基于HSPF模型的平原河網地區流域劃分

馬 仕 先,周 剛,童 思 陳,呼 婷 婷,胡 海 珍

(1.中國環境科學研究院 水生態環境研究所,北京 100012; 2.重慶交通大學 河海學院,重慶 400074)

0 引 言

平原河網地區存在大規模平坦地形,分布密集交織復雜的河網,還有大量的湖泊與水庫,成片的圩區以及眾多的人工河道和水利設施隨處可見[1],傳統水文模型流域劃分方法(即D8算法)在此區域的應用受到極大的限制。D8算法依賴數字高程模型(DEM)數據,利用DEM數據提取地表信息,將地表數據按照最陡坡度方向生成網格,由最陡方向決定柵格的水流流向、模擬河流流向并生成河道數據。D8算法在平原河網地區的柵格流向計算不準,導致提取的河網部分丟失河段河網不連續和生成偽河網,同時該算法只能產生枝狀結構的河網,無法對平原河網地區的交叉、環狀結構提取模擬[2-3],無法合理劃分流域范圍和準確描述水網結構。

針對上述平原河網地區流域劃分問題,部分學者[4-5]基于D8算法提出的解決方法包括通過GIS工具對原始DEM數據進行平滑操作,以消除洼地或將洼地和平原平坦區當成是水坑填滿洼地水流再流出。另一些學者[6-8]提出了“Burn In”法、Agree法和輔助數據法等解決平原河網地區流域劃分的方法,還有一些學者根據平原河網地區的特點提出了改進的劃分方法。如Yadav等[9]提出了一種利用矢量河流數據輔助DEM柵格數據識別流域邊界并提取水系的方法;Lai等[10]提出了一種結合水文特征和DEM數據提取河流節點、確定河網流向、劃分流域類型的流域劃分方法。

上述方法相對于D8算法更合理,但是對于平原河網地區地勢平坦、流向往復、河網復雜、地理邊界難以識別和確定的特點,這些方法在平原河網地區應用仍有很大限制。為了解決平原河網流域劃分這個難題,本文以常州市鐘樓區為典型區,基于氣象、土地利用、土壤、DEM等時空數據,提出一種多尺度、分層次的平原河網地區流域劃分方法,選擇美國環境署(EPA)推薦的HSPF模型對鐘樓區進行水文過程模擬,以期改進平原河網地區流域劃分方法。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

常州市鐘樓區位于太湖流域,主干河流為京杭大運河,屬典型平原河網地區。鐘樓區東部為建成區,西部則以農田為主,地勢平坦、河網密布,水系結構和產流匯流過程較為復雜,如圖1所示。鐘樓區常年氣候溫和,雨量充沛,四季分明。冬干冷,夏濕熱,春溫多變,秋高氣爽,雨熱同季。依據2020年常州市降雨量數據,汛期6～7月份全市平均降水量達到295 mm,已超常年(245 mm)。鐘樓區流域內水文站點的流量資料不完整,加大了在該流域模擬的難度,也為子流域劃分驗證增加了難度。本文以常州市鐘樓區為典型區,在缺失部分水文資料情況下,選擇2020、2021年數據對研究區進行水文過程模擬。

圖1 研究區域示意Fig.1 Sketch of study area

1.2 數據來源

模型所需數據來源如表1所列。另外,HSPF模型要求使用的各圖層數據必須具有相同的坐標系,為了滿足這一要求,對不同來源的各GIS數據地理坐標系設定為WGS 1984,投影坐標系設定為WGS＿1984＿UTM＿Zone＿50N。

表1 研究區基礎數據來源Tab.1 Data for constructing the HSPF model

1.3 土地利用數據

研究區土地利用數據來源于常州市環保局,將土地利用數據按照土地利用一級分類整理合并為HSPF模型需要的6種土地利用類型,流域內土地利用類型包括水域、園地、林地、耕地、荒地、建設用地。其中建設用地面積最大,為86 km2,約占總面積的57%;緊接著是耕地和水域分別為28%和12%。根據模型需求對土地利用數據進行處理,處理后的土地利用數據如圖2所示。

圖2 鐘樓區土地利用類型Fig.2 Land use types in Zhonglou district

2 平原河網地區水文建模

2.1 技術路線

根據平原河網地區地形平坦、河網復雜的特征,依據流域水文模型劃分子流域的原理[11-12],提出劃分子流域總的思路:保證劃分的子流域是一個擁有出口、入口的對象,一個子流域對應一條單一流向的河段,流域劃分辦法的技術路線如圖3所示。

