基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法及系统

技术领域

本发明属于基于特定计算模型的计算系统领域，具体涉及基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法及系统。

背景技术

虾稻共作模式明显改善了农村的社会经济效益和生态效益。自2000年湖北省潜江市农户探索出虾稻连作种养模式以来，虾稻种养模式快速扩散辐射至湖北省、安徽省、湖南省、江苏省、江西省、河南省等21个省份，截至2018年我国虾稻种养模式面积达84万公顷。虾稻共作解决了小龙虾养殖和水稻种植的时空冲突，在经济效益和生态效益等方面具备显著优势。虾稻共作是单一水稻种植效益的3倍至4倍，“虾稻”生态大米的经济效益更大。

然而，虾稻共作显著改变了田间需水特性及其对灌溉与排水的需求，对区域降雨产流的下垫面条件和用水过程影响显著。目前，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，更不适合虾稻共作区域的水量模拟。水平衡要素及水循环过程在田间尺度可以通过试验进行观测，但区域尺度上，若采用试验观测方法必然耗费大量的时间、人力和物力，有时限于现有观测手段也无法获得有关水平衡要素。因此，开发适用于虾稻共作区域的水文模拟方法是亟待解决的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法及系统，能够快速、准确地对虾稻共作区域进行水文模拟，为科学合理地实施虾稻共作水资源调配及区域防洪排涝提供了可靠保障。

本发明为了实现上述目的，采用以下方案：

本发明提供一种基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法，其特征在于，包括：

步骤I. 构型改进：

对SWAT模型的壶穴模块构型进行改良，将其由原SWAT模型中的圆锥体设定改良为四周为矩形虾沟中间为稻田的虾稻共作区域结构；并且，设置改进的虾稻共作区域有效储水面积的计算方法如公式1和2所示：

式中：

步骤II. 蒸散发算法的改进：

对壶穴模块的蒸散发算法进行修正，将稻田部分由原模型提出的基于叶面积指数与最大潜在蒸散发量之间关系的概化算法，改进为作物系数与参考作物潜在蒸散发的乘积；虾沟以及水稻非生育期的水面蒸发采用水面蒸发与参考作物潜在蒸散发的相关关系进行确定；在水稻生育期内，稻田蒸散发量采用潜在蒸散发量乘以水稻作物系数，见公式3；虾沟蒸散发量采用水面蒸发与潜在蒸散发量的相关关系进行确定，见公式4；水稻非生育期，虾稻田蒸散发量采用水面蒸发与潜在蒸散发量的相关关系进行确定，见公式5；其中，参考作物潜在蒸散发量由Penman-Monteith方程计算；

式中：

步骤III. 下渗量算法的改良：

将壶穴模型的渗透算法由原壶穴模型提出的基于土壤最大持水能力和土壤含水量的计算方法，改进为对于虾稻田渗漏量考虑土壤犁底层限制作用的计算方法，见公式6和7所示：

式中：

步骤IV. 灌溉模块的构建：

基于虾稻田实际设置规程，对水位控制单元进行编译；设置不同生育阶段虾沟和稻田适宜水层上下限用于控制灌溉过程；当虾沟水位和稻田水位一致时，分别进行水量平衡后启动连通模型；

步骤V. 排水模块的构建：

基于虾稻田的实际设置规程，对水位控制单元进行编译；设置不同生育阶段虾沟和稻田蓄雨水深用于控制排水过程；当稻田水位高于水稻蓄雨水深时，触发排水功能，稻田水位排水至水稻蓄雨水深，如公式11；稻田排水先排水至虾沟，当虾沟水位高于虾沟蓄雨水深时，触发排水功能，将虾沟水位排水至虾沟蓄雨水深，如公式12和13，并将水排至河道；对不同时期水稻和虾沟的蓄雨水深进行保存，供模型读取；

式中：

步骤VI. 水文模拟：

基于待模拟地区的实测资料和模拟要求，输入模型所需的参数数据，然后运行模型，对待模拟地区进行虾稻共作下的水文模拟。

优选地，本发明提供的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法，还可以具有如下特征：在步骤II中，

