基于SWAT-MODFLOW地表-地下水耦合模型的结构与应用研究.pdf

基于 SWAT-MODFLOW 地表地下水耦合模型的结构与应用研究刘文冲1，赵良杰2,3，崔亚莉1，曹建文2,3，王莹4，李美玲1（1.中国地质大学(北京),北京100083；2.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004；3.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,广西平果531406；4.广东省地质环境监测总站,广东广州510510）摘要：为了利用 SeonggyuPark 和 RyanT.Bailey 的 SWAT-MODFLOW 耦合程序实现地表、地下不同范围模型耦合，同时探究耦合程序输出的以 SWAT 计算的地下水补给量和以 MODFLOW 网格计算的补给量之间的差异，以及耦合程序在有关地表地下水研究上的优势。本文以该耦合程序示例模型美国佐治亚州南部小河流域（LRW）为例，选取模型中 SWAT 划分的 104 号子流域为边界，用 GMS10.4建立地下水流模型，最后将地下水流模型和原 SWAT 模型进行耦合。研究结果表明：(1)耦合程序能实现以地表分水岭自然边界为范围的 SWAT 模型与以子流域为边界的小范围 MODFLOW 模型的耦合，但由于地下水流模型网格边界和子流域边界不能完全匹配，导致 MODFLOW 以网格计算的地下水降雨补给量和 SWAT 统计的地下水降雨补给量存在差异，误差随网格变小而变小；(2)耦合后各均衡项发生了变化，河道对地下水的总补给量变为耦合前的 15.25%，地下水向河道的总排泄量比耦合前多 19.29%，总降雨补给比耦合前多 17.07%，总蒸发量是耦合前的 3.08 倍。经过研究发现耦合模型能更准确的模拟地表地下水文过程，反映降水与地下水、地表水与地下水转化关系。关键词：SWAT-MODFLOW；耦合模型；地表地下水中图分类号：P333；P641文献标识码：A文章编号:10014810（2023）06113109开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言数值模型是定量分析水文过程的重要工具，其中具代表性的模拟软件有 SWAT 和 MODFLOW。SWAT 是一种半分布式地表水文模型1，较好地考虑了众多因素的空间异质性，因此在众多学者的应用中都取得了不错效果，包含农业区污染物运移2,3、生 态 补 水46、径 流 模 拟712、水 资 源 评 价1314、人为管理活动对水文要素的影响1516等。SWAT 聚焦于对地表径流和河道汇流刻画，用 SCS 曲线法或Green&Ampt 下渗法模拟地表径流，用蓄水量变化法或马斯京根法计算河道汇流，用曼宁公式计算流速。但 SWAT 对地下水的考虑比较简单，无法刻画地下水流场的时空变化。MODFLOW 模型能够较好地模拟研究区多含水岩组的非均质性特征，在国内外广泛应用，主要包括：地下水资源量评价1719、地下水污染分析20、矿坑涌水量预测21等。MODFLOW 主要适用于松散介质含水层地下水流动模拟，在岩溶基金项目：国家自然科学青年基金项目(42102296)；广东省地下水资源调查监测评价第一作者简介：刘文冲（1997），男，硕士，主要从事水文数值模拟研究。E-mail：。通信作者：赵良杰（1986），男，博士，副研究员，主要从事岩溶水资源调查监测评价及数值模型研究。E-mail：。收稿日期：20221126第42卷第6期中国岩溶Vol.42No.62023年12月CARSOLOGICASINICADec.2023刘文冲，赵良杰，崔亚莉，等.基于 SWAT-MODFLOW 地表地下水耦合模型的结构与应用研究J.中国岩溶，2023，42（6）：1131-1139.DOI：10.11932/karst2023y014发育较弱的地区，可将含水介质看成等效多孔介质用 MODFLOW 进行处理2229，在岩溶发育较强烈的地区模拟效果欠佳。在实际应用中，往往需要精细刻画重点区域的地下水动力场，即地下水模型的范围不是与 SWAT 对应的完整流域，为了更准确地描述地表地下水交换规律，需要探索流域大范围SWAT 模型与区域小范围 MODFLOW 模型耦合的实现过程。根据模型耦合方法的不同，耦合模型可以分为全耦合和松散耦合。全耦合是指控制地表和地下水流动的方程可以在一个软件包内同时得到求解，而松散耦合是指两个或多个模型通过交换模型求解结果的方式耦合在一起。张琳琳等30通过传递 SWAT模型结果的方式实现了模型的松散耦合，探讨了耦合模型对地下水补给量和山前侧向补给量精度的提升，为地下水均衡分析提供了更有效的手段。