（水文学及水资源专业论文）基于swat模型的黄河源区分布式水文模拟.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 随着计算机、地理信息系统和遥感技术的发展，分布式水文模型由于诸多方面的优点， 例如：陆面过程研究、防洪减灾和变化环境下的水资源分析预测等方面的应用，正在成为 水文水资源研究的热点。分布式水文模型的研究一个方面在于水文过程物理机制分析与模 拟，一个方面在于水文过程信息采集处理手段与模型的融合，两者共同促进新的水文模拟 技术的发展。 本文选择黄河源区为研究区域，在分析该区域水资源情势特点和变化的基础上，采用 s w a t 模型对黄河源区水文过程进行模拟，并预测了未来变化环境下的水资源响应。主要研 究内容和成果如下： ( 1 ) 在总结前人研究成果的基础上，阐述了分布式水文模型理论、方法和发展态势，具 体分析了地理信息系统提取流域水文参数和水文过程演算的方法。介绍了s w a t 模型的原 理、结构和应用，简要说明了s w a t 模型的气候、水文、植被、侵蚀、养分、管理、水体 和河网8 个单元，以及s w a t 模型的水文计算流程和流域尺度水文模拟的应用。 ( 2 ) 运用s w a t 模型，构建了黄河源区分布式水文模拟模型，并在e x c e l 提供的v b a 支 持下构建了模型数据后处理模块，提高了模型率定的效率。对1 9 9 8 2 0 0 3 年黄河源区日径 流过程模拟，结果表明：模拟值与实测值相关系数r 2 分别为0 9 6 、0 8 8 、0 8 0 、0 7 6 、0 9 4 、 0 9 4 ，模型效率系数分别为0 8 7 、0 7 6 、0 5 3 、0 5 0 、0 9 0 、0 8 4 ，模型具有较好模拟效 果。 ( 3 ) 探讨了黄河源区气候波动和土地覆盖变化下的径流响应，利用建立的水文模型，对 在假定未来环境变化情景下黄河源区水文过程变化趋势进行了预测模拟。结果表明：气温 增加2 。c 且降水量减少2 0 ，模拟径流量减少4 0 ；气温减小2 且降水量增加2 0 ，模拟 径流量增加5 5 。随着草地和林地面积增加，黄河源区年径流量减少，地表裸露无植被覆 盖模拟径流量达到最大值7 4 0 m 3 s ，较正常年均径流量增加3 0 。 关键词：分布式水文模型；黄河源区；气候变化；土地覆盖变化；水文效应 。 兰卅i 大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n dr e m o t e s e n s i n g ，d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e li sb e i n gt h eh y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e r e s e a r c hh o tf o c u sb e c a u s eo fm a n ya s p e c t so fg o o dp e r f o r m a n c es u c ha sl a n d p r o c e s sr e s e a r c h ，f l o o da n dd i s a s t e rc o n t r o la n dw a t e rr e s o u r c ef o r e c a s t i n ga f f e c t e d b yt h ec h a n g i n ge n v i r o n m e n t o no n eh a n d ，d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e li sr e l i e d o nc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nb a s e do np h y s i c a lp r o c e s s ，o nt h eo t h e rh a n d ，i ti s f o c u s e do nh o wt od e a lw i t hh y d r o l o g yi n f o r m a t i o no b t a i n e db yn e wm e t h o d s c o m b i n i n gw i t ht h em o d e l ，w h i c ht o g e t h e rp u s hf o r w a r dt h ea d v a n c eo fh y d r o l o g y s i m u l a t i n gt e c h n o l o g y s e l e c t i n gy e l l o wr i v e rs o u r c er e g i o na ss t u d ya r e a ，t h i st h e s i ss i m