基于SWAT模型的新疆喀什地区地下水时空变化动态模拟研究

乔丽盼·木太力甫

(新疆喀什水文勘测局，新疆 喀什 844000)

地下水是干旱半干旱区域地下水的重要组成部分，为此对于干旱半干旱区域地下水动态研究一直是热点问题，受关注度的程度较高。早期对于干旱半干旱区域地下水模拟主要采用集总式模型[1-6]，但是传统集总式模型不能实现区域地下水空间变化的模拟，近些年来，一些分布式水文模型在不同区域水文时空模拟中得到具体应用[7-9]，但在新疆喀什地区应用还较少。

1 SWAT模型地下水动态模拟原理

据水文循环原理，SWAT模型水文计算是基于如下的水量平衡方程:

(1)

式中：SWt和SW0分别为第i天的初始和最终土壤含水量(mm)，t为时间(d)，Rday为第i天的降水量(mm)，Qsurf提第i天的地表径流量(mm)，Ea为第i天的蒸发量(mm)，Wseep为第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量(mm)，Qgw为第i天的地下水回归流量(mm)。

模型采用下列表达式计算流域地下水：

Qgw，i=Qgw，i-1×exp(-αgw×Δt)+Wrhcg[1-exp(-αgw×Δt)]

(2)

式中：Qgw，i为第i天进入河道的地下水补给量(mm)，Qgw,i-1为第(i-1)天进入河道的地下水补给量(mm)，Δt为时间步长(day)，Wrchrg为第i天蓄水层的补给流量(mm)，αgw为基流的退水系数。上式中，补给流量由下式计算：

(3)

式中：Wrchrg,i为第i天蓄水层补给量(mm)，δgw为补给滞后时间(day)，Wseep为第i天通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量(mm/day)。

2 研究区概况

新疆喀什地区处于新疆的西南部区域，属于干旱区域，地下水资源较为紧张。当前，为加大对区域地下水资源的保护，需要对区域地下水时空演变进行动态模拟，本文以新疆喀什某区域为研究区域，利用区域内长系列地下水监测数据，采用SWAT模型对该区域地下水进行动态模拟，对于新疆地区地下水时空演变动态分析提供方法参考，从而制定较为行之有效的地下水资源保护措施。

3 SWAT模型具体模拟过程及结果分析

3.1 地下水模拟精度分析

结合区域内实测2007～2017年地下径流数据，对SWAT模型在研究区域地下水径流模拟的精度进行评定，评定结果见表1和图1。

表1 区域地下水动态模拟精度评定结果

图1 不同典型年份地下径流模拟过程与实测过程对比结果

从表1中可以看出，SWAT模型在区域地下径流模拟具有较好的精度，模拟的地下径流深和实测地下径流深误差在6.20%～14.86%之间，相关系数在0.527～0.684之间，SWAT模型适用于区域地下水模拟。从图1中可以看出，各典型年份模拟的地下径流变化过程和实测地下径流变化过程具有较好的吻合度和相似性。

3.2 地下水空间变化分析

在精度评定的基础上，结合SWAT模型对区域1990年代和2000年代地下水空间变化进行动态模拟，模拟结果见图2。

1990年 2000年

从图2中可以看出，不同年代地下径流空间分布差异性较大，但两个年代总体趋势和降水空间分布具有一定的相似性，降水量较大区域，其地下径流补给量相对较大，因此地下径流径流深也较大，而在降水量偏少的区域，地下径流补给量较小，因此地下径流深相对较小。区域在1990年代和2000年代总体呈现南大北小的变化趋势，且中心逐步外扩散。

4 结语

本文结合SWAT模型对区域地下径流时空进行动态模拟，模拟取得以下结论：

(1)SWAT模型可用于新疆喀什地区地下水时空动态模拟，模拟的地下径流深和监测值之间的误差小于20%，相关系数在0.5以上；

(2)区域地下径流空间分布受降水分布影响较大，降水量较大的区域，地下径流相对较大，而降水偏少区域，地下径流补给相对较少，地下径流量相对较小。

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