文模型--Ⅰ模型构建的原理与方法

水利学报

２００９年２月ＳＨＵＩＬＩＸＵＥＢＡＯ第４０卷第２期文章编号：０５５９．９３５０（２００９）０２－０１４５－０８

基于ＳＷＡＴ的灌区分布式水文模型

——Ｉ．模型构建的原理与方法

代俊峰１’２，崔远来１

（１．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室。湖北武汉４３００７２；

２．桂林工学院广西环境工程与保护评价重点实验室，广西桂林５４１００４）

摘要：针对中国南方丘陵水稻灌区水文特点，在对自然流域水文模型ＳＷＡＴ改进的基础上，构建了灌区分布式水文模型，改进了ＳＷＡＴ的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法，改变了陆面水文过程的计算结构，增加了渠系渗漏模拟模块及其对地下水的补给作用、塘堰的灌溉模块等。以湖北省漳河灌区内的一个闭合小流域为例。对构建的灌区分布式水文模型进行校正和验证，模拟结果显示，该模型适合于水稻灌区水分循环的模拟。

关键词：ＳＷＡＴ；分布式水文模型；灌区；稻田；水量平衡

中图分类号：Ｔｖｌｌ文献标识码：Ａ

随着节水灌溉研究的不断深入，节水的尺度效应、节水潜力、节水型生态灌区等问题日益引起人们的关注。在这些问题的研究中，灌区的水量平衡及其转化的定量描述是关键。由于受人为活动特别是灌溉的影响较大，灌区水分循环过程十分复杂。田间试验可以准确获取水量平衡关系，然而对于灌区等大尺度的水分循环，难以通过传统的试验方法进行研究，需要借助于模型化的方法。而目前的灌区水文模型研究多为集总式的水平衡模型，无法分析灌区内部自然因素的时空分布和水管理措施对灌区水文过程的影响，水文学研究的分布式水文模型没有充分考虑灌区的水文特点。因此，针对灌区水文特点构建灌区分布式水文模型显得十分重要。

１灌区分布式水文模型的构建意义

灌区水文要素的监测便于认识灌区内的水循环路径及平衡关系，分析灌溉水文效应。通过灌区内的闭合区域和集水区试验研究，监测不同尺度的水文过程，可以定量分析水分循环特点，识别不同尺度水循环过程的主导因素，揭示灌溉水分生产率随尺度的变化规律。但是田间试验数据提供的是节水灌溉尺度效应的客观存在性，虽然利用试验数据可以分析尺度效应产生的原因，但难以定量地分析回归水重复利用对区域水分循环的影响，而且试验提供的只是特定观测尺度的结果，难以反映灌区内连续尺度问水分循环的转化关系。另外，在比田间大的尺度实施野外水平衡观测耗费巨大的人力、物力，在灌溉系统及灌区尺度则无法实施有效的全面观测。同时，由于田间试验控制条件的不可移植性和不可重复性，难以模拟改变情景下灌区水分循环的变化。复杂灌区内的水量平衡对传统的研究方法来说是一个挑战，而分布式水文模型则是有效的研究手段。针对自然流域而开发的分布式水文模型没有充分考虑

收稿日期：２００７．１１－２９

基金项目：国家自然科学基金项目（５０５７９０５９）；教育部博士点基金（２００５０４８６００２）；国家科技支撑计划子题（２００６ＢＡＤ“Ｂ傩一３）；广西

环境工程与保护评价重点实验室研究基金（桂科能０７０１２００６）

作者简介：代俊ｌｉ（１９８０一），男，河南襄城人，博士，主要从事节水及水文与水资源研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｈｕｄｊｆ＠１６３．ｏｏｍ・－——１４５・－——

灌区的水文特点，难以准确地模拟灌区水分循环。

为了更真实、更准确地模拟灌区的水分循环，本文以ＳＷＡＴ模型为平台，改进和增添了模型的部分功能模块，进一步完善了构建的灌区分布式水文模型在研究区域的应用。选用ＳＷＡＴ的原因是模型在自然流域得到了广泛地应用，并已成功地应用于灌区水分循环的模拟，而且模型是开放的，具有扩展性，用户可以根据需要而修改其源代码。

