張 鑫，張明浩

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

分布式水文模型的空間離散化(Spatial Discretization)研究，是將微地形分割成模型運(yùn)行的基本地域單元[1]。常見的空間離散化方法有子流域法和網(wǎng)格法2種方法，研究表明，當(dāng)子流域面積過小時(shí)，大量的子流域造成參數(shù)率定困難，且當(dāng)子流域面積超過5km2，才有可能反映流域地形特征和水流路徑[2]，因此子流域法不適用于面積較小的微地形水文模型模擬。網(wǎng)格法是將研究區(qū)下墊面分割成等距離的網(wǎng)格單元，水文模型進(jìn)行模擬時(shí)，直接考慮了研究區(qū)網(wǎng)格面積、坡度、坡地河道等因素的相互作用及其空間變化規(guī)律。

DEM是流域水文特征提取的重要數(shù)據(jù)源，基于DEM提取的水文特征是分布式水文模型的基礎(chǔ)參數(shù)。魏林宏[3]等研究表明在分布式水文模型中水文特征是流域水文模型應(yīng)用的基本參數(shù)，影響流域水文模型精度，其中流域面積、高程和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到DEM網(wǎng)格離散狀況的影響較小，坡度和水流路徑長則會(huì)受到較大影響。Quinn P[4]等人研究表明同一DEM數(shù)據(jù)源，不同網(wǎng)格大小所提出的水文特征不同，離散網(wǎng)格越大流域面積增加，而坡度減小。Dunne T[5]等人通過DEM網(wǎng)格大小對徑流模擬結(jié)果的影響結(jié)果表明，DEM格網(wǎng)大小對模型模擬的精度有重要影響，馬原[6]等人探究了DEM網(wǎng)格大小對水文特征和SWAT模型徑流模擬結(jié)果的影響。因此水文模型在流域的模擬應(yīng)用中，定量的研究基于網(wǎng)格法的空間離散化研究，對分布式水文模型的應(yīng)用具有積極意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

楊凌區(qū)位于陜西黃土高原南部、關(guān)中平原西部，全區(qū)總面積135 km2，地勢總體呈現(xiàn)北高南低，西高東低，屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，降雨分布不均，多集中在夏秋季，強(qiáng)度大且多暴雨、陣雨，年均溫為13℃，平均降水量637mm。

試驗(yàn)土壤選擇陜西省楊凌區(qū)坡耕地表層樓土(0～20 cm)。

1.2 微地形模擬

土樣采集后風(fēng)干過￠5mm篩后分層填裝在侵蝕槽中，每層的土壤容重保持在1.30 g/cm3左右，并確保土壤結(jié)構(gòu)的均勻性和連續(xù)性[7]。土壤前期土地利用類型為農(nóng)耕地，為確保試驗(yàn)更接近自然狀況，分層填裝后由長期從事農(nóng)業(yè)勞作人員布設(shè)黃土區(qū)常見的人工掏挖(AD，artificial digging；從坡底逐漸向坡頂鋤挖，形成在空間上不稱的凹凸相間的洼地)耕作措施[8]。

1.3 人工降雨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。選擇可自由升降坡度鋼槽，以5°坡度間隔差在0°～30°度間自由調(diào)節(jié)，試驗(yàn)槽規(guī)格為2.0m×1.0m×0.5m(長×寬×高)，在1mm/min與1.5mm/min雨強(qiáng)下進(jìn)行人工降雨[9]。降雨采用下噴式降雨噴頭，距地面16m，從而使得雨滴到達(dá)地面的速度與自然降雨相符，降雨均勻度大于80%，使得模擬降雨可以替代自然降雨的雨滴直徑和分布，侵蝕槽底部排水口設(shè)計(jì)為V形，便于收集徑流量[10]。

每組試驗(yàn)分別設(shè)置3個(gè)重復(fù)對照試驗(yàn)，1mm/min雨強(qiáng)降雨歷時(shí)70min，1.5mm/min雨強(qiáng)降雨歷時(shí)120min。

1.4 數(shù)據(jù)獲取

采用三維激光掃描儀對微地形進(jìn)行非接觸式掃描，從而獲取高精度的黃土坡面微地形高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.5對三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值獲取AD耕作措施下1、1.5mm/min雨強(qiáng)的微地形黃土坡面微地形DEM數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)圖

2 研究方法

空間離散化的網(wǎng)格法是將研究區(qū)分割成等距離的網(wǎng)格單元對空間進(jìn)行離散化，DEM空間離散程度影響水文特征的提取結(jié)果，流域水文特征則是流域匯流計(jì)算、水文模型應(yīng)用的基礎(chǔ)。據(jù)此本研究利用不同坡度(5°、10°、15°)人工掏挖耕作措施下1、1.5mm/min雨強(qiáng)的DEM柵格數(shù)據(jù)，分別對1～10mm不同大小的網(wǎng)格離散單元進(jìn)行流域水文特征提取。

基于DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS空間分析方法，提取水流路徑長、主河道長、坡度、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)等水文特征信息。提取方法如圖2所示。

圖2 ArcGIS水文特征信息提取技術(shù)路線

3 結(jié)果與分析

以1、1.5mm/min雨強(qiáng)5°坡的微地形人工掏挖耕作措施為例，將微地形DEM離散為不同網(wǎng)格大小的高程數(shù)據(jù)，對不同離散網(wǎng)格大小的流域水文特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 不同網(wǎng)格大小微地形水文特征信息提取匯總表

由表1可知，5°坡下1mm/min雨強(qiáng)人工掏挖耕作措施的水流路徑長和主河道長均隨著DEM離散網(wǎng)格的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大坡度由85.32°逐步減少到58.10°，平均坡度由34.02°減少為19.75°，最大高程與平均高程從格網(wǎng)大小從1mm到10mm均基本沒有大的變化；5°坡下1.5mm/min雨強(qiáng)人工掏挖耕作措施的水流路徑長和主河道長與1mm/min雨強(qiáng)的變化趨勢相同，二者均隨著DEM離散網(wǎng)格的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大坡度由84.24°逐步減少到62.55°，平均坡度由31.51°減少為21.07°，微地形坡面整體坡度隨著網(wǎng)格的增大變緩，最大高程與平均高程與1mm/min雨強(qiáng)的變化趨勢也相同，格網(wǎng)大小從1mm到10mm均二者基本穩(wěn)定，沒有大的變化。

4 討論與結(jié)論

微地形格網(wǎng)大小使得徑流坡度、河道長等均發(fā)生變化，從而影響水文模型在流域河網(wǎng)中的模擬精度。本試驗(yàn)采取人工降雨的方法排除其他因子的干擾，提高了結(jié)論的可靠性，為后續(xù)研究提供科學(xué)依據(jù)，研究結(jié)果表明：以微地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立DEM時(shí)，并非微地形格網(wǎng)單元越小越好，只有當(dāng)微地形中某一格網(wǎng)大小使得各個(gè)要素與流域內(nèi)實(shí)際各要素值出現(xiàn)最佳擬合，DEM模型才更接近真實(shí)值。因此在以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用水文模型時(shí)，選擇最佳的空間離散網(wǎng)格單元至關(guān)重要。

但研究仍存在一些需思考的問題：

(1)本研究內(nèi)容僅考慮了單一耕作措施，對不同耕作措施下，空間離散化對水文特征的影響規(guī)律有待研究。

(2)基于空間離散化對水文特征產(chǎn)生影響，定量的研究空間離散化對分布式水文模型模擬精度的影響是今后研究的重要內(nèi)容。