基于HSPF模型的平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分

馬 仕 先,周 剛,童 思 陳,呼 婷 婷,胡 海 珍

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012; 2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)

0 引 言

平原河網(wǎng)地區(qū)存在大規(guī)模平坦地形,分布密集交織復(fù)雜的河網(wǎng),還有大量的湖泊與水庫,成片的圩區(qū)以及眾多的人工河道和水利設(shè)施隨處可見[1],傳統(tǒng)水文模型流域劃分方法(即D8算法)在此區(qū)域的應(yīng)用受到極大的限制。D8算法依賴數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),利用DEM數(shù)據(jù)提取地表信息,將地表數(shù)據(jù)按照最陡坡度方向生成網(wǎng)格,由最陡方向決定柵格的水流流向、模擬河流流向并生成河道數(shù)據(jù)。D8算法在平原河網(wǎng)地區(qū)的柵格流向計算不準(zhǔn),導(dǎo)致提取的河網(wǎng)部分丟失河段河網(wǎng)不連續(xù)和生成偽河網(wǎng),同時該算法只能產(chǎn)生枝狀結(jié)構(gòu)的河網(wǎng),無法對平原河網(wǎng)地區(qū)的交叉、環(huán)狀結(jié)構(gòu)提取模擬[2-3],無法合理劃分流域范圍和準(zhǔn)確描述水網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

針對上述平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分問題,部分學(xué)者[4-5]基于D8算法提出的解決方法包括通過GIS工具對原始DEM數(shù)據(jù)進行平滑操作,以消除洼地或?qū)⑼莸睾推皆教箙^(qū)當(dāng)成是水坑填滿洼地水流再流出。另一些學(xué)者[6-8]提出了“Burn In”法、Agree法和輔助數(shù)據(jù)法等解決平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分的方法,還有一些學(xué)者根據(jù)平原河網(wǎng)地區(qū)的特點提出了改進的劃分方法。如Yadav等[9]提出了一種利用矢量河流數(shù)據(jù)輔助DEM柵格數(shù)據(jù)識別流域邊界并提取水系的方法;Lai等[10]提出了一種結(jié)合水文特征和DEM數(shù)據(jù)提取河流節(jié)點、確定河網(wǎng)流向、劃分流域類型的流域劃分方法。

上述方法相對于D8算法更合理,但是對于平原河網(wǎng)地區(qū)地勢平坦、流向往復(fù)、河網(wǎng)復(fù)雜、地理邊界難以識別和確定的特點,這些方法在平原河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)用仍有很大限制。為了解決平原河網(wǎng)流域劃分這個難題,本文以常州市鐘樓區(qū)為典型區(qū),基于氣象、土地利用、土壤、DEM等時空數(shù)據(jù),提出一種多尺度、分層次的平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法,選擇美國環(huán)境署(EPA)推薦的HSPF模型對鐘樓區(qū)進行水文過程模擬,以期改進平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

常州市鐘樓區(qū)位于太湖流域,主干河流為京杭大運河,屬典型平原河網(wǎng)地區(qū)。鐘樓區(qū)東部為建成區(qū),西部則以農(nóng)田為主,地勢平坦、河網(wǎng)密布,水系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)流匯流過程較為復(fù)雜,如圖1所示。鐘樓區(qū)常年氣候溫和,雨量充沛,四季分明。冬干冷,夏濕熱,春溫多變,秋高氣爽,雨熱同季。依據(jù)2020年常州市降雨量數(shù)據(jù),汛期6～7月份全市平均降水量達到295 mm,已超常年(245 mm)。鐘樓區(qū)流域內(nèi)水文站點的流量資料不完整,加大了在該流域模擬的難度,也為子流域劃分驗證增加了難度。本文以常州市鐘樓區(qū)為典型區(qū),在缺失部分水文資料情況下,選擇2020、2021年數(shù)據(jù)對研究區(qū)進行水文過程模擬。

圖1 研究區(qū)域示意Fig.1 Sketch of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

模型所需數(shù)據(jù)來源如表1所列。另外,HSPF模型要求使用的各圖層數(shù)據(jù)必須具有相同的坐標(biāo)系,為了滿足這一要求,對不同來源的各GIS數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)系設(shè)定為WGS 1984,投影坐標(biāo)系設(shè)定為WGS＿1984＿UTM＿Zone＿50N。

表1 研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源Tab.1 Data for constructing the HSPF model

1.3 土地利用數(shù)據(jù)

