基于SWAT-MODFLOW模型的北山水库流域地表-地下水耦合模拟研究

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SWAT分布式水文模型已广泛地应用于流域水资源的模拟研究。然而,SWAT模型中地下水模块较为简单,而地下水作为区域水资源的重要组成部分,其与地表水在时空上的交互关系对区域地表-地下水资源联合调度具有十分重要的意义。因此,本文以句容市北山水库流域为例,采用SWAT-MODFLOW分布式耦合模拟程序在QGIS软件平台构建该流域的地表-地下水耦合模型,阐明研究区地表-地下水相互作用关系,对完善中小流域的水资源模拟及其管理具有重要的意义。本文基于2016-2020年实测水文数据以及数字高程、土地利用类型、土壤类型等数据,首先采用SWAT构建北山水库流域的分布式水文模型,并选取决定系数(R~2)、纳什效率系数(NSE)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标,利用SWAT-CUP软件对模型参数进行率定及敏感性分析。结果表明:北山水库月径流量模拟值与实测值吻合良好,模型率定期、验证期的R~2、NSE、RMSE分别为0.91、0.90、0.33m~3/s和0.95、0.87、0.26m~3/s,由此表明该模型能较好反映研究区的径流变化特征,验证了SWAT模型在该流域的适用性。此外,基于验证的水文模型对其主要参数进行敏感性分析,表明影响该区径流模拟最为显著的两个参数是浅层地下水回归流阈值和径流曲线数。其次,依据研究区水文地质资料及地下水位监测资料构建北山水库流域MODFLOW模型,并以QGIS为平台实现了SWAT-MODFLOW的耦合,选取R~2、NSE、RMSE对模拟结果进行评价。耦合模型结果表明:月径流模拟值和地下水位模拟值均与实测结果吻合良好,地表径流评价指标R~2、NSE、RMSE在整个模拟期内分别为0.90、0.90、0.35(m~3/s),地下水位的R~2、RMSE分别为0.99和0.64m,表明该耦合模型的模拟精度较好。基于验证的SWAT-MODFLOW耦合模型,对模型输出结果进行分析,得出以下结论:(1)地下水降水入渗补给量在时间上呈现出逐年下降的趋势,其主要原因为降水量的减少;在空间上补给量受土壤类型和土地利用类型影响显著,土壤类型为黄棕壤和酸性粗骨土且土地利用类型为林地的地区表现出更大的地下水补给速率。(2)地表-地下水补排关系在时间上呈现出地下水常年补给地表水的规律;空间上两者补排关系较为复杂,主要规律是水库东部和西部支流整体表现为地下水补给地表水,中部支流整体表现为地表水补给地下水。(3)水量均衡中进入河道总水量的占比由低到高排序依次为地下水对河道补给量、河道侧向补给量、地表径流对河道补给量,表明尽管地下水对河道总水量的贡献率排序最低,但是依旧达到8.72%,在降水较少的时段中,是河道水量的主要来源,是区内水资源的重要组成部分。上述研究结果表明研究区内地表水与地下水存在强烈的交互关系,并且表现出复杂的时空交互规律,受降水量、地形、土地利用类型、土壤类型等多方面因素影响。并且地下水是区域水资源的重要组成部分,常年对地表水进行补给,尤其在枯水期占据十分重要的比重。构建的SWAT-MODFLOW耦合模型较好的刻画了研究区内地表-地下水交互过程,充分体现了数值模拟中需综合考虑地表-地下水统一整体的必要性,为北山水库地表-地下水资源统一调度提供了科学依据,与此同时也为类似于北山水库的山谷型小流域水文过程模拟提供了参考。
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