水利工程論文-基于GIS的流域土壤水分補(bǔ)給量的模擬研究.doc

水利工程論文-基于GIS的流域土壤水分補(bǔ)給量的模擬研究摘要：地理信息系統(tǒng)(GIS:GeographicalInformationSystem)的柵格數(shù)據(jù)模型是進(jìn)行水文分析較常用的方法之一，它強(qiáng)大的空間分析功能非常利于構(gòu)造分布式模型。土壤水分的空間分布與地形、土壤和土地利用等因子密切相關(guān)。本文利用GIS柵格數(shù)據(jù)模型構(gòu)建了流域累積土壤水分補(bǔ)給量的分布式模型，并應(yīng)用于鄂爾多斯高原的考考賴溝流域。結(jié)果分析表明，模型能夠合理地表達(dá)累積土壤水分補(bǔ)給量的空間變化規(guī)律。這對(duì)于我國(guó)半干旱山地丘陵地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的空間安排、植被生態(tài)建設(shè)與恢復(fù)具有重要意義。關(guān)鍵詞：柵格數(shù)據(jù)模型土壤水分鄂爾多斯地理信息系統(tǒng)數(shù)字水文模型是構(gòu)建在數(shù)字高程模型(DEM:DigitalElevationModel)基礎(chǔ)之上的一種分布式水文模型，它以流域面上分散的水文參數(shù)和變量來描述流域水文時(shí)空變化的特性。利用GIS柵格數(shù)據(jù)模型進(jìn)行地表水文特性的研究，是國(guó)際上的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。對(duì)此已有學(xué)者開發(fā)和建立了不同的算法和模型1,2,6,8,13，同時(shí)也進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用研究7,14。本文以鄂爾多斯高原的考考賴溝流域?yàn)槔?，利用GIS空間分析技術(shù)，建立研究區(qū)的數(shù)字高程模型。在此基礎(chǔ)上，建立基于柵格系統(tǒng)的水流模型。然后根據(jù)土壤水分平衡原理，建立累積土壤水分補(bǔ)給量的準(zhǔn)分布式模型，分析不同地形條件對(duì)土壤水分補(bǔ)給量分布的影響。模型的建立與實(shí)現(xiàn)對(duì)于研究不同地形條件下潛在生態(tài)恢復(fù)的可能性、水土資源的耦合以及土地資源潛力的發(fā)揮具有重要意義。1模型的建立1.1累積土壤水分補(bǔ)給量模型累積土壤水分補(bǔ)給量是指在降雨過程中能夠?yàn)橥寥浪３值牟糠?，只有這一部分降雨能夠?yàn)橹脖凰鶟撛诶?。它的空間分布不僅與土壤本身的物理屬性有關(guān)，而且還與地形坡度、高度、土地利用類型與管理措施等密切相關(guān)。累積土壤水分補(bǔ)給量模型采用GIS中柵格數(shù)據(jù)模型，把由11萬地形圖得到的封閉流域數(shù)字化，利用GIS軟件ArcView3.2，把它轉(zhuǎn)成柵格文件，柵格大小為10m10m。針對(duì)每個(gè)柵格，依據(jù)水量平衡原理，建立累積土壤水分補(bǔ)給量的計(jì)算公式為：(1)式中：Si為第i柵格得到的累積土壤水分補(bǔ)給量(mm)；Pi為第i柵格得到的降雨量(mm)；Di為第i柵格的土壤滲漏損失(mm)。其中，在降雨過程中水分的蒸發(fā)(Ei)忽略不記。Rin,i為周圍柵格匯入為第i柵格的水分(mm)；Rout,i第i柵格總的水分損失(mm)(不包括垂直方向水分的收支)。由于研究區(qū)范圍內(nèi)沙層較厚，地形坡度相對(duì)較小，土壤水分以垂向運(yùn)動(dòng)為主。因此，各個(gè)柵格間側(cè)向的壤中流可以忽略。柵格之間的聯(lián)系是通過地表的水流聯(lián)系在一起。1.2徑流模型降水徑流的計(jì)算采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局的曲線數(shù)字法(SCSCurveNumbermethod)12。該方法自20世紀(jì)50年代產(chǎn)生至今被各國(guó)廣泛采用，許多水文模型，象CREAMS、SPUR、AGNPS等均采用了該法。它的應(yīng)用尺度從0.25hm2到10000hm2，從濕潤(rùn)的溫帶到沙漠地帶等均有涉及3。