２基于ＳＷＡＴ的灌区分布式水文模型的构建原理与方法

ＳＷＡＴ（ＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＴ００１）模型是一个具有物理基础的分布式水文模型ｕＪ。ＳＷＡＴ模型的介绍、结构、原理参见文献［２］。尽管模型开发的最初目的，是为了长时间、连续地模拟和预测复杂流域在不同土壤类型、不同土地利用和管理条件下，管理措施对流域内水分和农业化学物质流失量的影响，但模型已被国内外的学者成功地应用于灌区水分和养分循环等方面的研究。Ｋｈａｌｉｌ等［３３应用ＳＷＡＴ模型研究了３种不同种植模式下集水区的地下排水过程。Ｇｏｓａｉｎ等［４１应用ＳＷＡＴ研究了流域内因渠道灌溉而引起的地下水回归水量。焦锋等ｂ３应用ＳＷＡＴ模型模拟了水田的水分循环。胡远安等№１曾对模型模拟水田蓄水的情况进行过修改。因此，ＳＷＡＴ模型可以用来进行灌区水分循环的模拟研究。

但是，为了提高模拟的精度，使其更好地模拟不同水管理措施情景下灌区水量平衡的变化规律，本文以湖北漳河灌区为例，针对中国南方丘陵水稻灌区特点，改进了ＳＷＡＴ模型的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和水稻产量的计算方法，改变了陆面水文过程的计算结构，增加了渠系渗漏模拟模块及其对地下水的补给作用，增加了塘堰的灌溉模块等，构建了灌区分布式水文模型。

下面重点介绍对ＳＷＡＴ模型部分模块改进和增加的原因，以及修改的原理和方法。

２．１灌区的空间离散应用分布式水文模型时，一般需要将研究流域进行空间离散，在灌区进行空间离散时，需要考虑渠系分布对区域产流的影响。按照灌溉渠道的规划规则，山区、丘陵区灌区干、支渠道的渠道位置较高，而且丘陵区灌区的干渠大体上和等高线平行，支渠沿分水岭（山脊）布置。利用ＧＩＳ软件基于ＤＥＭ对研究区域进行了边界提取、亚流域划分及排水沟网（水系）的提取，提取的排水沟网与实际的主排水沟网基本一致；而且干支渠与划分的亚流域边界也基本一致。因此，只要对研究区域进行合理的亚流域划分，基于ＤＥＭ的分布式水文模型可用于南方丘陵灌区产汇流过程的模拟。

２．２最大灌水量限制的修改在原模型中，最大灌水量设定为使土体达到田间持水量时的含水量。

Ｖｒｎ＝Ｍｉｎ（Ｓｏ骆，Ｖｍａ）（１）

式中：Ｖｍ为实际灌水量，ｍｍ；Ｓｏ珈为土体达到田间持水量时的含水量，ｍｍ；Ｖｍａ为灌水量，ｍｉｌｌ。

这种限制适用于旱作地区，不适用于水稻，也难以准确地模拟稻田蓄水情况和不同灌溉模式下水分循环过程的变化。修改后的模型，最大灌水量上限为稻田最大蓄水深度日。，即

．Ｖｒａ＝Ｍｉｎ（Ｖｍａ，珥）

２．３地下水埋深计算功能的增加（２）增加地下水埋深计算的原因是，模型修改后毛管上升水和主沟道渗漏损失的计算需要地下水埋深这～变量。ＳＷＡＴ模型地下水模块中，关于地下水的计算使用的是水位高度，而不是地下水埋深，水位高度是地下水位离不透水层的高度。而在农田水利中许多与地下水有关的计算，使用的都是地下水埋深，为了将农田水利方面与地下水有关的计算应用在模型中，增加了模型中地下水埋深的计算。地下水埋深即为不透水层距离地表的深度减去水位高度。

２．４毛管上升水

水，即

ＣＲ＝Ｇｗｒｅｖａｐ・ＥＴｏ（地下水对作物根区补给量）计算方法的改进ＳＷＡＴ模型按照式（３）计算毛管上升（３）

式中：ＣＲ为毛管上升水，ｍｍ；Ｇｗｒｅｖａｐ为固定经验系数；Ｅｒｏ为参考作物腾发量，ｒａｉｎ。

ＳＷＡＴ计算的毛管上升水，没有参与土壤水分循环，而是直接蒸发到大气中，“散失”出系统。同时模型中毛管上升水的计算没有考虑作物因素和土壤因素的影响。因此，本文改进了毛管上升水的计算方法；采用茆智等＂１提出的毛管上升水计算的经验公式：

