分布式水文模型SWAT在丹伦江流域的区域化特征

　　摘    要：　在进行国外水资源规划利用的项目中, 某些国家或地区水文基础资料难以获得, 而临时建设水文站观测的效率低、周期长且成本高, 难以满足工程前期规划设计要求, 因此有必要寻找解决此类问题的有效方法。文章以乏水文资料的缅甸东部丹伦江流域为例, 结合收集的水文气象及遥感信息资料, 采用基于Arc GIS平台的分布式水文模型对收集的资料进行整合处理, 以多个水文站为控制研究区域水文模型参数的区域相似性, 以区域化的参数模拟得到满足水资源规划及利用要求的径流等水文成果, 一定程度上解决了地区乏水文资料带来的水文分析计算难题。

　　关键词：　分布式水文模型; 乏资料; 遥感信息; 参数区域化;
 

　　Abstract：　In the projects of water resources planning and utilization abroad, it is difficult to obtain the hydrologic basic data in some countries or regions, but the observation efficiency of temporary hydrologic stations is low, the period is long and the cost is high, so it is difficult to meet the requirements of planning and design in the early stage of the project. Therefore, it is necessary to find an effective way to solve such problems. This paper takes the Thanlwin River basin in eastern Myanmar as an example, combines the hydrometeorological and remote sensing data collected, and uses the distributed hydrological model based on Arc GIS platform to integrate the collected data. The regional similarity of the parameters of the regional hydrological model is studied by using several hydrometric stations as control. The runoff and other hydrological results that meet the requirements of water resources planning and utilization are obtained by means of the regionalized parameter simulation. To a certain extent, the problem of hydrological analysis and calculation caused by the lack of hydrological data in the region has been solved.

　　Keyword：　distributed hydrological model; lack of data; remote sensing information; parametric regionalization;

　　0、引言

　　水文、气象及地理空间数据等作为水资源开发及利用研究最重要的基础资料难以获得, 影响工作开展, 为解决此类难题, 将资料收集的方向转向公开的水文气象及空间遥感数据, 采用合理的水文模型方法综合处理数据资源后, 模拟计算得到满足水资源开发及利用项目的前期选点、项目跟踪、预可研究等阶段要求的水文资料, 节省了物力财力外, 为项目机动灵活、高效开展提供水文气象基础资料保障。

　　综合公开数据进行水资源分析的工具为分布式水文建模工具SWAT (Soil and Water Assemble Tools) , 为美国农业部 (USDA) 农业研究中心 (ARS) 研发的基于流域尺度的一个长时间的分布式流域水文模型[1], 模型能进行长时间的模拟, 在国内被广泛应用于径流模拟、土壤侵蚀、污染物运移等领域[2]。Ndomba等探讨了SWAT模型在水文资料缺乏的坦桑尼亚潘加尼河中的应用效果, 结果相对满意。Arnold和Srinivasan在应用20年的气象数据模拟了美国本土78863个子流域内的水文循环及水量的平衡关系, 取得了不错的效果[1]。在印度, SWAT被用于量化气候变化对印度水资源的影响, 并进行洪水和干旱模拟分析。

　　论文结合水文气象等资料短缺严重但水资源丰富的缅甸丹伦江 (上游中国境内为怒江) 流域水资源进行研究。由于缅甸东部丹伦江流域的掸邦地区不稳定的政治局势及落后的经济发展水平, 水文气象观测不足, 资料的不足严重制约了当地水资源开发及利用工作的开展。论文首先介绍公开的水文气象及相关资料, 然后采用分布式水文模型SWAT将水文、气象、地形、土地利用、土壤等资源进行整合, 通过模型参数率定及参数区域化验证, 探求该地区的水文相似性, 最终为地区水资源开发及利用提供精度较高、系列较长的径流数据。

　　1、 流域基础资料

　　丹伦江为中国、缅甸与泰国的国际河流, 中国境内称怒江, 缅甸称丹伦江, 流域面积32.5万km2, 缅甸境内17.2万km2。在进行缅甸境内丹伦江各级支流规划研究时, 流域及周边水文气象站点稀少, 加上收集到的缅甸国内降雨等值线图精度也不高, 难以满足水文分析计算的要求。为此有必要采用水文模型方法, 通过流域东、南、西和北4个方位的水文站对流域水文模型参数的区域化进行研究, 在得到区域水文模型参数的基础上计算流域各级河流的径流系列。