其中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(ARS：AgriculturalResearchService)的科學(xué)家和工程師開發(fā)的分布式農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源模型AGNPS(AgriculturalNonPointSource)把流域模擬分割為小的柵格區(qū)域(面積一般為100m2)，每個(gè)柵格區(qū)域具有相同的物理參數(shù)，并且在每個(gè)柵格內(nèi)應(yīng)用集總式參數(shù)模型(Lumpedparametermodel)。其中水文模塊就使用了SCS曲線指數(shù)法16。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)，即所需要的輸入數(shù)據(jù)一般容易獲得；算法效率高；將地表徑流的產(chǎn)生與土壤類型、土地利用類型及管理措施聯(lián)系起來。由于一般獲得在時(shí)間尺度上小于1d的降水資料是很難的，該方法一個(gè)突出的特點(diǎn)是利用容易獲得的日降水資料。曲線數(shù)字法以曲線數(shù)字函數(shù)的方式把徑流和日降水直接聯(lián)系起來。徑流(Q)和降水(P)的關(guān)系式為：(2)式中：Q為日徑流量(mm)；P為日降水量(mm)；S為保持參數(shù)(retentionparameter)。保持參數(shù)隨流域和時(shí)間而不同，它與流域的土壤、坡度、土地利用、管理措施以及土壤前期含水量等有關(guān)。用以下方程將保持參數(shù)S與曲線數(shù)字CN聯(lián)系起來：(3)式中常數(shù)254為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，使S由英寸轉(zhuǎn)換為毫米。曲線數(shù)字是土壤類型、土地利用類型、管理措施和前期降水的函數(shù)，其取值范圍是0100(不等于0)，因此當(dāng)CN100時(shí)，S0，并且QP。1.3滲漏每個(gè)柵格的滲漏取決于單位深度土體土壤的最大持水量，考慮到植物根系的主要吸水深度和本研究所在區(qū)域的降水量的大小與分布，以1m土體的深度為界，采用如下公式：(4)式中：Di為柵格i的滲漏量(mm)；Smax為柵格i最大持水量(mm)；Si為柵格i得到的累積土壤水分補(bǔ)給量(mm)。1.4柵格水流模型確定各個(gè)柵格單元的水流方向是采用DEM進(jìn)行地表水文分析的基礎(chǔ)。一個(gè)柵格的水流方向就是水體從其中流出的方向。本文建立柵格水流模型的具體方法是：將被處理的柵格同其最鄰近的8個(gè)柵格單元之間的坡降進(jìn)行比較，被處理柵格單元中心同其相鄰的8個(gè)柵格單元中坡降最大的一個(gè)柵格單元中心之間連線的方向便定義為被處理柵格的水流方向，并且規(guī)定一個(gè)柵格的水流方向用一個(gè)數(shù)字表示。有效的水流方向定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并分別用128、1、2、4、8、16、32和64表示(圖1)被處理柵格單元K同相鄰8個(gè)柵格單元之間坡降的算法為(JensonandDomingue,1988):(5)式中：MD為兩個(gè)柵格之間的坡降；(Xk,Yk,Zk)為DEM中計(jì)算柵格單元的屬性值；(Xi,Yi,Zi)為與計(jì)算柵格單元相鄰的柵格的屬性值。在水流模型的建立過程中，由于一些高程數(shù)據(jù)的采樣誤差和高程數(shù)據(jù)取整所引起的數(shù)據(jù)誤差和研究區(qū)內(nèi)的特殊地貌類型會(huì)導(dǎo)致一些柵格存在無效水流方向，使模型產(chǎn)生沉降點(diǎn)。沉降點(diǎn)在計(jì)算機(jī)處理時(shí)其水流方向不能用8個(gè)有效的代表流向的數(shù)字來表示，可能是一個(gè)柵格或相互聯(lián)結(jié)的一系列柵格。地表水流方向的確定必須對(duì)沉降點(diǎn)進(jìn)行糾正和消降。模型實(shí)現(xiàn)的流程示意圖如圖2。2模型的應(yīng)用分析2.1研究區(qū)概況本研究以位于伊金霍洛旗境內(nèi)的考考賴溝流域?yàn)閷?duì)象。