水循環(huán)地理信息系統(tǒng)平臺的建立與應用

水循環(huán)地理信息系統(tǒng)平臺的建立與應用

分布水文模型是近年來水文建模領域的熱點。在水文模擬中運用ps技術，為水文模型的開發(fā)鋪平了技術道路，為流域水文模型的研究注入了新的動力。作為水文科學研究的一個新方向，分布水文模型在流域排水模擬、流域條件變化、氣候變化反應模擬、污染物移動模型等領域得到了廣泛應用。1河流流域及研究區(qū)基本情況西溪是晉江的重要支流,發(fā)源于安溪縣西北桃舟鄉(xiāng)達德坂的梯子嶺,向東南流經(jīng)永春縣、安溪縣、南安市,支流有藍溪、龍?zhí)断?、坑仔口溪、雙溪、金谷溪、龍門溪,并在雙溪口與東溪匯入晉江干流,河長145km,流域面積3101km2.研究區(qū)范圍為西溪安溪水文站以上段(如圖1所示),是西溪的重要組成部分,主要位于安溪縣和永春縣境內,流域內地形復雜,地勢西高東低,研究區(qū)總面積2466km2.2自然子流域水文過程SWAT模型主要的功能是預測人類活動對水、沙、化學物質的影響和氣候變化對降雨—徑流過程的影響,它能夠模擬流域內多種不同的水文物理過程.為了降低流域下墊面和氣候條件變化對模擬結果的影響、提高模型模擬的精度,一般SWAT模型將研究流域離散成若干個單元.由于研究目的不同,流域的離散方法也不同,將研究流域劃分為不同的自然子流域是本文采用的方法.產流和坡面匯流與河道匯流是SWAT模型模擬流域水文過程的兩部分,具體包括地表徑流、土壤水、蒸散發(fā)、地下水(淺層地下水和深層地下水)以及河道匯流.根據(jù)水文循環(huán)原理,SWAT模型水文計算水量平衡基本表達式如下:SWt=SW0+∑(Rday?Qsurf?Ea?Wseep?Qgw)SWt=SW0+∑(Rday-Qsurf-Ea-Wseep-Qgw)式中,SWt是最終的土壤含水量(mm),SW0是土壤初始含水量(mm),t是時間(d),Rday是第i天的降水量(mm),Qsurf是第i天的地表徑流(mm),Ea是第i天的蒸發(fā)量(mm),Wseep是第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側流量(mm),Qgw是第i天的地下水含量(mm).3基于數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)庫的構建3.1飽和水力傳導率測量模型由于已知數(shù)據(jù)比較精確,因此本文選用計算結果較為理想的插值法,在Matlab6.5軟件的支持下進行線性插值,完成土壤質地轉換;由于缺乏土壤容重、有效田間持水量、土壤飽和水力傳導率的實測數(shù)據(jù),所以,應用USDA開發(fā)的土壤水文特性軟件(Saxton開發(fā)的Soiltexturetriangle:hydraulicpropertiescalculator)進行計算得到模型所需要的土壤物理屬性值;模型在計算過程中,要確定研究流域的河道集水區(qū)面積的大小、子流域平均高程以及與河道有關的河道坡度等數(shù)據(jù),這些地形數(shù)據(jù)是基于30m柵格DEM來提取的.模型運行時,將柵格DEM數(shù)據(jù)輸入視圖當中,利用數(shù)字地形分析技術提取所需數(shù)據(jù),提取過程可由模型本身自動完成.3.2建立土壤質地數(shù)據(jù)庫SWAT模型是在美國標準下研制成功的,本文將晉江流域1985年土地利用數(shù)據(jù)的土地利用分類標準與模型的土地利用分類標準進行對比,按模型要求轉換土地利用編碼(數(shù)據(jù)庫中經(jīng)轉換后的土地利用編碼為AGRL、FRST、RNGB、WATR、WETN、UIDU、URMD、RNGE),建立土地利用數(shù)據(jù)庫.完成土壤質地轉換后,在UserSoil模塊中將計算所得的土壤飽和水力傳導率、土壤容重、有效田間持水量、粘粒、粉沙、沙粒、礫石含量寫入每一種土壤類型的每一層當中,建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫.采用了流域內桃舟、龍山、中板等14個雨量站1970~1979年連續(xù)10年的日降雨量數(shù)據(jù)建立雨量數(shù)據(jù)庫,并將建立好的數(shù)據(jù)庫導入SWAT模型中的相應位置.