・－——１４６・－——

ＣＲ＝Ｅ瓦・ｅ＿叫（４）

式中：ＣＲ为毛管上升水量，ｍｍ／ｄ；Ｅ咒为实际腾发量，ｍｍ／ｄ；ｂ为反映土壤输水能力的常数，经验系数，对于砂土、壤土和黏土可分别取２．１、２．０和１．９；ｄ为地下水埋深，ｍ。

修改后的模型将毛管上升水参与到土壤水分的循环中，从而可以反映毛管上升水对土壤水分的补给，进而反映毛管上升水对土壤蒸发和植物蒸腾的影响。

２．５灌溉渠道输配水渗漏损失计算的增加ＳＷＡＴ没有考虑灌区内灌溉渠道的输配水渗漏损失对水分循环的影响，本文增加了灌溉渠道输配水渗漏损失计算模块。本文吸收已有的灌区水量量测资料，为简化计算，不考虑渠道输配水流量大小对输配水损失量的影响，采用渠道（系）水利用系数法计算区域渠系渗漏损失，并将渗漏损失补给地下水。根据研究区域内灌溉渠道的输配水功能和渠系分布状况的不同，将其分为输水渠道（于渠、分干）和配水渠道（支渠、斗渠、农渠，为便于计算，本文将田间渠系也考虑在内），采用不同的计算公式分别计算其渗漏量。

（１）输水渠道渗漏量计算。根据干（分干）渠的日流量信息、供水时间、渠道水利用系数及亚流域内输水渠段占干（分干）渠的长度比例，估算各亚流域内的输水渠道渗漏量，即：

Ｃｈａｎｐｅｒｃ＝Ｑ・（１一＇７干）・ｔ・口（５）

式中：Ｃｈａｎｐｅｒｃ为亚流域内输水渠段渗漏量，ｍ３；Ｑ。为渠道毛流量，ｍ３／ｓ；叩干为输水干渠渠道水利用系数；ｔ为渠道供水时间，ｓ；口为亚流域内渠段占干（分干）渠的长度比例。

（２）配水渠道渗漏量计算。配水渠道渗漏量按式（６）计算：

Ｃａｎａｌｐｅｒｅ＝Ｑ配・（１一叩配）・ｔ（６）

式中：Ｃａｎａｌｍｒｃ为配水渠道渗漏量ｍ３；Ｑ配为配水量ｍ３／ｓ；刁配为配水渠道渠系水利用系数；ｔ为渠道供水时间一。

其中，节配计算如下：

‘叩配＝＇７支。７斗。钕。珊＝券。毋（７）

式中：仉为渠系水利用系数；７千、７直、１７斗。】７农分别为干、支、斗、农渠的渠道水利用系数；珊为田间水利用系数。

２．６塘堰灌溉功能的增加ＳＷＡＴ模型虽然计算了塘堰的水量平衡，考虑了塘堰对区域产流的拦蓄功能，但没有考虑塘堰的灌溉功能。南方丘陵灌区内各种大中小型蓄水设施彼此联接，形成长藤结瓜灌溉系统。数量众多的塘堰平时收集雨水，增加水源；在灌溉季节，它往往也能收集灌溉回归水，提高灌溉水的重复利用率。因此，本文增加塘堰的灌溉功能。塘堰水量平衡计算按式（８）Ｖ＝‰＋巧ｈ咖一‰＋匕甲一ｙ０一ｙ茹一Ｉ，打（８）式中：Ｖ为日末塘堰容量，ｍ３；亿捌为日初塘堰容量，ｏ；％砌为塘堰拦蓄的人流，ｍ３；‰。为塘堰出流，即超过塘堰最大容量的水量，ｍ３；‰为塘堰表面接纳的降雨量，ｍ３；ｋ为塘堰水面蒸发，ｍ３；‰为塘堰渗漏损失，ｍ３；％为灌溉的塘堰供水量，ｍ３。

２．７主沟道（排水沟）渗漏损失计算方法的改变ＳＷＡＴ主沟道（排水沟）的渗漏模拟与自然流域中的河流渗漏的计算方式一样，即：

ｒｔｔｌｃ＝ｃｈｋ・ｔ・Ｌ・Ｐ（９）

式中：ｒｔｔｌｃ为主沟道输水损失量，ｍ３；ｃｈｋ为主沟道底部的导水率，ｍｍ／ｈ；ｔ为水流时间，ｈ；Ｌ为主沟道长度，ｋｍ；Ｐ为湿周，Ｉｌｌ。

式（９）没有考虑地下水位对沟道渗漏损失的影响。而且原模型假定沟道渗漏损失补给的是深层地下水（承压水），而不是浅层地下水（潜水）。为了使模型更适合于灌区的特点，本文采用经验法计算排水沟的渗漏损失，并考虑地下水顶托对渗漏损失的影响，而且使主沟道的渗漏损失补给潜水。主沟道输水损失流量按式（１０）计算