u l a t e st h e h y d r o l o g i c a lp r o c e s sa n df o r e c a s t st h ew a t e rr e s o u r c er e s p o n s eu n d e rt h ec h a n g i n g e n v i r o n m e n tu s i n gs w a to nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fw a t e rr e s o u r c ev a r y i n g t r e n d t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ( 1 ) b a s e do nf o r m e rr e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t ，t h et h e s i s s y n t h e s i z e s t h e t h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g yo fd 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 n c l u d i n gt h em e t h o d s o fh o wt oo b t a i nt h ew a t e r s h e dp a r a m e t e r sa n dt or o u t et h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s s b a s e do ng i s i ti n t r o d u c e st h et h e o r y , s t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o no fs w a tw h i c h c o n s i s t so fc l i m a t e ，h y d r o l o g y ，e r o s i o n ，p l a n t ，p e s t i c i d e ，m a n a g e m e n t ，w a t e rb o d y , c h a n n e l t h es w a tc o m m a n d l o o pi sb r i e f l ye x p l a i n e da n ds oi si t sa p p l i c a t i o ni n b a s i ns c a l e ， ( 2 ) u s i n gs w a t t h eo u t p u td a t am o d e lo fy e l l o wr i v e rs o u r c er e g i o n 兰州大学硕士学位论文 h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o nb a s e do ne x c e lv b a i sb u i l tt os i m u l a t e19 9 8 - 2 0 0 3d a i l y h y d r o g r a p h t h er e s u l tr e f l e c t st h a tc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tr 2i s0 9 6 ，0 8 8 ，0 8 0 ，0 7 6 ， o 9 4 ，o 9 4a n dn a s hc o e f f i c i e n ti sr e s p e c t i v e l yo 8 7 ，0 7 6 ，0 5 3 ，0 5 0 ，0 9 0 ，0 8 4 ， i n d i c a t i n gt h eg o o dp r e c i s i o n ( 3 ) t h et h e s i sd i s c u s s e st h er u n o f fe f f e c tu n d e rm ec l i m a t ea n dl a n du s e c h a n g i n g ，a n ds i m u l a t e sh y d r o l o g i c a lp r o c e s sb a s e do nh y p o t h e s i ss c e n a r i o su s i n g c a l i b r a t e dm o d e l t h er e s u l tr e f l e c t st h a tr u n o f fd r o p sd o w n4 0 w h e nt e m p e r a t u r e r a i s e su p2 a