（水文学及水资源专业论文）swat分布式水文模型的应用及与新安江模型的对比研究.pdf

摘要 摘要 分布式水文模型的研究主要涉及径流、人类活动对径流的影响、水质、生态演化 的模拟和水文过程的物理机制。 本文选择黄河上游自河流域和钱塘江密赛流域作为研究区域，结合遥感和地理信 息系统，应用分布式水文模型s 、聃叮模型，对研究区域的径流变化和水量平衡进 行了模拟研究，并进行分析与探讨。结果表明，s w a t 模型总体上能够预测大面积流 域的产水量，具有一定的精度，可以为水资源规划等工作提供科学的决策。同时，将 新安江模型也应用在了上述两个地区，将其模拟结果与s w a t 模型的模拟结果进行对 比分析。得出以下主要结论： ( 1 ) 进行了分布式水文模型对高原寒区白河流域的模拟研究。本文以唐克水文站作为 流域出1 2 断面，采用唐克站逐月实测径流资料进行径流模拟及验证。从模拟结果的精 度看，s w a t 模型可以满足高山寒冷和资料缺乏地区的水文过程模拟，同时也为研究 黄河河源地区的水文过程提供了新的手段。 ( 2 ) 将英国e a s ta n g l i a 大学的c l i m a t i cr e s e a r c hu n i t ( 简称c r u ) 提供的1 0 ”1 0 ”的栅格气象资料应用于白河流域和密赛流域的径流模拟之中，为无气象资料地区的 s w a t 分布式水文模型的应用提供了可能。 ( 3 ) 进行了分布式水文模型对湿润地区密赛流域的模拟研究。本文以密赛水文站作为 流域出1 ：3 断面，将密赛流域划分为1 1 个子流域和3 0 个水文响应单元，采用c r u 气象 数据集作为气象输入资料，以密赛站逐日实测径流资料进行日、月径流模拟及验证， 获得了较好的模拟精度。 ( 4 ) 获得了密赛流域1 9 7 6 1 9 8 9 年的水量平衡结果，该水量平衡揭示了地表径流、蒸 散发、深层下渗所占降雨量的百分比，为认识该流域的水循环提供数据依据。 ( 5 ) 将新安江模型成功应用到白河流域和密赛流域，将产生的模拟结果与s w a t 的模 拟结果进行对比分析。在白河流域，新安江模型的模拟结果略好于s w a t 模型。在密 赛流域，新安江模型的日模拟结果略好于s w a t 模型，而s w a t 模型的月模拟结果则 略好于新安江模型。 关键词：s w a t 模型、新安江模型、c r u 数据集、径流模拟、 水量平衡 a b s t r a c t a b s t r a c t d i 曲m 加t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l sa r ear e s e a r c hw h i c hr e l a t e dt h en m o f l ；e f f e c to f t h eh u m a n a c t i v i t y , w a t e rq u a l i t y , s i m u l a t i o no f e c o l o g yc h a n g ea n dp h y s i c so f h y d r o l o g y t h i sp a p e rc h o o s e st w ob a s i n sa st h er e s e a r c ha l e a o n ei st h eb a i h eb a s i ni nu p s t r e a mo f h u a n g h er i v e r , a n dt h eo t h e ro n ei sm i s a ib a s i ni nq i a n t a n g j i a n gr i v e r a u t h o ra p p l i e s t h es w a tm o d e l ，ad i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ，i nt h et w ob a s i n s , a n da n a l y z e st h e r a i n f a l l r u n o f fr e l a t i o n s h i pa n dw a t e r - b a l a n c e , s u p p o r t e db yg i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) a n dr e m o t es e n s i n g t e c h n o l o g y t h er e s u l ts h o w st h a ts w a tm o d e l c a ns i m u l a t et h e w a t e ry i e l d ，a n dm a k et h es c i e n t i f i cd e c i s i o nf o rw a t e rl e s o u r c el a y o u t a tt h es a l et i m e , a u t h o ra p p l i e dt h ex i n a n j i a n gm o d e li nt h et w ob a s i n s a n dc o n t r a s t e dt h