Ｑ，＝ｔＹ・Ｌ・Ｑ。（１０）一１４７—

仃５赢

土壤透水系数；ｍ为沟床土壤透水指数。

考虑地下水顶托修正后的渠道损失为

Ｑ：＝ｙ・Ｑｌ

式中：Ｑ：为有地下水顶托影响的渠道损失流量，ｍ３，ｓ；），为地下水顶托修正系数。

２．８陆面水文过程计算结构的改变

同的计算方法。

ＨＲＵ循环

＇，‘１１）式中：Ｑｆ为沟道输水损失流量，ｍ３／ｓ；Ｑ。为沟道净流量，ｍ３／ｓ；盯为每公里沟道输水损失系数；Ａ为沟床（１２）改变ＳＷＡＴ的陆面水文过程计算结构（见图１），主要是改进ＳＷＡＴ中的稻田水分循环模块的计算顺序和计算方法，从而使稻田水量平衡的计算能够采用与早作不

径流模块

ｌ

渗漏模块

．．．．．．．．．．．．．】［．．．一蒸发蒸腾模块

ｔ

地下水模块

一率厂————］是

其它模块

ＳＷＡＴ原代码陆面水文过程计算流程模型修改后陆面水文过程计算漉程

图１模型修改前后陆面水文过程

部分模块计算顺序比较ＨＲＵ内是否是稻田

在ＳＷＡＴ模型中，水文计算的最小单元是水文响应单元（ＨＲＵ），而稻田不是一个完全意义上的计算单元。稻田水文过程的模拟采用的是类似于“ｐｏｔｈｏｌｅ（蓄水体）”的方法。陆面主要水文过程的计算顺序是，地表径流一渗漏一蒸发蒸腾一地下水一水田“ｐｏｔｈｏｌｅ”一塘堰等，这样的程序结构，使水田没有和ＨＲＵ处于平等的位置，同时原模型没有体现稻田的水文过程对ＨＲＵ水量平衡的影响。因此，本文改变了源代码陆面水文过程的计算结构。首先使水田作为一个独立的ＨＲＵ，与旱地、林地等ＨＲＵ处于同级的地位。水田的地表径流和渗漏计算方法不同于其它ＨＲＵ，水田地表径流、排水、渗漏的计算吸收了农田水利学的研究成果，从而拓宽了ＳＷＡＴ模型的应用范围，使其适用于灌区水分循环的模拟。

２．９稻田表面积计算方法的改变稻田的表面积用来计算降落在田间的降雨量和蒸发、渗漏引起的田间水层损失。在ＳＷＡＴ的源程序中，只有当水田的蓄水量大于０时，才能根据蓄水量大小计算表面积，并且稻田田块被假定为锥形的，即：

ｆｐｏｔｓａ＝ｐｉ・（３．０・ｐｏｔｖｏｌ／（ｐｉ・ｓｌｏｐｅ））０‘删ｐｏｔｖｏｌ＞０

ｌｐｏ￡ｓｄ：０ｐｏｔｖｏｚ≤０…、ｕ驯

式中：ｐｏｔｓａ为稻田表面积，ｍ２；ｐｉ为圆周率；ｐｏｔｖｏｌ为稻田蓄水量，ｍ３；ｓ／ｏｐｅ为稻田坡度。

然而，在研究区域，这种假定是不合理的。即使稻田蓄水为零，田块的表面积也是实际存在的，同样可以接纳降雨量。因此，本文去掉了稻田接纳降雨的限制条件，改进了稻田表面积的计算方法，去掉了稻田为锥形的假设，即：一１４８—

ｐｏｔｓａ：ｄａｈａ。ｈｒｕｆｒ（１４）

式中：如玩为流域（研究区域）面积，ｍ２：＾咖为稻田占流域的面积比例。

２．１０稻田有效降雨计算方法的改进大尺度水分循环研究中，需要借助于遥感影像来获取稻田等土地利用方式的空间分布。由于精度问题，遥感图片未能分辨水稻田中渠道、道路以及田埂（为方便起见，以下通称田埂）的存在。为了反映田埂对水分循环的影响，本文根据典型区调查资料分析，取研究区域中的田埂面积占总面积的１５％左右，改进了稻田有效降雨的计算方法。

