)~
教育部博士点基金资助项目
(2)
作者简介
:
杨桂莲
(1979-)~
女
~
湖北广水人
~
硕士研究生
~
主要从事水文
~
水资源及水环境方面的
研究
O
E
-
:
ygl
781220@
sina
.
com
464
地理科学进展
22
卷
GIS
和
RS
提供的空间数据信息
模拟地表水和地下水水量与水质
长期预测土地管理措施
对于具有多种土壤
土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文
泥沙和农业化学物质
产量的影响
[13]
SWAT
通过水文响应单元
(
R
)
单独计算径流量
然后演算得到流域总
径流量
水文响应单元的水循环包括四个部分的水量
融雪
土壤剖面
(O~2
m
)
浅层含
水层
(2~2O
m
)
和深层含水层
(>2O
m
)
土壤剖面可分为多层
土壤水运动包括下渗
蒸
发
植被截留
侧向流和土壤剖面下边界向潜水层的渗流
(
即地下水补给
)
SWAT
模型中
计算的地下水补给量是以下三项的总和
土壤剖面下边界渗出量
河道输移损失
池塘和
水库的蓄量
[14]
本文试图借助滤波技术估算基流
并将该结果与
SWAT
模拟值进行对比
对
SWAT
模型在研究区的应用结果进行评价
2
.1
研究方法
估算方法
SWAT
模型
基于水量平衡的
SWAT
模型模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量
模型中
采用的水量平衡方程式为
t
SW
t
=SW
O
-
(R
z=1
cay
-
suLf
-E
a
-W
seep
-
gw
)(1)
式中
SW
t
为土壤最终含水量
(
mm
)
SW
O
为土壤前期含水量
(
mm
)
t
为时间步长
(
d
)
R
cay
为第
z
日降水量
(
mm
)
suLf
为第
z
日的地表径流
(
mm
)
E
a
为第
z
日的蒸发量
(
mm
)
W
seep
为第
z
日土壤剖面地层的渗透量和侧流量
(
mm
)
gw
为第
z
日的基流量
(
mm
)
模型采用下列方程式计算流域基流
(2)
gw z
=
gw z-1
exp(-a
gw
At)-W
LchLg
[1-exp(-a
gw
At)]
式中
gw z
为第
z
日进入河道的基流补给量
(
mm
)
gw z-1
为第
(
z
-1)
日进入河道的基流
补给量
(
mm
)
t
为时间步长
(
d
)
W
LchLg
为第
z
日蓄水层的补给量
(
mm
)
O
gw
为基流的消
退系数
其中补给流量由下式计算
W
LchLg z
=[1-exp(-1/8
gw
)] W
seep
-exp(-1/8
gw
) W
LchLg z-1
(3)
式中
W
LchLg z
为第
z
日蓄水层补给量
(
mm
)
8
gw
为补给滞后时间
(
d
)
W
seep
为第
z
日通过土
壤剖面底部进入地下含水层的水分通量
(
mm
/
d
)
地表径流采用美国农业部水土保持局
(
SoilConservationService
)
研制的小流域设计洪
水模型
SCS
模型进行模拟
目前该模型在美国及其他一些国家得到了广泛的应用
在我
国也有一些介绍和应用
[15~2O]
CN
(
Curvenumber
)
值是
SCS
模型的主要参数
可将前期土
壤湿润程度
坡度
土壤类型和土地利用现状等因素综合在一起
用量的指标来反映下垫
面条件对产汇流过程的影响
是反映降雨前流域特征的一个综合参数
SCS
模型有特定的
土壤分类系统
需对土壤分类进行对应归并
得到符合
SCS
模型的土壤分类结果
[14]
因土
壤属性较稳定
将土壤分类结果作为不变值
用于模型计算中
CN
值同样受降雨前的流域
内土壤湿润程度的影响
SCS
模型将土壤湿润程度根据前
5
d
的总雨量划分为
3
类
分别代
表干
平均
湿
3
种状态
(
AMCI
AMCII
AMCIII
)
不同湿润状况的
CN
值有相互的转
2024年4月20日发(作者：佘水之)
第
22
卷第
5
期
2003
年
9
月
地理科学进展
PROGRESSINGEOGRAPHY
Vol.22~No.5
Sept.~2003
文章编号
:1007-6301(2003)05-0463-09
基于
SWAT
模型的基流估算及评价
以洛河流域为例
杨桂莲
~
郝芳华
~
刘昌明
~
张雪松
(
北京师范大学环境科学研究所
~
水沙科学教育部重点实验室
~
北京
100875)
要
:
SWAT
是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型
~
它能够利用
GIS
和
RS
提供的空间数据信息
~
模拟复杂大流域中的径流成分
O
本文应用
SWAT
模型对
基流进行模拟
~
分别采用
1992~1996
年和
1997~1998
年洛河流域卢氏水文站逐年
~
月实
测径流资料进行模型校准和验证
~
确定模型的敏感性参数
:
径流曲线数
~
地下水再蒸发系
数
~
土壤蒸发补偿系数和植物蒸发补偿系数
;
并借助滤波技术对实测径流进行基流分割
O
将滤波分割的基流与
SWAT
模拟值进行对比
~
采用线性回归系数
(
R
2
)
和
Nash
-
Suttclife
模拟系数
(
E
ns
)
对
SWAT
模型进行评价
~
其结果月基流
R
2
为
0.76~
E
ns
为
0.75~
模拟精
度较高
O
关词
:
SWAT
模型
;
基流估算
;
滤波技术
;
洛河流域
中图分类号