优选地，本发明提供的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法，还可以具有如下特征：在步骤IV中，当稻田水位低于稻田适宜水位下限时，将触发灌溉功能，稻田水位灌至达到稻田适宜水位上限，如公式8；当虾沟水位低于虾沟适宜水位下限时，将触发灌溉功能，虾沟水位灌至达到虾沟适宜水位上限，如公式9；在非水稻生育期和水稻生育期共养阶段（拔节孕穗期和抽穗开花期），稻田和虾沟水位相同，还将启动连通模型，见公式10；对不同时期稻田和虾沟的适宜水位下限和适宜水位上限进行保存，供模型读取；

式中：

优选地，本发明提供的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法，还可以具有如下特征：在步骤VI中，输入的参数数据包括：虾沟平均宽度、虾稻田平均长宽比、不同生育期虾沟和稻田的适宜水位上下限、蓄雨水深、虾沟底相对于稻田底部的深度以及原SWAT模型需要输入的资料（气象资料、土地利用类型、DEM、土壤类型等）。

进一步，本发明还提供一种虾稻共作区域水文模拟系统，其特征在于，包括：

SWAT改进模型部，对SWAT模型进行如下步骤I至V所描述的改进得到SWAT改进模型：

步骤I. 构型改进：

对SWAT模型的壶穴模块构型进行改良，将其由原SWAT模型中的圆锥体设定改良为四周为矩形虾沟中间为稻田的虾稻共作区域结构；并且，设置改进的虾稻共作区域有效储水面积的计算方法如公式1和2所示：

式中：

步骤II. 蒸散发算法的改进：

对壶穴模块的蒸散发算法进行修正，将稻田部分由原模型提出的基于叶面积指数与最大潜在蒸散发量之间关系的概化算法，改进为作物系数与参考作物潜在蒸散发的乘积；虾沟以及水稻非生育期的水面蒸发采用水面蒸发与参考作物潜在蒸散发的相关关系进行确定；在水稻生育期内，稻田蒸散发量采用潜在蒸散发量乘以水稻作物系数，见公式3；虾沟蒸散发量采用水面蒸发与潜在蒸散发量的相关关系进行确定，见公式4；水稻非生育期，虾稻田蒸散发量采用水面蒸发与潜在蒸散发量的相关关系进行确定，见公式5；其中，参考作物潜在蒸散发量由Penman-Monteith方程计算；

式中：

步骤III. 下渗量算法的改良：

将壶穴模型的渗透算法由原壶穴模型提出的基于土壤最大持水能力和土壤含水量的计算方法，改进为对于虾稻田渗漏量考虑土壤犁底层限制作用的计算方法，见公式6和7所示：

式中：

步骤IV. 灌溉模块的构建：

基于虾稻田实际设置规程，对水位控制单元进行编译；设置不同生育阶段虾沟和稻田适宜水层上下限用于控制灌溉过程；当虾沟水位和稻田水位一致时，分别进行水量平衡后启动连通模型；

步骤V. 排水模块的构建：

基于虾稻田的实际设置规程，对水位控制单元进行编译；设置不同生育阶段虾沟和稻田蓄雨水深用于控制排水过程；当稻田水位高于水稻蓄雨水深时，触发排水功能，稻田水位排水至水稻蓄雨水深，如公式11；稻田排水先排水至虾沟，当虾沟水位高于虾沟蓄雨水深时，触发排水功能，将虾沟水位排水至虾沟蓄雨水深，如公式12和13，并将水排至河道；对不同时期水稻和虾沟的蓄雨水深进行保存，供模型读取；

式中：

输入显示部，与SWAT改进模型部通信相连，让用户基于待模拟地区的实测资料和模拟要求输入SWAT改进模型运行所需的参数信息，并让用户输入操作指令启动模型对待模拟地区进行虾稻共作下的水文模拟；

