基于SWAT模型的珲春河流域分布式水文模拟

延边大学本科毕业论文二〇〇九年六月本科毕业论文本科毕业设计学校代码：10184学号：2054011793题目：基于SWAT模型的珲春河流域分布式水文模拟学生姓名：XX学院：理学院专业：地理信息系统班级：2005级指导教师：XXX副教授延边大学本科毕业论文1摘要本文选择珲春河流域为研究区域，利用SWAT模型与GIS结合的方式进行水文模拟。在已有资料基础上，探讨了珲春流域气候波动和土地覆盖变化下的径流响应，利用建立的水文模型，对在假定未来环境变化情景下珲春河流域水文过程变化趋势进行了预测模拟。模拟不是很精确，但是本文的研究法方在图们江水文研究上是一种积极探索。关键词:SWAT、珲春河、水文效应单元（HRU）、土地利用/覆盖、水文模型。延边大学本科毕业论文2AbstractSelectingHunchunRiverregionasstudyarea,thisthesissimulatesthehydrologicalprocessandforecaststhewaterresourceresponseunderthechangingenvironmentusingSWATaddedintoArcGIS.OnbaseofthedataIhave,thethesisdiscussestherunoffeffectundertheclimateandlandusechanging,andsimulateshydrologicalprocessbasedonhypothesisscenariosusingcalibratedmodel.OursimulationisnotperfectbutitisagoodexploreforthehydrologicalofTumenriverbasin.KeyWords:SoilandWaterAssessmentTool(SWAT);HunchunRiver;HRU;landuse/cover;hydrologicalmodel延边大学本科毕业论文1目录引言··················································································2第一章SWAT模型·································································11.1SWAT分布式水文模型研究目的·········································11.2SWAT模型原理和结构···················································11.3SWAT模型运算流程······················································21.4模型结构和参数·····························································2第二章研究区域·····································································42.1研究区行政范围及研究意义··············································4第三章SWAT的珲春河水文模拟··················································53.1水文模拟的数据和软件环境：·········································53.2水文响应单元（hydrologicresponseunits,HRU）··················63.3土地利用/覆盖数据库····················································63.4模型参数···································································73.5土壤类型数据库···························································83.6珲春河流域坡度提取····················································83.7气象气候数据·····························································9结论和讨论···········································································11参考文献···············································································1谢辞····················································································1延边大学本科毕业论文2引言目前全世界范围内，针对水文方面的研究方法正在向定量化方向发展，而地理信息系统、遥感等空间测量技术的迅速发展，带动了水文研究向更加科学化的方向发展。利用地理信息系统和遥感技术充分考虑流域空间变异性的分布式水文模型已成为当今水文科学研究的热点、难点和重点之一。针对水文研究领域，模型SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）是目前前沿的水文研究手段，它具有很强的物理基础[1]，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量与水质，模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题，能长期预测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物流失的影响。