任 波

（山西省水文水資源勘測(cè)局 山西太原 030001）

0 引言

河網(wǎng)劃分在流域水文模型的構(gòu)建過程中起著重要作用，近年來，隨著分布式水文模型的不斷發(fā)展，越來越多的研究涉及到河網(wǎng)的提取，然而在研究過程當(dāng)中，真實(shí)河網(wǎng)難以獲得，因此，選用合適的方法劃分河網(wǎng)是流域水文模擬的重要內(nèi)容。SWAT模型具有較強(qiáng)的物理基礎(chǔ)，計(jì)算效率高，操作簡便。本文以呼倫湖流域克魯倫河為例，采用SWAT模型進(jìn)行河網(wǎng)劃分，并對(duì)克魯倫河的國內(nèi)部分進(jìn)行地形分析[1，2]。

1 SWAT模型

1.1 SWAT模型概述

SWAT 模型（ Soil and Water Assessment Tool）是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）Jeff Arnold博士開發(fā)的一種分布式水文模型，它是在SWRRB[3]模型上發(fā)展起來的。圖1即為SWAT模型的發(fā)展歷程。SWAT模型作為一個(gè)長時(shí)段的流域分布式水文模型，以其良好的集成了數(shù)字高程模型（DEM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感系統(tǒng)（RS）等數(shù)字技術(shù)，可以模擬和預(yù)測(cè)非點(diǎn)源污染、不同土地利用和覆蓋方式、不同氣候變化下的水文效應(yīng)、營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)人倪^程，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

圖1 SWAT模型的發(fā)展歷程

1.2 SWAT模型的應(yīng)用

D.S.Chanasyk等人[5]利用SWAT模型對(duì)加拿大亞伯達(dá)南部的草原流域進(jìn)行了不同放牧制度（不放牧、中度、重度）下的徑流模擬研究，得到模型在有融雪過程流域的適用性。DarrenL.Ficklin等人[6]對(duì)不同氣候情景下的水文預(yù)測(cè)進(jìn)行了參數(shù)的不確定性分析。研究表明，在不同氣候變化下，水文模型參數(shù)的變化對(duì)其結(jié)果有著很大的影響。

SWAT模型在我國起步比較晚，但在近幾年，SWAT模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在水文水資源領(lǐng)域起著非常重要的作用。段超宇等人[7]利用SWAT模型對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域不同水文年徑流模擬進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了SWAT模型在我國北方寒旱區(qū)的適用性。朱喬等人[8]基于SWAT模型對(duì)嵐河流域進(jìn)行了水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究，研究了不同氣候情景下嵐河流域的水資源變化規(guī)律。

2 呼倫湖流域

2.1 流域地理形態(tài)

呼倫湖，又稱為達(dá)賚湖，是我國五大淡水湖之一，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾滿洲里市、新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗之間，坐落于呼倫貝爾大草原中部，與蒙古國和俄羅斯相毗鄰。呼倫湖湖面呈不規(guī)則長方形，湖水面積約為2339km2，平均水深5.7m[9-10]。

2.2 流域氣象

呼倫湖流域?qū)僦袦匦桶敫珊荡箨懶詺夂?，其主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是：春季干旱大風(fēng)多，夏季溫涼短促，秋季降溫急劇且霜凍比較早，冬季嚴(yán)寒而漫長[10]。年平均氣溫為-0.1℃，年平均降水量約為262mm，且集中在6～9月份，年蒸發(fā)量達(dá)1400～1900mm，積雪期為140d左右，全年盛行西北風(fēng)，年平均風(fēng)速約為4.2m/s，主要災(zāi)害性天氣有干旱、大風(fēng)、雪災(zāi)、冷雨濕雪、暴風(fēng)雪等[11-13]。

