金文韜,許捍衛(wèi),王海君
(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)
基于土壤地形指數(shù)和遙感分類的SCS模型參數(shù)率定
金文韜1,許捍衛(wèi)1,王海君1
(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)
以RS為主要手段,結(jié)合GIS技術(shù),基于屯溪流域遙感影像,研究得到了屯溪流域兩期遙感影像的土地利用分類結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,利用屯溪流域DEM數(shù)據(jù)得到TOPMODEL模型中的土壤地形指數(shù),并與SCS水文模型和遙感信息相結(jié)合進(jìn)行水文分區(qū),率定SCS模型的徑流曲線數(shù)參數(shù)(CN值),然后利用1982~2002年間屯溪流域的水文數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行精度驗證。實驗結(jié)果表明,該方法取得了較好的效果,模擬徑流與實測徑流間的平均誤差僅為14.1%。
土壤地形指數(shù);SCS模型;RS;土地利用;地表徑流
GIS與分布式水文模型相結(jié)合,能夠盡可能真實地反映流域產(chǎn)匯流過程的空間變化[1]。GIS能提高空間子單元的定義能力,RS可為水文模型提供詳盡的背景環(huán)境描述。因此,可以把這些技術(shù)應(yīng)用于SCS模型的構(gòu)建中,并對模型的不足進(jìn)行修正,以達(dá)到更好地描述流域產(chǎn)流過程的目的[2]。本文采用SCS水文模型和土壤地形指數(shù),通過對模型參數(shù)的討論,得到一種適用于該流域的由降雨量推求地表徑流量的方法。它能夠反映地形、坡度、土地利用類型、土壤狀況等下墊面要素對地表徑流的影響。
本文研究區(qū)為新安江流域內(nèi)的屯溪流域,流域面積為2 670 km2,地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫17℃,年平均降水1 600 mm,降水在年內(nèi)分布極不均勻,其中4~6月多雨,占50%,易發(fā)生洪澇災(zāi)害;7~9月占20%,旱災(zāi)頻繁。河川徑流年內(nèi)、年際變化較大,屬于典型的濕潤地區(qū)。
本次實驗中所用土地利用變化數(shù)據(jù)通過1992年10 月和2002年9月兩期Landsat影像分類得到(表 1),兩期影像的總體分類精度都達(dá)到85%以上,滿足使用要求。土壤地形指數(shù)使用屯溪流域90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和屯溪流域土壤信息數(shù)據(jù),主要包括土壤類型、分布區(qū)域、土壤厚度以及土壤的飽和導(dǎo)水率等。
表1 研究區(qū)土地利用變化情況監(jiān)測
2.1 土壤地形指數(shù)獲取
流域下墊面的特征決定流域單元對降水輸入的響應(yīng)。流域下墊面的特征可從流域形態(tài)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成特征兩方面描述。TOPMODEL[3-5]采用地形指數(shù)(TI)的空間分布來反映流域水分虧缺的空間分布,并假定流域內(nèi)具有同一地形指數(shù)的區(qū)域具有水文相似性,但較少考慮單元的物質(zhì)組成特征。土壤地形指數(shù)(STI)是TI的一個變體,綜合了地形因素和土壤因素對反映流域水分虧缺的空間分布的影響,其表達(dá)式為:
式中,T0為土壤厚度與土壤飽和導(dǎo)水率之積,單位為m2/h。
TI的表達(dá)式為:
式中,α為單位等高線長的上坡匯流面積;tanβ為局部坡度。
目前,常用于提取TI的算法有D8方法和多流向法兩種[6-7]。此次實驗中,利用D8算法來獲取STI。首先利用ArcGIS將屯溪流域90 m分辨率的DEM重采樣為30 m分辨率,以便于后期與遙感影像進(jìn)行疊加分析;再計算坡度以及匯流累積量等數(shù)據(jù),并通過屯溪流域的土壤類型數(shù)據(jù)獲得所需的T0以求得STI。
圖1 屯溪流域STI
2.2 流域水文分區(qū)
利用已獲取的STI,以及通過遙感影像獲取的土地利用/土地覆蓋變化情況對屯溪流域進(jìn)行水文分區(qū)。STI根據(jù)其數(shù)值范圍劃分為A(5~15)、B(15~25)、C(25~35)3大類;遙感影像分為林地、耕地、居民點、水體和未利用土地5大類。將以上兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,同時將水體合并,并將所占面積小于0.1%的分區(qū)歸入鄰近的分區(qū)中,最終將屯溪流域劃分為12個水文分區(qū),具體分布情況如表2所示。
表2 屯溪流域各水文分區(qū)所占面積情況/%
2.3CN值確定
