基于土壤地形指數(shù)和遙感分類的SCS模型參數(shù)率定

金文韜，許捍衛(wèi)，王海君

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

基于土壤地形指數(shù)和遙感分類的SCS模型參數(shù)率定

金文韜1，許捍衛(wèi)1，王海君1

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

以RS為主要手段，結(jié)合GIS技術(shù)，基于屯溪流域遙感影像，研究得到了屯溪流域兩期遙感影像的土地利用分類結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，利用屯溪流域DEM數(shù)據(jù)得到TOPMODEL模型中的土壤地形指數(shù)，并與SCS水文模型和遙感信息相結(jié)合進(jìn)行水文分區(qū)，率定SCS模型的徑流曲線數(shù)參數(shù)（CN值），然后利用1982～2002年間屯溪流域的水文數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行精度驗證。實驗結(jié)果表明，該方法取得了較好的效果，模擬徑流與實測徑流間的平均誤差僅為14.1%。

土壤地形指數(shù)；SCS模型；RS；土地利用；地表徑流

GIS與分布式水文模型相結(jié)合，能夠盡可能真實地反映流域產(chǎn)匯流過程的空間變化[1]。GIS能提高空間子單元的定義能力，RS可為水文模型提供詳盡的背景環(huán)境描述。因此，可以把這些技術(shù)應(yīng)用于SCS模型的構(gòu)建中，并對模型的不足進(jìn)行修正，以達(dá)到更好地描述流域產(chǎn)流過程的目的[2]。本文采用SCS水文模型和土壤地形指數(shù)，通過對模型參數(shù)的討論，得到一種適用于該流域的由降雨量推求地表徑流量的方法。它能夠反映地形、坡度、土地利用類型、土壤狀況等下墊面要素對地表徑流的影響。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)為新安江流域內(nèi)的屯溪流域，流域面積為2 670 km2，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫17℃，年平均降水1 600 mm，降水在年內(nèi)分布極不均勻，其中4～6月多雨，占50%，易發(fā)生洪澇災(zāi)害；7～9月占20%，旱災(zāi)頻繁。河川徑流年內(nèi)、年際變化較大，屬于典型的濕潤地區(qū)。

本次實驗中所用土地利用變化數(shù)據(jù)通過1992年10 月和2002年9月兩期Landsat影像分類得到（表 1），兩期影像的總體分類精度都達(dá)到85%以上，滿足使用要求。土壤地形指數(shù)使用屯溪流域90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和屯溪流域土壤信息數(shù)據(jù)，主要包括土壤類型、分布區(qū)域、土壤厚度以及土壤的飽和導(dǎo)水率等。

表1 研究區(qū)土地利用變化情況監(jiān)測

2 研究方法

2.1 土壤地形指數(shù)獲取

流域下墊面的特征決定流域單元對降水輸入的響應(yīng)。流域下墊面的特征可從流域形態(tài)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成特征兩方面描述。TOPMODEL[3-5]采用地形指數(shù)（TI）的空間分布來反映流域水分虧缺的空間分布，并假定流域內(nèi)具有同一地形指數(shù)的區(qū)域具有水文相似性，但較少考慮單元的物質(zhì)組成特征。土壤地形指數(shù)（STI）是TI的一個變體，綜合了地形因素和土壤因素對反映流域水分虧缺的空間分布的影響，其表達(dá)式為：

式中，T0為土壤厚度與土壤飽和導(dǎo)水率之積，單位為m2/h。

TI的表達(dá)式為：

式中，α為單位等高線長的上坡匯流面積；tanβ為局部坡度。

目前，常用于提取TI的算法有D8方法和多流向法兩種[6-7]。此次實驗中，利用D8算法來獲取STI。首先利用ArcGIS將屯溪流域90 m分辨率的DEM重采樣為30 m分辨率，以便于后期與遙感影像進(jìn)行疊加分析；再計算坡度以及匯流累積量等數(shù)據(jù)，并通過屯溪流域的土壤類型數(shù)據(jù)獲得所需的T0以求得STI。

圖1 屯溪流域STI

2.2 流域水文分區(qū)

利用已獲取的STI，以及通過遙感影像獲取的土地利用／土地覆蓋變化情況對屯溪流域進(jìn)行水文分區(qū)。STI根據(jù)其數(shù)值范圍劃分為A（5～15）、B（15～25）、C（25～35）3大類；遙感影像分為林地、耕地、居民點、水體和未利用土地5大類。將以上兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，同時將水體合并，并將所占面積小于0.1%的分區(qū)歸入鄰近的分區(qū)中，最終將屯溪流域劃分為12個水文分區(qū)，具體分布情況如表2所示。

表2 屯溪流域各水文分區(qū)所占面積情況/%

2.3CN值確定

SCS模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年開發(fā)的針對小流域水文過程設(shè)計的模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的流域水文模型之一。我國水文學(xué)者也應(yīng)用該模型進(jìn)行了很多研究工作[8]。模型中的CN值是由前期土壤濕潤程度、土壤類型、土地利用方式3個因素共同作用的，有現(xiàn)成的CN值表，可以根據(jù)實際情況查詢。