SWAT-MODFLOW 耦合程序是 2016 年 SeonggyuPark 和RyanT.Bailey 开发的将 SWAT 和 MODFLOW-NWT耦合在一起的松散耦合程序。该模型在研究地表地下水综合性较强的问题上具有独到的优势31。国内外学者已经基于该耦合程序开展了一些研究。例如气象要素和灌溉活动对地下水的影响32、地表水或土壤水与地下水之间的转化规律3336、水资源的优化配置3738、在一些地表水和地下水存在较强交互现象的地区探究地下水对河流补给的时空特征39、在地势比较低洼的农业地区研究地下排水工程对地下水文过程的影响40，目前的研究对地表地下水时空转化规律的认识尤为关注。由于模型公布的时间不长，该耦合程序的应用尚不多见，关于用该程序实现地表地下不同模型范围耦合的应用还处于空白。本文基于SeonggyuPark 和RyanT.Bailey 的SWAT-MODFLOW 耦合程序示例模型41，尝试选取 SWAT划分的 104 号子流域，用该示例模型数据插值建立地下水模型，实现了 SWAT-MODFLOW 耦合程序在地表地下水不同研究区范围的耦合，对比分析了地下水流模型网格剖分大小对地下水补给量计算结果的影响，并以此为基础总结了耦合模型的特点及优势。1耦合模型原理1.1水文过程及传递的变量耦合模型各自模拟的水文过程如图 1 所示2931。SWAT 模拟地表径流的产生及汇流、土壤水的下渗及植物水分吸收、以及河流汇流及湖泊湿地储水下渗及蒸发等水文过程。MODFLOW 模拟各含水层地下水的流动以及地下水和地表水的交换量计算。模型均衡方程如式 1 所示。GWSTOR=R补给D排泄(1)R补给=RECH+SWGW+GWCON(2)D排泄=GWQ+DRN+GWET(3)式中：GWSTOR 为含水层储存变化量，mm；RECH 为SWAT 中 HRUs 补给量，mm；SWGW 为河流渗漏量，mm；GWCON 为边界流入量，mm；GWQ 为含水层向河流排泄量，mm；DRN 为含水层向排水沟的排泄量，mm；GWET 为潜水蒸发量，mm。如有其他均衡项，须另外补充进方程。SWAT-MODFLOW 的运行需要以下四个状态变量（表 1）在 SWAT 和 MODFLOW 模型之间传递。地表径流潜水位植被吸收河流水位地下水流动蒸发植物吸收潜水位下渗抽水井渗漏渠道壤中流坡面漫流地下水流动(MODFLOW-NWT 模拟)地表水文过程(SWAT 模拟)松散沉积物图1SWAT-MODFLOW 模拟的水文过程Fig.1HydrologicalprocesssimulatedbySWAT-MODFLOW1132中国岩溶2023年基于ARCGIS 平台将SWAT 的HRUs 分解为DHRUs，DHRUs 按照空间位置和 MODFLOW 对应的网格进行关联，以便进行降雨、蒸发、河流水位以及地表水和地下水交换速率等变量在两个模型间的传递。1.2耦合程序对地下水流模型数据的替换耦合程序会将 MODFLOW 原模型的一些输入数据替换为 SWAT 模拟的结果。MODFLOW 须用River 包模拟研究区内的河流，River 包中的河道水位高程会根据 SWAT 计算的河道水深自动替换。对于地下水流模型的降雨补给，当网格接受 SWAT 水文响应单元计算的地下水补给时，原 Recharge 包中的数据会被重写。对于模型的蒸发，耦合程序自动将网格的蒸发高程设置成地表高程，最大蒸发速率为SWAT 计算的潜在蒸散发和实际蒸散发的差值，称为剩余蒸发量 ETresidual。2应用2.1流域基本条件小河流域42是美国区域性的试验流域，位于乔治亚州南部苏旺尼河流域源头地区。该研究区对沿海平原地区的土壤、地层、气候以及农业生产情况都具有一定的代表性。土地利用类型主要为森林、农田、牧场、湿地等，其所占比例见表 2。由表中可见流域森林覆盖面积较广，占总面积的 65%，其次为农田，占总面积的 30%。该流域多年平均降雨量约为 1200mm，具有降雨时间短，降雨强度大的特点。流域为一处冲积平原、河流阶地，面积约为 334km2。河道坡度一般小于 0.1%，上游近似为 5%。山谷底部近似水平，坡度值小于 5%，山谷两侧坡度较缓，坡度值于 5%15%之间。地表主要覆盖有砂或砂壤土，渗透性较好，渗透系数一般大于 1.2md1，厚度 210m。下覆石灰岩含水层，河床切入含水层较浅。潜水含水层和河流交换量受季节变动影响。2.2耦合模型流域总面积 331.88km2，基于汇水面积阈值控制，SWAT 将流域划分为 240 个子流域，如图 2 所示。通过研究区土地利用、土壤类型和坡度分级的组合，剔除不满足条件的水文响应单元（HRUs）后，全区共生成 6233 个水文响应单元，模拟期为 1988 到 2001年。预热期为 5 年。