降落在稻田田块里面的雨量直接蓄存在田间，降落在田埂上的降雨形成的径流流向排水沟和稻田，而田埂的径流、人渗量和稻田蓄水发生着复杂的水分交换，难以将其完全区分开来。因此，本文认为区域稻田有效降雨量是降雨量减去稻田田埂形成的流向排水沟那部分地表径流，即：

Ｐｏ＝Ｐ—Ｐ・ｐ・０．１５

式中：Ｐ。为有效降雨量，ｍｍ；Ｐ为降雨量，ｎｕｎ；卢为稻田田埂降雨一径流（流向排水沟）系数。

２．１１稻田水平渗漏计算的增加ＳＷＡＴ模型没有考虑稻田的水平渗漏和田埂渗漏。修改后的模型中，当稻田土层含水量大于田间持水量时，产生水平渗漏，水平渗漏是土层含水量、坡度、导水率的函数，计算公式如下：

ｌａｔｌｙｒ＝ｈ。・ｓｏｌｋ・ｓｌｏｐｅ／ｓｌｓｏｉｌ・Ｏ．０２４（１５）（１６）

（１７）ｈ。＝２．０・ｓｗｅｘｃｅ￥￥［（（ｓｏｌｕｌ—ｓＤ雅），ｄｇ）

式中：ｌａｔｌｙｒ为水平渗漏量，ｍｍ；ｓｏｌｋ为饱和导水率，ｒａｍ／ｈ；ｓｌｏｐｅ为平均坡度，ｍ／ｍ；ｓｌｓｏＪｌ为坡长，ｍ；ｈ。为中间变量；ｓｗｅｘｃｅ络￥为超过田持的水量，ｍｍ；ｓｏｌｕｌ为饱和含水量，ｍｍ；ｓＤ骆为田持时含水量，ｍｍ；ｄｇ为土层深度，ｎｌｒｎ。

参考田间回归水的数值模拟结果，田埂渗漏的计算采用的是考虑蓄水深度大小的经验公式，假设田埂渗漏占田间水层的５％。

２．１２稻田渗漏计算方法的改变为了更准确地反映有犁底层存在情况的稻田渗漏特点，改进了稻田渗漏的计算方法。ＳＷＡＴ模型中，水田蓄水层的渗漏量损失是蓄水层下层土体（第一层土壤）导水率、土体含水量的函数。

ｐｏｔｓｅｐ＝ＹＹ・ｓｏｌｋ・ｐｏｔｓａ・２４０（１８）

式中：ｐｏｔｓｅｐ为稻田渗漏量，ｍ３；ＹＹ为最大渗漏量比例；ｓｏｌｋ为土体第１个土壤层的饱和导水率，ｍｍ／ｈ；ｐｏｔｓａ为稻田面积＇ｈｍ２。

此计算方法不能反映稻田渗漏的复杂情况，而且会使稻田渗漏量的计算结果偏大。模型修改后，采用不同的方法计算稻田无水层时的自由排水通量和有水层时的稻田渗漏量。①生育期内无水层时稻田自由排水通量的计算，考虑各土层的土壤含水量、导水率，采用蓄满产流机制计算。②有水层时的稻田渗漏量受稻田土质、地下水位、稻田水深及田间管理措施等因素的影响，其值的变化在水稻生育期内较为复杂。为简化渗漏量计算，根据稻田渗漏观测资料并参考漳河灌区土壤类型、水文地质等条件，取生育期内日最大加权平均渗漏强度为２ｍｍ／ｄ。

ＳＷＡＴ模型源代码中，水田渗漏量作为土壤水分的补给量，没有考虑渗漏量对地下水的补给。在模型修改中，添加了稻田渗漏对地下水的补给作用。

２．１３稻田蒸发蒸腾量计算方法的改进ＳＷＡＴ的源程序中，稻田蒸发蒸腾的计算方法与非灌溉地的计算方法一样，而且设置了最大蒸发与最大蒸腾之和（Ｅ丁。）不大于参考作物腾发量Ｅ死的限制条件。

Ｅｒ。。≤Ｅ％（１９）

根据农田水利及水稻节水灌溉的研究成果，稻田的蒸发蒸腾存在大于Ｅ死的情况。因此，改进了稻田蒸发蒸腾的计算方法，去掉了稻田蒸发蒸腾小于Ｅ％的限制条件。参考水稻作物系数Ｋ的研究成果，设置了不同生育期水稻最大蒸发蒸腾（Ｅｒ一）与Ｅ％之间的关系。

