坡度的尺度效應(yīng)及其對(duì)徑流模擬的影響研究

冷 佩,宋小寧,李新輝

(中國(guó)科學(xué)院研究生院資源與環(huán)境學(xué)院,北京100049)

坡度的尺度效應(yīng)及其對(duì)徑流模擬的影響研究

冷 佩,宋小寧,李新輝

(中國(guó)科學(xué)院研究生院資源與環(huán)境學(xué)院,北京100049)

研究不同尺度的數(shù)字高程模型所帶來(lái)的坡度差異對(duì)水文模型徑流模擬的影響。從坡度的尺度效應(yīng)出發(fā),討論了相同DEM條件下不同格網(wǎng)大小造成的坡度差異,通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn),隨著格網(wǎng)的增大,流域平均坡度在整體上雖然呈減小的趨勢(shì),但在不同的格網(wǎng)范圍,流域平均坡度的變化趨勢(shì)并不一致,對(duì)平均坡度與不同階段變化的DEM格網(wǎng)大小采用不同的曲線進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn),在某個(gè)范圍平均坡度的變化比較緩慢,進(jìn)而可以得到研究區(qū)水文模型最佳的DEM格網(wǎng)大小。研究表明,合適的DEM尺度對(duì)于水文模型的研究和應(yīng)用具有重要作用。

平均坡度;尺度效應(yīng);SWA T模型;徑流深

0 引言

SWA T(Soil and Water A ssessment Tool)模型是一個(gè)優(yōu)秀的分布式水文模型,其以強(qiáng)大的功能、先進(jìn)的模型結(jié)構(gòu)及高效的計(jì)算,在國(guó)內(nèi)外的洪水過(guò)程、水文模擬、土壤侵蝕、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究和流域水文管理中得到了廣泛而成功的應(yīng)用[1-8]。CN(Curve Number)值是SWA T模型中關(guān)于徑流的最敏感參數(shù)之一,其與坡度密切相關(guān),而坡度直接由DEM得到。因此,由不同尺度的DEM得到的坡度也存在尺度上的差異,并導(dǎo)致CN值的變化,從而影響SWA T的模擬結(jié)果。坡度的尺度效應(yīng)對(duì)SWA T模型的影響主要表現(xiàn)在兩方面:一是采用同一比例尺的DEM生成不同格網(wǎng)大小的高程數(shù)據(jù)時(shí),格網(wǎng)大小不同導(dǎo)致提取的坡度不同,從而對(duì)SWA T模型產(chǎn)生影響;二是用不同比例尺的DEM數(shù)據(jù)采樣成相同格網(wǎng)大小的高程數(shù)據(jù)時(shí),比例尺不同致使提取的坡度也會(huì)產(chǎn)生差異,從而對(duì) SWA T模型的模擬產(chǎn)生影響。Zhang等[9]研究了陸面過(guò)程模擬中參數(shù)的尺度問(wèn)題,認(rèn)為10 m大小的格網(wǎng)比較合適;Chap lot[10]的研究表明,DEM格網(wǎng)大小對(duì)SWA T模型徑流模擬結(jié)果幾乎沒(méi)有影響;任希巖等[11]認(rèn)為DEM格網(wǎng)大小對(duì)流域坡度的影響較大,DEM格網(wǎng)越小,坡度越大,而坡度會(huì)影響流域的產(chǎn)流量;Cho等[12]研究了不同比例尺的DEM對(duì)新澤西州Broadhead流域產(chǎn)流的影響,發(fā)現(xiàn)比例尺小的DEM提取的坡度較緩,從而導(dǎo)致產(chǎn)流量較小。

