SWAT模型下河网水文过程分布式模拟研究

刘 倩

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)



SWAT模型下河网水文过程分布式模拟研究

刘 倩

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

文章选择辽河流域作为重点研究区，采用SWAT模型，制定一套针对平原河网区水文过程进行分布式模拟的完整建模方案。该方案采用概化方式，将环状及交叉河网处理成单一的枝状河网，以此结合河道分流比例跨子流域调水的方式，对该研究区原始河道的传输过程进行分析。文章最终通过对该研究区2013—2015年的月均径流量进行分析验证，结合数据观测值及模拟值分别对3个不同水文站的水文过程进行研究计算。分析结果表明，SWAT模型在辽宁省平原河网区水文过程分布式模拟中具有较高的适用性。

SWAT模型；平原河网；水文过程；较高的适用性

分布式水文模型能够对区域水文要素空间变化过程及流域水资源管理和配置以及水文预报、非点源污染等进行计算分析。由于平原河网地区地形平坦及湖库密集交织，导致这一地区空间水文环境呈嵌套特征，一般难以对地下水环境空间离散单元模块进行划分以及对水系变化特征进行科学提取。基于此，文章将采用SWAT模型，对辽宁省平原区河网水文过程进行分布式模拟，着重通过对平原区河网水文结构特征进行科学解析，以此采用分布式建模技术方法，对该研究区非点源污染控制提供技术和理论支持。

1 研究区资料背景分析及数据选取

该研究区流域实际占地面积为7359km2，中部地区与东部地区均为河网平原区，总占地面积占全区实际面积的比例为72%，其中泵以及闸和涵等相关构筑物广泛分布于该研究区复杂的河网中，因此这一区域水文结构特征较为明显。具体区域分布情况如图1所示：

图1 研究区河网总体结构及分布情况示意图

结合上述区域特征，在相关数据选取时，主要选取当地气象以及地形及土壤和土地利用类型、水文等指标作为数据分布描述的对象[1]。相关指标基础数据来源如下表1所示：

2 研究过程中SWAT模型构建分析

结合上述数据指标，为了在分析过程中，综合该研究区水文过程空间差异性及流域内地理特征因子差异，基于SWAT模型科学构建HRUs空间离散分布体系，采用栅格DEM对该研究区各流域内河网子流域进行科学切割，以此对枝状河网结构流域内的环状交叉水系水文过程进行合理模拟分析。具体而言，需按照以下步骤对该研究区平原河网区空间离散度进行计算评估，SWAT模型构建流程图见图2。

图2 SWAT模型构建流程

数据主要类型数据详细描述主要数据指标来源DEM数字高程模型辽宁某区2012-2015年逐日降水、气温、相对湿度、风速观测数据辽宁省地理信息中心气象观测数据辽宁某区遥感影像监测数据中国气象科学数据共享服务网土地利用数据辽宁某区土地利用图中国科学院地理研究所土壤物理属性数据辽宁某区1:20万土壤类型分布图数据2015年辽宁省35个剖面土壤样本分析数据水利工程及水文观测数据辽宁某区2013-2015年逐日流量观测数据辽宁省各区域地方水利局及水文站水文观测资料流域内农业用水管理数据城镇居民、工、农业生产实践用水数据2013-2015年辽宁省各区域水利年报及野外实际调查分析数据

2.1 研究区原始交叉河网模块化分析

对于分布式河网的建模处理，需要构建空间集水单元以及其与相关湖泊及河网以及水库等不同要素之间的空间联系。基于SWAT模型，从该研究区数字高程模型DEM中提取了河网数据以及子流域数据等，以此结合该研究区自然地形结构进行特征分析，从而对实际河网进行分级处理，将选取的主干道河网进行概化处理，其主要目的是能够使原本复杂交错的河网结构体系，科学划分为简单的枝状型结构，从而为该地区河网水文过程分布式模拟奠定基础[2]。基于SWAT模型的河网提取和空间集水单元划分示意图见图3。

2.2 DEM河网修正处理及水系提取

在模型分析过程中，为了保证真实河网与DEM提取的河网保持一致，采用Burn in方法(河网叠加修正法)，对栅格DEM进行局部修正处理，以此提高数据提取的准确性和完整性。

2.3 基于SWAT模型的研究区河网湖泊空间离散度分析

本研究区平原处河网湖泊较多，因此地形结构图示呈闭合状态。在河网水文过程分布式分析模拟时，采用空间叠加方式，对区域空间的离散情况进行合理描述，以此将整个研究区划分为若干个不同的独立离散单元，然后在此基础上，结合区域集水特征，对整个流域内的子流域进行合理划分析[3]。

图3 原始河网以及处理后的河网轮廓

2.4 基于SWAT模型的空间分布叠加，自动生成区域水文响应单元

在子流域内通过土地利用图以及数字土壤图进行空间统计叠加，最终形成单一土地类型组合的水文相响应单元，将其作为SWAT模型下河网水文过程分布式模拟中的基本运行单元。研究过程中，该研究区一共划分为187个不同的子流域以及700个不同的水文响应单元。为了在地形图中进行合理区分，分别通过不同的灰度表示区域相邻子流域[4]。

