基于空間分析法的新疆融雪洪水徑流模擬

劉吉強(qiáng)

(烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)，烏魯木齊 830000)

0 前 言

新疆地區(qū)的山地中多發(fā)生積雪融化性洪水災(zāi)害，山地與平原地區(qū)的熱平衡狀態(tài)不同，容易造成降水量及水資源分布不均勻。采用傳統(tǒng)的集總水文模型不能得到滿意的模擬結(jié)果，而基于DEM的分布式水文模型的建立在一定程度上解決了這一問(wèn)題。文章對(duì)基于DEM的水文模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧⒔Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定，來(lái)分析研究區(qū)的水文特點(diǎn)[1]。

1 研究區(qū)概況

軍塘湖位于新疆地區(qū)的呼圖壁縣，見(jiàn)圖1。軍塘湖河源沒(méi)有現(xiàn)代冰川。流域集中在中部山區(qū)，河流最終匯合在下山區(qū)馬扎地區(qū)。它流經(jīng)前面的丘陵和丘陵，來(lái)到呼圖壁以西，進(jìn)入平原。河流被山口攔河水庫(kù)(洪山水庫(kù))截流。河源洪山水庫(kù)全長(zhǎng)47km，水庫(kù)以上匯水面積861km2。流域平均海拔1600m，兩大支流垂直比降63%，年平均徑流量4.01×108m3。通過(guò)下游水庫(kù)的調(diào)節(jié)，流入灌區(qū)。

2 模擬計(jì)算中的空間分析與實(shí)現(xiàn)方法

文章將“3S技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合”。利用GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合該地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，建立分布式水文模型，分析洪水產(chǎn)生的過(guò)程，并對(duì)該徑流過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的模擬[2]。

本次研究主要收集了該地區(qū)的氣象資料、水文資料和遙感影像數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況

2.1 基于 DEM 的分布式水文模型

基于格網(wǎng)DEM的分布式水文模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算困難，難以應(yīng)用于大型流域。對(duì)于網(wǎng)格單元(或子網(wǎng)格)，應(yīng)用常規(guī)概念模型計(jì)算純降雨，并進(jìn)行合并計(jì)算[3]。最后，得到了類似SWAT模型的出口橫流。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，適用于大流域。

1)基于網(wǎng)格的劃分：

對(duì)于流域較小的區(qū)域可以采用DEM網(wǎng)格直接進(jìn)行小流域的劃分，本次采用30m×30m尺度大小的網(wǎng)格，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行劃分，這也是目前最常用的方法。

2)基于山坡的劃分：

也可以利用斜坡進(jìn)行流域的離散化，首先利用DEM數(shù)據(jù)將研究區(qū)的河網(wǎng)提取出來(lái)，然后根據(jù)河網(wǎng)以及流量相等的時(shí)間點(diǎn)劃分出若干子流域。所有的匯流網(wǎng)格中，將河道周圍的矩形坡面劃分出來(lái)，這些矩形坡面即是水文模型中的計(jì)算單元，以此來(lái)計(jì)算坡面上的產(chǎn)匯流。最后再進(jìn)行河網(wǎng)匯流計(jì)算。

3)基于子流域的劃分：

采用地理信息系統(tǒng)軟件和DEM數(shù)據(jù)，可以快速、有效的劃分出河網(wǎng)形狀。根據(jù)不同流域的形狀，可以劃分出于干流河道相連的子流域，這些子流域通常具有相同的流域特征，它們是采用水文模型計(jì)算時(shí)的最小計(jì)算單元，各個(gè)子流域之間的水文交匯形式可以清楚的展現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算，提高了模型建立的效率。當(dāng)然，子流域也可以根據(jù)需要分為兩個(gè)層次。

采用上述不同的方式，可以建立起分布式水文模型，方法雖然不同，但所達(dá)到的目的以及建立起的模型結(jié)果確是相似的。模型涉及的水文過(guò)程主要包括降水、植被截留、蒸散、融雪、入滲、地表徑流和地下徑流。各部分之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 分布式水文模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 新疆融雪洪水徑流模型概述

