【《东山岛雨洪资源量计算过程案例》4000字】

东山岛雨洪资源量计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u6199东山岛雨洪资源量计算过程案例 146861.1SWAT模型介绍 1126101.1.1SWAT模型基础原理 1120061.1.2SWAT模型结构 2245571.2建立基础数据库 3252701.2.1数据准备 376051.2.2数字高程数据库 4214641.2.3土地利用数据库 5103661.2.4土壤数据库 6131.2.5气象数据库 722461.3模型构建 10206331.1.1流域划分和HRU分解 10252411.1.2气象数据输入 114781.1.3生成编辑输入文件 11120771.4模型验证 1294961.4.1模型评价指标 13113341.4.2参数敏感性分析 14298561.4.3模型的率定和验证 14306761.5传统水文法分析东山岛雨洪资源量 17142411.6模型成果合理性分析 181.1SWAT模型介绍SWAT模型是能进行大尺度连续长时段进行模拟结果输出的水文模型，由于模型自身的优势，国内外专家常常利用它研究流域的水文循环。目前SWAT2012版本在ArcGIS等软件上可以有较好的结合，可以利用GIS提供的空间信息来模拟水、泥沙和污染物转移等。1.1.1SWAT模型基础原理SWAT模型模拟流域的水文过程是分为水循环的汇流阶和陆地阶段。并且SWAT模型模拟水文循环都会遵循的水量平衡方程：（1.1）式中，SWtSWt为土壤最终含水量（mm）；t为时间步长（day）；Rday为第i天降雨量（mm）；Qsurf为第i天的地表径流（mm）；Ea为第i天天的蒸发量（mm）；Wseep为第1.1.2SWAT模型结构SWAT模型结构见图：图1.1SWAT产汇流模型结构1.2建立基础数据库1.2.1数据准备SWAT模型可以模拟流域内的径流过程，并模拟流域在不同下垫面条件及农业管理措施对径流的长期影响。数字高程数据、土壤数据、土地利用数据及气象水文数据等都是SWAT模型所需基础数据。数据来源如表1.1所示。表1.1数据来源基本信息数据精度格式来源应用模块DEM30m×30mGRID地理空间数据云流域划分、水系生成、地表径流土地利用数据1km×1kmGRID中国环境科学研究院子流域划分、HRU划分土壤数据1：100万GRID世界土壤数据库HRU划分、土壤数据库气象数据水文数据日年、月txttxt气象数据共享网漳州市水文局气象数据库1.2.2数字高程数据库在模拟流域的径流时，高程信息是作为流域地貌信息在构建模型是极为关键的。利用DEM数据来生成水系，具体见图1.3。本文使用分辨率为30m×30m来自“地理空间数据云”的DEM数据，利用ArcGIS进行裁剪所得（如图1.2所示）。图1.2东山岛DEM图图1.3数字高程模型生成水系流程图1.2.3土地利用数据库通过在地理空间数据云下载获得了东山岛2010年遥感数据，接着对此数据利用ENVI进行解译处理，依据SWAT模型数据库和《土地利用现状分类》中土地利用类型，划分为林地、建筑用地、草地、未利用地、耕地和水体6类。分别建立东山岛土地利用索引表1.2和分布图1.4。图1.42000年土地利用类型图表1.2土地利用索引表名称林地耕地草地水体建筑用地未利用地SNAMEFRSTAGRLPASTWATRURHDBARR1.2.4土壤数据库本次土壤数据采用土壤数据库HWSD1.1中国区域的数据，按照地形、气象、水文、植被等条件的不同及人类活动的影响进行分类，并通过SWAT模型土壤计算工具SPAW计算模型所需的数据，东山岛共包括不饱和疏松岩性土、人为土、简育盐土、简育砂性土、薄层土、铁质低活性强酸土，东山岛流域土壤类型图如图1.3所示。图1.5东山岛流域土壤类型图1.2.5气象数据库为了能够更好的研究降水、蒸发等主要水文循环过程，气温、降水等气象数据是必不可少的基础资料，因此为了使SWAT模型更加科学，需要构建气象数据库。本次研究选取了临近东山岛的云霄、诏安、漳浦气象站2004~2010年实测的逐日最高最低气温观测数据及西埔雨量站的日实测降雨数据作为直接输入数据。表1.3气象站点基本信息站点号站点名纬度（°）经度（°）海拔（m）59322云霄21.59117.2222.859320诏安21.45117.0818.159129漳浦24.08117.3653在SWAT模型的天气发生器中，输入数据包括月平均最低气温、月平均最高气温等，来模拟确定风速、气压、日照时数等数据，所需参数及计算公式见下表1.4，根据随机噪声矩阵与月平均气象数据的统计规律来对缺测数据进行插补和模拟。在SWAT模型的天气发生器中输入计算和插补参数，如图1.8。表1.4天气发生器参数及计算公式图1.6SWAT模型天气数据库示例图1.3模型构建1.1.1流域划分和HRU分解根据东山岛DEM数据来提取研究区河网，设定子流域划分集水区面积域值为1200hm2，共划分为34个子流域。然后设定土地利用、土壤以和坡度的面积阈值分别为20%，10%和10%，将各子流域划分为不同的水文响应单元，本文将子流域划分为513个水文响应单元（HRUs）。图1.7子流域划分图表1.5子流域特征及水文响应单元划分1.1.2气象数据输入在定义水文响应单元之后，点击weatherStation开始分别加载三个气象站信息，要将实测的降雨数据、温度实测数据导入气象文件中。由于气象站没有全测其他的气象数据，那么SWAT模型会启用天气发生器，用来模拟其他所缺测的气象数据，这样有利于提高模型模拟精度。1.1.3生成编辑输入文件在完成导入了气象文件工作之后，点击写入操作命令，对模型参数进行合理的赋值。对模型的赋值主要包括12个文件，其中有流域结构文件（.fig）、土壤文件(.sol)等，写入操作界面如图1.8所示。