門頭溝西側(cè)小流域地表雨水資源量預(yù)測

劉蘭妹，王秀茹，王紅雷，郭曉楠，趙羿涵

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 教育部水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展，人畜用水，農(nóng)業(yè)灌溉，工業(yè)用水逐年增加。門頭溝區(qū)水資源時空分布不均，年內(nèi)夏多冬少，大部分地區(qū)的水量集中在6—9月，占全年的60%～70%；年際上豐、枯水年水資源量相差甚多。勝利村流域?qū)儆谏絽^(qū)，坡陡溝深，地表雨水多以徑流的形式流失，造成當(dāng)?shù)氐叵滤Y源過度開采，過多的徑流沖刷河道和溝渠，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，預(yù)測地表雨水資源量的空間分布特征和時間變化規(guī)律，將有助于確定雨水集蓄工程，調(diào)節(jié)雨水時空分布，進(jìn)而指導(dǎo)水資源合理高效利用。

不同的計算方法反映不同的雨水資源分配規(guī)律，經(jīng)驗(yàn)公式法［1］預(yù)測較為簡單，未考慮下墊面影響因素；隨著3S技術(shù)的發(fā)展，水文模型趨向于和地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）相集成，SCS—CN水文模型可預(yù)測地表雨水資源量［2］。有學(xué)者［3］基于地理信息和SCS模型模擬的黃土高原小流域徑流過程具有較高的精度及適用性。一些研究應(yīng)用GIS和RS技術(shù)并結(jié)合水文模型確定適宜實(shí)施雨水收集的地點(diǎn)和規(guī)模［4－6］。對于徑流 分 布，前 人［7］基 于 地 形 數(shù) 據(jù) 和 GIS平臺的徑流空間分布研究，將流域出口響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行以單元網(wǎng)格線性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空間分解和求和；一些學(xué)者［8］用徑流相關(guān)系數(shù)來研究徑流時空特性和規(guī)律，之前的參數(shù)和模型的校正為雨水資源量的定量分析提供了基礎(chǔ)，但結(jié)合水文模型分析可利用的雨水資源量的時空分布卻少有觸及。本研究采用經(jīng)驗(yàn)公式法計算研究區(qū)的地表雨水資源量；其次應(yīng)用RS和GIS技術(shù)，結(jié)合SCS—CN模型提取不同下墊面的空間特征與屬性，通過多年降雨資料，以各子集水區(qū)為單元計算徑流量和地表雨水資源量，并分析了不同時段空間雨水資源的分布特征與規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)西部勝利村流域上游，總面積78.45km2；海拔200～1 350m地貌類型為山區(qū)，氣候類型為中緯度大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.7℃，多年平均降雨量581mm；平水年降雨量（P＝50%）561mm，豐水年（P＝25%）696 mm，枯水年（P＝75%）445mm；80%以上集中于6—8月份，降水時空分布不均，降雨的變率較大；土地利用方式以耕地、園地、林地、草地、工礦住宅用地為主，土壤類型以山地草甸、山地棕壤、淋溶褐土為主，土壤質(zhì)地主要為砂土、壤土及黏壤土。地下水埋藏深，且分布不均勻，地表板結(jié)嚴(yán)重，遇暴雨易形成大量徑流，水土流失嚴(yán)重。

2 材料與方法

2.1 基礎(chǔ)材料

LANDSAT－7SLC－off衛(wèi)星影像TM影像（條帶號:125，行編號:27；2008－04－18）；土壤類型及土壤質(zhì)地圖，來源于北京市土肥工作站；逐月的降雨資料源于CRU氣候數(shù)據(jù)1992—2011；平水年、豐水年和枯水年和平均年份的水文資料源于門頭溝區(qū)水文手冊和水文站長序列資料。多年平均降雨資料詳見表1。

表1 門頭溝區(qū)多年平均降雨資料

2.2 研究方法

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法 研究區(qū)雨水資源量主要是指研究區(qū)由降雨形成的地表徑流量與地下徑流量之和。但本研究保留研究流域地上部分的蓄水能力，經(jīng)驗(yàn)公式法計算雨水資源量時，直接估算地表徑流量，即徑流系數(shù)、降雨量和面積的乘積［1］。

式中:a——徑流系數(shù)，對研究區(qū)取綜合徑流系數(shù)；P——降雨量（mm）；F——研究區(qū)域內(nèi)匯水總面積（m2）；W——流域的雨水資源量。