2.3 流域水文

呼倫湖屬于典型的草原湖泊，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類活動(dòng)的影響，該流域的水資源數(shù)量變得越來越有限。呼倫湖的兩條主要入湖河流為克魯倫河和烏爾遜河，據(jù)調(diào)查，烏爾遜河已經(jīng)基本斷流?？唆攤惡影l(fā)源于蒙古人民共和國肯特山東麓，自西向東于新巴爾虎右旗進(jìn)入我國，向東南流入呼倫湖?？唆攤惡尤L1264km，我國境內(nèi)約206km，90%的流域面積及產(chǎn)流區(qū)位于蒙古國[9]。圖2為呼倫湖流域水系圖。

圖2 呼倫湖流域水系圖

3 基于SWAT模型的河網(wǎng)劃分及地形分析

3.1 原始DEM

本文所使用的DEM為SRTM（Shuttle Radar Topographymission）數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局（NASA）、國家圖像測(cè)繪局（NIMA）以及德國、意大利航空航天局共同合作完成的，通過搭載于奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)上的干涉雷達(dá)通過近10天的全球作業(yè)完成，獲取了地球陸地表面80%的地面數(shù)據(jù)，通過對(duì)接受雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理最終行成了30m分辨率的高精度數(shù)字模型[14-15]。首先確定克魯倫河流域的坐標(biāo)范圍，107°00′～118°00′E，46°00′～49°30′之間。在中科院地理云數(shù)據(jù)庫中下載該范圍內(nèi)的所有DEM，利用ARCGIS 9.3，將DEM拼接完整，下載后的數(shù)據(jù)為柵格圖像，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-1984，見圖3。

3.2 利用SWAT模型劃分流域

圖3 下載后的原始DEM

SWAT模型以ARCGIS 9.3為運(yùn)行平臺(tái)，充分利用GIS和RS技術(shù)，模擬復(fù)雜多變的水文物理過程。本文應(yīng)用SWAT模型的數(shù)字河網(wǎng)流域提取理論，該理論首先是基于柵格DEM的高程信息計(jì)算各個(gè)柵格單元的水流方向，應(yīng)用單流向法（即假定一個(gè)柵格中的水流只能從一個(gè)方向流向其它柵格）確定每個(gè)單元柵格的流向。然后確定數(shù)字河網(wǎng)，按最陡坡度原則確定水流路線，計(jì)算每單元產(chǎn)生的上游集水面積，定義最小河道集水面積閾值，確定河道。最后確定流域邊界及子流域劃分，選取流域出口斷面位置，確定整個(gè)流域邊界，以流域支流為單元?jiǎng)澐肿恿饔?，從而將整個(gè)流域劃分為若干片子流域。

本文使用ARCGIS9.3中的ArcSWAT模塊對(duì)克魯倫河流域的DEM進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合河網(wǎng)密度法，選取最小河道集水面積閾值定義為100km2時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果最為相近，提取出數(shù)字河網(wǎng)及流域見圖4、5。

圖4 流域邊界及數(shù)字河網(wǎng)提取圖

圖5 20000Ha、2000Ha流域匯水線路對(duì)比圖

利用ARCGIS9.3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得出克魯倫河流域全流域面積為99 786.31km2，國外部分為94542.93km2，國內(nèi)部分為5243.38km2，國內(nèi)部分僅占全流域的5%，大部分的匯水面積均在蒙古國，雖然大部分面積位于蒙古國，但是克魯倫河最終匯入呼倫湖，所以國內(nèi)流域部分在降低污染物濃度、減少泥沙含量方面起著不可忽視的作用。圖6為克魯倫河流域國內(nèi)部分。

圖6 克魯倫河流域國內(nèi)部分

3.3 流域地形分析

地面坡度是水利計(jì)算中的重要參數(shù)，直接影響著流域產(chǎn)匯流的過程，相同的降雨條件相同質(zhì)地土壤，在不同坡度參數(shù)的影響下，徑流系數(shù)會(huì)隨坡度增加。國際地理學(xué)會(huì)地貌調(diào)查與野外制圖專業(yè)委員會(huì)制定了坡度分類等級(jí)，主要包括：0～2°坡度，平原至微傾斜坡；2～5°坡度，緩傾斜坡；5～15°坡度，斜坡；15～25°坡度，陡坡；25～35°坡度，急坡；35～55°坡度，急陡坡；＞55°坡度，垂直坡。

