SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計算及應用

張雪剛,毛媛媛,董家瑞,李致家

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;2.江蘇省水利工程規劃辦公室,江蘇南京 210029)

SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計算及應用

張雪剛1,毛媛媛2,董家瑞1,李致家1

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;2.江蘇省水利工程規劃辦公室,江蘇南京 210029)

為了準確模擬區域地下水動態變化,將地表水SWAT模型與地下水MODFLOW模型進行耦合計算。根據SWAT分布式模型的特點,以其水文響應單元(HRU)和MODFLOW模型的有限差分網格(cell)作為基本交換單元,將SWAT模型計算的地下水補給量和潛水蒸發量引入MODFLOW模型的地下水補給(RCH)模塊和潛水蒸發(EVT)模塊中,并將其應用于徐州市張集地區的地下水模擬計算。結果表明,SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計算能準確模擬和預測該地區的地下水水情及其地表水和地下水之間的相互作用。

地表水;地下水;SWAT模型;MODFLOW模型;模型耦合;徐州市

地表水和地下水之間存在密切的聯系和相互作用,地表水和地下水之間的相互作用規律一直是水文學和水文地質學研究的熱點和難點。目前,國內外有關地表水和地下水模擬的模型很多,如以模擬地表徑流為主的 TOPMODEL[1]、SWAT模型[2-3]、新安江模型等[4],以模擬飽和地下水流為主的MODFLOW[5]、FEFLOW[6]等,在不同區域的水資源管理和規劃中得到了廣泛應用。在地表水和地下水的聯合模擬方面也有許多相關研究,開發的模型有SWATMOD[7-8]、IGSM[9]、MODHMS[10]、MIKE-SHE[11]模型等。這些耦合與集成模型功能完善,但是由于結構復雜,同時需要大量參數和數據支撐,模型建立和率定非常耗時,在應用上受到一定限制。因此根據實際情況,研究簡單、實用的地表水與地下水模型耦合計算的方法,準確、有效地模擬地表水與地下水系統之間的相互作用,對于水資源的準確評價,科學開發利用、有效管理以及生態環境的保護具有重要意義。

張集地區位于江蘇省徐州市,區內地下水資源豐富,建有日供水量10萬t的地下水水源地,是向徐州市提供飲用水的水源地之一。由于地區內地質條件特點,地表水滲漏作用強烈,對地下水存在很強的補給作用。準確模擬和預測地區地下水的動態變化,對保障徐州市供水至關重要,也是實現區域水資源有效保護和可持續利用的關鍵。

在地下水模型的模擬計算中,地下水的補給量和潛水蒸發量直接影響地下水動態模擬的結果,但是通常很難對其進行準確估算和賦值。筆者根據張集地區地下水模擬的要求,在地區SWAT模型模擬和MODFLOW模型建立的基礎上,根據SWAT分布式模型的特點,通過SWAT模型水文響應單元(HRU)與MODFLOW差分網格(cell)的對應,構建SWAT-MODFLOW的交互界面。應用ARCGIS軟件,將SWAT模型地下水補給量與潛水蒸發量的模擬計算結果及空間分布引入MODFLOW相應的地下水補給子模塊RCH和潛水蒸發子模塊EVT中,實現模型的耦合計算。對張集地區地下水水位進行模擬,并與實測結果進行對比分析。

1 模型方法

1.1 SWAT模型

SWAT(soil and water assessment tool)模型是美國農業部(USDA)農業研究所(ARS)開發的適用于大流域尺度的分布式非點源污染計算模型,用于模擬預測在具有多種土壤類型、土地利用和管理條件的大尺度流域里,土地管理措施對水、沙和化學物質的長期影響。SWAT是基于物理過程的模擬模型,模型主要輸入要素包括氣象、水文、土壤特性、植被覆蓋、化學物質和土地利用情況等。SWAT模型計算效率較高,可以模擬和研究長期的變化過程。在國外水資源管理、水土流失等方面得到了成功應用,在國內的研究和應用主要側重于水文模擬方面。