雨量站點的位置以坐標的形式進行存儲,同時建立站點信息的屬性表,以便與日降雨量數(shù)據(jù)庫建立起連接,完成氣象數(shù)據(jù)庫的建立.4swt模型在晉江西部流域的應用4.1日降雨變化模型運行數(shù)據(jù)及處理基于柵格DEM的流域信息提取.研究區(qū)的DEM,是確定流域邊界、劃分子流域和生成河網(wǎng)的基礎數(shù)據(jù).水文響應單元的生成.本文采用多種水文響應單元法(MultipleHydrologicResponseUnit):(1)土地利用面積閾值的確定,用來確定子流域內需保留的最小土地利用的面積,在模擬過程中取5%;(2)土壤面積閾值的確定,用來確定土壤類型中需保留的最小土壤類型的面積,在模擬過程中選取10%.氣象數(shù)據(jù)的輸入.運行模型所需要輸入的氣象數(shù)據(jù)來自流域內桃舟、龍山、中板等14個雨量站1970~1979年連續(xù)10年的日降雨量數(shù)據(jù),安溪氣象觀測站點1970~1979年連續(xù)10年的各月平均最低氣溫、各月平均最高氣溫、各月降水量等觀測數(shù)據(jù).文件的輸入.輸入的文件類型有流域配置文件.fig,土壤文件.Sol,氣象文件.Wgn,子流域文件.Sub,水文響應單元文件.hru及主河道文件.rte.運行操作.在模型運行的操作界面上,選擇“日降雨數(shù)據(jù)/徑流曲線/日(Daily-rain/CN/Daily)”方式;降雨量模擬選擇SWAT模型手冊中推薦的偏正態(tài)分布方法(Skewednormal);潛在蒸發(fā)模擬方法選擇Penman-Monteith方法;河道演算選擇VariableStorage方法,最后運行模型.4.2b模型擬合度檢驗參數(shù)率定.應用模型的CalibrationSetup工具綜合所有數(shù)據(jù)信息,先進行單個參數(shù)的敏感性分析,再整合多個參數(shù)進行綜合性分析.在模型校正過程中,確定6個敏感參數(shù)進行敏感性分析和驗證,得到適合西溪流域的參數(shù)值,這6個參數(shù)的具體描述如表1所示.模擬結果與評價.為驗證模型的有效性,選用Nash-Suttclife效率系數(shù)E、線性回歸系數(shù)R2來評估模型在校準和驗證過程中的模擬效果.根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的完整性,使用效率系數(shù)E來衡量模型模擬值與實測值之間的擬合度,其表達式為:E=1?∑i=1n(Qo?Qp)2∑i=1n(Qo?Qavg)2E=1-∑i=1n(Qo-Qp)2∑i=1n(Qo-Qavg)2式中:Qo—實測值;Qp—模擬值;Qavg—實測平均值;n—實測數(shù)據(jù)個數(shù).當Qo=Qp時,E=1;如果E為負值,說明模型模擬平均值比直接使用實測平均值的可信度更低.線性回歸系數(shù)R2在EXCEL中應用線性回歸法求得,R2也可以進一步用于實測值與模擬值之間的數(shù)據(jù)吻合程度評價,R2=1表示非常吻合;當R2<1時,其值越小反映出數(shù)據(jù)吻合程度越低.當模型的結構和輸入?yún)?shù)初步確定后,就需要對模型進行校正(calibration)和驗證(validation).通常將使用的資料系列分為兩部分,其中一部分用于校正模型,而另一部分則用于模型的驗證.本文選用1970~1975年6年的實測徑流量進行參數(shù)校正,再用1976~1979年4年的實測徑流量進行驗證,模型校正后E=0.91,R2=0.92.校正結果表明,通過模型參數(shù)的調整,可以比較準確的模擬校證期的月徑流量.根據(jù)率定好的SWAT模型模擬西溪流域1976~1979年各月徑流量,模擬值曲線與實測值曲線比較如圖2所示,模型效率系數(shù)E為0.85,線性相關系數(shù)R2為0.90.從驗證結果可以看出,模擬值與實測值有良好的對應關系.5建立土地利用數(shù)據(jù)庫筆者以西溪流域10年的氣象、水文等實測資料為基礎,以GIS技術為手段,應用SWAT模型對西溪流域徑流進行模擬,得到以下主要結論:(1)應用Arcview3.3與SWAT模型相結合的方式,建立了西溪流域水循環(huán)地理信息系統(tǒng)平臺.其中,針對研究區(qū)的土地利用狀況,對土地利用編碼進行轉換,建立了相應的土地利用數(shù)據(jù)庫;針對研究區(qū)的土壤物理屬性,轉換土壤質地,建立了相應的土壤屬性數(shù)據(jù)庫.(2)采用1970~19