基于SWAT模型的基流估算及评价+--以洛河流域为例

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

(20010027013)

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 -mail :ygl 781220@sina .com

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)

摘

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

关键词:SWAT 模型;基流估算;滤波技术;洛河流域

中图分类号:P 343;P 333.11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~它能够利用第22卷第5期

2003年9月地理科学进展PROGRESS IN GEOGRAPHY Vol.22~No.5Sept.~2003

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~2m ) 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

研究方法 .1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

SW t =SW O - t

z=1(R

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

gw z = gw z-1 exp(-a gw At)-W LchLg [1-exp(-a gw At)]

(2)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(-1/8gw )] W seep -exp(-1/8gw ) W LchLg z-1(3)

式中 W LchLg z 为第z 日蓄水层补给量(mm ) 8gw 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(Soil Conservation Service )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 (Curve number )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5d 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464地理科学进展22卷

换关系G 最终根据SCS 模型提供的CN 值查算表[15] 充分考虑当地的自然条件并参考有关研究者在SCS 模型应用中所确定的CN 值[18 19 21] 确定出当地的CN 值G

壤中流用动态存储模型预测计算该模型考虑到水力传导度~坡度和土壤含水量的时空变化G 计算下渗考虑两个主要参数:初始下渗率(依赖于土壤湿度~供水条件)和最终下渗率(等于土壤饱和水力传导度)G

蒸散发包括水面蒸发~裸地蒸发和植被蒸腾G 土壤水蒸发和植物蒸腾被分开模拟G 潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算G 实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算G 植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算G 潜在蒸散发有以下三种计算法:~argreaves (~argreaves and Samani 1985) Prestley -Taylor (Prestley and Taylor 1972) Penman -Monteith (Monteith 1965) 本文采用Penman -Monteith 法G

2.2评价方法数字滤波法

传统的基流分割法包括图解法[22]和分析法[23]G 图解法主观性较强在计算两次连续降雨或多次连续降雨时效果较差;分析法依赖迭代曲线拟合算法且参数较多难以确定其误差来源[24]G 近年来人们将数字滤波应用于基流的分割G 数字滤波能通过滤波器把输入系列通过一定的运算变换成输出系列G 数字滤波器的实现方式之一是利用通用计算机的存储器~运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行也就是采用计算机软件来实现[25]G

滤波法较图解法更加客观操作容易执行速度快且参数较少[24]G Nathan 和McMa-

hon 首次采用Lyne -~ollick 算法[26]对流量过程进行分析和处理从流量过程中分割出基

流[27]G Arnold 在美国西部和东部选取6个代表流域对该方法进行验证结果表明该方法不仅精度较高而且具有较好的客观性和可重复性[28]G 本文采用该方法将实测径流划分为直接径流和基流两部分G 基于Lyne -~ollick 算法的滤波方程为:

g t =Bg t 1+(1+B)(0t 0t 1)/2(4)

式中:g t 为t 时刻过滤出的快速响应(即直接径流信号以日为时间步长);0为实测河川总径流;B 为滤波参数G 从总径流中过滤出快速响应即可得出基流b t :

b t =0t g t (5)

Nathan 和McMahon 及Arnold 等人采用三通道滤波器将模拟结果与手工分割的结果进行对比研究率定出B 值分别定为O.9O~O.95 O.925[27 29]G

实例研究3.1流域概况

洛河是黄河小浪底水库以下的最大支流洛河干流在陕西省有两条西干流发源于蓝田县灞源乡北干流发源于洛南县洛源乡汇合后经陕西省的洛南县和河南省的卢氏~洛宁~宜阳~洛阳市区~郊区~偃师~巩县在神堤村注入黄河G 干流长446.9km 流域面积18881km 2 多年平均径流量34.22亿m 3G 其中洛河上游卢氏水文站以上流域流域面积4623km 2 河道长192km 跨陕西和河南两省该区为典型的石山林区[23]G 地势高峻河沟密集坡陡石多地形复杂切割严重土地贫瘠G 大部分地区海拔在12OO~2OOO m

5645期杨桂莲等:基于SWAT 模型的基流估算及评价

之间沿河有许多面积较小的河谷平原海拔高度600*1000m O土壤类型以棕壤~褐土为主天然植被较好除岩石裸露外大部分是天然次生杂木林森林和草地覆盖率达70%以上[31 32]O根据1971*2000年资料统计流域内多年平均降水量为720mm多年平均水面蒸发量为966mm O