Ｅｒ一＝匠・ＥＴｏ（２０）

２．１４稻田最大蓄水深度参数设置的改变在ＳＷＡＴ模型中，水田最大蓄水量的模拟采用的是近似于一１４９—

ｐｏｔｓａ：ｄａｈａ。ｈｒｕｆｒ（１４）

式中：如玩为流域（研究区域）面积，ｍ２：＾咖为稻田占流域的面积比例。

２．１０稻田有效降雨计算方法的改进大尺度水分循环研究中，需要借助于遥感影像来获取稻田等土地利用方式的空间分布。由于精度问题，遥感图片未能分辨水稻田中渠道、道路以及田埂（为方便起见，以下通称田埂）的存在。为了反映田埂对水分循环的影响，本文根据典型区调查资料分析，取研究区域中的田埂面积占总面积的１５％左右，改进了稻田有效降雨的计算方法。

降落在稻田田块里面的雨量直接蓄存在田间，降落在田埂上的降雨形成的径流流向排水沟和稻田，而田埂的径流、人渗量和稻田蓄水发生着复杂的水分交换，难以将其完全区分开来。因此，本文认为区域稻田有效降雨量是降雨量减去稻田田埂形成的流向排水沟那部分地表径流，即：

Ｐｏ＝Ｐ—Ｐ・ｐ・０．１５

式中：Ｐ。为有效降雨量，ｍｍ；Ｐ为降雨量，ｎｕｎ；卢为稻田田埂降雨一径流（流向排水沟）系数。

２．１１稻田水平渗漏计算的增加ＳＷＡＴ模型没有考虑稻田的水平渗漏和田埂渗漏。修改后的模型中，当稻田土层含水量大于田间持水量时，产生水平渗漏，水平渗漏是土层含水量、坡度、导水率的函数，计算公式如下：

ｌａｔｌｙｒ＝ｈ。・ｓｏｌｋ・ｓｌｏｐｅ／ｓｌｓｏｉｌ・Ｏ．０２４（１５）（１６）

（１７）ｈ。＝２．０・ｓｗｅｘｃｅ￥￥［（（ｓｏｌｕｌ—ｓＤ雅），ｄｇ）

式中：ｌａｔｌｙｒ为水平渗漏量，ｍｍ；ｓｏｌｋ为饱和导水率，ｒａｍ／ｈ；ｓｌｏｐｅ为平均坡度，ｍ／ｍ；ｓｌｓｏＪｌ为坡长，ｍ；ｈ。为中间变量；ｓｗｅｘｃｅ络￥为超过田持的水量，ｍｍ；ｓｏｌｕｌ为饱和含水量，ｍｍ；ｓＤ骆为田持时含水量，ｍｍ；ｄｇ为土层深度，ｎｌｒｎ。

参考田间回归水的数值模拟结果，田埂渗漏的计算采用的是考虑蓄水深度大小的经验公式，假设田埂渗漏占田间水层的５％。

２．１２稻田渗漏计算方法的改变为了更准确地反映有犁底层存在情况的稻田渗漏特点，改进了稻田渗漏的计算方法。ＳＷＡＴ模型中，水田蓄水层的渗漏量损失是蓄水层下层土体（第一层土壤）导水率、土体含水量的函数。

ｐｏｔｓｅｐ＝ＹＹ・ｓｏｌｋ・ｐｏｔｓａ・２４０（１８）

式中：ｐｏｔｓｅｐ为稻田渗漏量，ｍ３；ＹＹ为最大渗漏量比例；ｓｏｌｋ为土体第１个土壤层的饱和导水率，ｍｍ／ｈ；ｐｏｔｓａ为稻田面积＇ｈｍ２。

此计算方法不能反映稻田渗漏的复杂情况，而且会使稻田渗漏量的计算结果偏大。模型修改后，采用不同的方法计算稻田无水层时的自由排水通量和有水层时的稻田渗漏量。①生育期内无水层时稻田自由排水通量的计算，考虑各土层的土壤含水量、导水率，采用蓄满产流机制计算。②有水层时的稻田渗漏量受稻田土质、地下水位、稻田水深及田间管理措施等因素的影响，其值的变化在水稻生育期内较为复杂。为简化渗漏量计算，根据稻田渗漏观测资料并参考漳河灌区土壤类型、水文地质等条件，取生育期内日最大加权平均渗漏强度为２ｍｍ／ｄ。

