基于Geo-HMS和SWAT模型對山區(qū)小流域水文參數(shù)提取的適用性分析

張澤宇，常文凱，吳名劍

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550002)

1 研究背景

現(xiàn)階段水利工作者提取山區(qū)流域參數(shù)大都通過1∶1萬地形圖或者1∶5萬地形圖，根據(jù)流域分水嶺劃分流域界限和描繪河流情況。該方法耗時長，易出錯，耗費(fèi)較大的人力物力，對于大流域的處理更是費(fèi)時費(fèi)力。因此為提高水利工作者的工作效率，在如今的水利工作中引入了SWAT和Geo-HMS等專門處理流域參數(shù)的模型，大大方便了對流域水文參數(shù)提取的前期處理工作。

SWAT模型是一種具有較強(qiáng)物理機(jī)制的分布式水文模型，能夠模擬出不同情形下流域的物理過程，與其他水文模型相比，SWAT能更好的反應(yīng)降水和下墊面條件變化造成的產(chǎn)匯流過程變化，是非一致性條件下水文過程模擬的最有效模型[1-3]。

Geo-HMS模型是HMS水文模型的一個數(shù)據(jù)處理模塊，專門用于HMS數(shù)據(jù)的前期處理工作，其處理后的文件可直接導(dǎo)入HMS建模使用[4-5]。其處理流程一般是先對DEM進(jìn)行預(yù)處理，得到填洼后的DEM再進(jìn)行水文空間分析計(jì)算，通過流向制定流域集水能力圖，進(jìn)而劃分積水區(qū)域，再利用試誤法自動設(shè)置河網(wǎng)閾值，最后得到子流域、水系和流域邊界等文件[6]。

針對上述特點(diǎn)，文章運(yùn)用Geo-HMS和SWAT水文模型對不同分辨率下的石梁河流域DEM圖進(jìn)行水文參數(shù)提取分析，探討了兩種模型在貴州地區(qū)的適用性。

2 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域概況

石梁河發(fā)源于貴州省松桃縣石梁鄉(xiāng)兩岔河村尖山，是典型的山區(qū)雨源型河流，河源高程1524.2m，總體由東北向西南徑流，自源頭由北向南流經(jīng)大河、石梁、勝利、楊家對門，在楊家對門進(jìn)入印江縣鏡內(nèi)，繼續(xù)向南流經(jīng)水洞口、新光、烏巢，在烏巢折向西南流，經(jīng)寨王坳、黃家、祠堂邊、木黃，在木黃匯入金廠河，匯口高程725m。石梁河楊家對門以上(松桃縣境內(nèi))流域集水面積為38.2km2，主河道長14.5km，主河道比降18.3‰，流域形狀系數(shù)為0.18，幾何特征值為22.13。

2.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要有兩類，其一為石梁河流域的實(shí)際數(shù)據(jù)，其二為石梁河流域松桃縣境內(nèi)部分的DEM圖。其中石梁河流域的實(shí)際流域面積和水系采用該區(qū)域的1:1萬精度地形圖勾繪得出，其比降等參數(shù)采用各個河段的高程、間距計(jì)算得出；30M分辨率的DEM圖通過地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(www.gscloud.cn)下載并提取得出，12.5M分辨率的DEM圖來源于NASA Earth Data。

圖1 石梁河流域30m精度DEM圖 圖2 石梁河流域12.5m精度DEM圖

3 流域參數(shù)提取及分析

基于以上情況，利用Geo-HMS和SWAT水文模型分別對兩種精度的DEM圖進(jìn)行提取，為能更加證實(shí)兩種模型在山區(qū)水文參數(shù)提取的適用性及優(yōu)劣性，本研究在提取過程中不對其生成參數(shù)作改變，皆由其默認(rèn)生成。

