基于GIS-流域土壤水分補(bǔ)給量-模擬研究

1、基于GIS-流域土壤水分補(bǔ)給量-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)模型 土壤水分 鄂爾多斯 地理信息系統(tǒng) 數(shù)字水文

2、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(kāi)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

3、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值牟糠郑挥羞@一部分降雨能夠?yàn)橹脖凰鶟撛诶谩Ｋ目臻g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、土地利用類型與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ArcView3.2，把它轉(zhuǎn)成柵格文件，柵格大小為10m10m。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： (3)式中常數(shù)254為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)

4、，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。1.3 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

5、法是：將被處理的柵格同其最鄰近的8個(gè)柵格單元之間的坡降進(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):Zi)為與計(jì)算柵格單元相鄰的柵格的屬性值。 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

6、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)在計(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。圖3 累積土壤水分補(bǔ)給量的分布 2007-04-23圖6表示了不同坡度下累積土壤水分補(bǔ)給量與平均植被指數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布?？梢钥闯觯鄯e土壤水分補(bǔ)給量和植被指數(shù)的分布均隨坡度的增大而降低，二者具有很好的一致性。這與坡度較小的地方具有較高的土壤水分的補(bǔ)給有關(guān)，同時(shí)也與半干旱地區(qū)植被主要受水分影響而分布是吻合的。說(shuō)明了模型能夠合理地表達(dá)了累積土壤水分補(bǔ)給量隨空間而變化的規(guī)律。 圖7表示不

7、同海拔高度的地形部位所接受的土壤水分補(bǔ)給量與植被指數(shù)的差異。在大于1300m的地形上，隨地形高度的增大，土壤得到的水分補(bǔ)給量逐漸降低。這是由于在暴雨發(fā)生的情況下，地形高處的徑流匯集到低洼地方入滲的緣故。由該段植被指數(shù)的變化可以看出植被受土壤水分供給的影響，其變化與土壤水分的補(bǔ)給量具有很好的一致性。流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘在該流域主要分布于海拔低于1300m的區(qū)域內(nèi)，植被指數(shù)在該段為負(fù)值或很低，也說(shuō)明該部位為裸沙地或植被的發(fā)育很差。這與該部位具有較高的土壤水分補(bǔ)給不一致，它說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)的可能性。土壤水分補(bǔ)給量隨不同地形條件的這種變化，反映了空間地理位置和地形對(duì)實(shí)際降水收入的影響，與植被隨地形條件

8、的變化對(duì)比分析，也揭示了植被恢復(fù)的可能性。3 結(jié) 論 地理信息系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)模型便于數(shù)據(jù)的操作與處理，從而具有強(qiáng)大的空間分析能力。利用它進(jìn)行水文分析與模擬是目前較為活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域，它不僅可以進(jìn)行流域宏觀的徑流分析與預(yù)測(cè)，而且對(duì)流域內(nèi)部的水分特征也可以通過(guò)分布式模型進(jìn)行模擬。借助于該類GIS數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)，本文對(duì)流域土壤水分補(bǔ)給的空間分布進(jìn)行了建模與驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，模型較合理地表達(dá)了土壤水分補(bǔ)給隨空間的變化規(guī)律，在降雨產(chǎn)流及存在壤中流的情況下，流域內(nèi)各點(diǎn)的實(shí)際土壤水分補(bǔ)給與地形、土壤和土地利用等因素密切相關(guān)。水分限制是我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)土地生產(chǎn)潛力發(fā)揮的主要因子之一,根據(jù)土壤水分的空間分

9、布特點(diǎn)，進(jìn)行水土資源的合理配置，對(duì)于適當(dāng)?shù)陌才磐恋乩玫目臻g結(jié)構(gòu)與布局，維持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定，充分發(fā)揮土地資源的潛力具有重要意義。參 考 文 獻(xiàn)：1 Abbott, et al. An Introduction to the European Hydrological SystemSystem Hydrologique European,“SHE. 2: Structure of a Physically based, Distributed Modelling SystemJ. Journal of Hydrology,1986,(87):61-77. 2 Beven K J, kirkby M

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