研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于常州市環(huán)保局,將土地利用數(shù)據(jù)按照土地利用一級分類整理合并為HSPF模型需要的6種土地利用類型,流域內(nèi)土地利用類型包括水域、園地、林地、耕地、荒地、建設(shè)用地。其中建設(shè)用地面積最大,為86 km2,約占總面積的57%;緊接著是耕地和水域分別為28%和12%。根據(jù)模型需求對土地利用數(shù)據(jù)進行處理,處理后的土地利用數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 鐘樓區(qū)土地利用類型Fig.2 Land use types in Zhonglou district

2 平原河網(wǎng)地區(qū)水文建模

2.1 技術(shù)路線

根據(jù)平原河網(wǎng)地區(qū)地形平坦、河網(wǎng)復(fù)雜的特征,依據(jù)流域水文模型劃分子流域的原理[11-12],提出劃分子流域總的思路:保證劃分的子流域是一個擁有出口、入口的對象,一個子流域?qū)?yīng)一條單一流向的河段,流域劃分辦法的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分技術(shù)路線Fig.3 Technical route of watershed division method in plain river network region

本文提出的多尺度、分層次的平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法中,多尺度是指利用多種分辨率的空間數(shù)據(jù)生成流域劃分參考圖層,主要包括:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖(12.5 m×12.5 m DEM圖)、建成區(qū)流域劃分圖、土地利用近鄰分析圖和單元格(100 m×100 m)級網(wǎng)格河流近鄰分析圖;分層次是指考慮地形和基礎(chǔ)設(shè)施(水系、圩堤、道路、閘泵)等多種因素對流域的影響。處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后疊加流域自動劃分圖、網(wǎng)格河流近鄰分析圖、道路和圩堤圖、土地利用近鄰分析圖、建成區(qū)流域劃分圖、閘泵分布圖等至GIS軟件中進行流域劃分,既考慮了多尺度分辨率空間數(shù)據(jù),又參考了不同層次的地形特征和相關(guān)設(shè)施數(shù)據(jù),同時也考慮到自動劃分方法的優(yōu)點,對難以劃分的圩區(qū)、水庫、建成區(qū)等進行人工劃分,是一種綜合各種數(shù)據(jù)優(yōu)勢的平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法。

2.2 河流數(shù)據(jù)

HSPF模型中的河段是指單一流向且河流拓?fù)潢P(guān)系唯一的河流,因此無法表達平原河網(wǎng)普遍存在的交叉、環(huán)狀河網(wǎng)結(jié)構(gòu),這是流域模型在平原河網(wǎng)地區(qū)建模的一個難題。為了解決這個難點:① 假設(shè)虛擬水庫。根據(jù)HSPF[13]使用手冊,HSPF模型中的RCHRES是自由流動河段或混合水庫,據(jù)此將有關(guān)河段(交叉、環(huán)狀的河段)設(shè)為虛擬水庫,虛擬水庫可以設(shè)定最多不超過5個出口,達到形成交叉河段的目的,通過該辦法可以更加準(zhǔn)確地表達平原河網(wǎng)水系。② 徑流量重分配。為了避免陷入計算循環(huán),HSPF模型設(shè)定部分河段不能為虛擬水庫,此時為了更加真實地模擬平原河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)匯流關(guān)系,對能設(shè)置為水庫但又存在交叉、環(huán)狀的河道,參考SWAT模型中調(diào)水模塊(Transfer)處理河段的方式[14],對有流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的河道,按照觀測數(shù)據(jù)進行調(diào)水比例的設(shè)定;其余沒有流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的河道則采用主河道和分支河道的寬度比進行調(diào)水比例的設(shè)定。

2.3 DEM、道路、圩堤數(shù)據(jù)

流域劃分之前需要對DEM高程數(shù)據(jù)進行填洼、流域邊界提取等處理[15],將研究區(qū)域的DEM依照流域邊界大小裁剪下來以便后續(xù)使用。首先對研究區(qū)中道路數(shù)據(jù)進行處理,由于平原河網(wǎng)地區(qū)地勢平坦、高程差值不大,道路對水文響應(yīng)單元中降雨產(chǎn)生的地表徑流的影響遠大于地形對河流的影響。按照道路對流域劃分影響的重要性,本文著重考慮主干道對流域產(chǎn)流、匯流產(chǎn)生的影響[16],將研究區(qū)域內(nèi)主干道道路數(shù)據(jù)柵格化,使主干道所在區(qū)域的高程增大3m,其他區(qū)域高程值保持不變,使道路形成明顯的陸上屏障,增強河道所在柵格的匯水能力。