Sub10400.5 1.0 km河流流出边界SWAT 子流域水流模型子流域剖面网格图2选取的子流域及地下水流模型网格剖分示意图Fig.2Gridpartitiondiagramofselectedsub-basinandgroundwaterflowmodel为了验证耦合程序在改变地下水流模型范围下的适用性，及考虑到子流域面积不宜过小。地下水流模型选取 SWAT 划分的 104 号子流域为范围，该子流域共划分 49 个 HRUs，地表分布砂及砂壤土，下覆石灰岩，岩性分布较为均一。因为 SWAT 根据地表 1SWAT-MODFLOW 传递变量说明表Table1VariablespassedbySWAT-MODFLOW变量传递方式说明潜水的补给量水文响应单元到地下水流模型对应活动网格地下水补给由SWAT计算蒸发水文响应单元到地下水流模型对应活动网格SWAT计算的潜在蒸散发和实际蒸散发的差值由潜水继续蒸发子流域河道的水位SWAT计算的河道水位到地下水流模型河流网格地下水流模型的河流网格水位由SWAT计算的河道水位而定地下水和河流的交换量地下水流模型河流网格计算结果到SWAT子流域河道交换量由River包计算后传递给SWAT模型河道表 2小河流域土地利用类型Table2Landusetypesinthesmallriverbasin类型森林农田牧场湿地其它比例/%6530221第42卷第6期刘文冲等：基于 SWAT-MODFLOW 地表地下水耦合模型的结构与应用研究1133形划分子流域，认为地表分水岭和地下水分水岭近似相同，所以地下水流模型四周边界为隔水边界，在子流域出口处地形较为平坦，根据地下水流场方向假设为流出边界。含水层划分为 1 层。模型的输入项为降雨、河流，输出项为蒸发、河流、流出边界。网格剖分大小为 100m100m，模拟期为 1988 到2001 年，地下水模型以月为应力期。将 SWAT 模型和地下水流模型建立好后，基于ARCGIS 平台和 EXCEL 按照建模流程构建耦合模型。3结果分析3.1网格剖分对模型精度的影响地下水流模型不再是与 SWAT 对应的流域范围上的模型，而是单独耦合了某个子流域，由于在边界上 HRUs 和网格匹配的问题，影响了地下水的补给量计算。为了探究地下水流模型网格剖分大小对地下水补给量的影响，设置了六组情景进行模拟，分别为原始全范围耦合模型、和五组单独耦合 104 号子流域模型。单独耦合 104 号子流域网格大小为20m20m、50m50m、100m100m、150m150m、200m200m，第六组为原始全范围耦合模型。如表 3给出了六种情景下 SWAT 模型、MODFLOW 计算地下水补给量的结果对比，误差计算公式如式 4。Erch=PERCRCHmf(4)式中：Erch为地下水降雨补给误差，mm；PERC 为SWAT 中 HRUs 计算的地下水补给量，mm；RCHmf为 MODFLOW 计算的地下水降雨补给量，mm。表 3地下水补给量误差分析列表（单位：mm）Table3Erroranalysisofgroundwaterrecharge(unit:mm)组号网格大小/m项199319941995199619971998199920002001平均SWAT281.92417.84148.54160.65322.96229.36103.80254.44231.60239.01120MODFLOW277.01412.20146.30157.71314.76228.73102.64245.75232.56235.30误差4.905.642.242.948.200.641.168.690.963.72250MODFLOW271.41403.84143.32154.49308.43224.15100.54240.94227.76230.54误差10.5114.005.226.1614.535.213.2613.503.858.473100MODFLOW269.05400.40142.06152.90305.76222.0899.51238.67225.79228.47误差12.8617.446.477.7617.207.284.2815.785.8110.544150MODFLOW268.40399.20141.52153.27304.61221.3899.67238.34225.41227.98误差13.5218.647.027.3818.357.994.1316.106.1911.045200MODFLOW266.75396.80141.05152.21302.59220.0599.17235.66224.41226.52误差15.1721.047.498.4420.379.314.6318.787.1912.496200MODFLOW283.49418.63150.37158.93320.69236.38104.96238.88241.06239.27误差0.690.520.140.861.370.860.150.930.040.40六组情景 9 年的模拟结果表明，一般情况下SWAT 计算的进入潜水含水层的水量（PERC）要稍大于该耦合程序计算的潜水含水层网格补给量。