er e s u l tw i t h o u t c o m eo f s w a tm o d e l t h em a i nc o n t e n t si n c l u d i n g ： ( 1 ) a u t h o rc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o no f b a i h eb a s i nw i t ht h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l b ym a k i n gt a n g l ed i s c h a r g es t a t i o na st h eo u t l e to f t h eb a i h eb a s i nw i t ht h ec a l i b r a t i o na n d v a l i d a t i o no fm e a s u r e dm o n t h l yr u n o f fd a t af r o mt h et a n g k eh y d r o l o g i cs t a t i o n f r o mt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n , t h es w a tm o d e ls a t i s f i e st h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s so fs i m u l a t i o ni nt h e c o l dm a i n t a i na n dl a c k - d a t ao f p l a c e t h i sr e s u l to f s i m u l a t i o np o i n t so u tt h en e wm e t h o dt o s t u d yt h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s so f t h e $ o u i c ea r c ao f y e l l o wr i v e r ( 2 ) s u c c e s s f u la p p l y i n gt h eg r i dw e a t h e rd a t ai nt w ob a s i n s , t h ed a t as u p p o r t e db yc l i m a t i c r e s e a r c hu n i to fe a s ta n g l i au n i v e r s i t yi ne r l g l a n d t h i sm e t h o dg i v e sac h a n c et ou s e s w a tm o d e li nt h e p l a c ew i t h o u t w e a t h e rd a t a ( 3 ) a u t h o rc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o no f b a i h eb a s i n 州t i lt h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l d i v i d i n gt h em i s a ib a s i ni n t o 1is u b b a s i n sa n d3 0h r u s ，u s i n gt h ec r ud a t aa st h e w e a t h e ri n p u tf i l e s a n dm a k i n gm i s a id i s c h a r g es t a t i o na st h eo u t l e to f t h em i s a ib a s i nw i t l l t h ec a l i b r a t i o na n dv a l i d a t i o no fm e a s u r e dd a i l ya n dm o n t h l yr u n o f fd a t af r o mt h em i s a i h y d r o l o g i cs t a t i o n , t h es a t i s f i e dr e s u l tw a sg a i n e d ( 4 ) a u t h o rg o tt h er e s u l to fw a t e rb a l a n c eo fm i s a ib a s i nf r o m1 9 7 6t o1 9 8 9 t h er e s u l t s h o w st h ep r e s e n to fs u r f a c er u n o f f , e v a p o t r a n s p i r a t i o n ，i n f i l t r a t i o ni nt h er a i n f a l l ，o f f e r st h e d a t at ok n o wt h ec i r c u l a t