2.2.2 基于GIS平臺下SCS—CN模型預(yù)測法 利用遙感（RS）技術(shù)，對影像處理后得到土地利用現(xiàn)狀圖；利用Arc Map軟件對土壤類型圖進(jìn)行配準(zhǔn)、矢量化后，得到土壤類型矢量圖；將兩圖求交，再根據(jù)降雨資料，確定前期土壤濕潤程度和CN值；最后結(jié)合不同特征年份和不同月份的降雨量，運(yùn)用SCS—CN模型并結(jié)合GIS圖像處理技術(shù)預(yù)測流域地表雨水資源量及分布。

SCS徑流模型是基于集水區(qū)的實(shí)際入滲量F與實(shí)際徑流量Q之比，與集水區(qū)該場降雨前的最大可能入滲量（或潛在入滲量S）與最大可能徑流量（或潛在徑流量Qm）之比相等的假設(shè)的基礎(chǔ)上建立的［9－10］，即:

式中:Q——徑流量（mm）；P——降雨總量（mm）；Ia——降雨初損值（mm）；F——實(shí)際下滲量（mm）；S——可能最大滯留量（mm）。其中λ是區(qū)域參數(shù)（0.1≤λ≤0.3），主要受地質(zhì)和天氣因素影響，λ值取0.2［11］。徑流量的計算公式為:

式中:CN值是一個無量綱參數(shù)，由前期土壤濕度（AMC）、土地利用及土壤類型決定［12］。根據(jù)研究區(qū)各月降雨量及地表蒸發(fā)量，不同濕潤狀況的CN值有相互的轉(zhuǎn)換關(guān)系為［13］

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 不同頻率年份雨水資源量

3.1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法 根據(jù)門頭溝區(qū)水文手冊得到研究區(qū)的徑流量，用來計算不同特征年份的徑流系數(shù)。根據(jù)研究區(qū)的降雨資料預(yù)測不同頻率年份的徑流量和雨水資源量（表2）。通過計算預(yù)測不同特征年豐水年（P＝25%）、平水年（P＝50%）、枯水年（P＝75%）地表雨水資源量分別為:2.84×107m3，1.98×107m3，1.22×107m3。由表2可看出，經(jīng)驗(yàn)公式法計算的多年平均地表雨水資源利用潛力為2.14×107m3。2

表 經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測地表雨水資源量

3.1.2 水文模型法

（1）研究區(qū)土壤類型圖。采用ArcGIS軟件對研究區(qū)柵格土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)及矢量化后，得到研究區(qū)土壤類型矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)土壤質(zhì)地和滲透性質(zhì)［14］確定土壤的水文土壤組（HSG）如圖1所示。

圖1 研究區(qū)土壤類型圖

研究區(qū)的水文土壤組分為3類:淋溶褐土（HSG－A）、山 地 草 甸 土 （HSG－A）和 山 地 棕 壤（HSG－C），A類土壤的潛在徑流量低，是高入滲速率的砂土；而山地棕壤即HSG－C類為中等透水性壤土［15］。其中淋溶褐土面積18.61km2，山地棕壤面積50.96km2，山地草甸土面積8.89km2。

（2）研究區(qū)土地利用圖。對LANDSAT衛(wèi)星影像進(jìn)行處理，采用ERDAS軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成、幾何精校正及圖像增強(qiáng)處理［16］得到土地利用現(xiàn)狀圖。分析得到，研究區(qū)耕地面積為0.72km2，園地2.35km2，有林地46.6km2，灌木林地22.23km2，其它林地0.20km2，草地0.54km2，天然牧草地3.26 km2，工礦用地0.79km2，住宅用地0.56km2，裸地1.12km2；有林地及灌木林的面積最大。

（3）預(yù)測CN值。由于CN值受降雨前流域內(nèi)土壤濕潤程度的影響，SCS模型將土壤濕潤程度（AMC）根據(jù)前5d的降雨總量劃分為3類，分別代表干（AMCⅠ）、平均（AMCⅡ）及濕（AMCⅢ）3種狀態(tài)［17］（表3）。

將土壤類型圖和土地利用圖在Arc Map下使用分析工具進(jìn)行求交（intersect）并提取主要信息，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)查找不同的 CN 值［15，17－18］并利用加權(quán)平 均法進(jìn)行計算，不同土壤濕度條件下的CN值轉(zhuǎn)換利用公式（8）—（9）。得到CN值詳見表4。從表4中可以看出，同一土壤類型下，耕地、園地、有林地、草地CN值在30左右波動，植被覆蓋度越高，下墊面的蓄水能力越強(qiáng)。研究區(qū)水文土壤組（HSG）分為A和C兩類，灌木林地在HSG－A土壤類型條件下CN值最小，最低為23，產(chǎn)流能力較弱；山地棕壤條件下，裸地CN值大于住宅用地高達(dá)70，形成的地表徑流量較大。