CN值是一個無量綱參數(shù)，理論取值范圍是0～100，實際應(yīng)用中取值范圍是40～98[9]，主要根據(jù)美國國家工程手冊第4章列出CN 值查算表進(jìn)行計算[10]。在本次實驗中，利用D8算法計算STI并在綜合流域土地利用類型、土壤質(zhì)地特征和土壤前期濕潤條件下，通過查表，確定適用于所研究流域的CN值，結(jié)果如表3所示[11]。

表3 查表所得CN值

表中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示前期雨量，Ⅰ表示前期雨量小于13 mm；Ⅱ表示前期雨量在13～35 mm；Ⅲ表示前期雨量大于35 mm。由于CN值查算表中的CN值是對應(yīng)于美國流域系統(tǒng)的，應(yīng)用于國內(nèi)一般要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

3 參數(shù)調(diào)整和精度檢驗

在本次實驗中，設(shè)立比例系數(shù)K：

在調(diào)整比例系數(shù)時，遵循以下原則：①調(diào)整后的CN值應(yīng)小于98；②在同一土地利用類和STI分級中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3小類的CN值大小應(yīng)依次增大，如調(diào)整后前一小類CN值超過后一小類，則后一類的CN值減1；③ 調(diào)整后CN值四舍五入取整。

利用屯溪流域1982～2002年間的17次洪水的降水?dāng)?shù)據(jù)模擬徑流，并與實測徑流進(jìn)行比較，使用最小二乘法求解比例系數(shù)K，使得二者之間的方差和最小。通過實驗得出，當(dāng)K=1.20時，模擬徑流與實測徑流間相差最小，因此選用比例系數(shù)K=1.2來調(diào)整CN值。調(diào)整后的屯溪流域水文分區(qū)的CN值如表4所示。利用調(diào)整后的流域CN值對屯溪流域1982～2002年間17次降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行徑流模擬，得到的模擬結(jié)果如表5所示，模擬徑流和實測徑流的平均誤差為14.1%。

表4 調(diào)整所得CN值

表5 模擬結(jié)果/mm

利用表5中17次降水的模擬徑流與實測徑流進(jìn)行回歸分析，得到二者的確定系數(shù)為0.952，說明模擬效果很好地反映了實測徑流的變化趨勢，模擬徑流與實測徑流回歸分析如圖2所示。

圖2 徑流回歸分析圖

4 結(jié) 語

本文將遙感影像分類獲取的流域下墊面信息與TOPMODEL模型中的STI相結(jié)合，對屯溪流域進(jìn)行劃分，將其劃分為12個水文單元，并在每一個水文單元內(nèi)率定了其參數(shù)CN值。利用率定的參數(shù)，對屯溪流域1982～2002年間的17次洪水的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行徑流模擬，取得了較好的效果。在模擬結(jié)果中模擬徑流與實測徑流相對誤差在20%內(nèi)的有11次，占全部比例的64.7%；平均誤差為14.1%。在模擬徑流與實測徑流的回歸分析中，二者的確定系數(shù)為0.952，表明模擬徑流很好地反映了實測徑流的變化趨勢。

STI作為TI的一個變體，在評估土壤的長期干濕情況時不僅考慮了地形因素，還考慮了土壤的下滲率和土壤厚度，能較好地反映流域內(nèi)土壤的長期干濕情況。同時，本次實驗充分說明，利用STI與流域下墊面信息對流域進(jìn)行水文劃分，將流域劃分為若干個水文性質(zhì)相近的水文單元，并在單元內(nèi)率定其水文參數(shù)的方法是可行的。

在本次實驗中，調(diào)整CN值使用的方法較為簡單，如何尋找到一個量化的方法用于調(diào)整各個不同流域間的CN值需要進(jìn)一步研究，同時，由于降水?dāng)?shù)據(jù)的不足，會對最后結(jié)果的精確性和可靠性造成影響。

[1] 畢華興,中北理.遙感和地理信息系統(tǒng)與水文學(xué)整合研究進(jìn)展[J].水土保持學(xué)報,2002,16(2):45-49

[2] 張建云,Dowley A,Bruen M.地理信息系統(tǒng)及其在水文水資源中的應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展,1995,6(4):190-195

[3] 鄧慧平,李秀彬.地形指數(shù)的物理意義分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2002,21(2):103-110

[4] 韓杰,張萬昌,趙登忠.基于TOPMODEL徑流模擬的黑河水資源探討[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,2004,20(2):16-20

[5] 郭方,劉新仁,任立良.以地形為基礎(chǔ)的流域水文模型: TOPMODEL及其拓寬應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展,2000,11(3):296-301

[6] 李麗,郝振純.基于DEM的流域特征提取綜述[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2003,18(2):251-256

[7] 夏軍.水文非線性系統(tǒng)理論與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002

[8] 袁作新.流域水文模型[M].北京:水利電力出版社,2013

[9] 魏文秋,謝淑秦.遙感資料在SCS模型產(chǎn)流計算中的應(yīng)用[J].環(huán)境遙感,1992,7(4):243-250

[10] 俞冰.土地利用變化及其對徑流的影響[D].南京:河海大學(xué),2007

[11] 陳波.洛河流域空間離散化及徑流模擬研究[D].南京:河海大學(xué),2008

P237

B

1672-4623（2016）07-0075-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.024

金文韜，碩士研究生，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

2015-05-06。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41101308）。