　　本次采用的水文资料来源于全球径流中心 (GRDC) 、美国地质勘探局 (USGS) 及中国境内姑老河水文站;采用的气象资料主要来自于联合国粮农组织 (FAO) 和世界气象组织 (WMO) ;降雨主要来自于日本“Asian PrecipitationHighly-Resolved Observational Data Integration Towards Evaluation”降水数据集;地形数据采用ASTER GDEM的全球遥感数据;土地利用分类数据为ESA GlobCover全球植被覆盖类型数据集;土壤为联合国粮农组织发布的HWSD全球土壤分类数据集。各资料概况如表1所示。

　　图1 丹伦江流域水系及站点分布图

　　表1 水资源开发及利用研究项目所需资源的主要共享来源

　　表2 以Ban Tha Ton站率定的丹伦江流域模型参数

　　表3 计算成果与实测成果统计值对比表

　　2、 分布式水文模型SWAT在丹伦江流域的区域化特征

　　以从GRDC收集到的丹伦江邻近流域湄公河支流克河上的Ban Tha Ton水文站1978年~1994年实测月径流系列率定影响水文过程的地形、土地利用、土壤及地下水等主要水文模型参数, 得到较好的模拟结果。模型参数见表2、模型模拟计算值与实测对比如图2。

　　将以Ban Tha Ton水文站率定的模型参数进行空间稳定性分析, 以验证模型参数的空间分布区域性特征及时间分布上的稳定性, 以实际收集到的地理位置不同、径流系列长短不一的SWN10水文站、Yeywa水文站和姑老河水文站及实测径流系列检验水文模型参数的时空稳定性。通过对比各站实测径流与模型计算的各站径流可知, 虽然位于不同流域的水文站点地理位置相差较远, 且资料系列长短不一, 但不同水文站的径流计算成果与实测成果均具有良好的相关性 (表3、图3及图4) 。

　　将丹伦江上游中国境内怒江干流道街坝水文站点径流资料与缅甸境内丹伦江流域模拟成果相加, 得丹伦江全流域多年平均流量为5398m3/s, 与瑞典Christer Nilsson[3]5250m3/s的多年平均流量相差2.8%。

　　综上所述, 在收集相关公开资源的基础上, 采用较为合理的水文模型方法, 通过分析论证, 能获得丹伦江及周边地区各流域精度较高、系列较长的径流资料, 以此解决了该地区水文资料的短缺问题, 为该地区水资源开发及利用提供了重要的水文数据。

　　3、 结束语

　　(1) 通过公开的水文、气象、地形及植被等资料的收集, 通过水文模型参数区域化研究, 通过区域化明显的水文模型参数的移用, 可得到缅甸境内丹伦江 (不含上游怒江) 流域内各级河流的水文系列, 为规划提供较为可靠的水文资料。

　　(2) 水文成果除了在区域上得到拓展外, 通过对比不同地点年限不一的水文站实测径流与计算成果可知, 计算的径流成果较稳定, 与现状较短的实测系列相比, 参数区域化的水文模型方法将水文系列在时间上得到了延展, 最终得到丹伦江流域各级河流1952年~2007年共56年的径流系列。

　　(3) 在进行水电水利工程项目的前期规划、项目跟踪、项目建议书等阶段, 建议以此作为一种水文分析手段, 与传统水文比拟法等水文成果进行相互验证。

　　图2 Ban Tha Ton水文站实测与计算系列对比

　　图3 Yeywa水文站实测与计算系列对比

　　图4 姑老河水文站实测与计算系列对比

　　参考文献：

　　[1]Arnold J G, Srinivasan R, Muttiah R S, etal. Large area hydro-logic modeling and assessment Part I:Modeldevelopment[J]. American Water Resource Association, 1998, 34 (1) :73-89.
　　[2]郭晓军, 崔鹏, 朱兴华.典型泥石流流域蒋家沟的降水-径流模拟[J].水土保持通报, 2011, 31 (1) :176-178.
　　[3]Christer Nilsson, Catherine A. Reidy, Mats Dynesius, etal. Fragmentation and Flow Regulation of the World's Large River Systems[M]. Landscape Ecology Group, Department of Ecology and Environmental Science, Umea°University, SE-901.87Umea°, Sweden. Global Priorities Group, Nature Conservancy, 4245 North Fairfax Drive, Arlington, VA22203, USA.2005:17-18.