当耦合 104 号子流域地下水流模型时，从图 3 中可以看出，网格越大，两者的误差也越大，当网格边长为200m 时，平均误差达到最大，为 12.49mm，占潜水补给量的 5.5%。对比第 6 组情景和前 5 组情景可以看出，当地下水流模型以全流域为范围时，地下水潜水的补给误差最小为 0.4mm，占地下水补给量的0.16%，几乎无误差。3.2耦合模型对均衡项精度的提升模型的精度除受网格大小影响外还受其他多种141210864020 40 60 80 100 120 140网格大小/m误差/mm160 180 200 220误差图3地下水补给量误差随网格大小的变化曲线Fig.3Variationcurveofgroundwaterrechargeerrorwiththechangeofgridsizes1134中国岩溶2023年因素影响，若网格过小，研究精度和模型计算工作量及时间也会增长，因此在确定网格大小时要综合考虑各种因素。考虑到地下水模型范围的大小和网格剖分带来的地下水补给误差，选取网格 100m100m与 SWAT 模型进行了耦合，对比分析了耦合模型相对单一地下水流模型在地表地下水交换计算量上的区别，模型均衡表如表 4、表 5。表 4耦合前地下水流模型均衡表（单位：104 m3）Table4Equalizationtableofgroundwaterflowmodelbeforecoupling(unit:104m3)项19881989199019911992199319941995199619971998199920002001流入河流6.005.395.423.964.464.474.054.445.064.904.195.155.284.61降雨95.51 106.8999.73 132.19 105.53 109.14 141.4880.5594.97 119.34 105.5677.89 105.85 101.00总流入101.51 112.28 105.15 136.15 109.99 113.61 145.5384.99 100.03 124.24 109.7683.04 111.14 105.60流出边界36.6036.5036.536.5036.6036.5036.5036.5036.6036.5036.5036.5036.5036.50河流60.5765.3964.7084.3176.8175.9785.2279.1567.5868.9180.9665.2264.4072.41蒸发0.340.370.360.490.440.430.490.450.370.380.460.360.360.41总流出97.51 102.26 101.57 121.30 113.85 112.90 122.21 116.10 104.55 105.80 117.92 102.08 101.36 109.32均衡4.0010.023.5814.853.860.7123.32 31.114.5218.448.16 19.059.773.71总均衡14.28表 5耦合后地下水流模型均衡表（单位：104m3）Table5Equilibriumtableofgroundwaterflowmodelaftercoupling(unit:104m3)项19881989199019911992199319941995199619971998199920002001流入河流0.750.990.760.700.570.650.640.430.700.930.540.721.110.78降雨102.80 109.6187.05 214.65 135.54 141.00 209.7674.4580.33 160.17 116.3652.15 125.39 118.29总流入103.54 110.5987.82 215.35 136.12 141.65 210.3974.8881.02 161.1116.9052.87 126.50 119.07流出边界36.6036.536.5036.5036.6036.5036.5036.5036.6036.5036.5036.5036.6036.50河流81.9859.2071.96 117.54 101.81 100.52 118.00 107.7970.7370.99 107.9960.9055.2082.76蒸发1.050.661.101.921.501.571.611.830.990.891.820.810.681.23总流出119.6296.36 109.57 155.96 139.91 138.58 156.11 146.12 108.32 108.38 145.7398.2192.49 120.49均衡16.0814.24 21.7559.393.803.0654.28 71.24 27.2952.72 28.82 45.3434.011.42总均衡1.96从表 4、表 5 中可知，耦合模型对地下水流模型均衡项的改变显而易见。