n dp r e c i p i t a t i o nd r o p sd o w n2 0 ，r u n o f fr a i s e su p5 5 w h e n t e m p e r a t u r ed r o p sd o w n2 ca n dp r e c i p i t a t i o nr a i s e su p2 0 w i t hg r a s s l a n da n d w o o d si n c r e a s i n g ，r u n o f fd e c r e a s e s r u n o f fc o m e su pt o7 4 0 m 3 si n c r e a s i n g3 0 w h e nl a n di sb a k e dw i t h o u ta n yc o v e r k e yw o r d s ：d 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 ；y e l l o w r i v e rs o u r c er e g i o n ；c l i m a t i c c h a n g e ；l a n dc o v e rc h a n g e ；h y d r o l o g i c a le f f e c t 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，足在导师的指导下独立进行研究 所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点 等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：奎塞 曰 期：地6 ：星圣 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大 学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或 向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用 学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州 大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：二盈导师签名： 口凯x 彳j ! z 、- 2 日期：乏竖乡u 兰州大学硕士学位论文 l 概述 1 1 分布式水文模型研究综述 l i1 _ 1 分布式水文模型研究f 1 的 分布式水文物理模型( p h y s i c a l l y b a s e dd i s t r i b u t e dm o d e l s ) 由f r e e z e 和h a r l a n 于19 6 9 年提出，建议用精致的方法( 主要是水力学方法) 来研究降水在流域内部的运动规律，既 要考虑流域内部垂直方向水量交换，也要考虑流域内部水平方向水量交换。2 0 世纪9 0 年代， 计算机，地理信息系统，数字高程模型和遥感技术迅速发展，为研制和建立分布式水文模 型提供了强大和及时的技术支撑，使得分布式水文模型成为水文学家研究的前沿热点之一。 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问尺度上的演 变规律和过程，而且为综合解决实践中各种和水文循环紧密相关的问题提供一个更加有效 的框架和平台。 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、规划和管理；( 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( 熊立华等，2 0 0 5 ) 。 1 1 2 分布式水文模型技术支撑 分布式水文模型最主要的技术支撑包括两个方面：建立分布式水文模型的平台，例如 地理信息系统；获得大范围空间信息和资料的方法，例如卫星遥感。 ( 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问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、模拟及决策应用的潜力。g i s 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，唯所需就是在建模时具有把空间数据和各类图层作为输入利用的能力。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( j o h ng l y o n ，2 0 0 3 ) 。 