SWAT在干旱半干旱地区的应用_以窟野河流域为例

从 1950~ 2003 年的数据统计来看[ 26] , 流域多年平均降水量 415mm, 降水时空分布极 不均匀。时间上, 年内分配不均, 6~ 9 月降水量占年降水量的 75~ 81% ; 最大月降水量
1期
程 磊 等: SWA T 在干 旱半干旱地区的应用 !! ! 以窟野河流域为例
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出现在 7、8 两月, 降水量之和占年降水量的 50% ~ 60% , 并且多暴雨。空间上, 流域内 降水量东多西少、南多北少。窟野河流域多年平均径流量 5 995 ∃ 108m3 , 地下径流约占 28% , 径流主要来源于降水补给, 多年平均径流深在 50~ 104m m 之间, 径流的年内、年 际分布取决于降水量的时空分布, 径流的年际变化大于年降水的年际变化。从地域分布来 看, 径流深和径流系数与降水的走势基本吻合, 同是西小东大、北小南大。7~ 10 月径流 量占年径流总量的 57 9% ~ 73 3% ; 洪峰多出现在 7~ 8 月, 占年径流量的比重很大; 因 河川冰雪消融有春汛, 3 月份径流量在 9 3% ~ 15 8% 之间。
随着经济社会的高速发展, 水资源短缺日益严重, 尤其是在干旱半干旱区, 为了更好 地利用和管理水资源并实现水资源的可持续发展, 人类活动和全球变化影响下流域水文循 环过程的研究成为当前水文学研究的热点问题之一[ 1~ 3] , 而基于水文物理机制的分布式水 文模型则是研究这一问题的有效工具[ 4] 。SWA T ( Soil and Wat er A ssessm ent T o ol) 是由 美国农业部 ( U SDA) 农业研究中心 ( ARS) 研制开发的, 在 SWRRB 模型的基础上吸纳 了 CREAM S、GL EAM S、EPIC、ROT O 等模型的优点发展而来, 是一个基于物理过程 并能够模拟不同土地利用和多种农业管理措施对流域的水、泥沙、营养物质、杀虫剂等输 送迁移影响的分布式流域水文模型[ 5] , 其分布式模拟结构和运行控制方式使之具有高效连 续模拟的优点[ 6] , 其源代码公开、与地理信息系统结合的前处理等都使得 SWA T 具有旺 盛的生命力, 在世界范围内得到了广泛的应用[ 7, 8] , 并在使用中得到了改进和完善。在美 国、北美寒区、欧洲和澳洲等许多流域, SWAT 被广泛应用于农业非点源污染、水沙模 拟、水资源管理等领域, 并取得了较好的效果[ 9~ 13] 。国内 SWA T 的应用和研 究从 2000 年前后起步, 经过快速发展, 已广泛地用于水量、泥沙和非点源模拟之中[ 14] 。SWA T 在 西北寒旱区黑河流域[ 15, 16] 、黄河流域[ 17] 、黄河兰州以上[ 18] 、汉江褒河上游江口流域[ 19] 、 漳卫河流域[ 20] 等地 区的水量模拟中都取得了较好的结果; 在官厅水库[ 21] 、黄河卢氏流
漏到更深层的土壤水补给地下径流, 浅层地下径流能够补给河流和深层地下径流, 也能够
被蒸发和灌溉等消耗; 深层地下径流可以流到流域之外[ 6] 。由于地表径流计算方法之一
Gr een & A mpt 方法需要以小时为单位的降雨数据, 在应用中使用较少, 由于数据的限
制, 本文采用改进 SCS 曲线数法进行模拟分析。
1 研究区概况
窟野河是黄河中游一条主要支流, 是黄土高原侵蚀地区的典型河流, 流经内蒙古、陕 西 2 省区 5 县 ( 旗、市) , 地理坐标范围为 109∀28#~ 110∀45#E, 38∀22#~ 39∀50#N, 流域地 理位置见图 1。流域面积 8706km2, 海拔 800~ 1300m , 地势呈西北高、东南低。从气候 类型上看, 窟野河流域位于黄河中游干旱半干旱地区, 北部属干旱区, 南部属半干旱区。 流域地处黄土高原和毛乌素沙漠过渡地带的东段, 受大陆季风影响较大, 冬季严寒雪少, 春季干旱雨稀, 夏季常有暴雨, 秋季霜冻早。流域下垫面条件复杂, 上游是风沙草原区, 中下游是黄土丘陵沟壑区; 地表植被稀少, 林草覆盖面积不足 10% ; 流域内水系比较发 达, 冲刷沟发育充分, 多呈树枝状分布, 沟壑密度 5~ 9 km/ km 2, 谷深多在 100m 以上。