3.2SWAT模型估算

3.2.1模型输入

本文应用与Arc View GIS藕合的SWAT模型AVSWAT来处理卢氏流域的输入文件(见表1D O根据前文所述的亚流域划分原则并考虑实际的县区边界将卢氏流域划分为39个亚流域[33]O

表1模型输入数据

Tab.1The input data f or SWAT model

数据类型尺度数据描述来源

气象24个雨量站日降水和气温黄委水文局

地形1=250000高程坡面与河道坡度~长度国家基础地理信息中心

土壤1=1000000土壤属性如密度~剖面和质地等南京土壤所

土地利用1=100000土地利用类型分类中科院地理所

模型所要求的地形土地利用/覆盖和土壤数据是使用AVSWAT2000在Arc View中生成的地形数据是从1=250000万DEM中生成的O SWAT模型所要求的亚流域地图是在AVSWAT中从地形数据中生成的O流域中的土地利用分类数据是从1=100000的土地利用图中得到的并重新进行了分类得到7种土地利用类型耕地(AGRL D~林地(FRST D~草地(PAST D~农村居民点(RURL D~城镇用地(URAN D~水域(WATR D和裸地(BARE D O输入气象数据包括日降水量~最高最低气温~风速和相对湿度等这些数据可以是统计数据也可根据SWAT的天气模拟程序生成O

3.2.2模型校准和验证

当模型的结构和输入参数初步确定后就需要对模型进行校准(calibration D和验证(Validation D O通常将使用的资料系列分为两部分其中一部分用于校准模型而另一部分则用于模型的验证[34]O校准是调整模型参数(经分析得出SCS曲线数CN~土壤中植物可利用水量~土壤蒸发补偿系数为最敏感因子D~初始和边界条件以及限制条件的过程以使

模型接近于测量值O选用线性回归系数(R2D和Nash-Suttclife模拟系数(E

ns D 来评估模型

在校准和验证过程中的模拟效果O

使用Nash-Suttclife系数Ens来衡量模型模拟值与观测值之间的拟合度其表达式为[34]

E ns=1-E n

z=1

(@m-@p D2

E n

z=1

(@m-@aU!D2

(6D

式中@

m 为观测值@

为模拟值@

aU!

为观测值平均值n为观测的次数O当@

m=@p

时

E ns=1"如果E ns为负值说明模型模拟值比直接使用测量值的算术平均值更不具代表性O

664地理科学进展22卷

根据数据获取的完整性,选用1992~1997年卢氏水文站的河道流量对径流进行参数率定0对以下的四个敏感性参数进行调整;径流曲线数(CN 2D ~地下水再蒸发系数(RWVAPC D ~土壤蒸发补偿系数(ESC0D 和植物蒸发补偿系数(EPC0D 0通过调整这些参数使径流模拟值与实测值吻合,其模拟值与实测值年均误差应小于实测值的15%,月均值的线性回归系数R 2>O.6且E ns >O.50流量校准年径流平均误差为14.3%,且月径流E ns 为O.86,R 2为O.87,精度满足模型要求0

采用模型参数率定过程中所得到的参数,应用1998~1999年的实测流量数据进行模型验证,并采用R 2及E ns 对模型的验证结果进行评价0流域出口模拟径流量与实测流量拟合较好,月径流R 2为O.81,E ns 为O.840模型对1998年6~9和1O 月,1999年4~5月和12月的模拟值较高;对1998年8月和12月的模拟值较低,其原因可能是由于降雨的空间不均匀性0但总体来说模型预测的评价系数满足评价标准0

通过对径流的校准和验证,最后确定出模拟径流过程的模型参数,如表2所示0

表2

模型校准参数值Tab .2

The calibrated parameters f or SWAT model 变

量模拟过程参数描述值域/变化范围参数最终值CN 2

径流径流曲线数+/-8+2RWVAPC

径流地下水再蒸发系数O.OO~1.OO O.1O ESC0

径流土壤蒸发补偿系数O.OO~1.OO O.2EPC0径流植物吸收补偿系数O.OO~1.OO O.1O 4

结果与分析4.1估算结果

SWA 模型输出的是39个亚流域逐日基流量0图版1,图1是39个亚流域年均基流分布图,而图版1,图2是8~1O 月基流总和分布图,其分布规律与年均基流分布相似,主要是由于这三个月占年均基流的46%0由于该研究区为典型的石山林区,地处黄河中游地区,汛期多发生在8~9月份,由于地下径流的滞后效应,1O 月份的基流量所占的比例也较大0

4.2滤波结果

输入1992~1999年日流量资料,在MS -D0S 环境下运行下载的bflow .exe 模块[33],即可得到逐日基流量以及基流参数FT ~退水个数~a gw 系数和退水天数,基流参数如表3所示0

