基于SWAT的贵州大井流域地表水与地下水转化关系研究

2021-09-30党志文宫志强郭洁雨杨昊坤王天增

河北建筑工程学院学报 2021年2期

党志文宫志强郭洁雨杨昊坤王天增

(1.河北建筑工程学院，河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，张家口 075000；2.河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，河北省地质环境监测院，石家庄 052460)

0 引言

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是Jeff Amonld博士在上世纪90年代开发，主要应用于美国的农业研究上，后来广泛应用到降水、蒸散发、土壤水、地下水和河道汇流中，在水利工程、地表水等相关领域具有一定的应用前景.该模型是在GIS基础上，以日作为模拟期分布式流域水文模型，使用地理信息系统和遥感中的空间信息模块来模拟水文过程[1-2].

本文引入SWAT地表水模型，对工作区进行适用性分析，进而定量的研究地表水与地下水的转化关系.

1 研究区概况

大井流域位于贵州高原南部斜坡地带，属惠水县、平塘县、罗甸县管辖.流域沿着地下河发育，地形狭长，范围大小约为82.23km2.研究区地势起伏强烈，表现为北高南低，相对高差250m～600m,自地下河航龙入口处至大井村大井出口大部分为暗流河段，总长度约为15Km，少部分地区为明流河段，变现为岩溶洼地和落水洞[2].另外，自中游至下游发育南北向的董当张性断裂.研究区的水文地质简图见图1.

图1 大井流域水文地质简图

研究区的地下河有两条，都是延构造发育(图2).左侧地下河南北向发育，主要沿着南北向的董当张性断裂发育，长度约为15km，宽度约为1～10m；右侧地下河沿着北东-南西走向的节理发育，长度约为6.5Km，宽度约1～5m，2条地下河水利联系密切.另外，左侧地下河与小井流域的地下河有一定的水利联系.贵州省地质调查院在2003年开展了大小井地下河系统失踪试验，试验过程如图2，示踪试验选用钼酸铵和食盐溶剂作为示踪剂，在444号入口处投放钼酸铵，在521伏流人口处投放食盐溶剂(NaCI)，取样进行水样检测.结果在582号出口和508号出口检测到钼离子；在583出口检测出氯离子(Cl-)，但是在582出口未检测到氯离子(Cl-)浓度发生变化.示踪结果说明航龙至马鞍寨区间，大小井地下河水力联系密切，而在马鞍寨之后两条地下河几乎没有水力联系，相互独立.

图2 大小井地下河间的水力联系图3 模型范围

2 SWAT地表水模型

在充分了解大井流域水文地质条件及大小井之间水力联系的基础上，对获取的水文地质资料展开科学处理.SWAT地表水的模型主要分为两部分：第一部分建立大小井流域的模型，模拟大井出入口的流量；第二部分将第一部分模拟的结果作为已知，模拟大井流域内部的水文现象.

2.1 模型范围

大小井流域是大井流域上一层的三级子流域，东侧以石炭系大塘组一段(C1d1)碎屑岩形成的侵蚀低中山所构成的摆朗河与曹渡河之间的地表分水岭为界；西侧边界则较为复杂，上游的洗马塘——大华段为地下分水岭，大华至大保寨段为摆朗河与涟江的地表分水岭；流域下游的扳傲至令当段边界为边阳压扭性断裂；北侧边界为长江与珠江两大水系的分水岭；南侧为大小井地下河排泄带.如图3，流域面积1732.35Km2.

大井流域是一个独立的四级子流域，边界相对清晰.研究区的西部是大井流域与小井流域的分水岭，区域的东部边界多为山区，海拔较高，易形成分水岭；东北部沿着航龙、旧宅、塘边一带为二叠系吴家坪组，岩性为渗透性很差的泥岩和页岩，形成比较天然的隔水边界；北部航龙附近是伏流入口，是研究区主要的点状流入边界；西北部有一段季节性的地表河流，处理为流出边界.南部为大井出口，是整个流域的集中排泄边界.东南部边界为行政边界，同时海拔较高，可看作地下水的分水岭.整个模拟区面积与大井流域保持一致，面积为82.23km2.

2.2 数据库及模型构建

(1)土壤数据.

利用HWSD数据库和利用SPAW软件的SWC模块计算来构建模型的土壤数据库，最终按照usersoil的标准格式整理导并入到SWAT2012.mdb.得到的成果见如表1、2和3所示.