i o no f w a t e r ( 5 ) a u t h o ra p p l i e dx i n a n j i a n gm o d e li nb a i h eb a s i na n dm i s a ib a s i ns u c c e s s f u l l y , a n d c o n t r a s t e at h er e s u l tw i t ho u t c o m eo fs w a tm o d e l n l er e s u l to fx i n a n j i a n gm o d e li sa “t t i eb e t t e xt h a ns w a tm o d e li nb a i h eb a s i n 1 1 l er e s u l to fm o n t hs i m u l a 6 0 i li sb e t t e rt h a n x i n a n j i a n gm o d e li nm i s a ib a s i n , a n dt h er e s u l to f d a ys i m u l a t i o ni so p p o s i t e k e y w o r d s ：s w a tm o d e l ；x i n a n j i a n gm o d d ；c r ud a t a ；r u n o f f s i m u l a t i o n ； w a t e l fb a l a n o e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盏l 童妒$ 年，月二，日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 ，lo 论文作者( 签名) ：竺i 叠沙$ 年，月二，日 ( 注：手写亲笔签名) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 2 0 世纪后半叶，由于电子计算机的出现，各种新的观测技术的应用和系统科学及 数学的发展，提出了流域水文模型的概念与方法。因此，流域水文模型成为水文科学 中一个最重要的分支之一，成为研究水文自然规律和解决水文实践问题的主要工具。 水文模型以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型， 通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和 分布，以及物理和化学特性。流域水文模型的研究大约始于2 0 世纪5 0 年代，经过半 个多世纪的发展，流域水文模型已在水利工程规划设计、洪水预报、水资源开发利用、 水库设计与调度、道路规划、城市规划、面源污染评价、土地利用变化的水文过程响 应、人类活动的流域水文和生态过程响应等诸方面得到广泛的应用。 严格来说，流域水文模型可分为确定性模型和随机( 统计) 模型【”j 两大类。但是 在实际中，流域水文模型一般是指确定性模型。从反映水流运动物理规律的科学性和 复杂程度而言，水文模型通常被分为三大类：系统模型( 也即黑箱模型，b l a c k - b o x m o d d ) 、概念性模型( c o n c e p t u a l m o d e l ) 和物理模型( p h y s i c a u y - b a s e d m o d e l ) 。 从反映水流运动空间变化的能力而言，水文模型又可分为两类：集总式模型 ( 1 u m p e dm o d e l ) 和分布式模型1 4 】( d i s t r i b u t e dm o d e l ) 。而物理模型都是分布式模型。 此外，介于集总式模型和分布式模型之间，还有一种所谓的“半分布式”水文模型， 其典型代表是以地形为水文过程空间变异性基础的t o p m o d e l 模型1 5 】，而s w a t 模型 【6 j 就是一种半分布式水文模型。 长期以来，由于计算能力、资料获取以及水文学本身的复杂性等各方面原因，流 域水文模拟一般只能将流域作为一个整体，由流域平均降雨过程和平均状态参数来推 求流域出口断面的流量过程，使得模拟效率较低。因为不仅降雨具有随时问变化的空 蒯分布特性，而且流域土壤、植被、地形、地貌，地质等自然地理条件的空间差异也 很大，其中流域空间地形对降雨径流过程起着最为重要的作用。因此，将这种水文要 素本来不均匀的流域，硬性地作为一个空问均匀化的整体来处理，得到的流域产汇流 基于s w a t 分布式水文模型的对比应用j 研究 过程显然只能是空间均化的结果。因此，集总式流域水文模型的使用精度往往不能令 人满意。 但是，随着计算机技术、电子技术、g i s ，r s 和数字技术的发展，出现了分布式水 文模型。分布式水文模型由于考虑了流域内水文要素的时空差异，而成为未来水文模 型发展的必然趋势。数字地形模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，简称d t m ) 或d e m 能够 定量地提供流域地形、地貌的空间分布特性。借助r s 技术以及不断发展并逐渐成熟的 g i s 软件系统，不但可以解决降雨和下垫面条件的空间分布不均匀问题，而且可以自 动提取流域水文模型中所需要的地形地貌特征值。