模型的空間輸入數(shù)據(jù)對(duì)流域相關(guān)特征的準(zhǔn)確描述決定著水文模擬的結(jié)果,輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確設(shè)定是影響模型模擬成功與否的關(guān)鍵因子之一。事實(shí)上, SWA T模型輸入數(shù)據(jù)的比例尺、精度以及如何確定某些閾值等并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),模型的使用者只能根據(jù)具體的情況進(jìn)行分析選擇,這就增加了模型模擬的不確定性。關(guān)于SWA T模型輸入數(shù)據(jù)的不確定性研究中,當(dāng)前多涉及子流域劃分、土壤和土地利用數(shù)據(jù)精度以及氣象數(shù)據(jù)的分布不均勻性方面,而在坡度的尺度效應(yīng)方面,尤其是對(duì)于不同比例尺的DEM數(shù)據(jù)采樣成相同的格網(wǎng)大小對(duì)模擬的影響涉及相對(duì)較少。對(duì)于復(fù)雜山區(qū)環(huán)境,坡度的尺度效應(yīng)表現(xiàn)得更為突出。由此,本文針對(duì)復(fù)雜山區(qū)流域環(huán)境中的小流域——北京市房山區(qū)大石河流域,從同一比例尺的DEM采樣成不同格網(wǎng)大小對(duì)徑流模擬的影響出發(fā),研究了坡度的尺度效應(yīng)對(duì)SWA T模型徑流模擬的影響。

1 研究區(qū)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于北京市房山區(qū)中部大石河的漫水河水文站控制流域,河長(zhǎng)約50 km,漫水河水文站以上為山區(qū)河谷段,匯水面積為660 km2。研究區(qū)內(nèi)地表狀況復(fù)雜,巖溶區(qū)為284 km2,非巖溶區(qū)為376 km2,多年平均降雨量645 mm,平均氣溫10.8℃。大石河流域山區(qū)段及周圍環(huán)境主要以中低山為主,山區(qū)地貌峽谷相間,其中百花山、大安山、大房山等海拔在1 000 m以上,坡度50°～60°,坡面上溝谷發(fā)育,縱坡度20°～40°。這些山體巖體因受物理風(fēng)化作用,常常分布著巨大的風(fēng)化石塊,崩塌現(xiàn)象較普遍,部分山體地形倒置,背斜構(gòu)造為谷地或凹地,向斜部分反而成為高起的山地。低山地貌分布較多,其海拔高度小于800 m,切割較強(qiáng)烈,坡度為15°～45°,溝谷密度較大。河谷間距常在1 km左右,以單面山為主,其次為桌狀山、饅頭狀山,有巖溶地貌。在抗風(fēng)化較強(qiáng)的灰?guī)r地區(qū),呈陡坡或陡壁狀;抗風(fēng)化較弱的巖地,地貌起伏緩和,單面山形態(tài)不明顯,谷地較開闊。大石河出山口主要為丘陵地帶,海拔在300 m以下,地形平緩,坡度10°～25°,相對(duì)高度為30～100 m①http://fgw.bjfsh.gov.cn/zhcw j/24.asp。大石河流域復(fù)雜的地質(zhì)地貌環(huán)境致使其成為北京山區(qū)泥石流最為集中的地區(qū)之一。

本文DEM數(shù)據(jù)源自30 m(1″×1″)DEM②數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://datamirror.csdb.cn).,采用1∶100萬(wàn)的土壤分布圖和1∶20萬(wàn)的土地利用圖,模擬1993-1997年平均徑流深。利用 GIS軟件將DEM、土壤分布圖和土地利用圖統(tǒng)一成相同格網(wǎng)大小?？紤]到研究區(qū)內(nèi)河流主要為東西向,而ALBERS投影非常適合于東西向延伸的地形,這對(duì)于水文過(guò)程模擬非常重要[13],因此選擇ALBERS等積圓錐投影。

2 坡度的尺度效應(yīng)分析方法

SWA T模型具有很強(qiáng)物理機(jī)制且適用于復(fù)雜大、中尺度流域環(huán)境的動(dòng)態(tài)水文模擬。該模型采用徑流曲線法模擬產(chǎn)流,首先對(duì)輸入的DEM采用D8算法、最陡坡度原則和最小匯水面積劃分河網(wǎng),定義流域范圍,劃分子流域和計(jì)算流域參數(shù)[14];然后輸入土地利用圖和土壤分布圖,定義其閾值以劃分水文響應(yīng)單元(計(jì)算產(chǎn)流的最基本單位)。本文對(duì)研究區(qū)1″×1″的DEM重采樣,生成了11種不同格網(wǎng)大小的DEM,分別為10、25、50、75、100、125、150、175、200、225和250,以此研究同一比例尺的DEM采樣成不同格網(wǎng)大小對(duì)徑流模擬的影響。由于研究區(qū)流域面積相對(duì)較小,設(shè)置土地利用類型面積和土壤分布面積閾值為5%。