到干旱条件 ( A M CI) 下的 CN 1值和湿润条件 ( A M CIII) 下的 CN 3 值。CN 2 值与土壤的
渗透性、土地覆被/ 利用、田间管理水平等因素密切相关, 在 SWAT 2005 中, CN 2是植被
蒸散发的函数, 前期土壤湿度对 CN 2 的影响较大, 当日土壤含水量对 CN 2的影响相对较
给河流, 且假定浅层饱水带中的水位大于给定的临界值才产流; 向下运动补给深层地下 水, 补给量的大小与地下水的总补给量成正比关系。浅层地下径流的水量平衡方程为:
2 SW A T 的水源划分与演算
SWA T 模拟的径流成分包括坡面地表径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流 4
部分。到达地面的降水, 由改进的 SCS 曲线数方法或 Green & Ampt 方法计算地表径流;
下渗的水分成为土壤水, 土壤水在土层间进行再分配, 壤中流计算采用动态蓄量模型; 渗
w2 % SW ) ]
( 1)
式中: S 为日土壤滞蓄量; Smax 为日最大可能滞蓄量; S W 为当日土壤含水量; w 1 、
w 2为形状系数。最大滞蓄量可以在推求 CN 值时求得, 形状系数是与土壤凋萎含 水量、
田间含水量和饱和含水量相关的参数。
SWA T 2005 中, 提出了一种滞蓄量随着植物累计蒸散发量变化而变化的计算 方法,
小; CN 1、CN 3的值并没有采用查表的方式得到, 而是通过相应的经验公式进行计算。
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地理研究
28 卷
传统的方法中, CN 2是在坡度为 5% 条件下得到的, Williams 在 1995 年提出了 CN 2 值坡度订正方法[ 6] , 但 SWA T 2005 没有对 CN 2 进行坡度订正, 研究者可以根据需求进行 订正。
蒸散发有关; R day 、Qsurf 分别为日降水和地表径流。 ( 2) CN 2 值计算
SCS 曲线数法假定前期湿润状况 AM C( Ant ecedent M oist ure Cont ent ) 分为 3 种情况,
传统的 CN 值确定是先假定流域处于一般条件之下 ( A MCII) , 然后通过 CN 2 值转换表得
SWAT 2005 有关文档。 2 3 地下径流计算
在 SWAT 中, 浅层地下径流为地下浅层饱水带中的水流, 深层地下径流为地下承压 饱水带中的水流。浅层地下水与土壤水和深层地下水之间都存在相互交换关系。补给地下
水的土壤水量 w seep 为最底层土壤下渗的水量与提前从土壤剖面渗漏出的水量之和, 扣除 补给深层地下水量即为浅层地下水量; 浅层地下水也会因为毛管力的作用向上扩散或被根 系较深的植被蒸腾作用消耗, 在 SWAT 中定义为 r evap 。同时, 浅层地下水水平运动补
摘要: SW A T 是一个基于物理机制的分布式流 域水文模 型, 其产流 机制中 对于地 表径流、壤 中流、浅层地下径流和深层地下径流的模拟方 法比较 实用, 能 够适用于 不同气 候条件 和下垫 面条件下的产汇流情况。本文将 SWA T 应用到黄河中游干旱半干旱区多 沙粗沙典型 流域之一 窟野河流域, 模拟了 1980~ 1985 年的 日流量 和月平 均流量 过程, 分 析并探 讨了 SWA T 产流 机制对水源划分和径流形成过程的 影响。 结果表 明, 水量 平衡 相对误 差在 10% ~ 20% 左 右, 但 N ash Sutticliffe 效率系数都较低。本文对模拟结果进行了初 步分析, 认为 SWA T 产流机制 不能有效模 拟 干旱 半 干 旱 地区 的 窟 野 河流 域 的 壤 中流、 基 流和 春 汛 流 量过 程, 并 探讨 了 SW A T 在干旱半干旱地区产流模拟可能 存在的问题和值得深入研究的方向。 关 键 词: SW A T ; 产流机制; 窟野河流域; 干旱半干旱区 文章编号: 1000 0585( 2009) 01 0065 09