表3

滤波分割基流参数值Tab .3

The parameters of f iltered basef low 基流系数FT 1

基流系数FT 2基流系数FT 3退水个数a gw 系数基流天数O.49O.3O O.239O.OO38264

注;FT 1~FT 2~FT 3为各自采用第一~二~三通道滤波时,所分割的基流占总径流的比例0

645期杨桂莲等;基于SWA 模型的基流估算及评价

其中

Fl =Z t /@(7)

c gw =ln(@gw,O /@gw,N )/N (8)

式中:@gw,O 和@gw,N 分别为退水计算时的始,末流量0为了精确计算出c gw ,退水时间(N )不得少于1O 天0

根据对研究区的初步分析,发现该区基流占总径流的2O%左右,因此选用基流系数Fl 3以及相应的逐日基流分割值0

4.3评价与分析

将基于滤波技术分割出的基流值与SWAT 模拟值作对照,月基流R 2为O.76,Ens 为O.75,(如图3,图4所示),模拟精度较高0由图3可以看出,SWAT 在模拟高水流时的月份时,基流模拟结果往往偏大,而在模拟低水流时,结果往往偏小0这涉及多方面的原因,一方面,由于土壤含水层的分布本身就很复杂,另一方面,模型在校准时参数不止一个,多个参数之间的相互影响并不明确0在实际校准时,往往只对总径流进行校准,基流的校准由于一般无实测资料,难以进行

图3

基于滤波技术分割的月基流与SWAT 模拟值对照图Fig .3Monthly time series (1992*1999)of SWAT simulated and filtered baseflow

5结论

滤波技术使得基流分割地下水补给得以自动完成0该法为SWAT 模型的基流模拟评价提供了依据和途径:

(1)自动化滤波技术能快速,高效地分割出基流,结合计算机使退水曲线得以自动平移,可计算出基流量;

(2)在无地下水观测地区,借助滤波技术分割基流,可应用于SWAT 模型的基流校准,为SWAT 模型的径流模拟和非点源污染模拟提供了有利途径,同时也为研究地下水资源量

864地理科学进展22卷

图4

基于滤波技术分割的月基流与SWAT 模拟值散点图Fig .4The regression of SWAT simulated and filtered basefloW

提供了一种新的方法;

(3)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在充分利用GIS 和RS 提供的空间数据信息的前提下能够模拟复杂大流域中的径流成分O

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The Study on Basef low Estimation and Assessment in SWAT

Luohe Basin as An EXample

YANG Guilian ,HAO Fanghua ,LIU Changming ,ZHANG Xuesong

(Institute of Environmental Sciences ,Beijing Normal University ,

Key Laboratory for Water and Sediment Sciences ,Ministry of Education ,Beijing 100875,China )Abstract ,BasefloW ,usually separated from total streamfloW ,is very important in many research fields .TWo methods to analyze and calculate basefloW Were introduced .The first method uses the Water balance components from the soil and Water assessment tool model (SWAT ).The second method uses a digital recursive filter to separate basefloW from dai-ly floW .The result Was applied in Lushi basin located in the upper of Luohe to calibrate basefloW in SWAT model .Simulated floW Was calibrated against calculated floW at Luohe (4623km 2)from 1992*1996.To validate the model ,calibrated and simulated monthly

floW at Luohe from 1997*1998Was compared With a R 2of 0.81and an Ens of 0.84.Four

sensitive factors ,including CN 2,RWVAPC ,ESCO and EPCO ,are determined after cali-bration and validation of the model .The rate of three -month (Aug .to Oct .)basefloW in annual total one is 46%because the floods usually took place in August and September in the study area .Comparing simulated monthly basefloW to the filtered one from 1992*1998,a good result can be gained With a R 2of 0.76and an E ns of 0.75.The case study illu-minates that SWAT model can simulate basefloW Well ,and the filter technigue has the po-tential to provide realistic estimates of basefloW for input into regional groundWater models and a check for surface hydrologic models .

!ey words ,SWAT model "basefloW estimation "digital filter technigue "Luohe basin

745期杨桂莲等,基于SWAT 模型的基流估算及评价

基于SWAT模型的基流估算及评价 --以洛河流域为例

作者：杨桂莲，郝芳华，刘昌明，张雪松

作者单位：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

刊名：

地理科学进展

英文刊名：PROGRESS IN GEOGRAPHY

年，卷(期)：2003,22(5)

被引用次数：72次

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引证文献(73条)

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本文链接：https://www.360docs.net/doc/0a8956159.html,/Periodical_dlkxjz200305004.aspx