兰州大学硕士学位论文 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 i n ) 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 r 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阀值，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，则可计算流域的坡面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一门科学。在水科学中r s 信息具有四 个方面的特点：提供空问数据，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( g e r t a s c h u l t z ，2 0 0 0 ) 。 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个有效手段，并会对模型的结构产生很大影 响。 兰州大学硕士学位论文 1 1 3 分布式水文模型研究方法 ( i ) 降水克里金空间分析方法 克里金插值的假设是：任何在空间连续变化的属性是非常不规则的，不能用简单的平 滑数学函数进行模拟，但可以用随机表面给f - 恰当的描述，即z ( x ) = m ( x ) + e ( x ) ，z ( x ) 为空 间区域内x 处的属性，m ( x ) 为属性变化的确定性部分，e ( x ) 为属性变化的随机性部分，它 们的数学期望具有以下性质：m ( x ) = e z ( x ) 】，e e ( x ) 】_ o 。 克里金插值的方法是：给定区域内变量z ( x ) 的一组离散实现值z ( x ，) ( i = l 一2 ，n ) ，要对区 域v ( x ) 中的任一点x o 的实现值z ( x o ) 进行估值，可用n 个已知实现值的线性组合来进行估计： z k ( ) = 2 , z ( x 。) i = 1 式中 。为线性组合系数，上面估计应满足两个最优估计准则： ( 1 ) 无偏性，即e 【z ( ) 【0 ) 一z k ( x 0 ) 卜o ； ( 2 ) 方差最小， 即v a i _ z ( x o ) - z k ( x o ) 最小。 ( 1 ) 式e z ( x o ) 一z k ( x o ) 2 e z ( x o ) 一e z k ( x o ) 2 m ( x o ) 一e ：扛。) 】2 m ( x o ) 一a i m ( x i ) = 0 若m ( x ) = c o n s t a n t 则 ( 2 ) 式v a r 【z ( x o ) - z k 妇) - e z ( ) ( o ) z “x 0 ) 2 = e l 主 如。) 一窆 z ( t ) 】2 = e 【宝 ，( 如。) 一如：) ) 】2 z 。2 j ( x 一，) i = 1j = i 式中y ( x i , x j ) = e k ( 一) 一z ( x j ) 】2 根据拉格朗日求极值法，构造函数 。，k ( t ) z ( x 州一2 善n - 1 ) i 令06 ) 0 k i = o 可得方程组 蔷2 t ，即+ 叩 ”剐 方程组解为 a 为数据点之间的半方差矩阵，b 为数据点与未知点之间的半方差向量。 ( 2 ) 流域等流时线汇流演算 兰州大学硕士学位论文 在流域各处同一时刻形成的净雨距流域出口断面有远有近，流速也不一定相同，所以 不可能在同一时刻到达流域出口断面，因而某些地点产生的净雨到达流域出口断面的汇流 时间长，而另外一些地点产生的净雨汇流时间短。由净雨汇流时问相同的各点所形成的线 称为等流时线。 图1 等流时线示意图 f i g 1s k e t c hm a po fa r o n t i m em e t h o d 图1 中，t 为汇流时间，d t 为相邻等流时线的汇流 时间差，o a 为相邻等流时线之间的面积，o a o t 为等流 时面积随汇流时间的变率，即汇流曲线，在实际应用中， 用a a ( t ) 来代表具有相同汇流时间t 的各点面积和，即 汇流曲线o a o t 可用a a ( t ) 4 的分布图来近似。 流域上的每一个点的空间位置由三维坐标( x ，y z ) 来 表示，其中( x ，y ) 代表平面坐标，z 代表高程，流域 上的每一个点到达流域出n 断面的汇流时间记为t 。在 计算流域表面上的每一个点的汇流时间t 的过程中要遵守从流域出口断面向流域最高点演 算的秩序。流域等流时线汇流演算的步骤如下： 第一步，将流域表面上的每一个栅格按高程从低到高排序。 第二步，计算净雨流经各个栅格所需的时问f i f 铲t 可薯。 i 万5 l q 。 s 。为某一水流出流方向上的坡度，a 为具有速度量纲的参数，b 为反映坡度大小对流域 影响的幂指数，s o 为一临界坡度值，当s i s o 时r i 取常数，以免在地势平坦地区s i 趋于0 而 使r i 过大。 第三步，对流域出口断嘶处来说，i = l 汇流时间为流经时间t l _ n 。 