同时，由于模型建立在d e m 之上， 所以能及时地模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响。因此，分 布式流域水文模型有望尽可能真实地模拟流域产汇流过程的空间变化，己成为流域水 文模型一个新的发展方向，是当前水文建模领域研究的热点、难点和重点之一。分布 式水文模型不仅可以帮助人们更加深入地了解水文循环在不同时间和空间尺度上的演 变规律和过程，而且为综合解决实践中各种与水文循环紧密相关的问题，提供了一个 更加有效的框架和平台。 1 1 1 分布式水文模型的研究目的 分布式水文模型的研究一般可认为始于1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表的“一个具 有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图( f h 6 9 蓝图) ”的文章川。之后，众多水文 学家开始致力于具有物理基础的分布式水文模型的开发研制与应用，并取得了一定成 果3 1 。现有的大部分具有物理基础的分布式水文模型几乎都是基于f h 6 9 蓝图所构建 的。尽管它们的流域离散化方法和描述水文过程的控制方程及其求解方法各有不同， 但无一例外地是以f h 6 9 蓝图作为径流过程描述的基本框架，即以质量、能量和动量方 程描述自然系统，通过连续控制方程计算水量和能量的变化过程，并考虑各变量及参 数的空间变异性。 分布式水文模型主要研究四类问题：( 1 ) 水文过程物理机理研究；( 2 ) 径流形成 与演算；( 3 ) 人类水事活动对水资源的影响；( 4 ) 环境和生态水文模拟。分布式水文 模型的主要应用领域包括：( 1 ) 水资源评价、规划及管理；( 2 ) 洪水实时预报；( 3 ) 土壤侵蚀和水土流失；( 4 ) 地表水和地下水污染；( 5 ) 节水灌溉；( 6 ) 水生态；( 7 ) 土地利用变化影响；( 8 ) 气候变化影响；( 9 ) 人类活动影响【i 。 国际水文科学办会提出了今后以下研究重点：水文循环的化学和生物分支；不同 2 第一章绪论 水文尺度之问的互相转换；陆地表面与大气之间的相互作用；人类活动的水文效应； 水量和能量的全球尺度观测，这些研究内容都涉及分布式水文模型。 1 1 2 分布式水文模型研究的手段 分布式水文模型最主要的研究手段包括两个方面：( 1 ) 建立分布式水文模型的平 台，如采用g i s ；( 2 ) 获得大范围的空间信息和资料的方法，如采用r s 手段。 ( 1 ) g i s 在分布式水文模型中的应用 地理信息系统是具有空间数据存储和处理能力的数据库，它不但具有管理以及产 生各类地图产品的能力，同时具有多种分析、模拟及决策应用的能力。g i s 的一个重 要功能就是通过模型来模拟物理、化学或生物过程，过程模拟算法可以是复杂的确定 性模型，也可以是系统性模型，唯一所需就是在建模时具有把空间数据和各类图层做 为输入利用的能力。数字高程模型、土地利用数据和土壤数据成为地理信息系统数据 库的一个基本信息来源，为模拟流域水文循环的空间变异性提供了必需的支持，值得 一提的是u s g s 建立的d e m 产品成为众多研究者的对象。近十年来的研究证明了从 d e m 中提取水文学者感兴趣的流域信息是可行的，例如反映流域水文特性的地貌参 数，包括：坡度和流向；河网生成；子流域特性等，并克服了人工提取耗时、易错和 主观性强的缺点明。 基于不同d e m 格式的流域信息提取方法不同。针对不规则三角网( t d 田和等高线 ( c o n t o u r ) 格式的算法比较困难，目前使用还不普遍，栅格( g t i d ) d e m 的处理算法简单， 己形成系统的流域水文参数提取处理方法。其基本思想是把空间任意一点的无穷方向 的水流方向概化为相邻的8 个单元格中的一个或几个，即8 邻域法( d 8m e t h o d ) 。坡度 和流向处理的两类基本假设是：任意一个单元格只有一个出流方向，也就是坡度最陡 方向；或一个单元格的出流量由各个方向的坡度权重来决定，也就是多向出流分配法。 河网生成的基本假设是任意一个单元格的集水面积如果大于使用者定义的阈值，其既 为河道，否则为坡面。对每个单元格都计算流向和集水面积属性，河网一旦生成，则 可根据s t r a h l e r 定义为河网分级。子流域信息的提取是在河网生成的基础上，确定每个 河道单元格的左右岸集水面积，并赋予相应的代码。单个子流域信息提取后，则可计 算流域的坡西长度和坡度等集总式信息。 ( 2 ) r s 在分布式水文模型中的应用 r s 是不接触目标对象通过波谱特性获取信息的- - f l 科学。在水科学中r s 信息具 摹于s w a t 分布式水文模型的对比应用与研究 有四个方面的特点：提供空间数据，而非点数据；可提供传统方法难以获取的水 文要素，如土壤含水量，雪水容量等；可获得大区域高分辨率的实时信息；可提 供无资料地区的长期信息或全球范围的信息。充分或尽可能地利用遥感信息对水文学 的整体发展必将带来广泛而深远的影响【嘲。 基于r s 的分布式水文模型，已经提高了精度并且模型更易于使用，如何更好地融 合r s 提供的水文信息，分布式水文模型逐渐显现出以下四个方面的趋势：模型的结 构趋于复杂及更具有物理意义。