3 基于SWAT模型的河网水文过程分布式模拟

按照上述方法，对原始河道的河网进行处理之后，原始径流分配方式会发生明显的变化，此时基于SWAT模型的河网水文过程分布模拟结果也会受到影响。因此，在实际模拟过程中，文章为了能够在原始河网被打乱后，依然可以正确表达径流在原始河网中的流量分配，文章采用SWAT模型中的调水模块，对该研究区河网的调水过程进行模拟[5]。按照观测数据对调水比例进行科学设定，以此实现对该研究区河网水文过程进行分布式模拟。该模型模拟方法有效还原了原始河网的实际水量变化过程。在对相关参数进行率定分析时，文章选取了该研究区河网上、中、下游3个不同区域的流量观测数据，对SWAT模型参数模拟结果进行验证和率定，率定和验证参数结果见表2。

表2 基于SWAT模型的河网水文过程分布式模拟参数率定和验证

基于SWAT模型，对该研究区2013-2015年河网月径流过程进行了分布式模拟。在此模拟过程中，该模型的模拟参数值与实际观测值之间的相关程度分别通过纳什效率系数Ens和r来反映。从该研究区河网径流过程研究结果来看，区域降水时间与月平均流量之间基本呈正相关关系，1月达到一年中的低谷值，而在7月达到一年中的峰值[6]。从3个不同站点的数据分析结果来看，实际观测值与模型分布式模拟值之间的变化过程基本吻合。在对河网水文过程进行分布式模拟中，3个不同监测站点在校正期和验证期间所得到的nash-sutcliffe efficiency coefficient系数(纳什效率系数Ens)和相关系数r见表3。

表3 基于SWAT模型的河网水文过程分布式模拟参数相关性

从上述模拟结果可以看出，该研究区河网总体水文状况呈现出多因素变化特征。但是，通过对连续3a的不同观测值进行分析可以看出，该研究区河道水位以及实际经径流量并无显著的周期性波动[7]。但是，个别河网由于人为控闸，河道流量变化较大，以上述数据表为例，数据监测站点1、监测站点2以及监测站点3中的监测数据相关性变化幅度较小，而3个不同站点的那什效率系数Ens的数据相关性变化差异较大。究其原因，主要由于该研究区河网除了受降雨因素影响之外，在汛期以及枯水期，河道流量会受到气候因素影响。在汛期，河道中的水位会不断上升，此时河道中的径流猛增；而在枯水期，由于人为蓄水调节，导致该研究区河道中的径流变化幅度较大；另一方面，由于该研究区河网处农业较为发达，因此灌溉蓄水量较大，导致河网水文过程变化差异非常显著[8]。

4 结 语

综上所述，针对平原河网的气象以及地质和水文特征进行了分析，通过采用概化方式，对河网进行了模块化处理。在研究过程中，对该研究区局部河网的流量等相关监测数据进行了修正模拟。通过河道提取及数据相关性分析，最终实现了该研究区平原河网的空间离散化。另外，在实际模拟过程中，基于SWAT模型，对河网子流域进行分析，通过对模拟水量以及实际观测水量参数值进行设定，分别对该研究区2013年1月-2015年12月的河网月径流过程进行分布式水文过程模拟。通过对3个不同站点的相关系数r和纳什效率系数Ens进行相关性率定和验证，最终得到3个不同数据监测站点的相关性系数分别为0.95、0.94、0.89以及0.87、0.77和0.69。因此，结合数据相关性分析结果，可对该研究区实际经径流量周期性波动变化过程进行预测，以便结合汛期与枯水期河网实际径流量科学安排农业生产。但需要指出的是，文章所采用的模型模拟方法只适用于平原河网区的分布式水文建模参数模拟。因此，在模型分析时，首先需要对研究区实际河网结构及水文特征等相关情况进行全面了解，以便在后续计算研究过程中，能够采用率定算法对河网水文过程进行科学模拟。

[1]王莉,尚佰晓,张爽,等.铁岭市水资源对粮食安全的影响及对策浅析[J].黑龙江农业科学,2014(06):100-102，122.

[2]袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探[J].水利建设与管理,2013(02):33-35.

[3]徐飞.沈阳地区水资源短缺原因分析及对策研究[J].水资源开发与管理，2015(01)：24-26.

[4]马秉春.宁夏固原市水资源开发利用现状分析研究[J].水利技术监督，2011(06)：34-37.

[5]柴雅丽，霍延昭.朝阳市水资源供需矛盾分析及解决途径[J].水土保持应用技术，2015(03)：44-45.

[6]张志军,黄宝连.基于水资源优化配置的多目标决策模型探析[J].水利规划与设计,2011(03):22-24，72.

[7]黄翠霞.铁岭市水资源可持续利用初探[J].农业与技术,2009,29(02):77-80.

[8]王彤,夏广锋.基于水资源环境承载力约束的工业结构调整模型研究——以辽河上游铁岭段为例[J].四川环境,2010,29(06):71-75，80.

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

刘倩(1985-)，女，辽宁锦州人，水利工程师，研究方向为水文、水资源、水情预报分析等。

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