新疆融雪洪水徑流模型包括2類：

1)基于能量守恒的分布式柵格融雪模型，分布式計(jì)算單元柵格融雪量；模型公式如下：

SMij(t)=a·FTC·ρij·
max(0，ATij(t))·(1440/△T)

(1)

式中：FTC為積雪融化系數(shù)；ρij為每個(gè)柵格的積雪密度，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推求；ΔT為模型的時(shí)間段，min，在計(jì)算中，將半小時(shí)定位一個(gè)時(shí)段；ATij(t)為t時(shí)段內(nèi)柵格平均氣溫；SMij(t)為t時(shí)間的柵格融雪量；a取默認(rèn)經(jīng)驗(yàn)值。

2)基于水量守恒的分布式柵格產(chǎn)流模型，分布式計(jì)算單元柵格產(chǎn)流量；

REij(t)=(2·△T/CSV1ij(t))·Iij(t)
+CSV2ij(t)/CSV1ij(t)·REij·(t-△T)
CSV1ij(t)=2CSVij(t)+△T
CSV2ij(t)=2CSVij(t)+△T

(2)

式中：REij(t)為t時(shí)間的柵格產(chǎn)流量，ΔT以30min為一個(gè)時(shí)間段；CSVij為蓄量系數(shù)，即水流通過(guò)一個(gè)柵格地表所需的時(shí)間；Iij(t)為t時(shí)間的柵格地表總輸入。

3 模擬結(jié)果

3.1 柵格匯流累積矩陣的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)區(qū)域地形的流量矩陣，由區(qū)域地形的流量矩陣計(jì)算流量值，并根據(jù)由高到低的規(guī)則，得到該區(qū)域的流量累積矩陣。在這個(gè)過(guò)程中，所有權(quán)重都使用1的權(quán)重矩陣。加權(quán)矩陣是表示暴雨平均降雨量的連續(xù)數(shù)矩陣，用于計(jì)算流域降雨量。匯流累計(jì)量的大小受網(wǎng)格數(shù)的影響，正在處理的網(wǎng)格不包括在累計(jì)計(jì)算中。圖3示出了由匯流矩陣生成的累積流矩陣。

(a)水網(wǎng)示意圖 (b)水流累積矩陣

3.2 空間分析應(yīng)用

利用所建立的模型可以在時(shí)間和空間上計(jì)算網(wǎng)格匯流矩陣，并從矩陣中求出矩陣中的值，從而得到徑流。

為了更清楚地描述空間分析結(jié)果，圖4是GIS軟件中上述矩陣的GeoTIFF格式文件的結(jié)果圖。典型研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)分辨率為30m×30m。

圖4 填洼處理之后的流域DEM數(shù)據(jù)示意圖

由圖4可知，流域的地勢(shì)整體上呈現(xiàn)出南部高北部底的趨勢(shì)，并由北向南過(guò)度。最高海拔3460.00m，最低海拔757.93m。盆地最北端的出口是洪山水庫(kù)，水庫(kù)兩側(cè)都是山體褶皺帶。盆地中央右側(cè)有一個(gè)山脊分水嶺。匯流流向出口斷面的時(shí)間長(zhǎng)度示意圖，見(jiàn)圖5。

圖5 匯流流向出口斷面的時(shí)間長(zhǎng)度示意圖

在模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30min的前提下，通過(guò)計(jì)算可以得出，最大的出口斷面時(shí)長(zhǎng)為23h。即從最慢網(wǎng)格收斂到出口斷面的時(shí)間為23h.研究區(qū)的匯流流向出口斷面的時(shí)長(zhǎng)由北部向南部逐漸增加，說(shuō)明南部地區(qū)形成產(chǎn)匯流的難度要遠(yuǎn)大于北部地區(qū)。但在中段右側(cè)有明顯的時(shí)間差帶。由DEM資料可知，該區(qū)為山脊分水嶺。4月9日17:00的柵格融雪量示意圖，見(jiàn)圖6。