研究表明,DEM分辨率對(duì)坡度的影響較大,而對(duì)其它的流域特征參數(shù)影響較小[13]。為避免降雨空間分布的不均勻性對(duì)徑流模擬的影響,本文采用同一氣象臺(tái)站的氣象資料,同時(shí)為消除模型參數(shù)的最優(yōu)化方法對(duì)實(shí)測(cè)資料的依賴性,部分參數(shù)采用了模型默認(rèn)參數(shù)[14]。將1″×1″DEM重采樣后,不同的格網(wǎng)大小下流域參數(shù)如表1所示。

表1 不同DEM分辨率時(shí)流域特征參數(shù)變化Table 1 The characteristic parameters of basin changed with the different DEM resolution

從表1可知,DEM格網(wǎng)大小對(duì)平均坡度的影響較大。其余的流域特征參數(shù)中,最大坡度雖然變化較大,但它無(wú)法反映流域的整體變化狀態(tài),而其它的流域特征參數(shù)變化不定,且相對(duì)變化較小。

3 平均坡度對(duì)徑流量的影響

3.1 最佳格網(wǎng)大小的確定

從整體上看,平均坡度隨DEM格網(wǎng)增大而減小,但當(dāng)DEM格網(wǎng)大小處于不同的范圍時(shí),平均坡度的變化趨勢(shì)并不一致。因此,本文按照表1的不同DEM格網(wǎng)情形下的平均坡度,對(duì)DEM格網(wǎng)大小劃分了3個(gè)不同的變化區(qū)間,分別用不同的曲線對(duì)平均坡度與格網(wǎng)大小進(jìn)行了擬合(圖1)。

圖1 平均坡度與格網(wǎng)大小的關(guān)系Fig.1 The relation between average slope and grid size

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)DEM格網(wǎng)從10增到100時(shí),平均坡度與DEM呈良好的線性關(guān)系,即隨著DEM格網(wǎng)的增大,平均坡度逐漸減小;當(dāng)DEM格網(wǎng)從100增到175時(shí),平均坡度與格網(wǎng)大小間呈近似的拋物線關(guān)系,平均坡度減小得較慢;當(dāng)DEM格網(wǎng)從175增到250時(shí),平均坡度與格網(wǎng)大小用線性方程擬合效果非常好。一般隨著DEM格網(wǎng)的增大,地形越來(lái)越平緩,平均坡度也隨之減小,這是總趨勢(shì),實(shí)際研究中也如此。從圖1中看出,當(dāng)DEM格網(wǎng)從100增到175時(shí),平均坡度減小得較緩慢,而格網(wǎng)越大,地形越模糊,因此,可將100作為最佳的DEM格網(wǎng)大小。

3.2 平均坡度對(duì)徑流量的影響

通常在水文模型中,流域的坡度對(duì)于徑流量的計(jì)算至關(guān)重要,在SWA T模型中,徑流曲線CN值便是坡度的函數(shù)。當(dāng)前在水文模型的研究與應(yīng)用中,空間數(shù)據(jù)的尺度、精度的選擇以及某些閾值的確定等并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),而這些問(wèn)題又會(huì)增加模型的不確定性。某一流域的多年平均徑流量一般相對(duì)容易得到,而由于使用的DEM不同,其“真實(shí)坡度”難以確定。因此,如果得到了徑流與平均坡度的變化規(guī)律,便可以找到徑流與DEM格網(wǎng)大小的關(guān)系,在利用水文模型進(jìn)行模擬研究時(shí),可以預(yù)先確定一個(gè)比較合適的DEM尺度,從而大大減少工作量,而且能夠在一定程度上控制模擬結(jié)果的范圍,保障最終流域水文模擬的精度。