表1 流域土壤属性参数计算结果

表2 流域第一层土壤属性参数计算结果

表3 流域第二层土壤属性参数计算结果

(2)气象数据.

模型共需要温度、降雨、辐射、湿度和风速五类数据，降雨的强度和持续时间会对研究区地表水汇入到地下河的过程产生影响，进而影响研究区的水均衡；另外四类数据主要通过蒸发影响水文过程.

这五类数据采用国家气象站检测处理后的大气同化驱动集CMADS，包含2010年-2014年日温度随时间变化数据，同时还包括日均气压、湿度、太阳辐射和湿度等.

(3)流域分布数据.

大井流域内部地势复杂，为了更准确的模拟其水文现象，需根据地层岩性、地形地貌和水系分布等进一步划分局部的汇水系统，即子流域.子流域的划分基于SWAT模型中的GIS功能，同时考虑大井流域落水洞等特点，将落水洞所在处设置为子流域出口，可方便得出落水洞汇水面积和径流数据导入大井流域水系矢量文件，再添加水文基站信息，选取大井流域的出入口作为模型的出入口总阀门，进行子流域划分.

最终，将大井流域划分为8个子流域，如图4所示.落水洞分别对应在子流域1、2、4、7出口，岩溶洼地对应子流域3、5、6、8出口，不能通过Inlet添加航龙入口伏流量，但在天然状态下(仅降雨补给)的大井SWAT模型中，降雨补给可满足研究区的各项损失，最后将伏流量添加到相应子流域即可.通过Pre-defined操作导入SWAT，生成子大井流域各个子流域，各子流域的面积见表4.

图4 子流域分布图

表4 子流域面积分布

(4)水文相应单元(HRU)的划分.

HRU是SWAT模型的最基本模拟单元，每个HRU是土壤类型、土地利用和坡度三个要素的非线性组合，HRU的数量会影响模型的计算复杂程度.对于大井研究区，在8个子流域的基础上，加载土地利用数据和土壤类型分布图，设置流域坡度分级，并依据相关经验值设置土地利用类型面积阈值为20%、土壤类型面积阈值为10%、坡度阈值为20%，最终划分HRU的数目为46.

2.3 模型数据的导入

需要导入SWAT模型的数据主要包括水文地质数据、流域参数和气象数据.其中水文地质数据主要指DEM参数，流域参数主要针对研究区内外的流域出入口数据，气象数据主要包括降雨、温度、风速、湿度和太阳辐射.

首先利用DEM高程数据形成河网，明确大井流域的入口和出口并且划分子流域，研究取得DEM及河网见图5；整个大井流域出入口存在完整的数据检测，单独的大井流域出入口数据不易检测，通过大小井总流域的SWAT地表水模拟获得；气象数据是以日为时间不长的CADS同化数据，这些数据涵盖了土壤和地表河流的相关参数，通过Write Swat input table选项实现.

图5 研究区DEM及河网图

3 结果分析

在模型构建的基础上，对工作区SWAT模型运行结果适用性分析.

3.1 参数率定分析

利用研究区的水文站的观测资料、大小井地下河出入口流量检测与各个子流域建立起相应方程，根据月尺度下SWAT模拟的径流与已有的实测径流数据比较，进行参数的率定与选取.选取流域内2014年1月～2015年12月数据为率定期，共12个参数进行率定，初步确定的率定范围及反复模拟后的确定值见表5.

表5 SWAT模型参数率定结果

3.2 水均衡分析

根据2014年～2015年大井流域SWAT模型模拟结果，对工作区进行土壤水均衡分析.土壤水均衡情况用(1)式计算.

ΔS=PREC-SURQ-LATQ-PERC-ET

(1)

式中：ΔS为土壤水储存量的变化量(mm)，PREC为降水量(mm)，SURQ为地表径流量(mm)，PERC为土壤对地下水补给量(mm)，LATQ侧向流量(mm)ET为实际蒸散发量(mm).

最终获得的均衡结果见表6，从均衡表可以看出，无论是2014年还是2015年土壤水储存变化量接近0，即补给量与排泄量几乎持平，从均衡角度验证了模拟过程的准确性.首先看补给项，补给项全部来自降雨，年均降雨量1.066108m3/a；补给项主要由蒸散发、土壤对地下水补给、地表径流和侧向径流组成，蒸散发占了总排泄量的一半以上，两年平均蒸散发量达到0.536108m3/a.土壤对地下水补给量占了四分之一以上，年均排泄量为0.303108m3/a，地表径流占了百分之十以上，侧向径流占了不到百分之十.