基于SWAT模型的平原灌区水量平衡模拟研究

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1、灌溉排水学报２０１５年１月第３４卷第１期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）０１－００１７－０６基于ＳＷＡＴ模型的平原灌区水量平衡模拟研究欧阳威１，黄浩波１，张璇１，郝芳华１，王晓２，段慧锋３，郭波波１（１．北京师范大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京１００８７５；２．清华大学公共管理学院，北京１０００８４；３．北京市环境与艺术学校，北京１００１９１）摘要：基于气象资料、水量资料和遥感影像，针对河套灌区复杂的空间结构和灌排体系，使用人工自定义子流域的方法建立了河套平原灌区的ＳＷＡＴ模

2、型，并进行率定和验证。结果表明，模型的率定与验证结果总体满足２ＥＮＳ≥０．５，Ｒ≥０．６的基本要求，人工自定义子流域边界的方法在平原灌区切实可行。灌区内水量主要补给是灌溉（４２．６６％）与降雨（４９．３５％）；蒸发（７７．４５％）与地下水深层渗漏（２０．４４％）是水分主要消耗项。建立的ＳＷＡＴ模型在平原灌区适应性较强。关键词：ＳＷＡＴ模型；自定义子流域；水量平衡；河套灌区；灌溉中图分类号：Ｐ３３３．１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．０１．００５欧阳威，黄浩波，张璇，等．基于ＳＷＡＴ模型的平原灌区水量平衡模拟研究［Ｊ］．灌溉排

3、水学报，２０１５，３４（１）：１７－２２．［１－３］ＳＷＡＴ模型在人工干扰强烈的流域尤其是集约化农业灌区中的应用研究进行了一定的探索，但尚不足。内蒙古河套地区水文数据缺乏，对水文循环关键参数的确定研究不足，研究结果具有局限性。另外，河套灌区空间结构复杂，平均高程差不足３７ｍ，加之灌区内大规模、长期的水资源开发等人类活动的干扰，灌排渠系纵横交错，经典的基于数字高程模型（ＤＥＭ）的子流域划分存在一定的难度。基于此，以水量平衡理论为基础，以河套灌区为典型平原灌区，利用ＳＷＡＴ模型中ｐｒｅ－ｄｅｆｉｎｅｄ工具，在人工自定义河道和子流域边界的基础上，定量模拟研究河套灌区在自然

4、和人类活动双重影响下的水量平衡和水循环特征，为ＳＷＡＴ模型在平原灌区的使用和灌区水资源规划提供参考。１材料与方法１．１研究区概况河套灌区地处干旱、半干旱地区，属于典型的大陆性气候。总面积１１０４２．４５ｋｍ２，是中国３个最大的农业灌区之一。灌区多年平均降雨量为１７６ｍｍ，年内分布极不均匀。该区域蒸发强烈，多年平均蒸发量２０５６ｍｍ，是降雨量的１１．７倍，年内最大蒸发强度发生在５—６月。由于气温因素，该区域每年１１月中、下［４］旬土壤开始冻结，５月上、中旬全部消融，冻土层厚度１．０～１．３ｍ，冻融历时１８０ｄ左右。灌区每年灌溉一般分为夏灌（４—９月）和秋浇（１０—１１

5、月）。灌区统一由黄河三盛公枢纽引水进行夏灌和秋浇，年均引黄量维持在５０亿ｍ３左右，现已形成复杂的灌排体系（图１）。１．２ＳＷＡＴ模型子流域自定义与数据库构建１．２．１自定义子流域通过ＤＥＭ数据的高程统计发现，河套灌区高程在１０１８～１１３９ｍ之间，其中，９４．６％的灌区面积高程在１０１８～１０５５ｍ之间，高程差小于３７ｍ；另一方面，灌区的灌排渠系主要靠人工修建，修建过程中填方、收稿日期：２０１３－０５－２３基金项目：公益性行业（农业）科研专项（２０１００３０１４）；中央高校基本科研业务费专项资金；教育部留学回国人员科研启动基金项目作者简介：欧阳威（１９８０－），男，

6、江西萍乡人。副教授，博士。主要从事水文水资源及非点源污染控制的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：郝芳华（１９６３－），女，江苏连云港人。教授，博士生导师。主要从事水文水资源及非点源污染控制的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｇｈｕａ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ１７挖方等工程人为地改变了渠沟处的高程，进一步影响了自然产汇流过程和径流方向。常规的基于地形进行的水文分析结果（图１（ｂ））难以反映水系的真实情况（图１（ａ））。因此，有必要在此区域进行河道和子流域人工定义。图１河套灌区实际灌溉、排水渠系分布与基于ＤＥＭ生成的渠系采用人工修建的分水渠、公路、铁路作为确

7、定子流域边界的依据，最终将自定义结果通过ｐｒｅ－ｄｅｆｉｎｅｄ方法导入ＳＷＡＴ模型。首先，将灌溉干渠及分干渠作为分水岭，而不作为灌区内的排水水系考虑。根据河套灌区管理局提供的１∶５万的河套灌区渠系分布图将研究区的灌排渠系进行数字化，其中，排水渠系作为灌区的水系，灌溉分水渠初步作为子流域边界（图１）。其次，公路及铁路在设计及建设过程中一般将路基垫高，与自然的分水岭功能类似。研究以全国１∶１００万基础地理信息共享平台提供的空间数据为基础，提取公路网及铁路网（图２）作为确定子流域边界的次要依据。对铁路和铁路穿过的子流域以公路和铁路作为新的边界进行细化，子流域数量显著增