SW AT模型是具有很強物理機制的半分布式流域水文模型,在SW AT模型中,流域被劃分為多個子流域,在每個子流域內,根據不同的土地利用和土壤類型,再將每個子流域劃分為1個或多個下墊面相對單一的水文響應單元(HRU),作為模型的基本計算單元。每個HRU的計算結果在子流域范圍內進行累加,并演算到支流,最后通過河道匯流計算得到流域出口處的結果。筆者應用AVSW AT 2000進行計算。

1.2 MODFLOW

MODFLOW(the modular finite-difference groundwater flow model)是由美國地質調查局(USGS)開發的、用來模擬地下水流動和地下水中污染物遷移等特性的計算機程序,是基于達西定律和地下水質量平衡的具有物理意義的三維地下水模擬模型,使用有限差分方法,采用模塊化的程序結構。Visual MODFLOW[12]是由加拿大waterloo水文地質公司在MODFLOW軟件的基礎上,綜合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型軟件開發的,可進行三維水流模擬和溶質運移模擬。

Visual MODFLOW以其簡單實用的求解方法、廣泛的適用范圍及強大的可視化功能等特點,成為目前國際上應用最廣泛的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統。筆者應用Visual MODFLOW4.0進行地下水模擬計算。

1.3 SWAT-MODFLOW耦合方法

在SWAT模型中,水文響應單元(HRU)是模型最基本的計算單元,反映了子流域內土地利用和土壤覆蓋情況的綜合影響,是分布式模擬計算的基礎。通過模擬,可以得到每個HRU內的地表徑流、地下徑流、壤中流、蒸發、滲漏量、地下水的補給量等計算結果,將HRU計算結果在子流域和整個流域進行累加,就得到計算模型要素在整個流域的空間分布。MODFLOW的基本計算單元是有限差分網格(cell)。根據SW AT中HRU和MODFLOW中有限差分網格的特點,構建HRU-cell的交互界面[13](圖1)。圖1中上半部分顯示了SW AT模型1個子流域中HRU的空間分布,下半部分顯示了MODFLOW中有限差分網格(cell)的劃分情況,網格中的數字分別對應SW AT模型中HRU的編號。通過這種對應,可以將SW AT模型計算的模型要素的空間分布賦值給MODFLOW,從而實現SW AT與MODFLOW的耦合計算。

圖1 SWAT模型與 MODFLOW的 HRU-cell耦合示意圖

2 SWAT-MODFLOW耦合計算在張集地區的應用

2.1 研究區域概況

張集地區位于江蘇省徐州市東南,距徐州市中心25km,總面積360 km2。地區地下水儲量豐富。地區總體地形西北高、東南低,黃泛沖擊平原是區內主要地貌形態,在水源地北部及南部邊界地區有碳酸巖鹽組成的低山丘陵區,山峰海拔高60～237m,其余地區為平原區,高程28～38m。張集地區數字高程模型DEM及其地理位置見圖2。

圖2 張集地區DEM及其在徐州市的地理位置示意圖

張集地區的地下水主要有孔隙水含水層和巖溶水含水層兩種。孔隙含水層廣泛分布在平原區,組成以砂土、粉土、黏性土為主,厚度一般不足40m。水源地的巖溶含水層以震旦系和寒武系的碳酸鹽巖為主,巖性多變,厚度大、范圍廣,是水源地地下水的主要開采層區。

2.2 SWAT模型率定及模擬計算

張集地區面積較小,且缺少實測地表水徑流站,因此選擇與張集地區相鄰的具有相似條件的欄桿集地區,采用欄桿集水文站1980—1987年8年的月實測流量對模型參數進行率定。

欄桿集地區位于張集水源地西部,流域面積600km2,與張集地區同屬淮河流域,地區內的氣候條件、土地利用及土壤覆蓋情況與張集地區基本相同。模型率定的參數及地表徑流量的擬合情況見表1和圖3。

表1 SWAT模型率定的主要參數值

將率定的SWAT模型應用于張集地區。根據地區土地利用和土壤類型,共劃分12個子流域。由于張集區域面積較小,且土地利用以農田為主,土地開發利用方式及土壤覆蓋情況比較單一,因此HRU劃分采用優勢土被占有法,每個子流域對應 1個HRU,共分為12個HRU(圖3)。選用地區2005年的實測降雨和蒸發資料,進行SWAT月模擬計算,得到區域內每個HRU的地下水補給量和潛水蒸發量值。

