空間離散化對流域水文特征的影響研究

張 鑫，張明浩

(1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學資源環境學院，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格法2種方法，研究表明，當子流域面積過小時，大量的子流域造成參數率定困難，且當子流域面積超過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。網格法是將研究區下墊面分割成等距離的網格單元，水文模型進行模擬時，直接考慮了研究區網格面積、坡度、坡地河道等因素的相互作用及其空間變化規律。

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

1 實驗設計

1.1 研究區概況

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

試驗土壤選擇陜西省楊凌區坡耕地表層樓土(0～20 cm)。

1.2 微地形模擬

土樣采集后風干過￠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，并確保土壤結構的均勻性和連續性[7]。土壤前期土地利用類型為農耕地，為確保試驗更接近自然狀況，分層填裝后由長期從事農業勞作人員布設黃土區常見的人工掏挖(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 人工降雨實驗設計

試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室進行。選擇可自由升降坡度鋼槽，以5°坡度間隔差在0°～30°度間自由調節，試驗槽規格為2.0m×1.0m×0.5m(長×寬×高)，在1mm/min與1.5mm/min雨強下進行人工降雨[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計為V形，便于收集徑流量[10]。

每組試驗分別設置3個重復對照試驗，1mm/min雨強降雨歷時70min，1.5mm/min雨強降雨歷時120min。

1.4 數據獲取

采用三維激光掃描儀對微地形進行非接觸式掃描，從而獲取高精度的黃土坡面微地形高程點云數據。利用ArcGIS 10.5對三維激光掃描儀獲取的點云數據進行Kriging插值獲取AD耕作措施下1、1.5mm/min雨強的微地形黃土坡面微地形DEM數據，如圖1所示。

圖1 試驗區圖

2 研究方法

空間離散化的網格法是將研究區分割成等距離的網格單元對空間進行離散化，DEM空間離散程度影響水文特征的提取結果，流域水文特征則是流域匯流計算、水文模型應用的基礎。據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雨強的DEM柵格數據，分別對1～10mm不同大小的網格離散單元進行流域水文特征提取。

基于DEM數據，結合ArcGIS空間分析方法，提取水流路徑長、主河道長、坡度、河網結構等水文特征信息。提取方法如圖2所示。

圖2 ArcGIS水文特征信息提取技術路線

3 結果與分析

以1、1.5mm/min雨強5°坡的微地形人工掏挖耕作措施為例，將微地形DEM離散為不同網格大小的高程數據，對不同離散網格大小的流域水文特征進行統計分析，統計結果見表1。

表1 不同網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離散網格的增大呈現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大小從1mm到10mm均基本沒有大的變化；5°坡下1.5mm/min雨強人工掏挖耕作措施的水流路徑長和主河道長與1mm/min雨強的變化趨勢相同，二者均隨著DEM離散網格的增大呈現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格的增大變緩，最大高程與平均高程與1mm/min雨強的變化趨勢也相同，格網大小從1mm到10mm均二者基本穩定，沒有大的變化。

4 討論與結論

微地形格網大小使得徑流坡度、河道長等均發生變化，從而影響水文模型在流域河網中的模擬精度。本試驗采取人工降雨的方法排除其他因子的干擾，提高了結論的可靠性，為后續研究提供科學依據，研究結果表明：以微地形數據為基礎建立DEM時，并非微地形格網單元越小越好，只有當微地形中某一格網大小使得各個要素與流域內實際各要素值出現最佳擬合，DEM模型才更接近真實值。因此在以DEM為基礎數據應用水文模型時，選擇最佳的空間離散網格單元至關重要。

但研究仍存在一些需思考的問題：

(1)本研究內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律有待研究。

(2)基于空間離散化對水文特征產生影響，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容。