基于SWAT模型的里下河平原区水文模拟_项瑛

24
其他林地
ORCD
0.08
31
高覆盖度草地
PAST
0.20
32
中覆盖度草地
0
33
低覆盖度草地
0
41
河渠
WATR
9.72
42
湖泊
0
43
水库坑塘
0
0
45
滩涂
0
51
城镇用地
URHD
1.52
52
农村居民点
URMD
6.06
53
其他建设用地
0
业大学及国土资源相关科研工作者将中国区域土 壤数据转换到 FAO-90 土壤分类体系上 。 [11] HSWD 中的中国土壤粒径分类系统与 SWAT 模型采用的美 国制土壤分类体系略有差别，其差别体现于对壤土 （SILT）粒径大小的定义[12]，如表 2 所示，但此差别并
http://www.resci.cn
1182
资源科学
第 37 卷 第 6 期
东部沿海平原地区水文模拟的适用性，并提出相应 水文过程的建模方法与参数率定，以期为该流域水 资源管理和生态环境保护提供相应的科学依据。
2 研究区概况
里下河平原地区位于江苏省中东部，界于 119° 12′-120°56′E、32°12′-34°10′N 之间，西起里运河， 东至串场河，北自苏北灌溉总渠，南抵通扬运河，总 面积约 1.35 万 km2，主要包括盐城、淮安、泰州和扬 州等部分地区（图 1）。里下河平原地势极为低平， 而且呈现四周高、中间低的形态，状如锅底，水系密 集、河网交错，流向复杂且水量交换频繁。该地区 排水除由江都抽水站抽排进入长江外，其余由射阳 河、黄沙港、新洋港、龙斗港等排水进入黄海。该地 区位于温带季风气候向亚热带季风气候过渡地区， 受 季 风 气 候 及 江 淮 梅 雨 影 响 显 著 ，多 年 平 均 （1961-2012 年）最高、最低气温分别约为 19.44℃和 10.94℃，多年平均降水量为 1 010.34mm。其中汛期 （5-9 月）降水量约占全年降水量的 70.49%，汛期降 水量主要由 6、7 月间的梅雨和 8、9 月间的台风暴雨 组成，此阶段易发暴雨洪涝灾害，1961-2012 年来主 要的洪涝年份为 1962 年和 1965 年的梅雨加台风暴 雨洪涝，1954 年、1980 年、1991 年、2003 年、2005 年 和 2006 年的梅雨洪涝[9]，因此，里下河平原区汛期的
本文采用 SWAT 模型，基于气象、土地利用、土 壤等时空数据对里下河平原地区进行水文过程模 拟，针对平原区水系提取与合理概化以及人工修订 子流域做了试探性的改进，旨在探究该模型在我国
收稿日期：2014-02-18；修订日期：2015-04-09 基金项目：科技部农业科技成果转化资金项目（2012GB24160605）。 作者简介：项瑛，女，江苏南京人，副研究员，主要从事气候变化、气候影响评估业务和服务工作。E-mail：jsqxxy@163.com
平原区的地形地貌和气候特征与山丘区不同， 加之人类活动影响较大，使得相应的产汇流过程变 得更为复杂[13]。建模难点主要有：①平原区地势平 坦，仅基于 DEM 提取河网与实际相差很大；②河网 交错，结构复杂，河道常呈分叉或网状，使 SWAT 模 型无法准确识别，影响子流域边界划分；③圩堤闸 坝等水利工程对天然水文过程的影响。
粒径 0.050~2.000
粒径 0.062 5~2.000 0
石砾（ROCK）
粒径>2.000
粒径>2.000 0
http://www.resci.cn
1184
资源科学
第 37 卷 第 6 期
表 3 里下河平原区各土壤类型及相应面积比例
Table 3 Soil type of study area
摘 要：本文以江苏里下河平原区为研究对象，结合该流域 DEM 与实测水系，运用凹陷化算法提取河网，并通 过人工修正以实现河网的合理概化，使提取的河网水系等要素基本符合里下河区域实际水文状况。然后构建里下 河平原区 SWAT 水文模型，以 2006-2011 年水文站汛期流量数据为基础，对该区域水文进行模拟，并对模型的适用 性做了评估。研究结果表明：影响该区域径流模拟前三位敏感参数分别为径流曲线数（CN2）、土壤蒸发补偿系数 （ESCO）和基流α系数（ALPHA_BF）；经模型参数率定与验证检验，得出汛期内月模拟流量与实测流量的相关系数 R2、Nash-Sutcliffe 效率系数 ENS 均在 0.80 以上，相对误差|Re|均小于 5.0%，表明 SWAT 模型在里下河平原区月径流模 拟较好的适用性。该研究探讨了平原区分布式水文模型的应用，可为里下河平原区未来的水资源规划管理提供了 科学参考依据。