但复杂的水文模型不一定比简单的模型有更好的模拟 结果，而且复杂模型通常包含更多的参数，它们可能带来更多的错误；模型的目的 多元化。分布式水文模型不仅要提高准确度，而且要在变化的环境下应用，如土地利 用变化下的水文效应，对于这些问题简单的模型无能为力；分布式水文模型要求高 时空分辨率的信息，目前其输入资料还不能满足要求；分布式水文模型本身不应成 为发展的目的，针对不同的研究目标，开发不同的模型。回顾水文模型的发展过程， 模型结构的建立主要考虑模型如何率定和校正，例如通常降水、径流和辐射等输入因 素决定了模型如何搭建，而其它很多重要因素，例如土壤含水量，其对水分的垂直输 移( 蒸散发、下渗) 和侧向输移( 地表径流、壤中流、地下径流) 影响十分重要，却考虑不 多。随着r s 技术，特别是微波遥感的发展，它将不仅是解决分布式水文模型资料缺乏 的一个有效手段，并会对模型的结构产生很大影响。 1 2 分布式水文模型研究进展 分布式水文模型参数具有明确的物理意义，通常将流域划分成一些小的地域单元， 这些地域单元可以是格网也可以是子流域，一般假设这些地域单元内部是均一的，各 地理要素具有相应的模型输人参数，地域单元之间有一定的拓扑关系，通过这种拓扑 关系来确定物质的传输方向。模型在每个地域单元上运行，输出结果通过寻径的方法 到流域出口。分布式参数模型考虑了流域内部各地理因素在客观上存在的空间分布不 均匀性，因此比集总式水文模型具有更高的空间分辨率。 分布式水文模型在垂直方向将土壤分层，考虑水流在每个小单元体内的纵向运动； 在水平方向，考虑各个小单元之问水量的横向交换。考虑这种单元间的横向联系起因 于径流流向的随机性和河网的连通性，而且正是这种联系直接地决定着分布式水文模 型的结构和复杂性。与传统的流域集总式概念性水文模型相比具有以下显著的优点： 具有物理机理，能描述流域内水文循环的时空变化过程；其分布式结构，容易研 4 第一章绪论 究自然和气候变化对水文循环的影响；由于建立在d e m 基础之上，所以能及时地模 拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响。 1 2 1 国外研究进展 1 9 7 9 年b e v e n 和k i r b b y 提出了以变源产流为基础的t o p m o d e l 模型【习 ( t o p g r a p h yb a s e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ) 。该模型将动态变化的产流面积与简单的集总 参数型模型的优点结合起来，主要特征是广泛应用了d e m 技术以及水文模型与地理信 息系统的紧密应用。模型结构简单，模型中的参数具有比较明确的物理意义。该模型 用地形指数叫彰细) 来描述水流趋势，并提出了产流面积变化的概念。但t o p m o d e l 并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义 上的分布式水文模型，这类模型也称半分布式水文模型。 1 9 8 6 年，由英国、法国和丹麦的科学家联合研制了s h e n 1 s 】( s y s t e m e h y d r o l o g i q u e e u r o p 6 e n ) 模型。该模型是第一个真正的或者说具有代表性的分布式水文物理模型。 在s h e 模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模型参数、”降雨 输入以及水文响应的空间分布性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同 层次的土壤水运动问题。 1 9 9 3 年，a r n o l d 为美国农业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 开发s w a t 6 1 ( s o i l a n d w a t e r a s s e s s m e n t t o o l s ) 模型。s w a t 模型是一个具有很强物理机制的、连续的、 长时段的分布式流域尺度水文模型。模型由7 0 0 多个数学方程、1 0 0 0 多个中间变量组 成，能够利用g i s 和r s 提供的空间数据信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物 理过程，包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。最小的模拟单位可以是 一个子流域或者一个单元格。模型可采用多种方法进行流域分割，能够响应降水、蒸 发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。适用于 具有不同的土壤类型、不同的土地利用土地覆被方式和管理条件下的复杂大流域，并 能在资料缺乏的地区建模。 近1 0 年来，国外先后涌现出许多优秀的分布式和半分布式流域水文模型，如： d h s v m 模型1 9 1 ，s l u r p 模型2 0 1 等。 根据国外分布式水文模型的发展现状，可以看出：受水文过程复杂性的限制，现 有分布式水文模型对水文过程的理解还不够透彻，模型所揭示的水文物理过程与客观 世界的实际水文过程之间仍有一定的差距。