耦合后地下水流模型的河道水深由 SWAT 的日计算结果决定，而非耦合前GMS 的插值结果，所以河水对地下水的补给和排泄前后有所变化，耦合后河道对地下水的补给总量是耦合前的 15.25%，为 10.27104m3。同时，耦合后地下水向河道的总排泄量比耦合前多 19.29%，为1206.79104m3。年际间河道对地下水的补排规律较为一致。因为模型耦合后地下水的降雨补给量为 SWAT计算的土壤剖面底部的渗出量，水文响应单元和网格一一对应，考虑了地表及土壤水文过程，所以相对降雨入渗系数法得到了改善。从表 4、表 5 中可知，1988 年到 2001 年通过降雨入渗系数法计算的地下水降雨总补给量为 1475.63104m3，耦合后计算的总补给量为 1727.54104m3，比耦合前多 17.07%。SWAT 模型计算流域中每个水文响应单元的潜在蒸散发（PET）和实际蒸散发（AET），PET 和 AET的差值为剩余蒸发能力。当剩余蒸发能力大于零时，若地下水位在极限埋深以上，则以该剩余蒸发能力为最大蒸发速率继续蒸发地下水。由表 4、表 5 可知，耦合后地下水流模型的总蒸发量是耦合前的 3.08倍，耦合前后年际间的变化一致。4结论本论文探究了 SeonggyuPark 和 RyanT.Bailey的 SWAT-MODFLOW 耦合程序在地表地下水交换第42卷第6期刘文冲等：基于 SWAT-MODFLOW 地表地下水耦合模型的结构与应用研究1135规律上的应用和特点，得出以下结论：（1）将地下水流模型范围改变为 SWAT 划分的某一子流域后模型仍可运行，但由于地下水流模型网格边界和子流域边界不能完全匹配，导致MODFLOW以网格计算的地下水降雨补给量和 SWAT 统计的地下水降雨补给量存在误差，误差随网格变小而变小，在本文中当网格大小为 150m150m 时，误差下降到 5%以下；（2）地下水流模型耦合后相比耦合前均衡项均发生了改变。耦合后河道对地下水的总补给量变为耦合前的 15.25%，地下水向河道的总排泄量比耦合前多 19.29%，总降雨补给比耦合前多 17.07%，总蒸发量是耦合前的 3.08 倍。通过对比，耦合模型在地表水与地下水转化方面、降水对地下水补给入渗方面更可反映实际条件。耦合模型和地表地下水的转化问题一直是研究热点，本文对有关地表地下水耦合模型的研究具有重要参考意义。参考文献闫红飞,王船海,文鹏.分布式水文模型研究综述J.水电能源科学,2008,26（6）：1-4.YANHongfei,WANGChuanhai,WENPeng.Overviewofstud-iesondistributedhydrologicalmodelJ.WaterResourcesandPower,2008,26（6）：1-4.1吕清华.SWAT模型对农业面源污染模拟的适用性分析J.云南水力发电,2022,38（2）：57-59.LVQinghua.ApplicabilityanalysisofSWATmodeltoagricul-tural non-point source pollution simulationJ.Yunnan WaterPower,2022,38（2）：57-59.2SahaGK,CibinR,ElliottHA,ElliottHA,PreisendanzHE.Towardarobustlandsuitabilityframeworkformanuremanage-ment:Modelingimpactsandevaluatingbiophysicalcharacteris-ticsJ.JournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,2022,58(3):435-452.3魏健,潘兴瑶,孔刚,白涛,黄强,李波,马盼盼.基于生态补水的缺水河流生态修复研究J.水资源与水工程学报,2020,31（1）：64-69,76.WEI 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