圩堤會將圩區(qū)與其他地區(qū)分割開,產(chǎn)生強于主干道路阻隔水流的影響,平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分時往往會考慮圩堤對流域劃分的影響。在實際劃分時受到平原河網(wǎng)的影響,在水系交叉的區(qū)域會存在多條圩堤,除了沿著圩堤方向進行流域邊界劃分外,可以借助道路進行判別,按照道路的重要性進行參考。若是存在“口”或“田”形圩區(qū)又無道路數(shù)據(jù),此時按照平均分配的方法按對角線進行流域邊界劃分。圩堤數(shù)據(jù)需要通過常州市“十四五”省控斷面分布圖進行提取,將校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)在GIS中進行疊加,為后期子流域劃分時提供參考,處理后的DEM數(shù)據(jù)如圖4。

2.4 流域自動劃分

當(dāng)研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)存在清晰高差時,仍采用常用流域劃分方法(如ArcSWAT、BASINS、Qgis等)劃分[17],D8算法在地形高差明顯的基礎(chǔ)上進行子流域自動劃分是可靠的,也能夠減少平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分工作量,為新的流域劃分方法大面積應(yīng)用提供幫助。但對于平原河網(wǎng)高程變化不明顯的區(qū)域,需借助其他參考圖層進行流域劃分。由于研究區(qū)整體面積不大,同時又不存在高差明顯的區(qū)域,故無流域自動化分圖層。

2.5 單元格級河流近鄰分析

一般情況下,高程值相似的區(qū)域,距河流越近,降雨產(chǎn)生的徑流會優(yōu)先排到對應(yīng)的河流中?；谶@一思想通過GIS工具生成單元格級網(wǎng)格,根據(jù)每個網(wǎng)格中心到河流距離遠近判定方格內(nèi)土地歸屬,最后生成匯水分區(qū)。

主要步驟是:借助GIS中Arctoolbox的漁網(wǎng)工具創(chuàng)建研究區(qū)域100 m×100 m單元格級網(wǎng)格和100 m正方形中心點圖層;利用近鄰分析工具,根據(jù)每個正方形中心到河流距離的遠近確定單元格的歸屬,將歸屬于同一條河流的網(wǎng)格合并,生成匯水面,最后根據(jù)流域大小裁剪形成100 m×100 m網(wǎng)格河流近鄰分析圖層,如圖5所示。

圖5 鐘樓區(qū)100 m×100 m網(wǎng)格河流近鄰分析Fig.5 100 m×100 m grid river proximity analysis of Zhonglou District

2.6 土地利用近鄰分析

土地利用類型數(shù)據(jù)對流域水資源有著重要的影響[18],流域中相同土地的產(chǎn)匯流特性類似,在流域劃分時需考慮土地利用類型的物理特性。首先按照土地大類合并數(shù)據(jù),然后用GIS工具求出每一塊土地利用面的幾何形心,用近鄰分析工具計算幾何形心到河流唯一最短距離,并生成對應(yīng)文件,通過土地利用和河流數(shù)據(jù)的屬性對應(yīng)文件,設(shè)置土地利用受納河流,通過融合生成相同受納河流,根據(jù)土地利用所屬相同受納河流生成匯水面。由于研究區(qū)水田和水澆地及旱地的面積差距較大,直接使用重分類土地利用數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量的交叉錯誤數(shù)據(jù),此時將水田和水澆地及旱地分開統(tǒng)計后進行土地利用近鄰分析。研究區(qū)生成的含117個近鄰分析面的土地利用參考圖層如圖6所示。

圖6 鐘樓區(qū)土地利用近鄰分析Fig.6 Land use proximity analysis of Zhonglou District

2.7 建成區(qū)流域劃分

平原河網(wǎng)地區(qū)地理位置往往較為優(yōu)越,土地肥沃,經(jīng)濟發(fā)達,存在大量建成區(qū)。針對平原河網(wǎng)地區(qū)中建成區(qū)流域劃分,本文提出參考SWMM模型匯水區(qū)劃分方法[19],綜合行政區(qū)規(guī)劃數(shù)據(jù)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)對研究區(qū)域進行劃分。

首先,對較大空間尺度建成區(qū)進行流域劃分時,在粗糙的城市圩區(qū)和排水防澇的基礎(chǔ)上,根據(jù)河網(wǎng)和道路信息形成流域邊界。然后,根據(jù)城市區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)分布調(diào)整流域邊界,形成小尺度建成區(qū)流域劃分。在劃分時應(yīng)考慮到城市地表的匯水特性,考慮城市中存在的大類建筑物、隔離帶、臺階、人行道等,再根據(jù)“龜殼法”采用人工目測加上人工繪制的方法進行小范圍建成區(qū)流域劃分。實際上,建成區(qū)的排水管網(wǎng)和雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)難以收集,排水管與雨水管共用管道產(chǎn)生雨污混流、串流的情況,此時建成區(qū)流域劃分采用較大空間尺度匯水區(qū)(流域)劃分的方法,根據(jù)城市圩區(qū)和行政邊界進行劃分。