第四步，i = 2 ，3 n 重复第五步。 第五步，到第i 个栅格时，周围8 个栅格中高程相对要低的那些栅格，其汇流时间已经计算 出来，当周围8 个栅格中只有一个栅格的高程相对要低，其序号为j ( j i ) ，汇流时间为q ，则 第i 个栅格的汇流时问t 。为流经时问r ，和汇流时间t l 之和，即t i = r i + t j ，当周围8 个栅格中有 几个栅格的高程相对要低时，采用最陡坡度法，也可采用多向出流分配法。 第六步，将具有相同汇流时间的栅格面积加在一起，并做出等流时面积分布图a a ( t ) t 。 4 兰州大学硕士学位论文 在进行全流域空间汇流演算时，如果整个流域面积比较大，我们还要区分流域数字高 程模型中哪些栅格是定义为陆地坡面，哪些栅格定义为河道。 1 1 i4 分布式水文模型研究现状与展望 ( 1 ) 分布式水文模型研究现状 概括起来，由于建立在d e m 基础之上，分布式水文模型具有以下3 个方面的特色： 描述水文循环的时空变化过程具有物理基础；由于其分布式特点，能够与g c m 嵌套，研 究自然变化和气候变化对水文循环的影响；能及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变 化对流域水文循环过程的影响。虽然经过近3 0 年的研究，分布式水文模型仍处于初级阶段， 目前单纯地就模拟与预报结果而言，分布式水文模型并不比集总式水文模型有太多的优势， 但是分布式水文模型所揭示的水循环物理过程越来越接近客观世界，在研究人类活动和自 然变化对区域水循环时空过程的影响，在研究区域水资源生成与演变规律方面，具有独到 的优势。这一切源于与g i s 和r s 的有机结合，源于对海量的气象和下垫面数据的利用与处 理。要构成分布式水文模型框架并不困难，关键技术是水文单元划分，空间分布参数确定， 产汇流机制模拟，流域出流演算方法等，这些都是亟待解决的问题。目前，制约分布式水 文模型应用的问题有三个方面：资料的有效性；模型的科学性；知识的局限性。 分布式水文模型将流域离散成其有一定尺度的网格单元，相比集总式水文模型能更好 地模拟水文变化过程，考虑了水文变量和水文参数的空间变化。流域在平面上，被划分成 网格单元、坡面单元和水文响应单元；基于网格单元的分布式模型有s h e 、a n s w e r s 、 c a s c 2 d 和i - 1 1 l l f l o w 等。基于坡面单元的分布式模型有i h d m 、k i n e r o s 和g b 。基 于水文响应单元的分布式模型有著名的s w a t ( 王纲胜等，2 0 0 4 ) 。分布式水文模型的空间 参数网格化有区域分析法和等值线插值分析法，前者建立网格模型与相似流域模型参数的 函数关系，进行模型参数的移植，后者绘制模型参数的等值线，根据等值线图确定网格参 数( 张建云，1 9 9 8 ) 。 分布式水文模型对水文时空变化过程的模拟，对水文现象的不同理解和解释，反映在 水文模型上，则是不同的数学方程和公式。水文循环中最主要的几个物理过程包括降水、 蒸散发、下渗、土壤水运动、融雪、流域汇流以及河道洪水运动等。降水的时空分布对流 域水文过程影响极大，一般分布式水文模型根据雨量站网观测值估计流域数字高程模型中 每个网格点上的雨量值，也有基于遥感技术获取大范围降水信息的分布式水文模型( e r s ， 2 0 0 5 ： g e r t as c h u l t z ，2 0 0 0 ) 。流域蒸散发计算中p e n m a n m o n t e i t h 公式得到了普遍运用， 公式如下： 兰州大学硕士学位论文 驴耥 式中：e 。是实际蒸散发量；如是净辐射减去地面辐射通量( w m 2 ) ：ae 是比湿一气温关系 曲线的斜率( m b 。c ) ；p 是空气密度( k g m 3 ) ；c p 是空气比热( j k g ) ；6 。是空气饱和7 气压 差；r a 是空气动力阻力( s m ) ；r s 是冠层阻力( s m ) ；九是水的汽化潜热( j k g ) ；y 是湿度常 数( m b 。c ) 。下渗以及土壤水运动过程十分复杂，而且在饱和或非饱和状态时，由于水力 特性不同，水流运动的基本方程也有差异。分布式水文模型在垂直方向上，一般划分成几 个水平层，以便处理不同层次的土壤水运动问题。紧密耦合型模型，如s 砸以及它的变形， 应用连续方程和运动方程来建立相邻网格单元之问的时间和空间关系，采用数值方法进行 求解( d h i ，2 0 0 5 ) ；松散耦合型模型，如s w a t ，在每个子流域上应用概念性方法推求下渗、 产流量和土壤含水量等( a r s ，2 0 0 0 ) 。流域汇流演算可以分为两类：水文学模型和水力学模 型。水文学方法比较简单，其控制方程一般只是时间的函数，m u s k i n g u m 法是众所周知的水 文学方法，其槽蓄方程是扩散波动力方程的近似表达，在一定条件下是扩散波方程的二阶 精度解。水力学方法除了考虑时间因素，还要考虑空问因素。