圖3 平原河網地區流域劃分技術路線Fig.3 Technical route of watershed division method in plain river network region

本文提出的多尺度、分層次的平原河網地區流域劃分方法中,多尺度是指利用多種分辨率的空間數據生成流域劃分參考圖層,主要包括:基礎數據圖(12.5 m×12.5 m DEM圖)、建成區流域劃分圖、土地利用近鄰分析圖和單元格(100 m×100 m)級網格河流近鄰分析圖;分層次是指考慮地形和基礎設施(水系、圩堤、道路、閘泵)等多種因素對流域的影響。處理基礎數據后疊加流域自動劃分圖、網格河流近鄰分析圖、道路和圩堤圖、土地利用近鄰分析圖、建成區流域劃分圖、閘泵分布圖等至GIS軟件中進行流域劃分,既考慮了多尺度分辨率空間數據,又參考了不同層次的地形特征和相關設施數據,同時也考慮到自動劃分方法的優點,對難以劃分的圩區、水庫、建成區等進行人工劃分,是一種綜合各種數據優勢的平原河網地區流域劃分方法。

2.2 河流數據

HSPF模型中的河段是指單一流向且河流拓撲關系唯一的河流,因此無法表達平原河網普遍存在的交叉、環狀河網結構,這是流域模型在平原河網地區建模的一個難題。為了解決這個難點:① 假設虛擬水庫。根據HSPF[13]使用手冊,HSPF模型中的RCHRES是自由流動河段或混合水庫,據此將有關河段(交叉、環狀的河段)設為虛擬水庫,虛擬水庫可以設定最多不超過5個出口,達到形成交叉河段的目的,通過該辦法可以更加準確地表達平原河網水系。② 徑流量重分配。為了避免陷入計算循環,HSPF模型設定部分河段不能為虛擬水庫,此時為了更加真實地模擬平原河網地區河網匯流關系,對能設置為水庫但又存在交叉、環狀的河道,參考SWAT模型中調水模塊(Transfer)處理河段的方式[14],對有流量監測數據的河道,按照觀測數據進行調水比例的設定;其余沒有流量監測數據的河道則采用主河道和分支河道的寬度比進行調水比例的設定。

2.3 DEM、道路、圩堤數據

流域劃分之前需要對DEM高程數據進行填洼、流域邊界提取等處理[15],將研究區域的DEM依照流域邊界大小裁剪下來以便后續使用。首先對研究區中道路數據進行處理,由于平原河網地區地勢平坦、高程差值不大,道路對水文響應單元中降雨產生的地表徑流的影響遠大于地形對河流的影響。按照道路對流域劃分影響的重要性,本文著重考慮主干道對流域產流、匯流產生的影響[16],將研究區域內主干道道路數據柵格化,使主干道所在區域的高程增大3m,其他區域高程值保持不變,使道路形成明顯的陸上屏障,增強河道所在柵格的匯水能力。

圩堤會將圩區與其他地區分割開,產生強于主干道路阻隔水流的影響,平原河網地區流域劃分時往往會考慮圩堤對流域劃分的影響。在實際劃分時受到平原河網的影響,在水系交叉的區域會存在多條圩堤,除了沿著圩堤方向進行流域邊界劃分外,可以借助道路進行判別,按照道路的重要性進行參考。若是存在“口”或“田”形圩區又無道路數據,此時按照平均分配的方法按對角線進行流域邊界劃分。圩堤數據需要通過常州市“十四五”省控斷面分布圖進行提取,將校準后的數據在GIS中進行疊加,為后期子流域劃分時提供參考,處理后的DEM數據如圖4。

2.4 流域自動劃分

當研究區域DEM數據存在清晰高差時,仍采用常用流域劃分方法(如ArcSWAT、BASINS、Qgis等)劃分[17],D8算法在地形高差明顯的基礎上進行子流域自動劃分是可靠的,也能夠減少平原河網地區流域劃分工作量,為新的流域劃分方法大面積應用提供幫助。但對于平原河網高程變化不明顯的區域,需借助其他參考圖層進行流域劃分。由于研究區整體面積不大,同時又不存在高差明顯的區域,故無流域自動化分圖層。

2.5 單元格級河流近鄰分析

一般情況下,高程值相似的區域,距河流越近,降雨產生的徑流會優先排到對應的河流中?；谶@一思想通過GIS工具生成單元格級網格,根據每個網格中心到河流距離遠近判定方格內土地歸屬,最后生成匯水分區。