编号 SWAT 中代码 国际制名称 中国制名称 面积比例/%
1
FLc
石灰性冲积土 褐土
6.32
2
FLe
饱和冲积土
潮土
1.11
3
FLs
萨利克冲积土 灰潮土
0.04
4
GLm
松软潜育土
草甸土
2.62
5
ATc
堆垫人为土
水稻土
源自文库
60.91
6
ALp
网纹强酸土
棕壤
2.31
7
ACp
网纹强淋溶土 黄棕壤
21.06
8
GLe
本文涉及的数据包括：数字高程模型（90m 分辨 率的 DEM）来自地理空间数据云平台（http：//www. gscloud.cn/），基于 ArcGIS 平台对其进行多幅拼接、 投影转换、裁剪等一系列预处理操作，生成模型所 需的数字高程数据，如图 2a 所示。土地利用数据是 由 地 球 系 统 科 学 数 据 共 享 平 台 提 供（http：//www. geodata.cn/Portal/），按国家土地资源二级类型分类， 结合研究区特点和 SWAT 模型分类系统进行重分 类，如图 2b 所示，其中输入模型之前的土地利用分 类值与模型中对应代码如表 1 所示。土壤数据来源 于联合国粮农组织（FAO）与维也纳国际应用系统 研 究 所（IIASA）所 构 建 的 世 界 和 谐 土 壤 数 据 库 （HWSD）[10]，该数据库中国部分来源于 1995 年全国 第二次土壤调查，由南京土壤科学研究所、中国农
作物相关参数、土壤参数、河道参数等可直接选用 备用数据。
针对 SWAT 模型平原区应用问题，国内外许多 学者进行了试探性研究，如 Cho 等基于 SWAT 模型 对美国西南佐治亚州沿海平原区域水文过程进行 模拟，表明 SWAT 模型能够在无测站平原流域提供 具有较为精确物理基础的水文过程[5]；Amatya 等采 用 SWAT 模型对沿海地势平坦的森林流域进行水文 过程研究，取得了较好的模拟效果，但需要提高对 平 原 区 水 文 过 程 的 不 确 定 性 研 究 [6]；苏 宝 林 等 将 SWAT 模型应用于赣江下游平原圩区的水文过程模 拟，得出结合人工干预技术后能够实现 SWAT 模型 对平原圩区水文过程的合理模拟[7]；郑捷等利用改 进的 SWAT 模型在汾河灌区进行水量平衡模拟中取 得较好的模拟效果[8]。
饱和潜育土
沼泽土
4.13
9
WR
内陆水域
水体
1.52
生成的河网。由江苏省气象局提供的阜宁、淮安、 建湖、盐城等 13 个气象观测站 1961-2012 年逐日降 水、气温、风速等资料计算模型天气发生器的统计 参数，便于生成该区域气候态数据，精确预测某一 时段无观测资料区域的水文过程。 3.2 SWAT 水文模型构建
第 37 卷 第 6 期 2015 年 6 月
2015，37（6）：1181-1189
Resources Science
Vol.37，No.6 June，2015
文章编号：1007-7588（2015）06-1181-09
基于 SWAT 模型的里下河平原区水文模拟
项 瑛 1，张余庆 2，程 婷 3
（1. 江苏省气候中心，南京 210008；2. 南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044； 3. 江苏省气象信息中心，南京 210008）
表 1 里下河平原区土地利用类型重分类类型 及相应面积百分比
Table 1 The reclassification of landuse in Lixiahe basin
代码 名称
SWAT 中类别
面积百分比/%
11
水田
RICE
78.75
12
旱地
AGRL
3.65
21
有林地
FRST
0.02
23
疏林地
0
http://www.resci.net
图 1 里下河平原区地理位置