控制部，与SWAT改进模型部和输入显示部均通信相连，控制SWAT改进模型部和输入显示部的运行。

优选地，本发明提供的虾稻共作区域水文模拟系统，还可以具有如下特征：在步骤II中，

优选地，本发明提供的虾稻共作区域水文模拟系统，还可以具有如下特征：在步骤IV中，当稻田水位低于稻田适宜水位下限时，将触发灌溉功能，稻田水位灌至达到稻田适宜水位上限，如公式8；当虾沟水位低于虾沟适宜水位下限时，将触发灌溉功能，虾沟水位灌至达到虾沟适宜水位上限，如公式9；在非水稻生育期和水稻生育期共养阶段，稻田和虾沟水位相同，还将启动连通模型，见公式10；对不同时期稻田和虾沟的适宜水位下限和适宜水位上限进行保存，供模型读取；

式中：

优选地，本发明提供的虾稻共作区域水文模拟系统，还可以具有如下特征：在步骤VI中，输入的参数数据包括：虾沟平均宽度、虾稻田平均长宽比、不同生育期虾沟和稻田的适宜水位上下限、蓄雨水深、虾沟底相对于稻田底部的深度以及原SWAT模型需要输入的资料（气象资料、土地利用类型、DEM、土壤类型等）。

优选地，本发明提供的虾稻共作区域水文模拟系统，还可以具有如下特征：输入显示部能够根据操作指令对模拟的虾稻共作区域的图像进行显示，还能够根据操作指令对模拟的径流过程数据以图表形式进行显示。

本发明所提供的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法及系统，能够对虾稻共作区水平衡要素及水文响应过程进行快速、准确地模拟，通过模拟获取虾稻共作区域运行数据信息，不仅有利于虾稻共作区域的研究，为科学合理地实施虾稻共作水资源调配提供了可靠保障，而且有利于区域的防洪排涝措施研究，为构建和确定排水防涝系统提供了可靠数据。

附图说明

图 1 为本发明实施例中涉及的由原SWAT模型中的圆锥体改进成单个虾稻共作田块结构的示意图；

图 2 为本发明实施例中涉及的水面蒸发量与潜在蒸散发量相关关系图；

图 3 为本发明实施例中涉及的模拟效果图；

图 4 为本发明实施例中涉及的荆州市沙市区强家湾泵站模拟区域划分9个子流域的示意图；

图 5 为本发明实施例中涉及的荆州市沙市区强家湾泵站模拟区域进一步划分为23个HRU的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

本实施例所提供的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法，包括如下步骤：

步骤I. 构型改进：

对SWAT模型的壶穴模块构型进行改良，将其由原SWAT模型中的圆锥体设定改良为如图1所示四周为矩形虾沟中间为稻田的虾稻共作区域结构；并且，设置改进的虾稻共作区域有效储水面积的计算方法如公式1和2所示：

式中：

步骤II. 蒸散发算法的改进：

对壶穴模块的蒸散发算法进行修正，将稻田部分由原模型提出的基于叶面积指数与最大潜在蒸散发量之间关系的概化算法，改进为作物系数与参考作物潜在蒸散发的乘积；虾沟以及水稻非生育期的水面蒸发采用水面蒸发与参考作物潜在蒸散发的相关关系进行确定；在水稻生育期内，稻田蒸散发量采用潜在蒸散发量乘以水稻作物系数，见公式3；虾沟蒸散发量采用水面蒸发与潜在蒸散发量的相关关系进行确定，见公式4；水稻非生育期，虾稻田蒸散发量采用水面蒸发与潜在蒸散发量的相关关系进行确定，见公式5；其中，参考作物潜在蒸散发量由Penman-Monteith方程计算；

式中：

步骤III. 下渗量算法的改良：

将壶穴模型的渗透算法由原壶穴模型提出的基于土壤最大持水能力和土壤含水量的计算方法，改进为对于虾稻田渗漏量考虑土壤犁底层限制作用的计算方法，见公式6和7所示：

式中：

步骤IV. 灌溉模块的构建：

基于虾稻田实际设置规程，对水位控制单元进行编译；设置不同生育阶段虾沟和稻田适宜水层上下限用于控制灌溉过程；当虾沟水位和稻田水位一致时，分别进行水量平衡后启动连通模型；