水力学方法基本上都是基于对 圣维南方程组的简化和近似，其中最主要的近似方法为扩散波和运动波。融雪径流模拟计 算方法通常有能量平衡法和经验公式法等。 ( 2 ) 分布式水文模型展望 分布式水文模型是当前水文建模领域最为活跃的研究方向，也是解决流域水文、生态 和环境问题的有效的途径，它以现代科学技术条件下地表径流模拟为最基础和最重要的一 环，逐渐向具有物理意义的、综合性的、实用的方向发展。由于分布式水文模型的参数具 有明确的物理意义，在流域对土地利用变化和气候变化的响应发生之前，可以预测流域的未 来状态，流域条件变化以及气候变化下的水资源、水环境响应模拟成为分布式水文模型的 典型应用领域。流域变化包括自然和人为因素，例如农业布局变化导致的流域内部土地利 用的变化和城市化，气候变化指的是温室气体浓度上升，全球气候变暖。由于陆面水文过 程与大气环流模式的嵌套有助于提高区域水文一气象模拟的精度，陆面过程模型与气象模型 的耦合研究迅速，例如：考虑降水下渗空间异质性的分布式水文模型构建于陆面过程模型 ( b a t s ) 与区域气象模型耦合进行水文模拟( 曾新民等，2 0 0 3 ) ，分布式水文一土壤一植被 模型( d h s v m ) 耦合中尺度大气模型( m m 5 ) 模拟流域降水一径流过程( 高艳红，2 0 0 4 ) 。 国际水文科学协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 兰州大学硕士学位论文 量的全球尺度观测，这些研究内容都涉及分布式水文模型。世界气候计划中的g e w e x ，国 际地圈和生物圈中的b a h c 项目，国家重点基础研究规划“9 7 3 ”项目，国家自然科学基金 项目，也都在鼓励和支持该领域的研究，虽然难度很大，但发展前景十分光明。就我国分 布式流域水文物理模型的研制而言，对推动我国水文水资源科学事业的发展，提高水文模 拟预报精度，探讨水资源演化规律和可持续利用，均具有重大的理论价值和现实意义。尽 管目前分布式水文物理模型还有一些不足和不完善的地方，推广应用还有许多困难，但随 着训算机技术，空间技术，遥感遥测技术，地理信息系统技术等飞速发展，必将大大促进 和推动分布式水文物理模型的研究和应用( 刘昌明，2 0 0 1 ) 。 1 2 黄河源区水文模型研究的目的与进展 l _ 2 1 黄河源区开展水文模型研究的意义 黄河干流唐乃亥水文站以上是黄河流域重要的水源区，水资源占全河总量的3 5 ，这 里的雨量虽不大，但温度j 醍低，常年的气温在2 。c 左右，蒸发量很小，水分大量盈余。虽然 黄河源区对全流域水资源影响巨大，但对该区的水资源情势变化认识不多，缺乏有效的预 报手段，影响了水资源调度管理工作的效果。2 0 世纪9 0 年代以来黄河源区发生了很多变化， 如生态系统恶化；气候变暖；人类活动加剧，认识这些因素变化对河源区水资源产生什么 样的影响，对该区水资源规划以及生态治理与保护具有重要意义。为了更好地为生产管理 服务，为了进一步认识黄河源区水资源、水环境的变化，对该区进行分布式水文模型研究 是十分有益的。 1 2 2 现状与发展态势 在国家重点基础研究规划“9 7 3 ”项目、国家自然科学基金项目支持下，特别是“9 7 3 ” 项目：“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”，其以黄河源区为重点研究区域之 一，取得了众多成果。由于黄河源区日径流过程非线性十分突出，难于模拟，分布式水文 模型研究思路是：首先基于d e m 将流域分成若干子流域，在子流域上建立物理概念模型， 产流计算考虑地形坡度影响和变源面积规律，采用地形指数计算方法，汇流演算基于河网 拓扑关系采用分段马斯京根方法。模型的运行控制利用“空间循环控制代码”方法。涉及 的水文物理过程包括：冠层截留、融雪、蒸散发、坡面流、非饱和土壤水运动和地下水出 流( 基流) 等环节。模型在结构上与g i s r s 技术结合，充分利用g i s 的空间数据分析和管 理功能，提供空间分布参数的识别能力。并通过r s 技术，弥补传统监测资料的不足，实现 无常规资料地区的建模问题，解决大流域分布式水文模型信息的不足。以数据库为基础、 以g i s r s 为技术支撑、集成资源管理与决策功能为一体的、具有专业扩展性和广泛模拟能 7 兰州大学硕士学位论文 力的模块化结构的分布式水文模拟系统。目前与我国独立自主知识产权的组件式g i s 软件 超图( s u p e r m a p ) 相结合，开发出模拟系统雏形版本。该系统主结构包括：数据库管理系 统、数据预处理和后处理系统、水文模型系统等几部分。具有很强的专业扩展性和广泛的 模拟能力，具有处理和管理水文、气象空间数据和系列数据的功能。能够对分布式水文模 型的空间输入与输出信息进行有效的管理，并具有2 d 3 d 图形显示功能。该系统作为一个 可扩展的平台，将逐步集成各类时空尺度下的分布式水文模型和其它功能模块的应用( 刘 昌明，2 0 0 5 ) 。 