基于SWAT模型的城市水资源评价方法研究

杨  春

(江苏省水文水资源勘测局徐州分局  江苏徐州  221018)

摘  要：在研究城市水资源中，文章提出无人机遥感技术及SWAT模型的地理信息技术与水文模型结合的水资源评价方法。通过从户外作业获取的地表水分布信息，结合下垫面数据资料，应用SWAT模型对水资源环境中的重复水量进行计算，以此保障水资源总量的精确性。为确保方法的可靠性，选取平原区域某地作为实例对象，利用调查结果判断评价方法合理性和可靠性。结果充分表明，该方法要比传统方法考虑因素更全面，降低不确定影响概率，能够为城市水资源评价提供方法依据。

关键词：SWAT模型；城市水资源；评价方法

0引言

我国水资源人均量非常低，空间分布不均衡，尤其是平原区域，河网非常密集，地质结构复杂，调查水资源难度非常大。通过对无人机遥感技术及SWAT模型的地理信息技术与水文模型结合的水资源评价方法的应用，能够获取精确的水资源情况，以此实现水资源高质量开发利用。

1. SWAT模型水资源评价方法

为确保水资源评价结果的精确性，在实践中使用RS技术、下垫面数据、水文模型等多种技术融合的研究方法^[1]。水资源总量计算通过水文模拟得出，其他部分水资源循环过程主要利用SWAT模型模拟。基于水资源循环流程是受到多种因素影响的，如土地种类、土壤情况、气候条件等^[2-4]。这在构建水文模型中，需要获取到水资源区域的地理信息、空间信息等。在研究过程中，使用无人机遥感技术、地理信息系统平台进行空间信息获取。现有水资源评价主要依靠空间信息和水文模型结合的方式进行研究，需要使用技术路线开展工作，如图1所示。

1.1 SWAT水文模型

SWAT模型应用中，主要包含两个方面内容，即陆地水文循环模拟和河道汇流过程模拟^[5]。陆地水文循环模拟主要对子流域中存在的各类物质进行控制，基本上是输入过程，而河道汇流过程模拟主要对河道存在的各类物质移动过程实施控制。SWAT模型根据水量平衡方程对水循环计算：   

在该计算公式中：W_s,t代表土壤含水总量；W_s,0代表土壤最开始的含水量；t代表时间多少，单位是天（d）;R_day代表第多少天自然降水总量；Q_surf代表第多少天地表水流的总量；E_a代表第多少天水资源蒸发总量；W_seep代表第多少天土壤水分流失总量；Q_gwd代表第多少天地下水流总量。从水资源循环流程分析，该模型基本从自然降水到各类水流进行整体涵盖。从陆地层面而言，模型在设计中对地表水流、蒸发水量、地下水流量三方面考虑。从河道汇流过程而言，使用马斯京根法对其展开分析。

1.2地理信息数据

SWAT模型在设计中，是非常综合性的分布式循环体系，整个运行过程涉及到大量数据资源，而数据资源是否客观性、真实性、全面性等都将影响到计算结果的准确性^[6]。在研究过程中，需要采集或者收集的数据种类非常多，包括但不限于水文情况、地理空间信息等。其中，在水文情况获取中，应当对评价区域水资源数据进行梳理、整合后得到；地理空间信息是完全采用无极人遥感技术测绘得到，也可以从现有地理信息资料库中获取相关基础资料，并且使用GIS技术解译后得到^[7-9]。地理信息平台基本上为模型研究提供丰富数据资源，包括但不限于高程信息、土地使用类型、水系信息等内容。在这类数据资料基础上，GIS技术能够对各类数据渠道的资源进行整合，从而对评价区域的水网分布、河湖特点等进行明确。

1.3无人机遥感技术

在研究中，无人机设备使用华测p550，并且安装多镜头对各类影像数据获取，分辨率达到0.04米。根据测绘前所收集的地图，对需要进行影像资料采集区域进行实地勘查，明确当前区域测绘条件，判断出飞行和影响无人机设备的适应度，从而对起降场地进行确定。在航测过程中，按照明确的测绘区域，使用直飞方式进行全面敷设，也会沿着航测区域边界进行首尾相接，保障侧视镜头能够测绘到区域中的所有影像。航测中的飞行高度按照测绘方案执行，实际飞行高度误差不会超过设计高度的50米。相同航线获取的相邻影像图片航测高度不会超过30米，最大航测高度和最低航测高度误差不会超过50米。在研究中使用Geodging软件对图像色彩进行处理，影像背景本身的颜色不参与到计算中，按照标准模板对影像图片色彩和亮度进行平均。针对不同区域色彩标准模板也需要存在差异，确保色彩处理后影像整体画面清晰，色彩均匀，反差合理，光谱信息多样化。通过对精度符合标准的影像图片作为数据源，逐步建立三维网格，再构建白体三维模型，将采集到的影像数据资料全部反映到白体模型中，以此得到水资源实景三维模型。