主要步驟是:借助GIS中Arctoolbox的漁網工具創建研究區域100 m×100 m單元格級網格和100 m正方形中心點圖層;利用近鄰分析工具,根據每個正方形中心到河流距離的遠近確定單元格的歸屬,將歸屬于同一條河流的網格合并,生成匯水面,最后根據流域大小裁剪形成100 m×100 m網格河流近鄰分析圖層,如圖5所示。

圖5 鐘樓區100 m×100 m網格河流近鄰分析Fig.5 100 m×100 m grid river proximity analysis of Zhonglou District

2.6 土地利用近鄰分析

土地利用類型數據對流域水資源有著重要的影響[18],流域中相同土地的產匯流特性類似,在流域劃分時需考慮土地利用類型的物理特性。首先按照土地大類合并數據,然后用GIS工具求出每一塊土地利用面的幾何形心,用近鄰分析工具計算幾何形心到河流唯一最短距離,并生成對應文件,通過土地利用和河流數據的屬性對應文件,設置土地利用受納河流,通過融合生成相同受納河流,根據土地利用所屬相同受納河流生成匯水面。由于研究區水田和水澆地及旱地的面積差距較大,直接使用重分類土地利用數據會產生大量的交叉錯誤數據,此時將水田和水澆地及旱地分開統計后進行土地利用近鄰分析。研究區生成的含117個近鄰分析面的土地利用參考圖層如圖6所示。

圖6 鐘樓區土地利用近鄰分析Fig.6 Land use proximity analysis of Zhonglou District

2.7 建成區流域劃分

平原河網地區地理位置往往較為優越,土地肥沃,經濟發達,存在大量建成區。針對平原河網地區中建成區流域劃分,本文提出參考SWMM模型匯水區劃分方法[19],綜合行政區規劃數據和管網數據對研究區域進行劃分。

首先,對較大空間尺度建成區進行流域劃分時,在粗糙的城市圩區和排水防澇的基礎上,根據河網和道路信息形成流域邊界。然后,根據城市區域內排水管網、雨水管網分布調整流域邊界,形成小尺度建成區流域劃分。在劃分時應考慮到城市地表的匯水特性,考慮城市中存在的大類建筑物、隔離帶、臺階、人行道等,再根據“龜殼法”采用人工目測加上人工繪制的方法進行小范圍建成區流域劃分。實際上,建成區的排水管網和雨水管網數據難以收集,排水管與雨水管共用管道產生雨污混流、串流的情況,此時建成區流域劃分采用較大空間尺度匯水區(流域)劃分的方法,根據城市圩區和行政邊界進行劃分。

2.8 閘泵數據

在平原河網地區劃分流域時需重點考慮閘泵,因為平原河網地區水系連通的基礎是水系格局與地貌形態,但水閘等水利工程的建設及其調度能力和調度策略是影響河網水系水文連通結果的重要因素[20]。閘泵主要作用是將外界補給水源的水引至圩田灌溉系統,或將圩田內多余的水從圩田池塘向外排到內河或主干河流。通常在豐水期即4～10月,將進行排水作業,此時過量的水流通過平原河網中大量的溝渠或排水溝排入骨干河中。當水稻生長季節需要灌溉時,將進行灌溉抽水操作,通過閘泵將主干河流中高水位水引入低水位的內河中,再引入溝渠內,通過田間溝渠進一步輸送到田間,達到反向抽水的目的。

實際流域劃分時,閘泵數據處理仍是一個難題,首先閘泵數據收集不全,其次是人為因素影響較大。研究區閘泵大多需人工排水或者灌溉作業,收集到的數據只包括位置信息,閘泵排水或灌溉作業頻次、持續時間、水流方向無記錄,無法準確分析對所在河流和流域產匯流影響。在缺失相關數據時,根據閘泵位置將閘門設定為常閉(見圖7)和常開(見圖8)兩種情況進行流域劃分。

圖7 閘門常閉流域劃分結果Fig.7 Results of watershed division when the gate is normally closed

圖8 閘門常開流域劃分結果Fig.8 Results of watershed division when the gate is kept open

3 結果與分析

3.1 流域劃分結果

將河網數據、100 m×100 m河流近鄰分析圖、DEM數據、道路和圩堤圖、土地利用近鄰分析圖、建成區劃分圖等導入BASINS GIS中,用Watershed Delineation的Manual工具進行流域劃分,在劃分流域時按照該順序進行劃分及重要性參考。劃分以后利用DEM數據生成各子流域和河段相關數據,對不符合實際部分進行修改。根據閘門常開的情景,設定3個出口,最終劃分55個子流域,對研究區進行水文過程模擬。流域劃分結果如圖8所示。

