SWAT模型的原理、结构及应用研究

摘　要:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS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。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。
关 键　词:SWAT;分布式水文模型;黑河流域;应用研究中
图分类号343.3　　
SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是在SWRRB模型[1](Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。它具有很强的物理基础,适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用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,在加拿大和北美寒区具有广泛的应用[2]。从模型结构看,SWAT属于第二类分布式水文模型[3],即在每一个网格单元(或子流域)上应用传统的概念性模型来推求净雨,再进行汇流演算,最后求得出口断面流量。它明显不同于SHE模型等第一类分布式水文模型,即应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系。从建模技术看,SWAT采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。在运行方式上,SWAT采用独特的命令代码控制方式,用来控制水流在子流域间和河网中的演进过程,这种控制方式使得添加水库的调蓄作用变得异常简单。SWAT的功能十分强大,还能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题。由于篇幅原因,本文仅探讨SWAT的水文学原理和模型的结构与运行方式,应用研究的重点放在径流模拟上。因为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，
1SWAT模型原理介绍
SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性,为了提高模拟的精度,通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有三种:自然子流域(subbasin)、山坡(hillslop)和网格(grid)。关于流域离散方法的探讨见参考文献[4]。SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化
学物质等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。
1.1　水循环的陆面部分
流域内蒸发量随植被覆盖和土壤的不同而变化,可通过水文响应单元(HRU)[2]的划分来反映这种变化。每个HRU都单独计算径流量,然后演算得到流域总径流量。在实际的计算中,一般要考虑气候、水文和植被覆盖这三个方面的因素。
1.1.1　气候因素
流域气候(特别是湿度和能量的输入)控制着水量平衡,并决定了水循环中不同要素的相对重要性。SWAT所需要输入的气候因素变量包括:日降水量、最大最小气温、太阳辐射、风速和相对湿度。这些变量的数值可通过模型自动生成,也可直接输入实测数据。
1.1.2　水文因素
降水可被植被截留或直接降落到地面。降到地面上的水一部分下渗到土壤;一部分形成地表径流。地表径流快速汇入河道,对短期河流响应起到很大贡献。下渗到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸发掉,或者经由地下路径缓慢流入地表水系统。冠层蓄水:SWAT有两种计算地表径流的方法。当采用Green&Ampt方法时需要单独计算冠层截留。计算主要输入为:冠层最大蓄水量和时段叶面指数(LAI)。当计算蒸发时,冠层水首先蒸发。下渗:计算下渗考虑两个主要参数:1初始下渗率(依赖于土壤湿度和供水条件);2最终下渗率(等于土壤饱和水力传导度)。当用SCS曲线法计算地表径流时,由于计算时间步长为日,不能直接模拟下渗。下渗量的计算基于水量平衡。Green&Ampt模型可以直接模拟下渗,但需要次降雨数据。重新分配:是指降水或灌溉停止时水在土壤剖面中的持续运动。它是由土壤水不均匀引起的。SWAT中重新分配过程采用存储演算技术预测根系区每个土层中的水流。当一个土层中的蓄水量超过田间持水量,而下土层处于非饱和态时,便产生渗漏。渗漏的速率由土层饱和水力传导率控制。土壤水重新分配受土温的影响,当温度低于零度时该土层中的水停止运动。蒸散发:蒸散发包括水面蒸发、裸地蒸发和植被蒸腾。土壤水蒸发和植物蒸腾被分开模拟。潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算。实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算。植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算。潜在蒸散发有三种计算方法:Hargreaves(Hargreavesetal.,1985)[5]、Priestley-Taylor(PriestleyandTaylor,1972)[6]和Penman-Monteith(Monteith,1965)[7]。壤中流:壤中流的计算与重新分配同时进行,用动态存储模型预测。该模型考虑到水力传导度、坡度和土壤含水量的时空变化。地表径流:SWAT模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量。地表径流量的计算可用SCS曲线方法或Green&Ampt方法计算。SWAT还考虑到冻土上地表径流量的计算。洪峰流量的计算采用推理模型。它是子流域汇流期间的降水量、地表径流量和子流域汇流时间的函数。池塘:池塘是子流域内截获地表径流的蓄水结构。池塘被假定远离主河道,不接受上游子流域的来水。池塘蓄水量是池塘蓄水容量、日入流和出流、渗流和蒸发的函数。支