利用ARCGIS 9.3對(duì)克魯倫河流域國內(nèi)部分的坡度坡向進(jìn)行分析，可以看出克魯倫河流域國內(nèi)部分基本為0～2°平原、微傾坡，小部分區(qū)域?yàn)?～5°緩傾斜坡，零星分布5～15°的陡坡，最大坡度為18.7°。由于本區(qū)域較為平緩，在國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)坡度加密劃分，分為0～0.5°，0.5～1°，1～2°，2～3°，3～4°，4～5°，5～7°，7～18.7°以便更直觀的了解該區(qū)域的坡度變化。0～2°微傾斜坡主要分布在克魯倫河河流兩岸以及草原腹地內(nèi)，該區(qū)域地勢(shì)平坦，降雨主要被地表植被截留和下滲，不產(chǎn)生徑流，該區(qū)域的面積約為3785.991km2。2～5°緩傾斜坡，主要分布在草原的腹地，與微傾斜坡相互交錯(cuò)，降雨時(shí)在雨強(qiáng)大于40mm/h時(shí)產(chǎn)生徑流，該區(qū)域面積約為1323.04km2。5～18.7°的陡坡，存在較少，主要分布在克魯倫河入境出和河流下游北部地區(qū)，該區(qū)域在降雨雨強(qiáng)大于20mm/h時(shí)產(chǎn)生徑流，該區(qū)域的面積約為107.176km2。圖7即為克魯倫河流域國內(nèi)部分的坡度分布圖。

地表坡向表示地面坡面的法線在水平面上投影的方向，在較大的坡度區(qū)域?qū)χ脖弧囟燃敖邓畷?huì)產(chǎn)生影響，主要是由于太陽輻射的照射角度決定的，南坡、東陂、西坡、東南坡、西南坡都會(huì)在一天的不同時(shí)段接受到太陽輻射，而北坡無法接收較多的輻射，造成了植被生長及溫度上的差異。

圖7 克魯倫河流域國內(nèi)部分坡度分布圖

利用ARCGIS 9.3的坡向分析模塊對(duì)DEM進(jìn)行坡向分析，按方向分為九類，主要包括：無坡向，東南西北、東南、西南、東北、西北。圖8為克魯倫河流域國內(nèi)部分的坡向分布圖，由圖8可以看出無坡向地區(qū)主要分布在河流中下游的北岸，而河流南岸主要分布為西北坡向，北岸草原腹地大多為東南坡向、東坡向、南坡向，其坡向分布于河網(wǎng)走勢(shì)大致垂直。各坡向所占比例較為均勻，東坡向所占比例最高為16%，北坡向所占比例最少為9.3%，其余各坡向所占比例大致相等，無坡向地帶所占比例為2.57%。

圖8 克魯倫河流域國內(nèi)部分坡向分布圖

4 結(jié)語

本文通過運(yùn)用SWAT模型的數(shù)字河網(wǎng)提取理論，對(duì)呼倫湖流域克魯倫河進(jìn)行河網(wǎng)劃分，實(shí)現(xiàn)了河網(wǎng)的快速提取，得到當(dāng)集水面積閾值為100km2，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)流域最為接近。對(duì)克魯倫河國內(nèi)部分進(jìn)行地形分析得到：克魯倫河國內(nèi)部分大部分為0-2°微傾斜坡，降雨主要被地表植被截留和下滲，不產(chǎn)生徑流，不易造成水土流失；克魯倫河北岸草原腹地東坡向所占比例最高，接受的太陽輻射最多，可以促進(jìn)植物生長，但同時(shí)也會(huì)增加蒸發(fā)量，造成土壤干旱。

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