灌区地表水_地下水耦合模型的构建_刘路广 .pdfVIP

水利学报

2012年7月SHUILIXUEBAO第43卷第7期

文章编号：0559-9350（2012）07-0826-08

灌区地表水-地下水耦合模型的构建

1，21

刘路广，崔远来

（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.湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉430070）

摘要：为了定量描述灌区水平衡要素及其转化关系，构建了灌区地表水-地下水分布式模拟耦合模型。通过改进

SWAT模型的稻田及旱作物水分循环、蒸发蒸腾量和渠系渗漏计算等模块，建立了灌区地表水分布式模拟模型；

以SWAT模型中的水文响应单元（HRU）和MODFLOW模型中的有限差分网格（cells）作为基本交换单元，将改进

SWAT模型的地下水补给量计算值加载到MODFLOW模型的地下水补给模块，实现了灌区地表水-地下水分布式

模拟模型的耦合。耦合模型在柳园口灌区的应用结果表明，该模型能够准确模拟和预测灌区地表水和地下水的动

态变化，为灌区水管理提供了科学依据。

关键词：地表水；地下水；SWAT模型；MODFLOW模型；耦合模型

中图分类号：TV11文献标识码：A

1研究背景

在田间尺度上，可以通过试验观测，研究田间水量转化过程；在干渠或灌区尺度上，若采用同样

方法必然会耗费大量的时间、人力和物力，有时限于现有的观测手段而无法获得有关要素。灌区大尺

度地表水-地下水分布式模拟为研究灌区“四水”转化规律和制定科学水管理制度提供了新的手段。目

［1］

前，分布式水文模型基本针对自然流域开发，不适合人类活动影响强烈的灌区水量转化模拟。代俊

［2］

峰针对中国南方丘陵水稻灌区水文特点，对SWAT模型进行了改进，构建了灌区分布式水文模型。但

该模型对平原灌区特点及旱作物模块考虑较少，同时地下水的模拟近似于黑箱子模型，不能模拟地下

水的水平运动及抽水井的分布。在地下水数值模拟方面，MODFLOW是模块化三维有限差分地下水流

［3］

动模型，然而很难确定地下水补给量及无法处理复杂的降雨空间信息和地表径流信息。在我国引黄

灌区（如本文研究的柳园口灌区），井渠结合灌溉模式是一种有效的水管理策略，地表水与地下水的转

换是引黄灌区水循环的重要过程，必须将二者统一起来进行研究。由于分布式模型开发费时费力，因

此，基于已有模型将地表水模型和地下水模型进行耦合成了研究热点［4-5］。根据耦合方式分为紧密耦合

和松散耦合两类，前者模拟精度较高，模型的构建需要大量的精确参数和数据支撑；后者精度不如前

［6］［7］

者，但模型的建立较容易，便于推广应用。Sophocleous和Kim都将SWAT模型和MODFLOW模型进

行了松散耦合并在不同流域进行了验证和应用。其研究区域均为自然流域，而不能直接将模型应用于

［8］

受人类影响较大的灌区水循环。张银辉和罗毅等将SWAT2000、MODFLOW96和CERES-WHEAT，

MAIZE模型集成为DEHYDROS模型，并添加了渠系引水灌溉模块，对内蒙古河套灌区水循环特征进行

了研究。DEHYDROS模型对旱作物灌区考虑较全，而水稻模块的改进较少。

本文在对SWAT模型的