1 2 3 存在问题 河源区水循环变化的主要特点是，在进入2 0 世纪9 0 年代以来，在降水量变化1 ；大而 且略有增加的前提下，径流量有比较明显的下降，而且径流也更加集中在汛期。径流减少 的主要原因是蒸发量的增加，河源地区的地下水和湖泊蓄水变量氏期处于负均衡状态，从 而导致了该地区生态环境的恶化，而生态环境又反过来影响水文过程。要研究分布式水文 模型，就要继续研究水循环，水循环搞不清楚，机理就搞不清楚，机理搞不清楚，就没法 提出自己的思路。 在分布式水文模型研制中，海量的输入与输出数据的处理和管理问题，模型的可操作 性问题，模型为不同专业的应用和资源管理所提供的支持能力等问题，已经同水文模型本 身一样具有同等的重要性。这不是简单的模型包装问题，在一定程度上决定着分布式水文 模型能否开发成功，是否具有实用的价值。 1 3 本文研究的目标与研究思路 论文的总体思路可以概括为：收集或制备分布式水文模型所需资料；掌握s w a t 模型 的使用、结构、流程和代码；建立能较好地适用于黄河源区的模型参数，针对模型输出评 价参数不足和结果不直观的问题，构建模型数据后处理模块，对日径流过程进行模拟和检 验；根据情景分析法假定若干种未来变化，并对气候变化和土地覆盖变化下的水文过程进 行预测。 论文的研究目标主要包括以卜- 几个部分： 黄河源区d e m 分析 对黄河源区d e m 进行分析和处理，得出栅格水流流向、流域分水线、自动生成河网及 河网结构拓扑关系、子流域及其编码。 黄河源区s w a t 模型的率定及检验 在获取的d e m 、土地利用和土壤类型资料，以及相关水文气象资料基础上，利用s w a t r 兰州大学硕士学位论文 模型模拟黄河源区曰水文过程，以1 9 9 8 2 0 0 2 年5 年资料率定模型，以2 0 0 3 年资料检验模 型，并对模拟结果进行评价。 黄河源区变化环境下的水文效应 分析黄河源区水文情势变化，总结黄河源区环境变化特点与态势，利用情景分析法， 假定未来若干种气候和土地覆盖变化。 变化环境下的水文模拟 在假定变化环境下，利用s w a t 模型对黄河源区水文过程的变化进行预测分析。 兰州大学硕士学位论文 2s w a t 模型原理、结构和应用 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型是由美国农业部农业研究中心研制开发的分 布式流域水文模型，其主要目的是模拟预测土地利用、土地管理方式对流域水量、水质的 影响。s w a t 模型具有较强的物理机制，能够利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟 多种的水文物理化学过程，如径流、泥沙、营养物质( n 、p ) 以及杀虫剂的输移，在面源 污染、水上流失、土地利用和农业管理等领域得到广泛应用。a v s w a t 2 0 0 0 将s w a t 嵌入 到a r c v i e w 之中，安装后成为a r c v i e w 的一个扩展模块，大大简化了操作，界面可视性好。 2 1s w a t 模型原理 s w a t 模型为通用性流域水文模型，主要内容为气候、水文、养分、侵蚀、植被、管理、 河网和水体单元，在实际应用中可根据不同目的，有侧重地进行所有或部分内容的模拟预 测。 ( 1 ) 气候 流域气候控制着水量平衡，决定了水循环中不同要素的相对重要性。s w a t 需要输入的 气象因素包括：日降水、最大最小气温、太阳辐射、相对湿度和风速。这些因子可以输入 实测值，也可以根据模型给出的计算公式自动生成，此功能特别适合于没有监测数据的流 域。 ( 2 ) 水文 s w a t 水文模拟的基础是水量平衡方程： t s 彤= s w o + 僻柳一q 耐一e 一睨。一q ，) ， i = 1 其中，s w 。是末期土壤含水量( m m ) ，s w o 是初始土壤含水量( m m ) ，t 是时间步长( d ) ， r d a y 、q 。，f ew 。p 和q g w 分别是第i 天的降水量( m m ) ，地表径流( m m ) ，蒸发量( m m ) ， 透过土壤层的渗漏量和旁侧流量( m m ) ，地下水的回归流量( r a m ) 。 ( 3 ) 河网 河道汇流演算分为4 部分：水、泥沙、营养物和杀虫剂。河道水流演算采用变动存储 系数或m u s k i n g u m 法，损失项考虑沿途蒸发，河床渗漏以及点源取水，补充项考虑直接降 水和点源输入。 ( 4 ) 养分 土壤中n 、p 有几种存在形式，并相互转化。它们通过地表径流和旁侧流进入河道，在 兰州大学硕士学位论文 河道中迁移转化。 杀虫剂可以溶解于地表径流和吸附于泥沙颗粒进入河道，也可以溶于水中渗入土壤。 杀虫剂的运动决定于溶解度、半衰期和土壤吸附系数。 ( 5 ) 侵蚀 降水是土壤侵蚀能量的指标，产沙量用降水量来模拟。侵蚀方程中的因素包括：植被 管理系数、地表之上的生物量和土壤表面的腐败物等。 ( 6 ) 植被 植被覆盖方面利用一个单一的植物生长模型模拟所有类型的植被覆盖，能够区分一年 生和多年生植物，来判定根系区水和养分运移、蒸腾和生物量。 ( 7 ) 管理 管理决定于生长期、耕作期以及肥料、杀虫剂和灌溉的量与时间。生长期之后，生物 量是否作为收成从地表去除，或者弃置于地表。 ( 8 ) 水体 水库汇流包括：入流、出流、降水、蒸发和渗流。水库出流计算提供三种方法：输入 实测出流数据：对于小的无观测值的水库，规定一个出流量；对于大水库，需要一个月调 控同标。 2 2s w a t 模型结构 2 2 1s w a t 模型文件系统 s w a t 模型的过程控制主要是由管理文件和配置文件决定的。管理文件分为四个大的部 分：( 1 ) 标题，其中设定的内容将作为所有输出文件的标题；( 2 ) 输入输出管理，所有文件名 用户都可自己定义，但建议使用推荐的后缀；( 3 ) 气象资料，包括：气温、降水、辐射、湿 度和风速；( 4 ) 子流域输入资料。配置文件分为两个大的部分：( 1 ) 标注，以 为行首的解释语 句；( 2 ) 命令，由1 3 条命令以及相关参数构成，描述了离散后的流域各单元相互间信息，决 定了从子流域净雨产生到流域出口演算的全过程，例如子流域( s u b b a s i n ) 命令定义产流过 程，即进入河道的水量，演算( r o u t e ) 命令模拟河道水的传输，相加( a d d ) 命令把不同子 流域输出相加作为新的输出，结束( f i n i s h ) 命令结束运算( a r s ，2 0 0 0 ) 。 输入文件分为三个层次：流域、子流域和水文响应单元( h r u ) ，水库或点源数据根据 需要而定。流域层次的输入控制了模型全局的处理方式，例如：流域蒸散发能力计算采用 何种方式。子流域层次的输入把子流域内的所有水文响应单元设为集总值，例如：降水、 气温在子流域内的h r u 都有相同的值。因为每个子流域内都有部分主河道，河道信息为子 l l 兰州大学硕士学位论文 流域层次。水文响应单元层次的输入为每个h r u 内各不相同的值，例如：土地利用方式。 输出文件主要包括：标准输出文件( o u t p u t s t d ) 、h r u 输出文件、子流域输出文件和河 道输出文件。标准输出文件提供了流域模拟输出的日、月或年各水文要素统计值以及部分 参数；h r u 输出文件提供流域内各个h r u 的相关统计信息；子流域输出文件提供流域内 各个子流域的相关统计信息；河道输出文件提供流域内各个演算河道的相关统计信息。 2 2 2s w a t 模型运算流程 流域水文过程随植被覆盖和土壤类型的不同而变化，s w a t 通过水文响应单元( h r u ) 来概化这种变化，每个h r u 都具有确定的植被覆盖、土壤类型和管理方式，在h r u 层次 上水文计算采用集总参数。模型首先根据输入的数字高程模型、土壤类型和土地利用分类 信息把整个流域划分成不同的子流域和水文响应单元，计算每个水文响应单元所需的基本 数据，包括高程、面积、坡度、形状系数等，然后根据输入的实测气象数据或计算生成的 逐日数据，进行流域水文过程演算，s w a t 模型运算流程如下图2 。 2 3s w a t 模型在流域尺度的应用 刘昌明等研究了基于d e m 将分布式水文模型应用于空间大尺度的黄河源区，将整个流 域划分为3 8 个子流域，分别模拟了1 9 8 6 1 9 9 5 年径流量和1 9 6 3 1 9 9 7 年径流量，结合 1 9 8 6 1 9 9 5 年唐乃亥水文站实测水文资料进行了模型验证，实测流量和模拟流量的线性回 归系数r 2 为o 7 6 2 1 ，表明模型可以用于黄河源区。对黄河源区土地覆被与气候变化的水文 效应进行分析，结果表明气候变化是引起黄河源区径流变化的主要原因。在8 0 9 0 年代2 0 年问，黄河源区由气候变化引起径流减少6 21 1 亿m 3 ，占径流变化总量的1 0 87 2 ，由土地 覆被变化引起径流增加57 3 亿m 3 ，增加占径流总变化量的比例为1 0 0 3 。 黄清华等研究了s w a t 模型对黑河干流山区流域出山径流的模拟。按不同的地形、土 壤类型、土地利用或覆盖类型将整个流域划分成1 5 7 个具有相似水文特征的水文响应单元 ( r m u ) 。通过模拟结果比较，表明浅层蓄水层回归因子( 基流回归因子) 、海拔高度带的划分 分别对黑河干流山区流域地下径流和融雪径流过程有重要的影响，是该模型模拟精度高低 的关键。通过参数的调整，1 9 9 0 2 0 0 0 年月平均径流模拟结果显示，莺落峡站出山径流模型 效率系数r 2 达到o8 8 ，相关系数r 2 接近o9 1 。 综上所述，s w a t 模型对于寒区大尺度流域水文过程的模拟是可行的。从以前的研究结 果来看，由于黄河源区流域面积大，处理和分析资料任务繁重，只从宏观年径流量角度进 行模拟分析，未考虑土地覆被与气候变化对月径流量和洪峰流量的影响，实测值和模拟值 的相关系数较高。利用s w a t 对黄河源区日径流过程进行模拟