由于該研究區(qū)的最北部地勢(shì)較低，幾乎沒(méi)有被雪覆蓋，融雪量接近于0，而流域最南邊，地勢(shì)較高，平均氣溫常年處于零度以下，融雪量也接近0.紅色標(biāo)線區(qū)為焦化廠，白色標(biāo)線區(qū)為居民區(qū)，黃色標(biāo)線區(qū)為林區(qū)，綠色標(biāo)線區(qū)為煤礦區(qū)以及煤炭堆放區(qū)。一方面是遙感監(jiān)測(cè)積雪信息失真造成的，另一方面由于太陽(yáng)輻射減弱，積雪融化過(guò)程滯后。除林區(qū)外，其他地區(qū)的積雪由于人為干擾已經(jīng)融化，因此融雪量為零。除無(wú)雪區(qū)和人為干擾區(qū)外，顯然海拔越低，融雪量越大，直到所有積雪融化。圖6中融雪的單位是每個(gè)網(wǎng)格的水深(mm)。4月9日17:00的柵格融雪產(chǎn)流量示意圖，見(jiàn)圖7。

圖6 4月9日17:00的柵格融雪量示意圖

圖7 4月9日17:00的柵格融雪產(chǎn)流量示意圖

研究區(qū)南部由于融雪所產(chǎn)生的徑流量較低，接近于零，這是由于該地區(qū)海拔較高，融雪量很低，未產(chǎn)生地表徑流。而北部地區(qū)及中部地區(qū)的融雪量變大，但融雪量大于產(chǎn)流量，可能由于地表滲流作用所造成的，部分融雪直接滲入地下，只形成部分地表水。雪水融化量、地表水蒸散發(fā)量和地表水入滲量會(huì)在一定程度上影響地表的徑流量。一般來(lái)說(shuō)，融雪量越大，徑流越大。圖中流量單位為每個(gè)網(wǎng)格的水深，mm。

3.3 不同時(shí)間的融雪匯流量

以下3個(gè)圖表是2006年4月9日11:00、17:00和23:00的水槽流程圖。由于融雪與溫度和太陽(yáng)輻射密切相關(guān)，因此首先給出了一天中三個(gè)不同時(shí)段的實(shí)測(cè)平均溫度和太陽(yáng)輻射累積量，如表1所示。

表1 流域平均氣溫和累積太陽(yáng)總輻射

4月9日11:00的匯流量示意圖見(jiàn)圖8；4月9日17:00的匯流量示意圖見(jiàn)圖9；4月9日23:00的匯流量示意圖見(jiàn)圖10。

圖8 4月9日11:00的匯流量示意圖

圖9 4月9日17:00的匯流量示意圖

圖10 4月9日23:00的匯流量示意圖

顯然，16:00的溫度最高，而22:00的溫度仍然高于0℃。此時(shí)累計(jì)太陽(yáng)總輻射為日落前一天單位面積(M2)太陽(yáng)總輻射的累計(jì)值。從3張不同時(shí)段的地圖也可以看出，由于早晨氣溫較低，融雪產(chǎn)流量較小，導(dǎo)致匯流量相對(duì)較小，然后匯流量和匯流面積逐漸增大，匯流面積在17:00接近最大值，匯流量繼續(xù)增大，23:00時(shí)，由于氣溫下降后徑流量減少，匯流面積減小，但由于此時(shí)融雪匯流時(shí)間延遲，匯流量接近峰值。

4 結(jié) 論

文章介紹了新疆地區(qū)的典型流域，并給出了數(shù)據(jù)來(lái)源。從試驗(yàn)層面，給出了空間分析技術(shù)在新疆融雪洪水徑流模型模擬計(jì)算中的應(yīng)用實(shí)例。驗(yàn)證了新疆融雪洪水預(yù)警政策的科學(xué)依據(jù)。

由于分布式水文模型的計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算速度要求高，并且進(jìn)行空間分析模擬計(jì)算的流域面積大，但是又要求模型單元?jiǎng)澐中?，所以?duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)刷新要求都比較高，對(duì)模型的空間分析算法還需要進(jìn)一步優(yōu)化；采用地理信息系統(tǒng)的技術(shù)來(lái)對(duì)分布式水文模型進(jìn)行輔助建模，是目前最為流行的做法。