水利工程论文-基于GIS的流域土壤水分补给量的模拟研究.doc

水利工程论文-基于GIS的流域土壤水分补给量的模拟研究摘要：地理信息系统(GIS:GeographicalInformationSystem)的栅格数据模型是进行水文分析较常用的方法之一，它强大的空间分析功能非常利于构造分布式模型。土壤水分的空间分布与地形、土壤和土地利用等因子密切相关。本文利用GIS栅格数据模型构建了流域累积土壤水分补给量的分布式模型，并应用于鄂尔多斯高原的考考赖沟流域。结果分析表明，模型能够合理地表达累积土壤水分补给量的空间变化规律。这对于我国半干旱山地丘陵地区的土地利用结构的空间安排、植被生态建设与恢复具有重要意义。关键词：栅格数据模型土壤水分鄂尔多斯地理信息系统数字水文模型是构建在数字高程模型(DEM:DigitalElevationModel)基础之上的一种分布式水文模型，它以流域面上分散的水文参数和变量来描述流域水文时空变化的特性。利用GIS栅格数据模型进行地表水文特性的研究，是国际上的热点研究领域。对此已有学者开发和建立了不同的算法和模型1,2,6,8,13，同时也进行了相应的应用研究7,14。本文以鄂尔多斯高原的考考赖沟流域为例，利用GIS空间分析技术，建立研究区的数字高程模型。在此基础上，建立基于栅格系统的水流模型。然后根据土壤水分平衡原理，建立累积土壤水分补给量的准分布式模型，分析不同地形条件对土壤水分补给量分布的影响。模型的建立与实现对于研究不同地形条件下潜在生态恢复的可能性、水土资源的耦合以及土地资源潜力的发挥具有重要意义。1模型的建立1.1累积土壤水分补给量模型累积土壤水分补给量是指在降雨过程中能够为土壤所保持的部分，只有这一部分降雨能够为植被所潜在利用。它的空间分布不仅与土壤本身的物理属性有关，而且还与地形坡度、高度、土地利用类型与管理措施等密切相关。累积土壤水分补给量模型采用GIS中栅格数据模型，把由11万地形图得到的封闭流域数字化，利用GIS软件ArcView3.2，把它转成栅格文件，栅格大小为10m10m。针对每个栅格，依据水量平衡原理，建立累积土壤水分补给量的计算公式为：(1)式中：Si为第i栅格得到的累积土壤水分补给量(mm)；Pi为第i栅格得到的降雨量(mm)；Di为第i栅格的土壤渗漏损失(mm)。其中，在降雨过程中水分的蒸发(Ei)忽略不记。Rin,i为周围栅格汇入为第i栅格的水分(mm)；Rout,i第i栅格总的水分损失(mm)(不包括垂直方向水分的收支)。由于研究区范围内沙层较厚，地形坡度相对较小，土壤水分以垂向运动为主。因此，各个栅格间侧向的壤中流可以忽略。栅格之间的联系是通过地表的水流联系在一起。1.2径流模型降水径流的计算采用美国农业部土壤保持局的曲线数字法(SCSCurveNumbermethod)12。该方法自20世纪50年代产生至今被各国广泛采用，许多水文模型，象CREAMS、SPUR、AGNPS等均采用了该法。它的应用尺度从0.25hm2到10000hm2，从湿润的温带到沙漠地带等均有涉及3。其中，美国农业部农业研究局(ARS：AgriculturalResearchService)的科学家和工程师开发的分布式农业非点源模型AGNPS(AgriculturalNonPointSource)把流域模拟分割为小的栅格区域(面积一般为100m2)，每个栅格区域具有相同的物理参数，并且在每个栅格内应用集总式参数模型(Lumpedparametermodel)。其中水文模块就使用了SCS曲线指数法16。该方法具有以下优点，即所需要的输入数据一般容易获得；算法效率高；将地表径流的产生与土壤类型、土地利用类型及管理措施联系起来。由于一般获得在时间尺度上小于1d的降水资料是很难的，该方法一个突出的特点是利用容易获得的日降水资料。曲线数字法以曲线数字函数的方式把径流和日降水直接联系起来。径流(Q)和降水(P)的关系式为：(2)式中：Q为日径流量(mm)；P为日降水量(mm)；S为保持参数(retentionparameter)。保持参数随流域和时间而不同，它与流域的土壤、坡度、土地利用、管理措施以及土壤前期含水量等有关。用以下方程将保持参数S与曲线数字CN联系起来：(3)式中常数254为单位转换系数，使S由英寸转换为毫米。曲线数字是土壤类型、土地利用类型、管理措施和前期降水的函数，其取值范围是0100(不等于0)，因此当CN100时，S0，并且QP。1.3渗漏每个栅格的渗漏取决于单位深度土体土壤的最大持水量，考虑到植物根系的主要吸水深度和本研究所在区域的降水量的大小与分布，以1m土体的深度为界，采用如下公式：(4)式中：Di为栅格i的渗漏量(mm)；Smax为栅格i最大持水量(mm)；Si为栅格i得到的累积土壤水分补给量(mm)。