:
P
343;
P
333.1
键
摘
1
引言
地下水的补给和排泄
(
即形成基流
)
特征对地下水资源的高效管理与可持续发展
~
以
及地表水与土壤水转换时的污染最小化方面都至关重要
O
在大西洋海岸平原地区
~
地下径
流占总径流的
90%
以上
[1]
~
而在美国德克萨斯州可达
50%
[2]
O
Reay
等人发现若忽略浅层地
下水这一水源
~
将直接影响水质管理决策的可靠性
[3]
O
地下水补给过程一般较复杂
~
取决于
两类因子
~
一类是气象因子
~
如雨强
~
降水历时
~
气温
~
湿度
~
风速
;
另一类是下垫面因
子
~
如地下水位以上的土壤和岩层特性
~
地形
~
植被和土地利用等
O
这些因子的变化会导
致地下水补给在时空分布上变化显著
[4]
O
计算地下水的补排通常有两种方法
:
水量平衡法或
基于监测水分运动的张力计法
~
示踪剂法
~
重力测渗仪法
[5]
O
后者一般费用较高
~
实际中采
用不多
O
在干旱和半干旱地区
~
大流域的地下水补给和基流计算广泛采用基于水量平衡的
基流估算法
[6~8]
和消退曲线平移法
[9~12]
~
后者只需根据流量观测资料就可确定地下水特征
值
O
SWAT
模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型
~
它能够利用
收稿日期
:2003-06;
修订日期
:2003-08
基金项目
:
国家重点基础研究发展规划项目
(
G
1999043601)~
教育部博士点基金资助项目
(2)
作者简介
:
杨桂莲
(1979-)~
女
~
湖北广水人
~
硕士研究生
~
主要从事水文
~
水资源及水环境方面的
研究
O
E
-
:
ygl
781220@
sina
.
com
464
地理科学进展
22
卷
GIS
和
RS
提供的空间数据信息
模拟地表水和地下水水量与水质
长期预测土地管理措施
对于具有多种土壤
土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文
泥沙和农业化学物质
产量的影响
[13]
SWAT
通过水文响应单元
(
R
)
单独计算径流量
然后演算得到流域总
径流量
水文响应单元的水循环包括四个部分的水量
融雪
土壤剖面
(O~2
m
)
浅层含
水层
(2~2O
m
)
和深层含水层
(>2O
m
)
土壤剖面可分为多层
土壤水运动包括下渗
蒸
发
植被截留
侧向流和土壤剖面下边界向潜水层的渗流
(
即地下水补给
)
SWAT
模型中
计算的地下水补给量是以下三项的总和
土壤剖面下边界渗出量
河道输移损失
池塘和
水库的蓄量
[14]
本文试图借助滤波技术估算基流
并将该结果与
SWAT
模拟值进行对比
对
SWAT
模型在研究区的应用结果进行评价
2
.1
研究方法
估算方法
SWAT
模型
基于水量平衡的
SWAT
模型模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量
模型中
采用的水量平衡方程式为
t
SW
t
=SW
O
-
(R
z=1
cay
-
suLf
-E
a
-W
seep
-
gw
)(1)
式中
SW
t
为土壤最终含水量
(
mm
)
SW
O
为土壤前期含水量
(
mm
)
t
为时间步长
(
d
)
R
cay
为第
z
日降水量
(
mm
)
suLf
为第
z
日的地表径流
(
mm
)
E
a
为第
z
日的蒸发量
(
mm
)
W
seep
为第
z
日土壤剖面地层的渗透量和侧流量
(
mm
)
gw
为第
z
日的基流量
(
mm
)
模型采用下列方程式计算流域基流
(2)
gw z
=
gw z-1
exp(-a
gw
At)-W
LchLg
[1-exp(-a
gw
At)]
式中
gw z
为第
z
日进入河道的基流补给量
(
mm
)
gw z-1
为第
(
z
-1)
日进入河道的基流
补给量
(
mm
)
t
为时间步长
(
d
)
W
LchLg
为第
z
日蓄水层的补给量
(
mm
)
O
gw
为基流的消
退系数
其中补给流量由下式计算
W
LchLg z
=[1-exp(-1/8
gw
)] W
seep
-exp(-1/8
gw
) W
LchLg z-1
(3)
式中
W
LchLg z
为第
z
日蓄水层补给量
(
mm
)
8
gw
为补给滞后时间
(
d
)
W
seep
为第
z
日通过土
壤剖面底部进入地下含水层的水分通量
(
mm
/
d
)
地表径流采用美国农业部水土保持局
(
SoilConservationService
)
研制的小流域设计洪
水模型
SCS
模型进行模拟
目前该模型在美国及其他一些国家得到了广泛的应用
在我
国也有一些介绍和应用
[15~2O]
CN
(
Curvenumber
)
值是
SCS
模型的主要参数
可将前期土
壤湿润程度
坡度
土壤类型和土地利用现状等因素综合在一起
用量的指标来反映下垫
面条件对产汇流过程的影响
是反映降雨前流域特征的一个综合参数
SCS
模型有特定的
土壤分类系统
需对土壤分类进行对应归并
得到符合
SCS
模型的土壤分类结果
[14]
因土
壤属性较稳定
将土壤分类结果作为不变值
用于模型计算中
CN
值同样受降雨前的流域
内土壤湿润程度的影响
SCS
模型将土壤湿润程度根据前
5
d
的总雨量划分为
3
类
分别代
表干
平均
湿
3
种状态
(
AMCI
AMCII
AMCIII
)
不同湿润状况的
CN
值有相互的转