2. SWAT模型应用案例

水资源评价区域处于沂蒙山区前冲积平原的边缘地带，整体地形走势是西北高、东南低的特点。而且，该区域气候是温带季风气候，常年自然降水量均为800毫米左右。经过该区域河流非常多，包括但不限于大运河、沂蒙河等；也存在多处水库，如艾山、杨庙等。

2.1水文模型构建

水文模型中具备诸多要素，但是参数是其最核心的部分，这需要从水资源流域中进行特征提取，能够详细呈现和描述水资源流域循环过程。针对多数水资源流域而言，水文气象情况、下垫面分布状况都是极其繁杂的。在本次实际评价中，从水资源使用层面出发，对当前行政管辖区域合并，并且全面考虑地形变化、地貌特征等因素，对该区域水资源进行分区计算，分区如图3所示。通过对GIS软件进行使用后，能够对DEM中的数据资料进行效验，以此得到准确的河网数据。也会对河网存在的各级支流进行分析，将其每条河流的汇点标记到河道上，从而对流入、流出区域进行划分。再对ARCGIS水分分析模块进行应用，能够将该区域划分为10个子流域。在水系数据获取后，结合模型需求对该区域的土地使用类型、土壤成分信息等编码设计。在研究中，土地使用类型数据、下垫面情况数据等都是来源于地理空间数据，并且与自然资源部门全国国土勘查结果是保持一致的，经过处理后将其放入模型中。依托子区域各个部分的土地使用类型及土壤成分情况，对所有子区域水文进行分区，从而分别设计针对性的阈值。结合这种方式，水文计算过程得到全面优化，能够利用模型计算出各区域的汇流结果。

2.2参数确定

在SWAT模型中，需要使用的参数非常多，对参数进行调节，应当利用SWAT模型中的功能实现。在多次抽样测算中，对参数情况进行统计，对不同影响参数分级，能够得到对模拟过程产生影响大的参数。再结合敏感性分析模块的功能，将区域自然降水信息、温度等数据进行输入，对参数概率进行确定，使用SWAT中的算法对参数概率进行计算，以此与标准参数范围进行对比，结果如表4所示。

2.3水资源量模拟结果

该区域水资源都是由自然降水形成的，水位变化区域也是直接受到气象条件影响，与自然降水保持一致。在研究中，选择其中具有代表的流水情况进行分析，模拟得到各个区域的平均地表水资源总量。根据评价区域1980~2021年平均自然降水频率分析，选择出四个不同的自然降水频率分别是30%、55%、80%、90%等年份，将其自然降水数据带入到模型中，能够得到如图5所示的结果。

针对区域1980~2021年间的水资源产生条件，导入已知水文数据模拟得知，从而得到各个分区平均地表水资源总量，总量为7.12亿m³。结果可知，区域整体水资源比周围更加丰富，这源于区域上方处于两河交汇处，流域下游河水进入到湖泊中，整个区域水网非常密集。从历年平均自然降水情况可知，该区域仅仅只占据市区面积的6%，但是水资源总量占比达到12%。从地下水储量方面分析，该区域主要存在浅层地下水，也是受到气象条件控制的，没有其他的规律性特点。结合该区域1980~2021年间地下水储量统计可知，地下水储量为2.69亿m³；通过对氡同位素示踪法计算出重复水量达到0.21亿m³。因此，该区域总的水资源总量应该是7.57亿m³。

2.4 SWAT模型与地面分类法分析

在水资源总量计算中，往往也会使用到传统方法，这类方式并没有取消利用。一般情况下，运用在集总式产流模型中，如地面分类法。在对地面分类法应用中，能够对不同下垫面的产汇流计算，也对某区域水资源总量进行确定。地面分类法在运用中，先要对水文简化，需要有很强的经验性，原理机制简单，常常用于没有实测资料的区域。通过计算结果进行对比，SWAT模型整体数据资料的准确程度更高。在使用SWAT模型中，误差系数在1%左右；而地面分类法误差系数在8%左右。从计算结果来看，SWAT模型分析法总体得到的水资源总量超过地面分类法，这说明使用该方法计算准确率提升8%左右。

3. 结语

本文在研究中，所选取的研究对象处于平原区域，通过对内外内分析模式的开展，实施水资源总量评价方法，并且将其运用到区域水资源综合分析中，得到很多研究结果。在使用RS技术、下垫面数据、水文模型后，能够更快分析出区域水资源情况，充分提升测量效率；和以往水资源调查方式不同，结合无人机设备对数据进行复核，保障调查结果精确性，也可以将所有因素覆盖；而且SWAT模型比地面分类法更为准确。因此，本文研究分析的水资源评价方法，对其他区域进行水资源评价有很好的借鉴作用。

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作者简介：杨春（1989-），男，汉族，江苏睢宁人，本科学历，工程师，主要从事水文水资源评价、地下水监测与管理等方面的工作与研究工作。联系电话：13912020162，邮箱：272247954@qq.com，单位地址：江苏省徐州市云龙区大龙湖街道中茵广场5号楼