但是，随着分布式水文模型功能的逐渐加 5 基于s w a t 分布式水文模型的对比腑用与研究 强和对真实水文过程理解的不断深入，模型的模拟精度得以不断的提高。以上模型的 研究与应用，极大地促进了流域分布式水文模型的发展，分布式水文模型已经成为解 决流域水文、生态和环境问题的一个有效手段和途径。 1 2 2 国内研究进展 相对国际水文学界，国内在分布式水文模型方面的研究起步晚一些，但也进行了 有益的探索和研究。1 9 9 5 年，沈晓东等l 在研究降雨时空分布与下垫面自然地理参数 空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上，提出了一种在g i s 支持下的动态分布 式降雨径流流域模型，实现了基于栅格d e m 的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。 2 0 0 0 年任立良、刘新仁2 2 1 在d e m 基础上，进行了河网与子流域编码及河网拓扑关系 的建立；2 0 0 0 年郭生练、熊立华等瞄1 提出过一种的分布式水文模型；2 0 0 2 年刘志雨等 f 2 4 l 提出了一个新的t o p k a p l ( t o p o g r a p h i ck i n e m a t i ca p p r o x i m a t i o na n di n t e g r a t i o n ) 模 型；2 0 0 3 至2 0 0 4 年李兰等 2 5 - 2 6 1 在l li 模型基础上提出了l l 模型；2 0 0 4 年杨大文 等在将分布式水文模型应用于黄河流域；2 0 0 4 年李丽、郝振纯等瞄】提出过一种以 d e m 为基础的分布式水文模型：2 0 0 4 年袁飞、任立良f 捌对基于栅格的汇流方法进行 了研究；2 0 0 5 年张珂、李致家 3 0 1 提出了一个基于d e m 栅格和地形的g t o p m o d e l 模 型。此外，郭生练、刘昌明、芮孝芳、王中根、吴险峰等都对国内外分布式模型的研 究进展做过全面评述【3 l - 3 4 1 。 总之，虽然国内对分布式水文模型的研究起步较晚，而且近年来也取得了一定的 成果，但总体来说，模型的研究尚处于探索阶段，大多数模型均只能应用于特定的研 究区域，尚未出现可以推广的优秀分布式水文模型。与国外常用的分布式水文模型， 如s w a t 模型之间仍存在一定的差距。 1 3 问题的提出 自上世纪9 0 年代以来，黄河河源区降雨量、径流量及径流系数均呈逐步减小的趋 势，降雨量减少较小，而径流系数、径流量减少较大，说明水源涵养能力降低是径流 减少的重要原因。黄河源区水量的减少，将使黄河缺水问题更加尖锐，不仅影响社会 经济的可持续发展，使黄河的综合治理受到严重影响和制约。因此，开展河源区综合 规划，提高河源区水源涵养能力，保护黄河源区，不仅是非常必要的，而且是非常迫 切的，其中径流模拟分析是综合规划的一部分。多年以来，由于该地区自然条件恶劣 6 第一章绪论 和长期投入不足，使水文水资源测报系统建设严重落后，不能及时掌握河源区水资源 变化情况。目前，河源区水文站网平均密度为7 6 2 3 a n 2 站，雨量站网密度平均为 5 5 4 4 k m 2 ，站。站点稀少，水文资料年份较短，都给这些地区的水文分析研究以及整体 规划带来了很大困难，而且这些地区的融雪往往又是形成流域出口断面流量过程不可 忽略的部分，冻土和积雪所占的面积比重是很大的，占流域水资源的很大一部分。因 此，迫切需要建立和完善河源区水文水资源测报系统等，加强对河源区信息的掌握。 密赛流域地处浙江省开化县境内，属湿润地区，降雨充沛。将s w a t 模型应用在 此地区，目的是建立起一个湿润地区的分布式水文模型，分析其降雨径流关系，用于 对比分析s w a t 模型在黄河河源这种高山寒冷地区和密赛这种湿润地区，不同地区、 不同下垫面条件下的应用情况 流域径流过程受降水特性、蒸散发、下垫面状况以及人类活动等综合因素的影响， 使得流域水文现象非常复杂。采用严格的数学、物理方程来描述各个水文过程还比较 困难。现有的水文模型大多是借助于概念性模拟或经验函数关系，但是这样的模型通 用性往往比较差，特别是无资料地区或资料缺乏地区更是难以达到令人满意的效果。 所以，我们选取s w a t 分布式水文模型，将其分别应用于黄河河源的白河流域和钱塘 江流域的密赛流域。 1 4 本文研究的目标与研究思路 本论文的研究内容紧紧围绕s w a t 模型展开，在g i s 技术的支持下，应用s w a t 模型模拟密赛流域产流汇流过程，主要内容有： ( 1 ) 流域空间数据库和属性数据库的构建在实地调查、资料收集与整理的基础上， 以g i s 技术为支撑，按照s w a t 模型的要求，构建研究区的空间数据库与属性数据库。 空间数据库包括：数字地形图、土地利用图与土壤类型图；属性数据库包括：土壤属 性数据库、气象资料数据库等。 ( 2 ) 由于气象资料的获得渠道比较狭窄，在研究区域内又没有合适的气象数据资 料可供使用，所以本文选用英国e a s t a n # i a 大学的c l i m a t i c r e s e a r c h u n i t ( 简称c r u ) 的1 0 ”x1 0 ”气象要素数据集作为气象资料来源，并对原数据集进行处理，获取相对 应研究区域的气象数据。 ( 3 ) s w a t 模型的构建与参数的调整以常规的水文数据和空间数据为基础，并 结合c r u 气象中心的气象数据和同纬度相近高程的气象数据分别构建s w a t 水文模 基于s w a t 分布式水文模型的对比应用j j 研究 型，对黄河河源白河流域的月径流过程进行模拟，并进行月径流的对比和使用不同气 象资料模拟结果的对比分析。 ( 4 ) s w a t 模型的构建与参数的调整以常规的水文数据和空间数据为基础，构 建s w a t 水文模型，对密赛流域的日、月径流过程进行模拟，并进行日、月径流的对 比分析。通过对模型参数的校准，对模型的有效性和适应性进行检验。 ( 5 ) 通过s w a t 模型在不同区域的应用，分析在不同气候条件下、不同下垫面环 境下s w a t 模型的应用情况，验证s w a t 模型的应用范围。 ( 6 ) 将新安江模型分别应用在自河和密赛流域，将应用结果与s w a t 模型产生的 结果进行对比分析研究。 1 5 本文技术路线 s w a t 模型所需要的原始数据主要有：地形资料、河网资料、气象资料，土地利 用，土地覆被类型图、土壤数据、水文观测数据等。技术路线流程如图1 1 所示。 第一章绪论 9 第二章s w a t 模型的摹奉原理和模型结构 第二章s w a t 模型的基本原理和模型结构 2 1s w a t 模型的介绍 s w a t 模型是d r j e f fa r n o l d 为美国农业部( u s d a ) 农业研究服务处( a r s ) 开 发的适用于较大流域尺度的非点源污染负荷计算模型，它的全称是土水评价工具( s o i l a n d w a t e r a s s e s s m e n t t 0 0 1 ) 1 3 5 。s w a t 模型开发的目的就是预测有着复杂变化的土壤、 土地利用和管理方式的较大流域中土地利用及管理方式对于流域产流、产沙及农业区 的化学污染物负荷的影响。 s w a t 模型具有以下几个特点： ( 1 ) 基于物理过程的模拟模型。s w a t 模型没有利用输入输出变量之间的回归公 式，而是需要流域的气候、土壤性质、地形、植被覆盖以及土地利用等数据。然后利 用这些输入数据由s w a t 模型完成水、泥沙的运动过程，作物生长，营养物质循环等 的模拟。这种方式的优点在于即使在那些没有监测数据，比如：水文数据的流域也可 以利用这个模型。而且可以方便地研究不同土地利用、管理方式以及气候气象条件对 于径流变化的影响。 ( 2 ) 该模型计算效率较高。对于较大流域的计算或者不同的流域管理方案的计算 都可以完成而不需要更多的时问或资金上的投入。 ( 3 ) 模型可以模拟和研究一个长期的变化过程。 s w a t 模型是一个模拟连续时闻段的模型，在该模型中没有设计用来模拟单次暴 雨过程的模块。在该模型模拟连续的时问过程时，可以选择天、月、年作为计算步长。 它的计算结果包括各个子流域在各个计算时段的产流、产沙量等结果，同时也有各主 要河道在出口处各计算时段的产流、产沙量等结果。 2 2 模型的发展过程 s w a t 模型综合了几个a r s 开发的模型特点，它最直接的前身是s w r r b 模型 ( s i m u l a t o rf o rw a t e rr e s o u r c ei nr u r a lb a s i n s ) 3 6 1 。另外的一些对于s w a t 的发展有重 要贡献的模型是c r e a m s ( c h e m i c a l s ，r u n o f f , a n de r o s i o nf r o m a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n t s y s t e m s ) 【3 7 l 和g l e a m s 模型( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so n a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n t 1 0 河鬻大事礓士论文 基于s w a t 分布式水文模型的对比应用与研究 s y s t e m s ) 阱】等等。在8 0 年代后期，印第安事务局( t h eb u r e a uo f i n d i a na f f a i r s ) 需要 一个模型来评估在亚里桑那和新墨西哥的印第安保留土地区的水资源管理对于下游地 区的影响尽管s w r r b 可以方便的利用到几百平方公里的流域上，面临的问题却是 如何来模拟一个有几千平方公里的流域的河流。对于这样大的一个面积，需要把流域 分成几个面积在几百平方公里的子流域。在s w r r b 模型中，子流域的划分只限于十 个，而且各子流域的产流产沙量是直接输出到流域出口的。由于这些局限发展了r o t o 模型( r o u t i n go u t p u t st oo u t l e t ) 3 9 1 ，该模型可以把由多个s w r r b 模型运算的结果通 过河道输移计算得到流域产流产沙量，这样就克服了s w r r b 划分子流域的限制。