2.8 閘泵數(shù)據(jù)

在平原河網(wǎng)地區(qū)劃分流域時需重點考慮閘泵,因為平原河網(wǎng)地區(qū)水系連通的基礎(chǔ)是水系格局與地貌形態(tài),但水閘等水利工程的建設(shè)及其調(diào)度能力和調(diào)度策略是影響河網(wǎng)水系水文連通結(jié)果的重要因素[20]。閘泵主要作用是將外界補給水源的水引至圩田灌溉系統(tǒng),或?qū)③滋飪?nèi)多余的水從圩田池塘向外排到內(nèi)河或主干河流。通常在豐水期即4～10月,將進行排水作業(yè),此時過量的水流通過平原河網(wǎng)中大量的溝渠或排水溝排入骨干河中。當(dāng)水稻生長季節(jié)需要灌溉時,將進行灌溉抽水操作,通過閘泵將主干河流中高水位水引入低水位的內(nèi)河中,再引入溝渠內(nèi),通過田間溝渠進一步輸送到田間,達到反向抽水的目的。

實際流域劃分時,閘泵數(shù)據(jù)處理仍是一個難題,首先閘泵數(shù)據(jù)收集不全,其次是人為因素影響較大。研究區(qū)閘泵大多需人工排水或者灌溉作業(yè),收集到的數(shù)據(jù)只包括位置信息,閘泵排水或灌溉作業(yè)頻次、持續(xù)時間、水流方向無記錄,無法準(zhǔn)確分析對所在河流和流域產(chǎn)匯流影響。在缺失相關(guān)數(shù)據(jù)時,根據(jù)閘泵位置將閘門設(shè)定為常閉(見圖7)和常開(見圖8)兩種情況進行流域劃分。

圖7 閘門常閉流域劃分結(jié)果Fig.7 Results of watershed division when the gate is normally closed

圖8 閘門常開流域劃分結(jié)果Fig.8 Results of watershed division when the gate is kept open

3 結(jié)果與分析

3.1 流域劃分結(jié)果

將河網(wǎng)數(shù)據(jù)、100 m×100 m河流近鄰分析圖、DEM數(shù)據(jù)、道路和圩堤圖、土地利用近鄰分析圖、建成區(qū)劃分圖等導(dǎo)入BASINS GIS中,用Watershed Delineation的Manual工具進行流域劃分,在劃分流域時按照該順序進行劃分及重要性參考。劃分以后利用DEM數(shù)據(jù)生成各子流域和河段相關(guān)數(shù)據(jù),對不符合實際部分進行修改。根據(jù)閘門常開的情景,設(shè)定3個出口,最終劃分55個子流域,對研究區(qū)進行水文過程模擬。流域劃分結(jié)果如圖8所示。

3.2 水文參數(shù)選擇

根據(jù)HSPF模型水文參數(shù)介紹及相關(guān)學(xué)者對敏感性參數(shù)的研究[21-22],選擇對徑流影響較大的7個參數(shù)(LZSN、UZSN、INFILT、AGWRC、DEEPFR、INTFW、IRC)進行設(shè)置。根據(jù)相關(guān)研究[23-24]試設(shè)置相關(guān)參數(shù)值范圍,通過約500次對相關(guān)參數(shù)的修改,對比徑流結(jié)果,發(fā)現(xiàn)鐘樓區(qū)徑流參數(shù)較為敏感參數(shù)是LZSN、UZSN、INTFW、DEEPFR、IRC,其余參數(shù)默認(rèn)模型自動設(shè)定數(shù)值,研究區(qū)水文參數(shù)具體設(shè)定及參數(shù)范圍如表2所列。

表2 鐘樓區(qū)HSPF模型水文參數(shù)選取Tab.2 Hydrological parameters for the HSPF model of the Zhonglou District

3.3 模型運行結(jié)果驗證

平原河網(wǎng)地區(qū)的河流存在往復(fù)流,在進行水文過程模擬時,假定研究區(qū)的河段是單向性的、完全混合的水體,同時由于水文站流量數(shù)據(jù)缺失,以徑流計算公式計算的流量作為實測數(shù)據(jù),對模型進行率定驗證[25]。徑流計算公式如下:

Q=S×C×P

(1)

式中:Q為徑流量,m3;S為匯水區(qū)面積,m2;C為徑流系數(shù);P為降水量,m。徑流系數(shù)C的取值參考多年平均徑流等值線圖,汛期、非汛期取值分別為0.52和0.71[26]。

