基于GIS的流域土壤水分補(bǔ)給量的模擬研究

1、基于GIS的流域土壤水分補(bǔ)給量的模擬研究    摘要：地理信息系統(tǒng)(GIS:Geographical Information System)的柵格數(shù)據(jù)模型是進(jìn)行水文分析較常用的方法之一，它強(qiáng)大的空間分析功能非常利于構(gòu)造分布式模型。土壤水分的空間分布與地形、土壤和土地利用等因子密切相關(guān)。本文利用GIS柵格數(shù)據(jù)模型構(gòu)建了流域累積土壤水分補(bǔ)給量的分布式模型，并應(yīng)用于鄂爾多斯高原的考考賴溝流域。結(jié)果分析表明，模型能夠合理地表達(dá)累積土壤水分補(bǔ)給量的空間變化規(guī)律。這對(duì)于我國(guó)半干旱山地丘陵地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的空間安排、植被生態(tài)建設(shè)與恢復(fù)具有重要意義。 關(guān)鍵詞：柵格數(shù)據(jù)

2、模型 土壤水分 鄂爾多斯 地理信息系統(tǒng)      數(shù)字水文模型是構(gòu)建在數(shù)字高程模型(DEM:Digital Elevation Model)基礎(chǔ)之上的一種分布式水文模型，它以流域面上分散的水文參數(shù)和變量來(lái)描述流域水文時(shí)空變化的特性。利用GIS柵格數(shù)據(jù)模型進(jìn)行地表水文特性的研究，是國(guó)際上的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。對(duì)此已有學(xué)者開發(fā)和建立了不同的算法和模型1,2,6,8,13，同時(shí)也進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用研究7,14。本文以鄂爾多斯高原的考考賴溝流域?yàn)槔肎IS空間分析技術(shù)，建立研究區(qū)的數(shù)字高程模型。在此基礎(chǔ)上，建立基于柵格系統(tǒng)的水流模型。然后根據(jù)土壤水分平衡原理，建立累

3、積土壤水分補(bǔ)給量的準(zhǔn)分布式模型，分析不同地形條件對(duì)土壤水分補(bǔ)給量分布的影響。模型的建立與實(shí)現(xiàn)對(duì)于研究不同地形條件下潛在生態(tài)恢復(fù)的可能性、水土資源的耦合以及土地資源潛力的發(fā)揮具有重要意義。1  模型的建立1.1  累積土壤水分補(bǔ)給量模型  累積土壤水分補(bǔ)給量是指在降雨過(guò)程中能夠?yàn)橥寥浪３值牟糠?，只有這一部分降雨能夠?yàn)橹脖凰鶟撛诶?。它的空間分布不僅與土壤本身的物理屬性有關(guān)，而且還與地形坡度、高度、土地利用類型管理措施等密切相關(guān)。    累積土壤水分補(bǔ)給量模型采用GIS中柵格數(shù)據(jù)模型，把由11萬(wàn)地形圖得到的封閉流域數(shù)字化，利用GIS軟件

4、ArcView3.2，把它轉(zhuǎn)成柵格文件，柵格大小為10m×10m。針對(duì)每個(gè)柵格，依據(jù)水量平衡原理，建立累積土壤水分補(bǔ)給量的計(jì)算公式為：    (1)式中：Si為第i柵格得到的累積土壤水分補(bǔ)給量(mm)；Pi為第i柵格得到的降雨量(mm)；Di為第i柵格的土壤滲漏損失(mm)。其中，在降雨過(guò)程中水分的蒸發(fā)(Ei)忽略不記。Rin,i為周圍柵格匯入為第i柵格的水分(mm)；Rout,i第i柵格總的水分損失(mm)(不包括垂直方向水分的收支)。    由于研究區(qū)范圍內(nèi)沙層較厚，地形坡度相對(duì)較小，土壤水分以垂向運(yùn)動(dòng)為主。因

5、此，各個(gè)柵格間側(cè)向的壤中流可以忽略。柵格之間的聯(lián)系是通過(guò)地表的水流聯(lián)系在一起。1.2  徑流模型  降水徑流的計(jì)算采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局的曲線數(shù)字法(SCS Curve Number method)12。該方法自20世紀(jì)50年代產(chǎn)生至今被各國(guó)廣泛采用，許多水文模型，象CREAMS、SPUR、AGNPS等均采用了該法。它的應(yīng)用尺度從0.25hm2到10000hm2，從濕潤(rùn)的溫帶到沙漠地帶等均有涉及3。其中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(ARS：Agricultural Research Service)的科學(xué)家工程師開發(fā)的分布式農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源模型AGNPS(Agricultural N