SCS模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年開發(fā)的針對小流域水文過程設(shè)計的模型,是目前應(yīng)用最為廣泛的流域水文模型之一。我國水文學(xué)者也應(yīng)用該模型進(jìn)行了很多研究工作[8]。模型中的CN值是由前期土壤濕潤程度、土壤類型、土地利用方式3個因素共同作用的,有現(xiàn)成的CN值表,可以根據(jù)實際情況查詢。
CN值是一個無量綱參數(shù),理論取值范圍是0~100,實際應(yīng)用中取值范圍是40~98[9],主要根據(jù)美國國家工程手冊第4章列出CN 值查算表進(jìn)行計算[10]。在本次實驗中,利用D8算法計算STI并在綜合流域土地利用類型、土壤質(zhì)地特征和土壤前期濕潤條件下,通過查表,確定適用于所研究流域的CN值,結(jié)果如表3所示[11]。
表3 查表所得CN值
表中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示前期雨量,Ⅰ表示前期雨量小于13 mm;Ⅱ表示前期雨量在13~35 mm;Ⅲ表示前期雨量大于35 mm。由于CN值查算表中的CN值是對應(yīng)于美國流域系統(tǒng)的,應(yīng)用于國內(nèi)一般要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。
在本次實驗中,設(shè)立比例系數(shù)K:
在調(diào)整比例系數(shù)時,遵循以下原則:①調(diào)整后的CN值應(yīng)小于98;②在同一土地利用類和STI分級中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3小類的CN值大小應(yīng)依次增大,如調(diào)整后前一小類CN值超過后一小類,則后一類的CN值減1;③ 調(diào)整后CN值四舍五入取整。
利用屯溪流域1982~2002年間的17次洪水的降水?dāng)?shù)據(jù)模擬徑流,并與實測徑流進(jìn)行比較,使用最小二乘法求解比例系數(shù)K,使得二者之間的方差和最小。通過實驗得出,當(dāng)K=1.20時,模擬徑流與實測徑流間相差最小,因此選用比例系數(shù)K=1.2來調(diào)整CN值。調(diào)整后的屯溪流域水文分區(qū)的CN值如表4所示。利用調(diào)整后的流域CN值對屯溪流域1982~2002年間17次降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行徑流模擬,得到的模擬結(jié)果如表5所示,模擬徑流和實測徑流的平均誤差為14.1%。
表4 調(diào)整所得CN值
表5 模擬結(jié)果/mm
利用表5中17次降水的模擬徑流與實測徑流進(jìn)行回歸分析,得到二者的確定系數(shù)為0.952,說明模擬效果很好地反映了實測徑流的變化趨勢,模擬徑流與實測徑流回歸分析如圖2所示。
圖2 徑流回歸分析圖
本文將遙感影像分類獲取的流域下墊面信息與TOPMODEL模型中的STI相結(jié)合,對屯溪流域進(jìn)行劃分,將其劃分為12個水文單元,并在每一個水文單元內(nèi)率定了其參數(shù)CN值。利用率定的參數(shù),對屯溪流域1982~2002年間的17次洪水的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行徑流模擬,取得了較好的效果。在模擬結(jié)果中模擬徑流與實測徑流相對誤差在20%內(nèi)的有11次,占全部比例的64.7%;平均誤差為14.1%。在模擬徑流與實測徑流的回歸分析中,二者的確定系數(shù)為0.952,表明模擬徑流很好地反映了實測徑流的變化趨勢。
STI作為TI的一個變體,在評估土壤的長期干濕情況時不僅考慮了地形因素,還考慮了土壤的下滲率和土壤厚度,能較好地反映流域內(nèi)土壤的長期干濕情況。同時,本次實驗充分說明,利用STI與流域下墊面信息對流域進(jìn)行水文劃分,將流域劃分為若干個水文性質(zhì)相近的水文單元,并在單元內(nèi)率定其水文參數(shù)的方法是可行的。
在本次實驗中,調(diào)整CN值使用的方法較為簡單,如何尋找到一個量化的方法用于調(diào)整各個不同流域間的CN值需要進(jìn)一步研究,同時,由于降水?dāng)?shù)據(jù)的不足,會對最后結(jié)果的精確性和可靠性造成影響。
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P237
B
1672-4623(2016)07-0075-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.024
金文韜,碩士研究生,主要研究方向為地理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。
2015-05-06。
項目來源:國家自然科學(xué)基金資助項目(41101308)。