閩江沙溪數(shù)字流域模型建立及其應用研究

羅火錢，侯才水，馬廣恩

(1.福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 永安 366000； 2.福建水利電力職業(yè)技術學院 院士專家工作站，福建 永安 366000)

沙溪干流的梯級航電開發(fā)在福建省內(nèi)具有典型性，但是目前以沙溪干流流域為對象且為數(shù)不多的研究主要集中于水污染和水環(huán)境的分析[1]，而對其建立數(shù)字流域模型及相關應用的研究還比較少，值得作進一步的深入研究。在此背景下，本文以沙溪全流域為研究對象，應用數(shù)學、水利學、動力學、地理信息科學、遙感等多學科的理論、方法，通過實測數(shù)據(jù)的采集和處理，對沙溪流域特征進行仔細分析，掌握其地表產(chǎn)流形式及產(chǎn)沙形式?；谇迦A大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室建立的黃河數(shù)字流域模型，利用實測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行測試、驗證，完成全流域降水-徑流-產(chǎn)沙的過程模擬，擬建成閩江沙溪數(shù)字流域模型；再根據(jù)沙溪全流域的特點，按照“自上而下”層層劃分思路，先將沙溪全流域劃分為若干個單元子流域，再將每個單元子流域劃分為更小的“溝道+坡面”單元，使每個“溝道+坡面”單元對應一條“溝道”和若干個“坡面”，最后按照“自下而上”層層匯總原理，逐級匯流得到全流域的水資源量中心[2]。

1 研究區(qū)概況

閩江沙溪流域位于福建省中西部，是三明市境內(nèi)最大的河流，也是閩江的重要支流之一[3]。沙溪為閩江上游，發(fā)源于閩贛交界的杉嶺山，流經(jīng)寧化、清流、明溪、永安、三明和沙縣等6個縣市，在沙溪口與南平市附近的富屯溪、建溪匯合后，注入閩江。沙溪干流全長328 km[4]，流域面積1.2×104km2(三明市境內(nèi)流域面積1.0×104km2)，水量及流域面積均占閩江流域總面積的19%左右，多年平均降水量1 500～1 800 mm。流域內(nèi)各級支流99條，樹枝狀河系。沙溪流域水資源比較豐沛，多年平均流量351 m3/s，多年平均徑流總量約111×108m3[3]。沙溪流域屬閩西北低山丘陵區(qū)，山地面積占80%左右，地表侵蝕作用強烈，河流深切成峽谷，階地狹小，局部地段有小型河谷盆地[4]。

2 數(shù)字流域模型原理及產(chǎn)流模型[5]

2.1 數(shù)字流域模型原理

清華大學開發(fā)的數(shù)字流域模型TUD-Basin以DEM數(shù)據(jù)為依托，以流域分級理論為依據(jù)，充分利用現(xiàn)有的先進信息技術手段，以將不同層次不同功能的模型整合成一個完整的流域模型系統(tǒng)作為總體目標。從結構上看，數(shù)字流域模型包括數(shù)據(jù)層、模型層和應用層(圖1)，其中模型層是核心，提供適當?shù)睦碚摵湍M方法對流域內(nèi)的徑流、泥沙、污染物等過程進行模擬計算[5]。

圖1 數(shù)字流域模型的框架結構[5]

2.2 產(chǎn)流模型結構和計算過程

TUD-Basin以TOPAZ模塊作為流域劃分的基礎，將坡面-溝道作為系統(tǒng)的基本單元。當單元的Strahler級別為1時，具有左(L)、右(R)和源(S)3個坡面；當單元的Strahler級別大于1時，只具有左和右兩個坡面。產(chǎn)流模型以坡面作為基本單元，每個坡面的產(chǎn)流量匯集到對應的溝道內(nèi)；同時所有溝道組成河網(wǎng)，形成匯流演進的通道。

產(chǎn)流模型被設計為一個以描述超滲產(chǎn)流為主的機理型模型，在物理圖景概化和產(chǎn)流機理符合沙溪流域坡面產(chǎn)流自然過程的前提下，采用盡可能簡單的形式模擬每個子過程。模型主要計算植被截流、地表超滲產(chǎn)流和表層土快速壤中流等子過程，并兼容可能出現(xiàn)的下層土壤中流和表層土短時超蓄產(chǎn)流。為實現(xiàn)多場次降水的連續(xù)模擬，計算蒸散發(fā)過程和土壤內(nèi)的水分遷移。計算流程見圖2。

圖2 產(chǎn)流模型流程示意圖

冠層蓄水、表層土壤水和下層土壤水的水量守衡關系為：

(1)