当稻田水位低于稻田适宜水位下限时，将触发灌溉功能，稻田水位灌至达到稻田适宜水位上限，如公式8；当虾沟水位低于虾沟适宜水位下限时，将触发灌溉功能，虾沟水位灌至达到虾沟适宜水位上限，如公式9；在非水稻生育期和水稻生育期共养阶段，稻田和虾沟水位相同，还将启动连通模型，见公式10；对不同时期稻田和虾沟的适宜水位下限和适宜水位上限以txt文本格式进行保存，供模型读取；

式中：

步骤V. 排水模块的构建：

基于虾稻田的实际设置规程，对水位控制单元进行编译；设置不同生育阶段虾沟和稻田蓄雨水深用于控制排水过程；当稻田水位高于水稻蓄雨水深时，触发排水功能，稻田水位排水至水稻蓄雨水深，如公式11；稻田排水先排水至虾沟，当虾沟水位高于虾沟蓄雨水深时，触发排水功能，将虾沟水位排水至虾沟蓄雨水深，如公式12和13，并将水排至河道；对不同时期水稻和虾沟的蓄雨水深以txt文本格式进行保存，供模型读取；

式中：

基于以上步骤得到SWAT改进模型。

步骤VI. 水文模拟：

录入模型所需的基础数据，根据模型率定结果对参数进行调整；基于待模拟地区的实测资料和模拟要求，输入模型所需的参数数据：包括虾沟平均宽度、虾稻田平均长宽比、不同生育期虾沟和稻田的适宜水位上下限、蓄雨水深、虾沟底相对于稻田底部的深度、原SWAT模型需要输入的资料（气象资料、土地利用类型、DEM、土壤类型等），然后运行模型，对待模拟地区进行虾稻共作下的水文模拟。

本实施例中，选择在荆州市沙市区强家湾泵站控制范围内开展模拟研究，研究范围面积为808.6公顷。将强家湾泵站控制范围内作为待模拟地区，其中虾稻共作面积为327.0公顷。如图3~4所示，待模拟地区划分了9个子流域，23个HRU，其中虾稻共作HRU 8个。气象资料采用丫角灌溉试验站的观测资料。

荆州市沙市区不同水稻生育期

通过对荆州市沙市区逐日水面蒸发气象观测资料与逐日参考作物需水量进行线性拟合得到

如图5所示，运行实施例上文所描述的SWAT改进模型对待模拟地区进行水文模拟，模拟了有虾稻共作的径流过程，通过修改参数，将虾稻共作设置成水稻，可以对比修改后的模型模拟效果。通过对比分析，有虾稻共作时，对部分降雨产生的径流有削峰作用，同时因为虾稻种养需要，产生了其他排水过程。可以看出修改后的模型可以用于快速、准确地模拟虾稻共作区域的径流过程。

进一步，本实施例还提供了虾稻共作区域水文模拟系统，包括SWAT改进模型部、输入显示部和控制部。

SWAT改进模型部为对SWAT模型进行上文步骤I至V所描述的改进后得到的SWAT改进模型；

输入显示部与SWAT改进模型部通信相连，让用户基于待模拟地区的实测资料和模拟要求输入该SWAT改进模型部运行所需的参数信息，并让用户输入操作指令启动模型对待模拟地区进行虾稻共作下的水文模拟。例如，输入显示部能够根据操作指令对待模拟地区的图像进行显示，进一步对划分后的各个子区域例如选定的虾稻共作区域的图像进行显示，同时还能够在图像上显示相应区域的资料信息；另外，输入显示部还能够根据操作指令对模拟的径流过程数据以图表形式进行显示，供用户查看。

控制部与SWAT改进模型部和输入显示部均通信相连，控制SWAT改进模型部和输入显示部的运行。

以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于SWAT改进模型的虾稻共作区域水文模拟方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。