張 鑫，張明浩

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

分布式水文模型的空間離散化(Spatial Discretization)研究，是將微地形分割成模型運(yùn)行的基本地域單元[1]。常見的空間離散化方法有子流域法和網(wǎng)格法2種方法，研究表明，當(dāng)子流域面積過小時(shí)，大量的子流域造成參數(shù)率定困難，且當(dāng)子流域面積超過5km2，才有可能反映流域地形特征和水流路徑[2]，因此子流域法不適用于面積較小的微地形水文模型模擬。網(wǎng)格法是將研究區(qū)下墊面分割成等距離的網(wǎng)格單元，水文模型進(jìn)行模擬時(shí)，直接考慮了研究區(qū)網(wǎng)格面積、坡度、坡地河道等因素的相互作用及其空間變化規(guī)律。

DEM是流域水文特征提取的重要數(shù)據(jù)源，基于DEM提取的水文特征是分布式水文模型的基礎(chǔ)參數(shù)。魏林宏[3]等研究表明在分布式水文模型中水文特征是流域水文模型應(yīng)用的基本參數(shù)，影響流域水文模型精度，其中流域面積、高程和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到DEM網(wǎng)格離散狀況的影響較小，坡度和水流路徑長(zhǎng)則會(huì)受到較大影響。Quinn P[4]等人研究表明同一DEM數(shù)據(jù)源，不同網(wǎng)格大小所提出的水文特征不同，離散網(wǎng)格越大流域面積增加，而坡度減小。Dunne T[5]等人通過DEM網(wǎng)格大小對(duì)徑流模擬結(jié)果的影響結(jié)果表明，DEM格網(wǎng)大小對(duì)模型模擬的精度有重要影響，馬原[6]等人探究了DEM網(wǎng)格大小對(duì)水文特征和SWAT模型徑流模擬結(jié)果的影響。因此水文模型在流域的模擬應(yīng)用中，定量的研究基于網(wǎng)格法的空間離散化研究，對(duì)分布式水文模型的應(yīng)用具有積極意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

楊凌區(qū)位于陜西黃土高原南部、關(guān)中平原西部，全區(qū)總面積135 km2，地勢(shì)總體呈現(xiàn)北高南低，西高東低，屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，降雨分布不均，多集中在夏秋季，強(qiáng)度大且多暴雨、陣雨，年均溫為13℃，平均降水量637mm。

試驗(yàn)土壤選擇陜西省楊凌區(qū)坡耕地表層樓土(0～20 cm)。

1.2 微地形模擬

土樣采集后風(fēng)干過￠5mm篩后分層填裝在侵蝕槽中，每層的土壤容重保持在1.30 g/cm3左右，并確保土壤結(jié)構(gòu)的均勻性和連續(xù)性[7]。土壤前期土地利用類型為農(nóng)耕地，為確保試驗(yàn)更接近自然狀況，分層填裝后由長(zhǎng)期從事農(nóng)業(yè)勞作人員布設(shè)黃土區(qū)常見的人工掏挖(AD，artificial digging；從坡底逐漸向坡頂鋤挖，形成在空間上不稱的凹凸相間的洼地)耕作措施[8]。

1.3 人工降雨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。選擇可自由升降坡度鋼槽，以5°坡度間隔差在0°～30°度間自由調(diào)節(jié)，試驗(yàn)槽規(guī)格為2.0m×1.0m×0.5m(長(zhǎng)×寬×高)，在1mm/min與1.5mm/min雨強(qiáng)下進(jìn)行人工降雨[9]。降雨采用下噴式降雨噴頭，距地面16m，從而使得雨滴到達(dá)地面的速度與自然降雨相符，降雨均勻度大于80%，使得模擬降雨可以替代自然降雨的雨滴直徑和分布，侵蝕槽底部排水口設(shè)計(jì)為V形，便于收集徑流量[10]。

每組試驗(yàn)分別設(shè)置3個(gè)重復(fù)對(duì)照試驗(yàn)，1mm/min雨強(qiáng)降雨歷時(shí)70min，1.5mm/min雨強(qiáng)降雨歷時(shí)120min。