其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性大流域，并能在资料缺乏的地区建模[1]。降雨、径流、下渗和径流过程是水文循环研究中的主要方向，而径流变化又是水文过程中的最敏感因素。影响径流变化的因素很多，最主要的是气候变化和地表下垫面变化，二者对于不同时空尺度的不同流域，其影响程度又大不相同。传统水文学方法在径流变化研究过程中对资料输入处理、物理过程模拟和时空尺度匹配上都存在着局限性，相反，基于物理过程的分布式水文模型在遥感和地理信息系统技术的支持下，模拟土地利用、地表覆盖、水土流失变化的径流响应及陆面过程、气候变化影响评价等方面应用已显现出明显的优势[2]。本文采用ArcGIS和SWAT相结合的方式，在现有有限资料的基础上，通过GIS和SWAT模型对珲春河流域进行水文模拟研究，得出对珲春河流域径流量的变化影响较大因素是降水，相关系数为0.78，气温影响相对小得多，相关系数为0.14，其他因素总和为0.08，并在假设的条件下，径流变化趋势。延边大学本科毕业论文1第一章SWAT模型1.1SWAT分布式水文模型研究目的SWAT是分布式水文物理模型(physically-baseddistributedmodels)的一种较为成熟的模型,主要研究降水在流域内部的运动规律，既要考虑流域内部垂直方向水量交换，也要考虑流域内部水平方向水量交换。分布式水文模型不仅可以帮助人们更加深入地了解水文循环在不同时间和空间尺度上的演变规律和过程，而且为综合解决实践中各种和水文循环紧密相关的问题提供一个更加有效的框架和平台[3]。分布式水文模型主要研究四类问题:(1)水文过程物理机理研究;(2)径流形成与演算;(3)人类水事活动对水资源影响;(4)环境和生态水文模拟。分布式水文模型的主要应用领域包括:(1)水资源评价、规划和管理;(2)洪水实时预报;(3)土壤侵蚀和水土流失;(4)地表水和地下水污染;(5)节水灌溉:(6)水生态;(7)土地利用变化影响;(8)气候变化影响;(9)人类活动影响[4]。1.2SWAT模型原理和结构SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型是由美国农业部农业研究中心研制开发的分布式流域水文模型，其主要目的是模拟预测土地利用、土地管理方式对流域水量、水质的影响。SWAT模型具有较强的物理机制，能够利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种的水文物理化学过程，如径流、泥沙、营养物质(N,P)以及杀虫剂的输移，在面源污染、水土流失、土地利用和农业管理等领域得到广泛应用。SWAT模型为通用性流域水文模型，主要内容为气候、水文、养分、侵蚀、植被、管理、河网和水体单元，在实际应用中可根据不同目的，有侧重地进行所有或部分内容的模拟预测[5]。在水文模拟方面主要原理有：(1)气候流域气候控制着水量平衡，决定了水循环中不同要素的相对重要性。SWAT需要输入的气象因素包括:日降水、最大最小气温、太阳辐射、相对湿度和风速。这些因子可以输入实测值，也可以根据模型给出的计算公式自动生成，此功能延边大学本科毕业论文2特别适合于没有监测数据的流域。(2)水文SWAT水文模拟的基础是水量平衡方程：SWt=SWO+(Rday一Qsurf一Ea一Wseep一Qgw)；其中，SWt是末期土壤含水量(mm),SWO是初始土壤含水量(mm),t是时间步长(d),Rday,Qsurf,Ea,Wseep和Qgw分别是第1天的降水量(mm)，地表径流(mm)，蒸发量(mm),透过土壤层的渗漏量和旁侧流量(mm)，地下水的回归流量(mm)。(3)河网河道汇流演算分为4部分：水、泥沙、营养物和杀虫剂。河道水流演算采用变动存储系数或Muskingum法，损失项考虑沿途蒸发，河床渗漏以及点源取水，补充项考虑直接降水和点源输入。(4)养分土壤中N,P有几种存在形式，并相互转化。它们通过地表径流和旁侧流进入河道，在河道中迁移转化。杀虫剂可以溶解于地表径流和吸附于泥沙颗粒进入河道，也可以溶于水中渗入土壤。杀虫剂的运动决定于溶解度、半衰期和土壤吸附系数[5]。1.3SWAT模型运算流程流域水文过程随植被覆盖和土壤类型的不同而变化，SWAT通过水文响应单元(HRU)来概化这种变化，每个HRU都具有确定的植被覆盖、土壤类型和管理方式，在HRU层次上水文计算采用集总参数[5]。模型首先根据输入的数字高程模型、土壤类型和土地利用分类信息把整个流域划分成不同的子流域和水文响应单元，计算每个水文响应单元所需的基本数据，包括高程、面积、坡度、形状系数等[5]，然后根据输入的实测气象数据或计算生成的逐日数据，进行流域水文过程演算，SWAT演算流程。它认为流域表面上各点的水力学特征是非均匀分布的，水流在流域表面上分布并不均匀，应将流域划分很多小的单元，在考虑水流在每个小单元体内的纵向运动时，也要考虑各个小单元间水量的横向交换。1.4模型结构和参数分布式水文模型结构的确定一方面取决于建模目的或模型的用途；另一方面取决于建模方式与流域离散化方法。分布式水文模型虽然有不同的建模目的和方式，可以采用不同的流域离散化方法，但模型的基本结构大致相同。一般分为三大部分：延边大学本科毕业论文3①分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为水文模型提供空间输入数据和确定模型参数。目前，降水、气温和辐射等分布信息主要通过空间插值模型来获得。土壤和植被的分布数据主要利用遥感影像获得。②单元水文模型，是产汇流计算的核心。在第一类分布式水文模型中一般基于网格单元建立水力学模型，采用简化的圣维南方程组进行网格单元汇流计算。在第二类分布式水文模型中一般采用水文学方法建立概念性模型，即在每一个网格单元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。③河网汇流模型，河网汇流演算一般采用动力波方法和类似马斯京根方法[3]。Lenhart等[6]和Kannan[7]等从理论上阐述了模型参数的不确定性