CN 2值计算也进行了相应的改进。
S=
S prev +
E0 % exp -
cncoef S max
S pr ev
-
Rday -
Qsu rf
( 2)
式中: S 为日土壤滞蓄量; Sprev 为前一天土壤滞蓄量; Smax 为日最大可能滞蓄量; E0 为日潜在蒸散发量; cncoef 为权重系数, 用于计算滞蓄量和 CN 值之间的关系, 与植物的
E mail: ch arli e@ mail bnu edu cn * 通讯作者: 徐宗学 ( 1962 ) , 山东淄博人, 教授, 博士生导师。主要从事水文与水资源相关研究。
E mail: zxx u@ bnu edu cn
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地理研究
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域[ 22] 、潮白河流域[ 23] 等地区的水沙或营养物质模拟中效果也很好; 此外, 张建云等[ 2] 、 陈军峰等[ 24] 、刘吉峰等[ 25] 还把 SWA T 用于研究气候变化、L U CC 等对水资源的影响。从 国内外的应用研究来看, SWAT 在湿润、半湿润的水沙和营养物质模拟中效果较好, 经 过改进的 SWAT 在寒旱区的融雪径流模拟中也能取得较好的效果, 然而 SWAT 在干旱半 干旱地区的水沙模拟情况较少涉及, 在干旱半干旱地区的水资源模拟与管理中应用较少, 对 SWAT 产流机制的探讨亦不多见。本文将 SWA T 应用到黄河中游干旱半干旱地区的窟 野河流域, 分别进行了月径流和日径流连续模拟, 并分析了 SWAT 的水源划分及其演算 过程, 从产流 机制上 探讨并 总结 了 SWAT 在 干旱 半干 旱地 Baidu Nhomakorabea的适 用性 和局 限性, 为 SWAT 在干旱半干旱区的应用研究和模型的改进奠定了基础。
第 28 卷 第 1 期 2009 年 1 月
地 理研 究 GEOGRAPH ICAL RESEARCH
V o l 28, N o 1 Jan , 2009
SWAT 在干旱半干旱地区的应用
! ! ! 以窟野河流域为例
程 磊, 徐宗学* , 罗 睿, 米艳娇
( 北京师范大学 水科学研究院 水沙科学教育部重点实验室, 北京 100875)
2 1 地表径流计算
在 SWA T 2005 中, 地表径流的计算用改进的 SCS 曲线数方法进行计算, 对滞留量和
CN 值两个参数提供了可供选择的修正计算方法。
( 1) 滞蓄量的改进计算
传统的方法是滞蓄量随着土壤含水量的变化而变化, 计算方法如下:
S=
S max
1-
[ SW +
SW exp( w 1 -
收稿日期: 2008 02 28; 修订日期: 2008 07 27 基金项目: 国家自然科学基金( 50579003) 和 十一五 国家科技支撑计划资助项目( 2006BA B06 B01 09 01) 。 作者简介: 程 磊 ( 1982 ) , 湖北丹江口市人, 在读博士生。主要研究方向流域水沙过程分布式模拟。
2 2 壤中流计算
渗入土壤的水量是当日净雨与地表径流量的差值, 扣除渗漏出土壤底层的水量之后即 为当日滞留在土壤层内的水分, 这部分水分在不同的土壤层之间进行再分配。
w inf = Rday - Qsurf
( 3)
式中: w inf 为入渗量; Rday 为扣除初损的降水量; Qsurf 为经过修正的地表径流量。
在 SWAT 土壤水分计算中, 考虑了表层土壤龟裂对地表产流量的影响, 计算出地表 径流量后, 估算土壤层龟裂导致水量提前穿透引起的地表径流减少量, 并对地表径流进行 修正。SWAT 中假定, 只有在上层土壤达到田间持水量且下层土壤未饱和的情况下, 多
余的水分才有可能 下渗 到下 层土壤, 上下 两层 之间 水分 传输 量用蓄 量演 算方 法计 算。 SWAT 中采用动态蓄量模型对壤中流进行计算, 并假定只有在水分达到田间持水量之后 才产流, 最大产流量为大 于田间持水量 的部分, 不同 情况下的 壤中流计 算公式可 参见