ＳＷＡＴ模型源代码中，水田渗漏量作为土壤水分的补给量，没有考虑渗漏量对地下水的补给。在模型修改中，添加了稻田渗漏对地下水的补给作用。

２．１３稻田蒸发蒸腾量计算方法的改进ＳＷＡＴ的源程序中，稻田蒸发蒸腾的计算方法与非灌溉地的计算方法一样，而且设置了最大蒸发与最大蒸腾之和（Ｅ丁。）不大于参考作物腾发量Ｅ死的限制条件。

Ｅｒ。。≤Ｅ％（１９）

根据农田水利及水稻节水灌溉的研究成果，稻田的蒸发蒸腾存在大于Ｅ死的情况。因此，改进了稻田蒸发蒸腾的计算方法，去掉了稻田蒸发蒸腾小于Ｅ％的限制条件。参考水稻作物系数Ｋ的研究成果，设置了不同生育期水稻最大蒸发蒸腾（Ｅｒ一）与Ｅ％之间的关系。

Ｅｒ一＝匠・ＥＴｏ（２０）

２．１４稻田最大蓄水深度参数设置的改变在ＳＷＡＴ模型中，水田最大蓄水量的模拟采用的是近似于一１４９—

水体蓄水的方法，而且最大蓄水量（蓄水深度）是不变的。这种处理难以体现水稻生育期内不同时期的蓄水深度变化的特点。根据漳河灌区团林灌溉试验站提供的试验结果，确定了研究区域水稻不同生育阶段合理的最大蓄水深度。水稻各生育阶段的最大蓄水深度作为稻田排水的限制条件。水稻生育期内，当降雨量（灌溉量、或降雨＋灌溉量）大于允许的最大蓄水深度时，多余水量形成田间排水。

２．１５水稻减产量与腾发量亏缺量之关系的改进ＳＷＡＴ模型考虑了水分胁迫对作物产量的影响，但模型假设产量减少量与腾发量亏缺量是“等效”的，也就是说减产系数为Ｉ．０，即。

１一手＝，１’一等

发量，ｒａｉｎｏ

修改后的模型中水稻减产量与腾发量亏缺量的关系按下式随１计算：（２１）式中：ｙ、ｋ分别为受旱及充分供水时的产量，ｋｇ／ｈｍ２；ＥＴ、ＥＬ分别为受旱及充分供水时的全生育期腾

ｌ一毒＝ｏ．００８４ｅ１－１４１６～ＥＴ０・（１一是）

式中Ｅ％为水稻生育期内日平均Ｅ死值，ｍｉｌｌ。（２２）

３模型验证

３．１校正区域田间尺度不足以反映灌区特征的复杂性对水平衡过程的影响，而灌溉系统尺度则太大，无法对进出水过程进行准确监测，只能统计其灌溉用水过程及主要排水口的出流过程。对于封闭的小流域尺度，不仅可对其进出的水平衡要素进行观测，而且小流域包括塘堰蓄水、灌溉渠道及排水沟等对来水的调配，土地利用也多样化。因此，灌区小流域可以反映灌区特征的复杂性对水平衡过程的影响，小流域尺度观测的数据可用于灌区分布式水文模型的率定。

