基于GIS的流域土壤水分補給量的模擬研究

1、基于GIS的流域土壤水分補給量的模擬研究    摘要：地理信息系統(tǒng)(GIS:Geographical Information System)的柵格數(shù)據(jù)模型是進行水文分析較常用的方法之一，它強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)累積土壤水分補給量的空間變化規(guī)律。這對于我國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)

2、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:Digital Elevation Model)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空變化的特性。利用GIS柵格數(shù)據(jù)模型進行地表水文特性的研究，是國際上的熱點研究領(lǐng)域。對此已有學(xué)者開發(fā)和建立了不同的算法和模型1,2,6,8,13，同時也進行了相應(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為例，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

3、積土壤水分補給量的準(zhǔn)分布式模型，分析不同地形條件對土壤水分補給量分布的影響。模型的建立與實現(xiàn)對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  累積土壤水分補給量模型  累積土壤水分補給量是指在降雨過程中能夠為土壤所保持的部分，只有這一部分降雨能夠為植被所潛在利用。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、土地利用類型管理措施等密切相關(guān)。    累積土壤水分補給量模型采用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

4、ArcView3.2，把它轉(zhuǎn)成柵格文件，柵格大小為10m×10m。針對每個柵格，依據(jù)水量平衡原理，建立累積土壤水分補給量的計算公式為：    (1)式中：Si為第i柵格得到的累積土壤水分補給量(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，地形坡度相對較小，土壤水分以垂向運動為主。因

5、此，各個柵格間側(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  降水徑流的計算采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局的曲線數(shù)字法(SCS Curve Number method)12。該方法自20世紀(jì)50年代產(chǎn)生至今被各國廣泛采用，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，從濕潤的溫帶到沙漠地帶等均有涉及3。其中，美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(ARS：Agricultural Research Service)的科學(xué)家工程師開發(fā)的分布式農(nóng)業(yè)非點源模型AGNPS(Agricultural N

6、onPoint Source)把流域模擬分割為小的柵格區(qū)域(面積一般為100m2)，每個柵格區(qū)域具有相同的物理參數(shù)，并且在每個柵格內(nèi)應(yīng)用集總式參數(shù)模型(Lumped parameter model)。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，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。由于一般獲得在時間尺度上小于1d的降水資料是很難的，該方法一個突出的特點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：&#

7、160;     (2)式中：Q為日徑流量(mm)；P為日降水量(mm)；S為保持參數(shù)(retention parameter)。保持參數(shù)隨流域和時間而不同，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，S0，并且QP。1

8、.3  滲漏  每個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給量(mm)。1.4  柵格水流模型  確定各個柵格單元的水流方向是采用DEM進行地表水文分析的基礎(chǔ)。一個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個柵格單元之

9、間的坡降進行比較，被處理柵格單元中心同其相鄰的8個柵格單元中坡降最大的一個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)定一個柵格的水流方向用一個數(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個柵格單元之間坡降的算法為(Jenson and Domingue,1988):    (5)式中：MD為兩個柵格之間的坡降；(Xk,Yk,Zk)為DEM中計算柵格單元的屬性值；(Xi,Yi,Zi)為與計算柵格單元相鄰的柵格的屬性值。 

10、;   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)的特殊地貌類型會導(dǎo)致一些柵格存在無效水流方向，使模型產(chǎn)生沉降點。沉降點計算機處理時其水流方向不能用8個有效的代表流向的數(shù)字來表示，可能是一個柵格或相互聯(lián)結(jié)的一系列柵格。地表水流方向的確定必須對沉降點進行糾正和消降。模型實現(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)的考考賴溝流域為對象。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39°27，110°739°34，110°13，