閩江沙溪數(shù)字流域模型建立及其應(yīng)用研究

羅火錢，侯才水，馬廣恩

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000； 2.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 院士專家工作站，福建 永安 366000)

沙溪干流的梯級(jí)航電開(kāi)發(fā)在福建省內(nèi)具有典型性，但是目前以沙溪干流流域?yàn)閷?duì)象且為數(shù)不多的研究主要集中于水污染和水環(huán)境的分析[1]，而對(duì)其建立數(shù)字流域模型及相關(guān)應(yīng)用的研究還比較少，值得作進(jìn)一步的深入研究。在此背景下，本文以沙溪全流域?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用數(shù)學(xué)、水利學(xué)、動(dòng)力學(xué)、地理信息科學(xué)、遙感等多學(xué)科的理論、方法，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和處理，對(duì)沙溪流域特征進(jìn)行仔細(xì)分析，掌握其地表產(chǎn)流形式及產(chǎn)沙形式?；谇迦A大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立的黃河數(shù)字流域模型，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行測(cè)試、驗(yàn)證，完成全流域降水-徑流-產(chǎn)沙的過(guò)程模擬，擬建成閩江沙溪數(shù)字流域模型；再根據(jù)沙溪全流域的特點(diǎn)，按照“自上而下”層層劃分思路，先將沙溪全流域劃分為若干個(gè)單元子流域，再將每個(gè)單元子流域劃分為更小的“溝道+坡面”單元，使每個(gè)“溝道+坡面”單元對(duì)應(yīng)一條“溝道”和若干個(gè)“坡面”，最后按照“自下而上”層層匯總原理，逐級(jí)匯流得到全流域的水資源量中心[2]。

1 研究區(qū)概況

閩江沙溪流域位于福建省中西部，是三明市境內(nèi)最大的河流，也是閩江的重要支流之一[3]。沙溪為閩江上游，發(fā)源于閩贛交界的杉嶺山，流經(jīng)寧化、清流、明溪、永安、三明和沙縣等6個(gè)縣市，在沙溪口與南平市附近的富屯溪、建溪匯合后，注入閩江。沙溪干流全長(zhǎng)328 km[4]，流域面積1.2×104km2(三明市境內(nèi)流域面積1.0×104km2)，水量及流域面積均占閩江流域總面積的19%左右，多年平均降水量1 500～1 800 mm。流域內(nèi)各級(jí)支流99條，樹(shù)枝狀河系。沙溪流域水資源比較豐沛，多年平均流量351 m3/s，多年平均徑流總量約111×108m3[3]。沙溪流域?qū)匍}西北低山丘陵區(qū)，山地面積占80%左右，地表侵蝕作用強(qiáng)烈，河流深切成峽谷，階地狹小，局部地段有小型河谷盆地[4]。

2 數(shù)字流域模型原理及產(chǎn)流模型[5]

2.1 數(shù)字流域模型原理

清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的數(shù)字流域模型TUD-Basin以DEM數(shù)據(jù)為依托，以流域分級(jí)理論為依據(jù)，充分利用現(xiàn)有的先進(jìn)信息技術(shù)手段，以將不同層次不同功能的模型整合成一個(gè)完整的流域模型系統(tǒng)作為總體目標(biāo)。從結(jié)構(gòu)上看，數(shù)字流域模型包括數(shù)據(jù)層、模型層和應(yīng)用層(圖1)，其中模型層是核心，提供適當(dāng)?shù)睦碚摵湍M方法對(duì)流域內(nèi)的徑流、泥沙、污染物等過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算[5]。

圖1 數(shù)字流域模型的框架結(jié)構(gòu)[5]

2.2 產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)和計(jì)算過(guò)程

TUD-Basin以TOPAZ模塊作為流域劃分的基礎(chǔ)，將坡面-溝道作為系統(tǒng)的基本單元。當(dāng)單元的Strahler級(jí)別為1時(shí)，具有左(L)、右(R)和源(S)3個(gè)坡面；當(dāng)單元的Strahler級(jí)別大于1時(shí)，只具有左和右兩個(gè)坡面。產(chǎn)流模型以坡面作為基本單元，每個(gè)坡面的產(chǎn)流量匯集到對(duì)應(yīng)的溝道內(nèi)；同時(shí)所有溝道組成河網(wǎng)，形成匯流演進(jìn)的通道。

產(chǎn)流模型被設(shè)計(jì)為一個(gè)以描述超滲產(chǎn)流為主的機(jī)理型模型，在物理圖景概化和產(chǎn)流機(jī)理符合沙溪流域坡面產(chǎn)流自然過(guò)程的前提下，采用盡可能簡(jiǎn)單的形式模擬每個(gè)子過(guò)程。模型主要計(jì)算植被截流、地表超滲產(chǎn)流和表層土快速壤中流等子過(guò)程，并兼容可能出現(xiàn)的下層土壤中流和表層土短時(shí)超蓄產(chǎn)流。為實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)次降水的連續(xù)模擬，計(jì)算蒸散發(fā)過(guò)程和土壤內(nèi)的水分遷移。計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

圖2 產(chǎn)流模型流程示意圖

冠層蓄水、表層土壤水和下層土壤水的水量守衡關(guān)系為：

(1)