式中：Scan為冠層蓄水量，m；t為時間，s；P為降雨強度，m/s；Pn為穿過植被冠層的凈雨強，m/s；Ecan為冠層積水的蒸發(fā)強度，m/s；Wu為表層土蓄水量，m3；A為坡面的投影面積，m2；qzu為地表下滲速率，m/s；qzd為表層土與下層土間水分垂向運動速率，m/s,向下為正；Eu為表層土壤蒸發(fā)強度，m/s；Qgu為表層土壤出流量，m3/s；Wd為下層土蓄水量，m3；Qgd為下層土壤出流量，m3/s[5]。

3 數(shù)據(jù)收集及處理

3.1 數(shù)據(jù)概況

根據(jù)黃河流域數(shù)字流域模型建立時輸入的參數(shù)要求，通過人工錄入、GIS軟件操作、河網(wǎng)提取程序運行、遙感影像處理等手段的收集和整理，形成模型所需的輸入數(shù)據(jù)[6]：實測水文數(shù)據(jù)[7](1965-1968年，1994年，2000-2014年水文數(shù)據(jù)測站包括漁潭、寧化、小陶、洪田、新橋、永安、梅列、沙縣(石橋)、陳大等9個水文站點和水茜、泉上、湖村、沙坪、禾口、濟村、安樂、童坊、連城、羅坊、羅勝、姑田、鐵丁石、大家坊、大嵐山、西洋、胡坊、上坪、明溪、夏陽、巖前、中村、漁溪、南歧、夏茂、高橋、富口、西霞、官昌、南陽、高砂等31個雨量站點)、土地利用類型圖(比例尺1∶5萬)、土壤類型數(shù)據(jù)(比例尺1∶5萬)、DEM(分辨率30 m)、河網(wǎng)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)(TM/ETM+)、行政區(qū)劃圖及水文站、雨量站分布圖。

3.2 參與計算的時間數(shù)值

利用TUD-Basin轉換時間點，記錄到數(shù)據(jù)庫里計算開始時間的STARTHOUROFFSET，用小時來表示(距離1950年1月1日的小時數(shù))，按TUD-Basin時間參數(shù)轉換界面，輸入時間點，自動算出對應的時間數(shù)值，然后填入Excel表備用，在每次水量計算前，對應年份的時間點要更新輸入數(shù)據(jù)庫。

4 結果分析

按照技術路線，根據(jù)模型原理收集數(shù)據(jù)并處理，得到以下結果。

4.1 沙溪流域河網(wǎng)

利用清華大學的河網(wǎng)提取程序運行5 s，獲得沙溪流域7級河網(wǎng)圖及相關信息。見圖3。

圖3 沙溪流域河網(wǎng)分布圖

4.2 沙溪河流域土壤類型圖

結合土壤分類標準的大類進行遙感影像解譯，獲得土壤類型圖，見圖4。

圖4 大類土壤類型分布圖

4.3 土地利用圖

結合土地利用類型分類標準的大類進行遙感影像解譯，獲得土地利用類型圖，見圖5。

4.4 水面蒸發(fā)量分布圖

根據(jù)《水文年鑒》選取了安砂水庫建成之前和之后的5個年份沙溪流域臨近有記錄的水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，空間插值得到水面蒸發(fā)量分布圖，見圖6。

4.5 實測流量與計算流量對比圖

通過輸入數(shù)據(jù)運行模型，計算輸出的流量數(shù)據(jù)(cal)與實測流量數(shù)據(jù)(obs)進行對比，得到一系列對比分析圖(圖7)，總體而言，沙縣水文站點(沙溪流域出口)輸出的流量數(shù)據(jù)與實測流量比較接近。

圖5 沙溪流域地表覆蓋圖

圖6 2008-2012年沙溪流域水面蒸發(fā)量分布圖

圖7 沙溪流域沙縣測站2009年計算與實測流量對比圖

5 結論與討論

通過清華大學已建的適用于黃河流域的數(shù)字流域模型TUD_Basin軟件和HPC集群版數(shù)字流域模型部署，輸入降水量、站點、土壤、蒸發(fā)量、NDVI等數(shù)據(jù)，計算徑流量，并與實測數(shù)據(jù)對比分析，從而初步建成沙溪數(shù)字流域模型，為研究三明市水資源、泥沙以及防洪等問題提供新的手段。模型采用坡面單元劃分和組合機制，能夠用于大至幾十萬平方公里，小至一個坡面單元(1 km2,乃至0.1 km2)的流域徑流、泥沙模擬和預測。該模型在沙溪流域進行試用，證明該模型基本具備在沙溪流域進行降水-徑流模擬的功能[2,8-10]。值得討論一點，該數(shù)字流域模型是基于黃河流域特點建立，要讓其適用三明沙溪流域的情況，必須應用大量歷史數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定和驗證，并且可視化，對用戶而言才更實用。

致謝：感謝本項目研究過程中清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室魏加華教授、李鐵鍵副研究員、張昂博士、李家葉博士、司源博士，福建水利電力職業(yè)技術學院計算機應用技術專業(yè)2013級-2015級學生的大力支持。