流河道:SWAT在一个子流域内定义了两种类型的河道:主河道和支流河道。支流河道不接受地下水。SWAT根据支流河道的特性计算子流域汇流时间。输
移损失:这种类型的损失发生在短期或间歇性河流地区(如干旱半干旱地区),该地区只在特定时期有地下水补给或全年根本无地下水补给。当支流河道中输移损失发生时,需要调整地表径流量和洪峰流量。地下径流:SWAT将地下水分为两层:浅层地下水和深层地下水。浅层地下径流汇入流域内河流;深层地下径流汇入流域外河流。
1.1.3　植被因素
SWAT利用一个单一的植物生长模型模拟所有类型的植被覆盖。植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。被用来判定根系区水和营养物的移动、蒸腾和生物量或产量。
1.2　水循环的水面部分
水循环的水面过程即河道汇流部分,主要考虑水、沙、营养物(N,P)和杀虫剂在河网中的输移,包括主河道以及水库的汇流计算。
1.2.1　主河道(或河段)汇流
主河道的演算分为4部分:水、泥沙、营养物和有机化学物质。其中进行洪水演算时若水流向下游,其一部分被蒸发和通过河床流失,另一部分被人类取用。补充的来源为直接降雨或点源输入。河道水流演算多采用变动存储系数模型或Muskingum方法。
1.2.2　水库汇流演算
水库水量平衡包括:入流、出流、降雨、蒸发和渗流。在计算水库出流时,SWAT提供三种估算出流量的方法以供选择:1需要输入实测出流数据;2对于小的无观测值的水库,需要规定一个出流量;3对于大水库,需要一个月调控目标。
2SWAT模型的结构及运行控制
2.1　模型的结构
SWAT具体计算涉及到:地表径流、土壤水、地下水以及河道汇流,模型结构框
.2模型的运行控制
SWAT采用类似于HYMO模型(WilliamsandHann,1973)的命令结构(commandstructure)来控制径流和化学物质的演算(见图2)。通过子流域命令,进行分布式产流计算;通过汇流演算命令,模拟河网与水库的汇流过程;通过叠加命令,把实测的数据和点源数据输入到模型中同模拟值进行比较;通过输入命令,接受其它模型的输出之值;通过转移命令,把某河段(或水库)的水转移到其他的河段(或水库溉。SWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。
3实例研究——SWAT在黑河(莺落峡)流域中的应用
3.1　黑河(莺落峡)流域概况
黑河位于甘肃省西北部,发源于祁连山脉西南麓,是河西走廊三大内陆河之一。按自然地理特点,可分为三个区:祁连山东区与祁连山前山区、河西走廊区及阿拉善高平原区。其中,黑河干流山区莺落峡以上流域面积10009km2,该部分流域海拔范围1674～5120m。根据1959～1993年资料统计[8],黑河莺落峡以上流域的冰川覆盖度为0.59%,年径流量16.05×108m3,冰川融水补给率为3.4%。黑河流域山区年降水量可达400mm左右,年蒸发能力为1600mm。森林主要分布于中山地带,灌木和牧草分布在流域各处。
3.2　模型输入数据
SWAT模型参数繁多,本文重点进行分布式日径流过程的模拟。模型主要计算输入数据为EM、水文和气象测站的空间分布信息、土壤类型与土地利用的空间分布数据、降水系列数据、蒸发系列数据。
DEM为栅格数据,利用GIS软件将黑河莺落峡流域划分为4个子流域,并提取出数字河网图。本文共用到14个雨量站点的资料,径流数据为莺落峡水文站的日观测资料。站点的空间分布见图3。降水系列数据为1998年日降水数据。蒸发采用月数据平均生成日数据。土地利用为1∶10万数字图(见图4)。土壤类型分布数据来源于遥感和实际调查,计算时每个子流域按最典型的一种土壤确定。土壤属性数据来自文献[9]。
在ArcView3.2平台上,运行AVSWAT2000(SWAT模型的ArcView界面)自动生成格式化的模型参数和输入数据。经过SWAT模拟计算,主要结果如下。(1)子流域月径流模拟结果(表2)2)莺落峡日径流模拟结果:从日径流过程的模拟结果(图5)看,模型效率系数达到0.83,SWAT完全满足水资源管理的应用之需。模型能够输出各个子流域的模拟数值,对于探讨水循环空间变化规律具有很大的帮助。
结语
SWAT模型的引入为西部寒冷地区水文过程的模拟提供了有用工具,它独特的分布式结构和运行控制方式也为我国分布式水文模型的研制开拓了视野。经研究发现1)SWAT模型在结构上考虑融雪和冻土对水文循环的影响,较适用于我国西北寒区。(2)SWAT模型不适用于单一事件的洪水过程的模拟。计算时段以日或月为好,比较适用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟。(3)SWAT模型是在国外数据条件下构建的。因此,在应用时需对模型的数据库部分进行修改,特别需要建立用户自己的土壤属性数据库。土地利用的编码也要进行转换。(4)实列研究表明,降雨空间分布对模拟结果影响很大。而AVSWAT2000在降雨空间处理上不太理想。建议采用“泰森多边形法”或者“距离倒数加权法(IDW)”等生成子流域的降雨输入数据,本文采用的是后一种方法。SWAT模型除了本文介绍的分布式径流模拟功能之外,还能用于面源污染、水土流失、土地利用和农业管理等方面的研究,是一个十分值得推广的综合性流域水文模型。