图1.8写入数据库界面1.4模型验证模型运行前需要确定模拟时间区间及模拟方法，本次模型模拟时间区间为2008-2016年，将SWAT可执行文件选择32-bit，release，开始时间设置为2008年1月1日，结束时间设置为2016年12月31日，选择月值输出并将模拟预热期NYSKIP为0年，完成设置后可运行模型。图1.11SWAT模型运行界面1.4.1模型评价指标本文选取以下两种指标来判断模型模拟精度。相关系数（R2）：R2=i=1n式中，n、Qobs,i、Qsim,i分别代表实测数据数目、实测径流值和平均径流值；Qobs（2）Nash-Suttcliffe效率系数（EnsEns=1−i=1n式中，Qs表示实测值；Qp表示模拟值；Qavg表示实测平均值；当E表1.6Ens等级评价甲等乙等丙等评价标准>0.90.7-0.90.5-0.71.4.2参数敏感性分析本次采用SWAT-CUP软件对模型进行校准，该软件具有率定参数较快、运行效率较高等优点。根据SWAT模型使用手册以及国内外相关研究，本次研究利用SUFI-2法对东山岛各参数的敏感性进行分析和率定，借鉴其他成功实践经验，本次选取了10个对径流模拟影响较大的参数，见表1.7。同时采用全局敏感性分析方法计算得到各参数的敏感性大小，随后根据Ｔ检验法计算参数的显著性水平。本文根据SWAT-CUP计算得到东山岛流域各参数的t-Stat和p-Value（表1.7）。其中CN2为最敏感参数，其t-Stat值与其他参数相比绝对值明显最高。表1.7径流模拟参数以及参数敏感性分析参数编码名称取值范围最佳参数t-Statp-ValueALPHA_BF基流α系数0-10.5912.470CN2径流曲线数0-1512.17-18.1330ESCO土壤蒸发补偿系数0-10.571.80.01SOL_AWC土壤有效含水量0-1（mm/mm）0.681.980.02SOL_K土壤饱和导水率0-2.00.67-2.5190.03GWQMN浅层地下水径流系数0-5000（mm）1761.47-1.4630.14REVAPMN浅层地下水再蒸发阈值0-500（mm）208.781.350.18GW_REVAP地下水再蒸发系数0.02-0.20.16-1.240.2EPCO植物吸收补偿因子0-10.85-0.950.34GW_DELAY地下水滞后系数0-500（d）127.63-0.930.361.4.3模型的率定和验证利用SWAT-CUP软件反复调参，以使模拟径流与实测径流误差最小。由于东赤港溪在东山岛是最长的溪流，因此本文收集到漳州市水文局关于东赤港溪1998-2017年的月径流数据，具有代表性，可以用来进行模型的率定和验证。将1998-2008年作为模型模拟的率定期，将2009-2017年作为验证期。如图1.12所示，模型率定期模拟结果显示，峰值在1999、2001、2007年高于实测值，在2004、2007年低于实测值。如图1.13所示验证期峰值模拟值在2008-2011年稍高于实测值，在2010-2015年稍低于实测值。图1.12率定期月实测径流和模拟径流图1.13验证期月实测径流和模拟径流图1.12、1.13为率定期和验证期模拟值跟实测值相关系数图，可知，率定期实测值和模拟值拟合度较好，效率系数Ens为0.80，相关系数R2为0.83，验证期模拟情况稍差于率定期，实测值和模拟值拟合度稍差，效率系数Ens为0.78，相关系数R图1.14东山岛水文站率定期月实测值和模拟值相关系数图1.15东山岛水文站验证期期月实测值和模拟值相关系数由上文对模型结果的验证可以看出，参数率定后的SWAT模型在可以用来模拟研究区域的径流过程。为通过SWAT模型获得不同典型年东山岛的雨洪资源量，对1956~2016年降雨量数据进行分析，确定将1992年为特丰水年，2013年为丰水年，1958年为平水年，1966年为枯水年，2018年为特枯水年，将上述典型年气象数据导入到率定好的模型中，对研究区域进行不同典型年的径流模拟，得到不同典型年的雨洪资源量。表1.8东山岛各典型年逐月降水量单位：mm频率一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月合计10%（1992）34.586.9100.5166186265.9184.622399.379.161.324.11511.225%（2013）2030.585141200238.5170172.5137.581.563451389.550%（1958）38.811.280.590.3160.6220.5190.2147.712834.529.2121145.775%（1966）10.260.681.291.679.6341.4182.941.1324.922.9936.490%（2018）7.519374231.5209131189.5522224.515780表1.9东山岛雨洪资源量模拟结果降雨频率多年平均10%25%50%75%90%典型年19922013195819662018多年平均雨资源量（万m3）906712096.311161.19060.47657.46179.11.5传统水文法分析东山岛雨洪资源量由于东山岛内没有设立水文站，且福建省水资源图中径流深等值线图在岛境外，没办法利用。因此可根据坑北龙潭水库多年来水观测资料，利用水文比拟法反推径流量。坑北龙潭水库集雨面积F=1.43km2，多年平均雨量p=1138mm，多年平均来水量66.8万m3，多年平均径流深Rmm=10根据坑北龙潭水库的多年平均深以及东山岛多年平均降水量等值线图，结合1956~2016年降雨量数据，推求东山岛的多年平均径流量。表1.10东山岛雨洪资源量计算结果面积（km2）多年平均雨量（mm）多年平均径流深（mm）多年平均径流量（万m3）频率（%）10255075901941113467.4907012311.311321.69061.17629．86355.