2.3 SWAT與MODFLOW的耦合計算

根據張集地區的水文地質條件,建立區域的MODFLOW地下水模型。模型分為3層,第1層為非承壓的孔隙含水層,第2層和第3層為承壓巖溶含水層。模型網格劃分為每層46行×60列,每個單元格(cell)的大小為500m×500m。對每個含水層,設置其滲透系數、地下水貯水率、給水度等參數和模型的邊界條件[14]。應用ARCGIS軟件,將SW AT 模型計算的地下水補給量和潛水蒸發量結果引入MODFLOW模型邊界條件中的地下水補給子模塊RCH和潛水蒸發子模塊EVT中,進行地下水模擬計算。

圖4為模擬得到的區域內35口地下水觀測井2005年4月5日的實測地下水位與模型計算地下水位的散點圖,模擬結果的確定性系數為0.78,模擬結果與實測值的相關系數R2為0.81。圖5顯示了位于第7個HRU內的孔隙含水層一觀測井實測與計算地下水水位過程線,計算得到的地下水水位隨地下水補給量的變化趨勢與實測地下水位的變化基本吻合。

圖3 SWAT模型率定的欄桿集月徑流量與實測流量對比

圖4 張集地區2005年4月5日觀測井計算水位與實測水位散點擬合圖

3 結 論

本文將地表水SWAT模型與地下水MODFLOW模型進行耦合并應用于徐州張集地區的地下水水位模擬計算。根據張集地區地下水模擬的要求,在地區SWAT模型模擬和MODFLOW模型建立的基礎上,根據SWAT分布式模型的特點,將其水文響應單元(HRU)和MODFLOW的有限差分網格(cell)相對應,應用ARCGIS軟件,將SWAT模型計算的具有空間分布特征的模型要素地下水補給量和潛水蒸發量引入MODFLOW的地下水補給模塊(RCH)和蒸發模塊(EVT)中,實現模型的耦合計算。

圖5 張集地區孔隙含水層觀測井2005年地下水位過程線

對區域2005年地下水模擬計算結果表明,計算得到的區域地下水位與實測結果基本吻合。SWAT模型與MODFLOW的耦合計算對于更準確地模擬和預測地下水水情,進一步研究地表水與地下水之間的相互作用提供了科學方法,對于區域水資源的科學規劃和管理,實現區域水資源的可持續利用具有實際意義。

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A coupled model simulation and application of SWAT-MODFLOW

ZHANG Xue-gang1,MAO Yuan-yuan2,DONG Jia-rui1,LI Zhi-jia1
(1.College of Hydrology and WaterResources,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Jiangsu WaterResources Planning Office,Nanjing210029,China)

In order to simulate change in regional groundwater,the quasi-distributed watershed model,SWAT was coupled with the fully-distributed groundwater model MODFLOW,in simulation.The hydrologic response units(HRU)in the SWAT model,its basic elements,were exchanged with cells in the MODFLOW model.By using the HRU—cell conversion interface,the distributed groundwater recharge rate and the groundwater evapotranspiration calculated by SWAT were introduced into the RCH and EVT modules of MODFLOW.The application of groundwater simulation in the Zhangji area of Xuzhou demonstrated that the coupled SWAT-MODFLOW was capable of predicting the groundwater situation,and of being used for investigating the interaction between surface water and groundwater.

surface water;groundwater;SWAT model;MODFLOW model;model coupled;Xuzhou City

P339

A

1004-6933(2010)03-0049-04

河海大學理科基金項目

張雪剛(1971—),男,甘肅會寧人,講師,主要從事水文水資源方面的研究。E-mail:zhangxg@hhu.edu.cn

Nash Sutcliffe模型效率系數Ens和線性回歸系數R2評估模型的模擬效果。模型率定結果的確定性系數為0.85,相關系數為0.86。

2009-10-22 編輯:高渭文)