1.4栅格水流模型确定各个栅格单元的水流方向是采用DEM进行地表水文分析的基础。一个栅格的水流方向就是水体从其中流出的方向。本文建立栅格水流模型的具体方法是：将被处理的栅格同其最邻近的8个栅格单元之间的坡降进行比较，被处理栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元中坡降最大的一个栅格单元中心之间连线的方向便定义为被处理栅格的水流方向，并且规定一个栅格的水流方向用一个数字表示。有效的水流方向定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并分别用128、1、2、4、8、16、32和64表示(图1)被处理栅格单元K同相邻8个栅格单元之间坡降的算法为(JensonandDomingue,1988):(5)式中：MD为两个栅格之间的坡降；(Xk,Yk,Zk)为DEM中计算栅格单元的属性值；(Xi,Yi,Zi)为与计算栅格单元相邻的栅格的属性值。在水流模型的建立过程中，由于一些高程数据的采样误差和高程数据取整所引起的数据误差和研究区内的特殊地貌类型会导致一些栅格存在无效水流方向，使模型产生沉降点。沉降点在计算机处理时其水流方向不能用8个有效的代表流向的数字来表示，可能是一个栅格或相互联结的一系列栅格。地表水流方向的确定必须对沉降点进行纠正和消降。模型实现的流程示意图如图2。2模型的应用分析2.1研究区概况本研究以位于伊金霍洛旗境内的考考赖沟流域为对象。该流域位于鄂尔多斯高原向黄土高原过渡的地理位置。地理坐标为3927，11073934，11013，面积114.14km2。海拔在12321500m之间，地貌以起伏的丘陵、梁地及河流谷地与滩地为主，各种类型相间分布。多年平均降水量为250400mm。降水量变率大，7月降水量占全年降水量的60%70%，其中8月占29%左右。而日照充足，光能资源丰富，年蒸发量为2600mm。土壤以风沙土、棕钙土、草甸土和盐碱土为主。2.2数据来源与参数的确定模型计算采用的数据包括1998年49月的逐日气象数据、研究区11万地形图、110万土地利用图(1998)和土壤类型图(1986)、TM影像(分辨率为30m)。模型中各参数取值见表1。其中曲线数字CN(CurveNumber)在模型计算前，先依据SCS模型中CN与坡度的关系进行相应的计算，得到不同地形坡度下的曲线数字。表1模型中各项参数取值参数取值说明参数取值说明曲线数字CN5949674139364510074天然草场改良草场农地沙地有林地灌木林苗圃/未成年林水体居民点萎蔫含水量(v/v%)田间持水量(v/v%)饱和含水量(v/v%)1.51.54.013.9617.9221.0836.7038.6147.53流动/半固定风沙土固定草甸风沙土栗钙土/栗黄土/黄沙土流动/半固定风沙土固定草甸风沙土栗钙土/栗黄土/黄沙土流动/半固定风沙土固定草甸风沙土栗钙土/栗黄土/黄沙土注：除曲线水文数字为依据SCS手册查阅得到外，其余参数均依据试验得到。2.3结果与讨论在干旱或半干旱气候条件下，植被的生长状况更显著地受到降雨量多寡的影响。植被指数是目前从遥感影像获取大范围植被信息常用的经济且有效的方法，它与植被的盖度、生物量等有很好的相关性。因此植被指数的高值区不仅反映了植被的生长状况，而且也指示较高的降雨量5，911。例如在Botswana半干旱地区，在年雨量不超过500mm或月降水不超过50100mm的条件下，植被指数随降水的增加而增加。当超过这一界限，则植被指数随降水增长缓慢9。Nicholson等在非洲sahel沙漠研究气候与沙漠荒漠化的关系时，发现植被指数与降雨量之间有惊人相似的变化趋势10。在美国北部年降水小于1000mm的灌丛和草原区，植被指数均与年降水量呈极显著的相关关系，并且相关曲线的斜率灌丛明显大于草原，年植被指数极值的差随年平均降水量和温度变化的幅度的增加而增加，随年平均气温的降低而降低11。然而由于降雨的再次分配受到地形、土壤等诸多因素的影响。因此更确切地说，在这类地区，植被状况实质上是与降雨的再次分配形成的累积土壤水分补给量密切相关。鄂尔多斯沙地位于我国半干旱地区，植被群落多由一年生植物组成，每年植被的生长发育状况受植被生育期内降水量的影响，导致在只有自然降水条件下，自然植被的发育状况也随之波动。所以该地区植被指数不仅指示了地表植被的生长状况，而且也反映了降雨对植被的有效性。考考赖沟流域1998年49月降水量为434.5mm，通过逐日模拟得出流域累积土壤水分补给量的分布(图3)，利用LandsatTM卫星影像(成像时间为1998年8月19日)得到