Figure 1 Location of the Lixiahe region
2015 年 6 月
项 瑛等：基于 SWAT 模型的里下河平原区水文模拟
1183
图 2 里下河平原区 DEM、土地利用类型和土壤类型
Figure 2 DEM，landuse and soil in this study area
不 影 响 数 据 质 量 ，因 此 无 需 进 行 土 壤 粒 径 标 准 转换。
采用 ArcGIS 平台对其进行相关预处理操作，得 出流域土壤类型空间分布，如图 2c 所示。运用土壤 水特性软件（Soil Plant Atmosphere Water，SPAW）计 算土壤有效持水量（SOL_AWC）、湿密度（SOL_K）以 及 饱 和 导 水 率（SOL_BD），土 壤 水 文 分 组 （HYDGRP）、湿土反照率（SOL_ALB）以及土壤可侵 蚀 K 因子（USLE_K）等参数可根据相关经验公式求 得，由此完成了土壤数据参数库的构建，根据表 3， 水稻田占研究区总面积的一半以上。由江苏省水 文局提供的阜宁（射）、黄土沟和大团水文站 20062011 年汛期（5-9 月）逐日流量观测资料，主要用于 模型参数率定与验证评价。实测水系资料来源于 中国科学院资源环境科学数据中心，用于校准 DEM
水文模拟显得格外重要。
3 数据来源与研究方法
3.1 数据来源及预处理 构建 SWAT 水文模型所需的基础数据主要包括
流域数字高程模型（DEM）、土壤类型数据、土地利 用类型数据和水文气象数据。所有输入的空间数 据需具有相同的地理坐标和投影坐标系统，本文结 合模型结构特点采用 WGS_1984 地理坐标和 Albers 投影坐标系统。
关键词：里下河平原；SWAT 模型；水文模拟
1 引言
一般平原型集水区无自然分水岭，集水区边界 较为模糊，通常通过涵闸和圩堤建设而人为设定其 边界，水系结构呈网状，产汇流受到人类强烈干扰， 流向不定[1]，尤其是大江大河的中下游平原地区容 易遭受旱涝灾害以及面源污染，对平原区水文过程 模拟和分析显得格外重要。因而平原河网地区具 有地势平坦、河网密集交织复杂的空间水文特征， 这导致难以提取水系及空间水文单元离散化。传 统的基于 DEM 数字河网提取的 D8 算法[2]，基于不规 则三角网的河网提取算法等[3]已不能有效解决平原 区 河 网 提 取 问 题 。 SWAT（Soil and Water Assessment Tools，SWAT）模型[4]为典型的分布式水 文模型，能够综合考虑地形、气候、土壤、土地利用 及覆被等自然因素的作用，具有很强的物理基础。 该模型不仅能模拟水循环过程，还能以水循环为载 体，研究水土流失、营养物质输移、农药、病原菌等 物质循环过程。它具有强大的模型数据库，除地形 和土地利用等少量基本数据资料外，很多参数，如
SWAT 模型具有分布式运算特征，首先基于流 域最小汇水面积阈值，将全流域划分成若干个子流 域，再根据不同的下垫面特征，将每个子流域进一 步 化 分 成 多 个 水 文 响 应 单 元（HRUs，Hydrological Response Units），再计算每个 HRUs 尺度上的水循环 特征，并通过河网将若干个 HRUs 构成的子流域进 行有机连接，计算效率较高。SWAT 模型计算主要 分为两大过程：水循环的陆面过程（即产流和坡面 汇流）与水循环的水面过程（即河网汇流），前者控 制着每个子流域内主河道的径流、泥沙、污染物等 的输入量，后者决定着这些物质从河网向流域出口 的输移过程。
针对上述主要问题，提出以下解决方法： （1）结合流域 DEM 与实测水系，运用“Burn in” 凹陷化算法对原始 DEM 进行修正以及人工定义河 网的方法来解决河网提取失真问题，“Burn in”算法
表 2 两种土壤粒径标准
Table 2 The standard of soil particle
（mm）
名称
美国制（SWAT 模型输入） FAO-90 分类标准
黏土（CLAY）
粒径<0.002
粒径<0.002 0
壤土（SILT）
粒径 0.002~0.050
粒径 0.002 0~0.062 5
砂土（SAND）