6、onPoint Source)把流域模擬分割為小的柵格區(qū)域(面積一般為100m2)，每個(gè)柵格區(qū)域具有相同的物理參數(shù)，并且在每個(gè)柵格內(nèi)應(yīng)用集總式參數(shù)模型(Lumped parameter model)。其中水文模塊就使用了SCS曲線指數(shù)法16。    該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)，即所需要的輸入數(shù)據(jù)一般容易獲得；算法效率高；將地表徑流的產(chǎn)生與土壤類型、土地利用類型及管理措施聯(lián)系起來(lái)。由于一般獲得在時(shí)間尺度上小于1d的降水資料是很難的，該方法一個(gè)突出的特點(diǎn)是利用容易獲得的日降水資料。曲線數(shù)字法以曲線數(shù)字函數(shù)的方式把徑流和日降水直接聯(lián)系起來(lái)。徑流(Q)和降水(P)的關(guān)系式為：&#

7、160;     (2)式中：Q為日徑流量(mm)；P為日降水量(mm)；S為保持參數(shù)(retention parameter)。保持參數(shù)隨流域和時(shí)間而不同，它與流域的土壤、坡度、土地利用、管理措施以及土壤前期含水量等有關(guān)。    用以下方程將保持參數(shù)S與曲線數(shù)字CN聯(lián)系起來(lái)：      (3)式中常數(shù)254為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，使S由英寸轉(zhuǎn)換為毫米。曲線數(shù)字是土壤類型、土地利用類型、管理措施和前期降水的函數(shù)，其取值范圍是0100(不等于0)，因此當(dāng)CN100時(shí)，S0，并且QP。1

8、.3  滲漏  每個(gè)柵格的滲漏取決于單位深度土體土壤的最大持水量，考慮到植物根系的主要吸水深度和本研究所在區(qū)域的降水量的大小與分布，以1m土體的深度為界，采用如下公式：      (4)式中：Di為柵格i的滲漏量(mm)；Smax為柵格i最大持水量(mm)；Si為柵格i得到的累積土壤水分補(bǔ)給量(mm)。1.4  柵格水流模型  確定各個(gè)柵格單元的水流方向是采用DEM進(jìn)行地表水文分析的基礎(chǔ)。一個(gè)柵格的水流方向就是水體從其中流出的方向。本文建立柵格水流模型的具體方法是：將被處理的柵格同其最鄰近的8個(gè)柵格單元之

9、間的坡降進(jìn)行比較，被處理柵格單元中心同其相鄰的8個(gè)柵格單元中坡降最大的一個(gè)柵格單元中心之間連線的方向便定義為被處理柵格的水流方向，并且規(guī)定一個(gè)柵格的水流方向用一個(gè)數(shù)字表示。有效的水流方向定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并分別用128、1、2、4、8、16、32和64表示(圖1)被處理柵格單元K同相鄰8個(gè)柵格單元之間坡降的算法為(Jenson and Domingue,1988):    (5)式中：MD為兩個(gè)柵格之間的坡降；(Xk,Yk,Zk)為DEM中計(jì)算柵格單元的屬性值；(Xi,Yi,Zi)為與計(jì)算柵格單元相鄰的柵格的屬性值。 

10、;   在水流模型的建立過(guò)程中，由于一些高程數(shù)據(jù)的采樣誤差和高程數(shù)據(jù)取整所引起的數(shù)據(jù)誤差和研究區(qū)內(nèi)的特殊地貌類型會(huì)導(dǎo)致一些柵格存在無(wú)效水流方向，使模型產(chǎn)生沉降點(diǎn)。沉降點(diǎn)計(jì)算機(jī)處理時(shí)其水流方向不能用8個(gè)有效的代表流向的數(shù)字來(lái)表示，可能是一個(gè)柵格或相互聯(lián)結(jié)的一系列柵格。地表水流方向的確定必須對(duì)沉降點(diǎn)進(jìn)行糾正和消降。模型實(shí)現(xiàn)的流程示意圖如圖2。2  模型的應(yīng)用分析2.1  研究區(qū)概況  本研究以位于伊金霍洛旗境內(nèi)的考考賴溝流域?yàn)閷?duì)象。該流域位于鄂爾多斯高原向黃土高原過(guò)渡的地理位置。地理坐標(biāo)為39°27，110°739°34，110°13，