圖2顯示了年均徑流深與平均坡度呈顯著的線性關(guān)系,即年均徑流深隨平均坡度的增大而增大,結(jié)合前面的結(jié)論,年均徑流深隨格網(wǎng)大小變化趨勢(shì)與平均坡度隨格網(wǎng)大小的變化趨勢(shì)一致。這樣,對(duì)于實(shí)際的水文研究和應(yīng)用,通過(guò)水文統(tǒng)計(jì)資料了解了流域的徑流特征后,可以很快確定一個(gè)合適的DEM尺度,這對(duì)于處理其它空間數(shù)據(jù)(如土地利用圖、土壤分布圖等)以及保障徑流模擬結(jié)果的精度都具有重要的參考價(jià)值。

圖2 徑流深與平均坡度的關(guān)系Fig.2 The relation between runoff value and average slope

4 結(jié)論

本文從坡度的尺度效應(yīng)出發(fā),利用SWA T模型對(duì)大石河流域進(jìn)行了徑流模擬,以平均坡度為中心,研究了坡度的尺度效應(yīng)及其對(duì)SWA T徑流模擬的影響,主要結(jié)論為:

(1)坡度的尺度效應(yīng)主要體現(xiàn)在平均坡度的變化上,即對(duì)同一比例尺的DEM采樣成不同尺度的網(wǎng)格大小,平均坡度會(huì)隨之發(fā)生變化。總體趨勢(shì)是平均坡度隨DEM格網(wǎng)的增大而減小,但在不同的尺度范圍內(nèi),減小的趨勢(shì)并不一樣,存在一個(gè)尺度范圍,平均坡度隨DEM格網(wǎng)減小的幅度較緩,本文認(rèn)為100是最佳的格網(wǎng)大小。

(2)流域的平均坡度與平均徑流深呈顯著的線性關(guān)系,對(duì)于一個(gè)特定的流域,選擇一個(gè)最佳的DEM格網(wǎng)大小對(duì)水文研究具有重要的意義。

(3)在實(shí)際的水文模型研究與應(yīng)用中,鑒于當(dāng)前在空間數(shù)據(jù)尺度的確定等問(wèn)題上并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),可借助于流域的水文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)模型所需要的空間數(shù)據(jù)做出選擇與處理,以提高工作效率和模擬精度,這也是本研究的意義所在。

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Abstract:Digital Elevation Modelw ith different scalesmakes the differences in the slope,w hich would influence the p recision of runoff simulation in the hydrologicalmodel.By studying the slope′s scale effect and its impact on runoff simulation,the input spatial data can be easily and better p rocessed during an actual app lication of hydrological research.First in the paper,differences caused by the different grid sizes w ith the same DEM scale were discussed.Acco rding to the sim ulation results,a conclusion was acquired that the average slope was deceased w ith the increasing of the grid size as in a w hole,but in the different ranges,the variation was not all the same.Then,three different curveswere used to fit the relation between average slope and grid size.The result showed that a p roper grid size of the DEM existed w hen the average slope began to change slow ly,and that was the best sizeof DEM grid for a hydrologicalmodel.Further study showed that a p roper scaleof DEM was very important fo r the hydrological research and app lication.

Key words:average slope;scale effect;SWA T model;runoff value

Study on Slope′Scale Effect and Its Impact on Runoff Simulation

LENG Pei,SONG Xiao-ning,L IXin-hui
(College of Resources and Environment,Graduate University of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100049,China)

P334+.91

A

1672-0504(2010)06-0060-03

2010-07-20;

2010-09-17

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目“基于遙感的流域尺度土壤水分反演”(2009);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB428804);中國(guó)水科院科研專項(xiàng)“基于星載主動(dòng)微波遙感的地表土壤水分反演研究”(2010)

冷佩(1986-),男,碩士研究生,主要從事水文模擬、土壤水遙感定量反演等研究。E-mail:lengpei2005@163.com