選用納什系數(shù)Ens和相關(guān)系數(shù)R為模型率定標(biāo)準(zhǔn),R和Ens均大于0.6時可以認(rèn)為模擬效果好。鐘樓區(qū)有德勝河橋、鐘樓大橋和連江橋下3個水質(zhì)站點,故選擇對應(yīng)河段進行水文率定與驗證,選擇2020年為率定期、2021年為驗證期進行水文驗證,經(jīng)過約1 000次迭代分析,率定期和驗證期的效率系數(shù)Ens、相關(guān)系數(shù)R結(jié)果如表3所列,3個站點徑流量模擬結(jié)果如圖9～11所示。

表3 鐘樓區(qū)HSPF模型參數(shù)率定結(jié)果Tab.3 Parameter calibration results of HSPF model in Zhonglou District

圖9 鐘樓大橋2020～2021年降雨-徑流變化情況Fig.9 Rainfall-runoff changes at Zhonglou Bridge in 2020～2021

圖10 德勝河橋2020～2021年降雨-徑流變化情況Fig.10 Rainfall-runoff changes at Desheng River Bridge in 2020～2021

圖11 連江橋下2020～2021年降雨-徑流變化情況Fig.11 Rainfall-runoff changes at Lianjiang Bridge in 2020～2021

3.4 分 析

(1) 從徑流過程來看,月流量的大小與降雨量的大小呈正相關(guān)關(guān)系;3個站點所在河流的水量在2021年7月份達到最大值。

(2) 從水量數(shù)值趨勢來看,3條河的變化趨勢相同,連江橋下和鐘樓大橋8～12月份模擬值大于實測值。

(3) 從徑流模擬差異來看,德勝河橋的差異主要在5月份,鐘樓大橋和連江橋下的差異值主要在10月份。導(dǎo)致誤差的原因可能是:① 實測值是通過徑流計算公式計算得到河流水量,多年平均徑流系數(shù)只能反映平均值而無法反映實測年的水量。② HSPF模型在平原河網(wǎng)地區(qū)實際應(yīng)用時,需要假設(shè)水庫和徑流量重分配,徑流量重分配是依照徑流分配關(guān)系或主、次河道寬比進行人工處理,難免會受到人為因素影響。③ 研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)來自南大街街道氣象站,位于鐘樓區(qū)的建成區(qū)中,無法準(zhǔn)確反映鐘樓區(qū)西部農(nóng)業(yè)用地范圍的蒸散發(fā)量,在HSPF模型中當(dāng)潛在蒸發(fā)量較大時,模擬產(chǎn)生的誤差會隨之增大,也會影響水文模擬結(jié)果。

(4) 從模型驗證結(jié)果來看,研究區(qū)2020～2021年水文過程結(jié)果較好,提出的平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法具有一定的合理性。但需要注意的是,本文提出的流域劃分方法是在水系確定、河流流向明確的基礎(chǔ)上依據(jù)相關(guān)參考圖層生成的子流域劃分結(jié)果,而平原河網(wǎng)地區(qū)由于存在往復(fù)流、交叉環(huán)狀河網(wǎng),在平原河網(wǎng)地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用時需要首先確定河網(wǎng)、明確河流流向,再依據(jù)流域劃分原則進行子流域劃分。

4 結(jié) 論

本文為平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分提供了一種新思路,既考慮了平原河網(wǎng)地區(qū)地形地貌和水文結(jié)構(gòu),又著重思考了流域物理特性對流域劃分的影響,同時參考了多尺度不同分辨率的空間數(shù)據(jù)、分層次疊加地形和相關(guān)設(shè)施,最終結(jié)合流域特征特性和多尺度、分層次的概念,提出了一種多尺度、分層次的平原河網(wǎng)區(qū)流域劃分方法。研究結(jié)果表明:

(1) 根據(jù)本文提出的流域劃分方法,研究區(qū)2020～2021年水文過程模擬結(jié)果比較理想,相關(guān)系數(shù)R和納什系數(shù)Ens在率定期和驗證期均大于0.75,滿足模型模擬要求,提出的平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法具有一定的合理性和可行性。

(2) 以假設(shè)虛擬水庫和重新分配流量的方式處理平原地區(qū)普遍存在的交叉、環(huán)形河網(wǎng),再結(jié)合平原河網(wǎng)地區(qū)流域劃分方法,在提高HSPF模型平原河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)用模擬能力的同時,也為平原河網(wǎng)地區(qū)的河流處理和流域劃分提供了新的思路和借鑒。