其中，流域的參數(shù)主要有面積(F)，河長(L)，比降(J)，流域形狀系數(shù)，及幾何特征(θ)。

1)河道平均比降J表示河道各個河段比降的加權(quán)平均比降，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Z0、…Zn為從下游到上游沿程各點(diǎn)河底高程，m；L1……Ln為相鄰兩高程點(diǎn)間的距離，m；L為河段全長，m。

2)流域形狀系數(shù)為流域平均寬度與流域長度的比值。流域形狀系數(shù)是以定量的方式表示流域的形狀，一般而言，扇形流域的系數(shù)較大，狹長流域則較小。

3)幾何特征值θ是流域的形狀、面積、長度、平均高程、平均寬度、平均坡度、不對稱系數(shù)等的總稱，計(jì)算公式為：

θ=L/F1/4×J1/3

(2)

式中：L為河長，m；F為流域面積，km2；J為平均比降。

3.1 模型提取結(jié)果

模擬結(jié)果如圖、表所示。

1)Geo-HMS

圖3 30m精度提取出的流域及水系圖 圖4 12.5m精度提取出的流域及水系圖

2)SWAT

3.2 分析研究

將上述模擬結(jié)果與石梁河流域真實(shí)數(shù)據(jù)對比分析，計(jì)算出其相對誤差，以此確定兩種模型在不同精度DEM圖下在山區(qū)流域的適用性。

圖5 30m精度提取出的流域及水系圖 圖6 12.5m精度提取出的流域及水系圖

根據(jù)表1和表3所示，在利用Geo-HMS對兩種精度的DEM提取的結(jié)果中只有比降值的相對誤差較大，其余幾項(xiàng)的相對誤差較小，根據(jù)河源高程來看，精度越高，誤差越小，也符合實(shí)際情況。

表1 Geo-HMS提取兩種精度的結(jié)果

表2 SWAT模型提取兩種精度的結(jié)果

表3 Geo-HMS提取處的參數(shù)誤差(%)(絕對值)

根據(jù)表2和表4所示，SWAT模型提取的結(jié)果中也只有比降的誤差較大，其余幾項(xiàng)都和實(shí)際情況較符合。

表4 SWAT模型提取處的參數(shù)誤差(%)(絕對值)

根據(jù)表3和表4，綜合考慮六項(xiàng)指標(biāo)值，在相同精度下，Geo-HMS提取出來的流域參數(shù)要優(yōu)于SWAT模型。因此在提取山區(qū)小流域的水文特征值時，兩種模型都能有效代替現(xiàn)行的處理方式，能大幅度的縮減時間和人力，且Geo-HMS相對更加可靠。

4 結(jié) 論

以石梁河流域?yàn)榛A(chǔ)，通過運(yùn)用兩種不同的水文自動化提取流域參數(shù)的模型，對不同精度的DEM圖分別提取其流域特征參數(shù)，再與實(shí)際參數(shù)作對比分析，探討兩種模型在山區(qū)流域的適用性及優(yōu)劣性，研究結(jié)論如下：

1)兩種模型的流域參數(shù)模擬值都較為接近實(shí)際值，除比降相對誤差稍大外其余參數(shù)均低于10%，兩種模型都能較好的提取出流域的各項(xiàng)水文特征值。

2)不同精度的DEM圖對模擬結(jié)果的影響不大，相較而言，精度越高河源高程和比降的誤差越小。

3)綜合文章所列舉的六項(xiàng)水文特征參數(shù)，提取相同精度的DEM圖時Geo-HMS提取出來的流域參數(shù)要優(yōu)于SWAT模型，在提取山區(qū)流域特征值時可優(yōu)先考慮Geo-HMS模型。

通過對不同精度的DEM圖進(jìn)行流域水文參數(shù)提取分析，探討兩種水文模型在提取山區(qū)流域參數(shù)的適用性，得到的結(jié)果和研究還不夠全面和深入，對于模型中各項(xiàng)默認(rèn)參數(shù)的優(yōu)化、DEM圖的預(yù)處理等還需要進(jìn)一步的研究與分析。