該流域位于鄂爾多斯高原向黃土高原過渡的地理位置。地理坐標(biāo)為3927，11073934，11013，面積114.14km2。海拔在12321500m之間，地貌以起伏的丘陵、梁地及河流谷地與灘地為主，各種類型相間分布。多年平均降水量為250400mm。降水量變率大，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，光能資源豐富，年蒸發(fā)量為2600mm。土壤以風(fēng)沙土、棕鈣土、草甸土和鹽堿土為主。2.2數(shù)據(jù)來源與參數(shù)的確定模型計(jì)算采用的數(shù)據(jù)包括1998年49月的逐日氣象數(shù)據(jù)、研究區(qū)11萬地形圖、110萬土地利用圖(1998)和土壤類型圖(1986)、TM影像(分辨率為30m)。模型中各參數(shù)取值見表1。其中曲線數(shù)字CN(CurveNumber)在模型計(jì)算前，先依據(jù)SCS模型中CN與坡度的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到不同地形坡度下的曲線數(shù)字。表1模型中各項(xiàng)參數(shù)取值參數(shù)取值說明參數(shù)取值說明曲線數(shù)字CN5949674139364510074天然草場(chǎng)改良草場(chǎng)農(nóng)地沙地有林地灌木林苗圃/未成年林水體居民點(diǎn)萎蔫含水量(v/v%)田間持水量(v/v%)飽和含水量(v/v%)1.51.54.013.9617.9221.0836.7038.6147.53流動(dòng)/半固定風(fēng)沙土固定草甸風(fēng)沙土栗鈣土/栗黃土/黃沙土流動(dòng)/半固定風(fēng)沙土固定草甸風(fēng)沙土栗鈣土/栗黃土/黃沙土流動(dòng)/半固定風(fēng)沙土固定草甸風(fēng)沙土栗鈣土/栗黃土/黃沙土注：除曲線水文數(shù)字為依據(jù)SCS手冊(cè)查閱得到外，其余參數(shù)均依據(jù)試驗(yàn)得到。2.3結(jié)果與討論在干旱或半干旱氣候條件下，植被的生長(zhǎng)狀況更顯著地受到降雨量多寡的影響。植被指數(shù)是目前從遙感影像獲取大范圍植被信息常用的經(jīng)濟(jì)且有效的方法，它與植被的蓋度、生物量等有很好的相關(guān)性。因此植被指數(shù)的高值區(qū)不僅反映了植被的生長(zhǎng)狀況，而且也指示較高的降雨量5，911。例如在Botswana半干旱地區(qū)，在年雨量不超過500mm或月降水不超過50100mm的條件下，植被指數(shù)隨降水的增加而增加。當(dāng)超過這一界限，則植被指數(shù)隨降水增長(zhǎng)緩慢9。Nicholson等在非洲sahel沙漠研究氣候與沙漠荒漠化的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)與降雨量之間有驚人相似的變化趨勢(shì)10。在美國(guó)北部年降水小于1000mm的灌叢和草原區(qū)，植被指數(shù)均與年降水量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，并且相關(guān)曲線的斜率灌叢明顯大于草原，年植被指數(shù)極值的差隨年平均降水量和溫度變化的幅度的增加而增加，隨年平均氣溫的降低而降低11。然而由于降雨的再次分配受到地形、土壤等諸多因素的影響。因此更確切地說，在這類地區(qū)，植被狀況實(shí)質(zhì)上是與降雨的再次分配形成的累積土壤水分補(bǔ)給量密切相關(guān)。鄂爾多斯沙地位于我國(guó)半干旱地區(qū)，植被群落多由一年生植物組成，每年植被的生長(zhǎng)發(fā)育狀況受植被生育期內(nèi)降水量的影響，導(dǎo)致在只有自然降水條件下，自然植被的發(fā)育狀況也隨之波動(dòng)。所以該地區(qū)植被指數(shù)不僅指示了地表植被的生長(zhǎng)狀況，而且也反映了降雨對(duì)植被的有效性?？伎假嚋狭饔?998年49月降水量為434.5mm，通過逐日模擬得出流域累積土壤水分補(bǔ)給量的分布(圖3)，利用LandsatTM衛(wèi)星影像(成像時(shí)間為1998年8月19日)得到