尽 管这个方法是非常有效的，但是多个s w r r b 模型的输入和输出文件的数据量是非常 大的，需要计算机相当大的储存空间。另外，每个s w r r b 模型需要独立运行，然后 输入到r o t o 中进行河道演算。为了克服这些缺点，s w r r b 和r o t o 模型结合到一 个模型中，就是s w a t 模型。s w a t 模型不仅可以模拟较大的区域，同时保留了s w r j 国 模型的许多优点。 自从s w a t 模型在9 0 年代早期开发出以来，它也经历了多次修改和补充。在不同 的版本之间重要的改进如下【3 5 】： s w a t 9 4 2 ：引入了多水文响应单元( m u l 卸l e r i a u s ) 。 s w a t 9 6 2 ：添加了自动施肥与灌溉作为管理选项；增加了植物截留；c 0 2 模块增 加到作物生长模型中来研究气候变化；增加了p e n m a n m o n t e i t h 潜在蒸腾方程式；引用了q u a l 2 e 中的河道中包含营养物的水质方程；河道中杀虫剂 的输移过程。 s w a t 9 8 1 ：改进了溶雪模块；河道中水质运算得到了提高；扩展了营养元素的循 环程序；增加了放牧、施肥等作为管理选项；修正模型使适应于南半球。 s w a t 9 9 2 ：改进了营养物质循环；增加了河岸储存功能模块：增加了s w m m 模 型中的u s g s 利用的城市建设舯刷方程。 s w a t 2 0 0 0 ：增加了细菌的输移程序；使用了g r e e n & a m p t 入渗公式；改进了天 气生成器；允许每天的太阳光照、相对湿度、风速直接读入或生成；允许潜在e t 值可 以读入或生成；改进了高程处理过程；增加了马斯京根法。 目前s w a t 模型的最新版本是s w a t 2 0 0 5 ，其加入了敏感性分析、自动率定和不 缺定性分析三个模块。另外，为s w a t 模型开发的界面有用v i s u a lb a s i c 开发的w i n d o w s 第二章s w a t 模型的基本原理和模型结构 界面、与g i s 相结合的g r a s s 界面、a r c v i e w 界面和a r g g i s ，这样大大增加了模型 的易用性。 2 3s w a t 模型的应用情况简述 s w a t 模型可用于水文评价的许多方面，概括起来主要用于流域水文循环的模拟 预测，土地利用管理措施的评价，非点源污染管理和土壤侵蚀预测等。下面就简要介 绍s w a t 模型在以上方面的应用研究进展，并归纳s w a t 模型在国内的应用现状。 2 3 1 国外研究进展 径流模拟是水文模拟研究中最基本、最重要的一个环节，也是研究其它水文问题 的基础。以a r n o l d 为首的工作组，选择美国不同州县、不同流域为研究对象，分别从 整个国家尺度、流域尺度以及小流域尺度验证了s w a t 模型在径流模拟方面的适用性。 m a n g u e r r a 和e n g e l t 4 0 探索了一种应用s w a t 模型提高径流模拟精度的方法，尤其是对 于缺乏观测数据用于校准的地区，具体方法主要是通过调整基流对于河道流量的贡献 率以及c n 值随时空变化的规律来实现的。在德国阿勒河流域，f o h r e r 等【4 1 】发现地表 径流对土地利用变化最为敏感。w e b e r 掣4 2 】研究的结果表明，河道流量与地表径流量 随着林地面积的减少和草地面积的增加而增加。h e r n a n d c z 等 4 3 1 认为s w a t 模型可以很 好的反映土地覆被变化条件下的多年降水一径流关系。s t o n e f e l t 等 4 4 1 的研究表明，气 候变化的水文效应主要取决于水文气象要素，如对年产水量影响最大的要素是降水， 对径流的时间分配影响最大的是气温，并且每个要素对产水量的影响作用和程度是不 同的。应用s w a t 模型分析气候变化水文效应的研究比较多，其它的还有区域气候变 化对地下水补给的影响，气候变化对高海拔山区流域产水量的影响，水库运作与供水 的影响以及气候变化对地表水灌溉与河岸管理的影响等。在气候变化研究中，主要是 应用全球气候变化模型大气环流模式g c m s 模拟气候变化情景作为s w a t 模型的输入， 分析气候变化对水文要素的影响。通过数学模拟的方式进行定量化研究，己成为当前 进行农业非点源污染研究的重要途径之一。s r i n i v a s a n 等1 4 5 1 成功模拟了m c h c h a m b e r s 流域的径流和泥沙输移量，指出s w a t 模型可以用于情景分析以检测流域的生态脆弱 区，并提出减少土壤流失的最佳措施。s w a t 模型采用代表性基本单元的概念，在某 一尺度可以根据输入参数的概率分布来进行模拟预测，而不需考虑其实际的空问分布， 在每一个子流域内根据特定土壤类型和土地利用方式的组合生成水文响应单元- h r u 基于s w a t 分布式水文模型的对比应用与研究 来确定模型参数，因此模拟结果在一定程度上取决于h r u 及子流域的划分 m a m i l l a p a l l i 等【帕】的s w a t 应用研究表明，产流预测对子流域和h r u 的数量具有一定 的敏感性，因为尺度较大的集总影响了径流曲线数c n 值的实际分布，从而降低了模 拟的准确性，但研究没有指出如何确定子流域或h r