式中：Scan為冠層蓄水量，m；t為時(shí)間，s；P為降雨強(qiáng)度，m/s；Pn為穿過(guò)植被冠層的凈雨強(qiáng)，m/s；Ecan為冠層積水的蒸發(fā)強(qiáng)度，m/s；Wu為表層土蓄水量，m3；A為坡面的投影面積，m2；qzu為地表下滲速率，m/s；qzd為表層土與下層土間水分垂向運(yùn)動(dòng)速率，m/s,向下為正；Eu為表層土壤蒸發(fā)強(qiáng)度，m/s；Qgu為表層土壤出流量，m3/s；Wd為下層土蓄水量，m3；Qgd為下層土壤出流量，m3/s[5]。

3 數(shù)據(jù)收集及處理

3.1 數(shù)據(jù)概況

根據(jù)黃河流域數(shù)字流域模型建立時(shí)輸入的參數(shù)要求，通過(guò)人工錄入、GIS軟件操作、河網(wǎng)提取程序運(yùn)行、遙感影像處理等手段的收集和整理，形成模型所需的輸入數(shù)據(jù)[6]：實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)[7](1965-1968年，1994年，2000-2014年水文數(shù)據(jù)測(cè)站包括漁潭、寧化、小陶、洪田、新橋、永安、梅列、沙縣(石橋)、陳大等9個(gè)水文站點(diǎn)和水茜、泉上、湖村、沙坪、禾口、濟(jì)村、安樂(lè)、童坊、連城、羅坊、羅勝、姑田、鐵丁石、大家坊、大嵐山、西洋、胡坊、上坪、明溪、夏陽(yáng)、巖前、中村、漁溪、南歧、夏茂、高橋、富口、西霞、官昌、南陽(yáng)、高砂等31個(gè)雨量站點(diǎn))、土地利用類型圖(比例尺1∶5萬(wàn))、土壤類型數(shù)據(jù)(比例尺1∶5萬(wàn))、DEM(分辨率30 m)、河網(wǎng)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)(TM/ETM+)、行政區(qū)劃圖及水文站、雨量站分布圖。

3.2 參與計(jì)算的時(shí)間數(shù)值

利用TUD-Basin轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)，記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)里計(jì)算開(kāi)始時(shí)間的STARTHOUROFFSET，用小時(shí)來(lái)表示(距離1950年1月1日的小時(shí)數(shù))，按TUD-Basin時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)換界面，輸入時(shí)間點(diǎn)，自動(dòng)算出對(duì)應(yīng)的時(shí)間數(shù)值，然后填入Excel表備用，在每次水量計(jì)算前，對(duì)應(yīng)年份的時(shí)間點(diǎn)要更新輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 結(jié)果分析

按照技術(shù)路線，根據(jù)模型原理收集數(shù)據(jù)并處理，得到以下結(jié)果。

4.1 沙溪流域河網(wǎng)

利用清華大學(xué)的河網(wǎng)提取程序運(yùn)行5 s，獲得沙溪流域7級(jí)河網(wǎng)圖及相關(guān)信息。見(jiàn)圖3。

圖3 沙溪流域河網(wǎng)分布圖

4.2 沙溪河流域土壤類型圖

結(jié)合土壤分類標(biāo)準(zhǔn)的大類進(jìn)行遙感影像解譯，獲得土壤類型圖，見(jiàn)圖4。

圖4 大類土壤類型分布圖

4.3 土地利用圖

結(jié)合土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn)的大類進(jìn)行遙感影像解譯，獲得土地利用類型圖，見(jiàn)圖5。

4.4 水面蒸發(fā)量分布圖

根據(jù)《水文年鑒》選取了安砂水庫(kù)建成之前和之后的5個(gè)年份沙溪流域臨近有記錄的水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，空間插值得到水面蒸發(fā)量分布圖，見(jiàn)圖6。

4.5 實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量對(duì)比圖

通過(guò)輸入數(shù)據(jù)運(yùn)行模型，計(jì)算輸出的流量數(shù)據(jù)(cal)與實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)(obs)進(jìn)行對(duì)比，得到一系列對(duì)比分析圖(圖7)，總體而言，沙縣水文站點(diǎn)(沙溪流域出口)輸出的流量數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)流量比較接近。

圖5 沙溪流域地表覆蓋圖

圖6 2008-2012年沙溪流域水面蒸發(fā)量分布圖

圖7 沙溪流域沙縣測(cè)站2009年計(jì)算與實(shí)測(cè)流量對(duì)比圖

5 結(jié)論與討論

通過(guò)清華大學(xué)已建的適用于黃河流域的數(shù)字流域模型TUD_Basin軟件和HPC集群版數(shù)字流域模型部署，輸入降水量、站點(diǎn)、土壤、蒸發(fā)量、NDVI等數(shù)據(jù)，計(jì)算徑流量，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，從而初步建成沙溪數(shù)字流域模型，為研究三明市水資源、泥沙以及防洪等問(wèn)題提供新的手段。模型采用坡面單元?jiǎng)澐趾徒M合機(jī)制，能夠用于大至幾十萬(wàn)平方公里，小至一個(gè)坡面單元(1 km2,乃至0.1 km2)的流域徑流、泥沙模擬和預(yù)測(cè)。該模型在沙溪流域進(jìn)行試用，證明該模型基本具備在沙溪流域進(jìn)行降水-徑流模擬的功能[2,8-10]。值得討論一點(diǎn)，該數(shù)字流域模型是基于黃河流域特點(diǎn)建立，要讓其適用三明沙溪流域的情況，必須應(yīng)用大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，并且可視化，對(duì)用戶而言才更實(shí)用。

致謝：感謝本項(xiàng)目研究過(guò)程中清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏加華教授、李鐵鍵副研究員、張昂博士、李家葉博士、司源博士，福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)2013級(jí)-2015級(jí)學(xué)生的大力支持。