1.4 數(shù)據(jù)獲取

采用三維激光掃描儀對(duì)微地形進(jìn)行非接觸式掃描，從而獲取高精度的黃土坡面微地形高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.5對(duì)三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值獲取AD耕作措施下1、1.5mm/min雨強(qiáng)的微地形黃土坡面微地形DEM數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)圖

2 研究方法

空間離散化的網(wǎng)格法是將研究區(qū)分割成等距離的網(wǎng)格單元對(duì)空間進(jìn)行離散化，DEM空間離散程度影響水文特征的提取結(jié)果，流域水文特征則是流域匯流計(jì)算、水文模型應(yīng)用的基礎(chǔ)。據(jù)此本研究利用不同坡度(5°、10°、15°)人工掏挖耕作措施下1、1.5mm/min雨強(qiáng)的DEM柵格數(shù)據(jù)，分別對(duì)1～10mm不同大小的網(wǎng)格離散單元進(jìn)行流域水文特征提取。

基于DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS空間分析方法，提取水流路徑長(zhǎng)、主河道長(zhǎng)、坡度、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)等水文特征信息。提取方法如圖2所示。

圖2 ArcGIS水文特征信息提取技術(shù)路線

3 結(jié)果與分析

以1、1.5mm/min雨強(qiáng)5°坡的微地形人工掏挖耕作措施為例，將微地形DEM離散為不同網(wǎng)格大小的高程數(shù)據(jù)，對(duì)不同離散網(wǎng)格大小的流域水文特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 不同網(wǎng)格大小微地形水文特征信息提取匯總表

由表1可知，5°坡下1mm/min雨強(qiáng)人工掏挖耕作措施的水流路徑長(zhǎng)和主河道長(zhǎng)均隨著DEM離散網(wǎng)格的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大坡度由85.32°逐步減少到58.10°，平均坡度由34.02°減少為19.75°，最大高程與平均高程從格網(wǎng)大小從1mm到10mm均基本沒有大的變化；5°坡下1.5mm/min雨強(qiáng)人工掏挖耕作措施的水流路徑長(zhǎng)和主河道長(zhǎng)與1mm/min雨強(qiáng)的變化趨勢(shì)相同，二者均隨著DEM離散網(wǎng)格的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大坡度由84.24°逐步減少到62.55°，平均坡度由31.51°減少為21.07°，微地形坡面整體坡度隨著網(wǎng)格的增大變緩，最大高程與平均高程與1mm/min雨強(qiáng)的變化趨勢(shì)也相同，格網(wǎng)大小從1mm到10mm均二者基本穩(wěn)定，沒有大的變化。

4 討論與結(jié)論

微地形格網(wǎng)大小使得徑流坡度、河道長(zhǎng)等均發(fā)生變化，從而影響水文模型在流域河網(wǎng)中的模擬精度。本試驗(yàn)采取人工降雨的方法排除其他因子的干擾，提高了結(jié)論的可靠性，為后續(xù)研究提供科學(xué)依據(jù)，研究結(jié)果表明：以微地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立DEM時(shí)，并非微地形格網(wǎng)單元越小越好，只有當(dāng)微地形中某一格網(wǎng)大小使得各個(gè)要素與流域內(nèi)實(shí)際各要素值出現(xiàn)最佳擬合，DEM模型才更接近真實(shí)值。因此在以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用水文模型時(shí)，選擇最佳的空間離散網(wǎng)格單元至關(guān)重要。

但研究仍存在一些需思考的問題：

(1)本研究?jī)?nèi)容僅考慮了單一耕作措施，對(duì)不同耕作措施下，空間離散化對(duì)水文特征的影響規(guī)律有待研究。

(2)基于空間離散化對(duì)水文特征產(chǎn)生影響，定量的研究空間離散化對(duì)分布式水文模型模擬精度的影響是今后研究的重要內(nèi)容。