表3 前期土壤濕度（AMC）等級劃分

（4）雨水資源量的確定。得到CN值后，根據(jù)平水年、枯水年、豐水年和多年平均降水資料及公式（6）—（7）分別對研究區(qū)的最大蓄水量（S）和徑流量（Q）進(jìn)行計算，通過統(tǒng)計的子流域的面積特征，計算流域的地表產(chǎn)流量詳見表4。由表4可以看出，模型法預(yù)測得出不同特征年豐水年（P＝25%）、平水年（P＝50%）、枯水年（P＝75%）、多年平均年份地表雨水資源量分別為:3.21×107m3，2.16×107m3，1.31×107m3，2.50×107m3。從不同頻率年份地表雨水量看出，枯水年最少，豐水年最多。公式（7）中可以看出CN值與最大蓄水量（S）呈反比，CN值越大，表明流域徑流量越大。由研究區(qū)地表徑流量空間分布特征分析可知，山地棕壤、低植被蓋度的下墊面蓄水能力小，易形成有效坡面徑流，反之，淋溶褐土的林地、草地地表徑流較少，涵養(yǎng)水源的能力較強(qiáng)。

3.2 不同時段地表雨水資源量

根據(jù)不同時段的降雨資料和土壤的水分狀況，確定水文土壤類型（表3）。經(jīng)驗(yàn)公式法是逐月的多年平均降雨量與徑流系數(shù)的乘積；模型法是結(jié)合不同月份的多年平均降雨量預(yù)測的不同子集水區(qū)的徑流量，再分別與不同子集水區(qū)的面積相乘得到地表雨水資源量，獲得逐月分布圖（圖2）。

從圖2可以看出，兩種方法的地表雨水資源量的分布存在相似性，與降雨量的分布趨勢一致；模型法預(yù)測的徑流量最大月份出現(xiàn)在7月，高達(dá)9.06×106m3；最小月份是12月份的4.3×104m3；1—5月份和9—11月份，經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測的雨水資源量要大于模型法預(yù)測數(shù)值；經(jīng)驗(yàn)公式法地表雨水資源量與降雨量呈線性正比關(guān)系，極值均處于模型法極值之間。

圖2 研究區(qū)兩種方法不同月份地表雨水資源量

表4 研究區(qū)地表雨水資源量

3.3 分季節(jié)地表雨水資源量

根據(jù)土壤的理化性質(zhì)和不同月份的水分情況，按季節(jié)將月份劃分為春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）。4個季節(jié)研究區(qū)的地表雨量變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3中可以看出，春秋冬三個季節(jié)，利用模型法預(yù)測的地表雨水資源量低于經(jīng)驗(yàn)公式法的預(yù)測數(shù)值，而模型法夏季較高；SCS—CN模型法分布季節(jié)性變化較大，經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果變化較為平緩。預(yù)測得到的多年平均地表雨水資源量經(jīng)驗(yàn)公式法低于模型法。

圖3 研究區(qū)不同季節(jié)兩種方法雨水資源量

4 結(jié)論

（1）利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測了流域地表雨水資源量；預(yù)測的豐水年（P＝25%）、平水年（P＝50%）、枯水年（P＝75%）和多年平均年份地表雨水資源量分別為:2.84×107m3，1.98×107m3，1.22×107m3和2.14×107m3。

（2）采用SCS—CN模型預(yù)測了豐水年、平水年、枯水年和多年平均年地表雨水資源量分別為:3.21×107m3，2.16×107m3，1.31×107m3和2.50×107m3，定量分析評價了研究區(qū)可收集雨水資源量。由于經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測結(jié)果采用的徑流深為計算時間段內(nèi)多年平均的總徑流量平均分布于測站以上整個流域面積上所得到的平均水層厚度，不能準(zhǔn)確反映不同區(qū)域的徑流系數(shù)。而采用SCS—CN模型方法可應(yīng)用于無水文資料流域的可收集雨水資源量估算，精度能夠滿足要求。

（3）得出地表雨水資源分布規(guī)律:夏季的7月，地表可利用的雨水利用潛力達(dá)到平均年份的最大值。分析看出，經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果變化較為平緩，模型的結(jié)果月份和季節(jié)變化量較大，其原因是經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測時未考慮徑流形成水文物理過程變化，降雨量是主導(dǎo)因素；SCS—CN模型則考慮了不同下墊面土壤、土地利用和地形等水文因素，對調(diào)節(jié)雨水的時空分布具有指導(dǎo)意義。

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