以漳河灌区杨树挡小流域为研究对象，进行构建模型的校正。漳河灌区

位于湖北省江汉平原西部低丘陵地带，灌区总灌溉面积１７．３７万ｈｍ２，其中水

稻田１５．８０万ｈｍ２，９０％种植中稻。杨树蛸小流域为漳河灌区内一个相对闭

合的区域，面积约４２．４８ｋｍ２。该区域被三干渠、１分干和杨树墙水库所包围

（图２），模型应用时，研究区域被离散为５个亚流域和２３个水文响应单元。

区域的灌溉用水由三干渠和１分干提供，区域产流和排水流向杨树墙水库，

而且该区域也是杨树墙水库的集水区。

３．２模型所需资料和模型校正

３．２．１模型的数据输入模型运行所需的基本图件包括数字高程图、土地

利用图和土壤图。本文使用的数字高程图精度为２０ｍ；在ＥＲＤＡＳ软件里采用

为）遥感影像的叠加影像中提取土地利用图；土壤图为矢量格式。模型萋监督１５ｍ篡嚣篙翥嚣挲嚣篓需三安黜？蓑耋图ｚ一域及亚…分

调查获得。

模型的校正方法和参数校正参见文献［９］。运行的主要输入参数包括流域的气象数据、地形属性、土壤性质、植被参数和管理措施，其中管理措施包括灌水时间、灌水量，作物种植、收割时间等。从研究区域内的团林灌溉试验站获得日气象资料；应用Ａｒｃｖｉｅｗ软件从ＤＥＭ自动提取流域的地形属性，如坡度、坡向、高程等。通过试验和调查获得区域内各土壤类型不同土层的土壤理化性质；水稻的生长参数由田间试验资料获得，其它植被类型的生长参数由３．２．２模型的校正模型校正所需的小流域产流通过水量平衡原理反推水库的入流得到。为了检验建立的模型能否模拟灌区的水分循环过程、修改的模块是否正确、以及模型参数是否合理，特采用杨树趟小流域２００２、２００３、２００５年和２００６四年水稻全生育期（５月２０日一９月２０日）的数据对模型进行校正和验证。其中２００２年和２００３年的数据用于模型校正，２００５年和２００６年的数据用于模型检验。ＳＷＡＴ

需要指出的是，本文中的土壤有效水含量是根据土壤普查资料和试验数据确定的，不需校正。而且，由于本研究改进了稻田的水分循环模块，稻田的产流计算过程不同于旱作，不需校正稻田的ＣＮ２值，因此只需校正旱作及林地的ＣＮ：和土壤蒸发补偿系数ＥＳＣＯ、作物吸水补偿系数ＥＳＰＯ，以及稻田的土壤蒸发补偿系数、作物吸水补偿系数。由于修改了地下水通过毛管作用对作物根区补给量的计算方法，地下水参数只需校正产生基流的浅层地下水阈值ＧＷＱＭＮ。参数校正结果见表１。

３．３模拟效果评价选用相对误差（冗Ｅ）、线性回归系数（Ｒ２）和Ｎａｓｈ．Ｓｕｔｔｃｌｉｆｅ模拟效率系数（Ｅｎｓ）¨叫来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果。要求模拟值与实测值年均误差ＲＥ也应小于实测值的１５％，月均值的线性回归系数Ｒ２＞０．６且Ｅｎｓ＞０．５０¨¨。

选用２００２、２００３年的产流数据对模型进行校准，选用２００５、２００６年的数据对模型进行验证。校正期和验证期的模拟效率评价指标结果（见表２）表明。构建的模型在研究区域取得了较好的模拟结果。

表１参数校正值

ＧＷＱ’ＭＮＩ

ｍｍ表２模型效率评价ＣＮ２ＥｓｃｏＥＳＰＯ

稻田

旱作物

林草地

裸露地８３７９８７Ｏ．２０．２０．２０．２Ｏ．８Ｏ．８Ｏ．８０．８９１０９１０９１０９１０

２００２年和２００３年没有专门针对研究区域

进行测产，但这２年水稻产量的模拟参考了灌

溉试验站的点数据。本文根据２００５年和２００６

年研究区域水稻测产数据，对水稻产量的模拟

值进行评价。评价结果（表３）说明模型可以进

行水稻产量的模拟。表３水稻产量模拟结果评价

限于篇幅，图３给出了２００６年产流模拟结果，水稻生育期内（５月２０日一９月２０日）区域产流模拟值的变化趋势与观测结果一致，说明构建的灌区分布式水文模型适合于水稻灌区水分循环的模拟。

、塔ｋ

图３２００６年水稻生育期内杨树墙区域产流观测值与模拟值

４结语

根据中国南方丘陵灌区水文特点，在对自然流域水文模型ＳＷＡＴ改进的基础上，构建了灌区分布式水文模型ｊ对灌区分布式水文模型构建的关键性问题进行了有效的探讨。以灌区小流域为模型的校正区域，利用４年的资料对模型进行校准和验证。结果表明，构建的灌区分布式水文模型适合于南方丘陵灌区水分循环及水稻产量的模拟。灌区分布式水文模型的构建，为灌溉水文学提供了新的研究方法。

一１５１一

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ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｒｅａｂａｓｅｄｏｎＳＷＡＴ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＷＡＴ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｉｒｒｉｇａｔｅｄａｒｅａ；ｐａｄｄｙｆｉｅｌｄ；ｗａｔｅｒｂａｌａｎｃｅ

（责任编辑：吕斌秀）‘。。。１５２－－—－