3.2 水文參數選擇

根據HSPF模型水文參數介紹及相關學者對敏感性參數的研究[21-22],選擇對徑流影響較大的7個參數(LZSN、UZSN、INFILT、AGWRC、DEEPFR、INTFW、IRC)進行設置。根據相關研究[23-24]試設置相關參數值范圍,通過約500次對相關參數的修改,對比徑流結果,發現鐘樓區徑流參數較為敏感參數是LZSN、UZSN、INTFW、DEEPFR、IRC,其余參數默認模型自動設定數值,研究區水文參數具體設定及參數范圍如表2所列。

表2 鐘樓區HSPF模型水文參數選取Tab.2 Hydrological parameters for the HSPF model of the Zhonglou District

3.3 模型運行結果驗證

平原河網地區的河流存在往復流,在進行水文過程模擬時,假定研究區的河段是單向性的、完全混合的水體,同時由于水文站流量數據缺失,以徑流計算公式計算的流量作為實測數據,對模型進行率定驗證[25]。徑流計算公式如下:

Q=S×C×P

(1)

式中:Q為徑流量,m3;S為匯水區面積,m2;C為徑流系數;P為降水量,m。徑流系數C的取值參考多年平均徑流等值線圖,汛期、非汛期取值分別為0.52和0.71[26]。

選用納什系數Ens和相關系數R為模型率定標準,R和Ens均大于0.6時可以認為模擬效果好。鐘樓區有德勝河橋、鐘樓大橋和連江橋下3個水質站點,故選擇對應河段進行水文率定與驗證,選擇2020年為率定期、2021年為驗證期進行水文驗證,經過約1 000次迭代分析,率定期和驗證期的效率系數Ens、相關系數R結果如表3所列,3個站點徑流量模擬結果如圖9～11所示。

表3 鐘樓區HSPF模型參數率定結果Tab.3 Parameter calibration results of HSPF model in Zhonglou District

圖9 鐘樓大橋2020～2021年降雨-徑流變化情況Fig.9 Rainfall-runoff changes at Zhonglou Bridge in 2020～2021

圖10 德勝河橋2020～2021年降雨-徑流變化情況Fig.10 Rainfall-runoff changes at Desheng River Bridge in 2020～2021

圖11 連江橋下2020～2021年降雨-徑流變化情況Fig.11 Rainfall-runoff changes at Lianjiang Bridge in 2020～2021

3.4 分 析

(1) 從徑流過程來看,月流量的大小與降雨量的大小呈正相關關系;3個站點所在河流的水量在2021年7月份達到最大值。

(2) 從水量數值趨勢來看,3條河的變化趨勢相同,連江橋下和鐘樓大橋8～12月份模擬值大于實測值。

(3) 從徑流模擬差異來看,德勝河橋的差異主要在5月份,鐘樓大橋和連江橋下的差異值主要在10月份。導致誤差的原因可能是:① 實測值是通過徑流計算公式計算得到河流水量,多年平均徑流系數只能反映平均值而無法反映實測年的水量。② HSPF模型在平原河網地區實際應用時,需要假設水庫和徑流量重分配,徑流量重分配是依照徑流分配關系或主、次河道寬比進行人工處理,難免會受到人為因素影響。③ 研究區氣象數據來自南大街街道氣象站,位于鐘樓區的建成區中,無法準確反映鐘樓區西部農業用地范圍的蒸散發量,在HSPF模型中當潛在蒸發量較大時,模擬產生的誤差會隨之增大,也會影響水文模擬結果。

(4) 從模型驗證結果來看,研究區2020～2021年水文過程結果較好,提出的平原河網地區流域劃分方法具有一定的合理性。但需要注意的是,本文提出的流域劃分方法是在水系確定、河流流向明確的基礎上依據相關參考圖層生成的子流域劃分結果,而平原河網地區由于存在往復流、交叉環狀河網,在平原河網地區大規模應用時需要首先確定河網、明確河流流向,再依據流域劃分原則進行子流域劃分。

4 結 論

本文為平原河網地區流域劃分提供了一種新思路,既考慮了平原河網地區地形地貌和水文結構,又著重思考了流域物理特性對流域劃分的影響,同時參考了多尺度不同分辨率的空間數據、分層次疊加地形和相關設施,最終結合流域特征特性和多尺度、分層次的概念,提出了一種多尺度、分層次的平原河網區流域劃分方法。研究結果表明:

(1) 根據本文提出的流域劃分方法,研究區2020～2021年水文過程模擬結果比較理想,相關系數R和納什系數Ens在率定期和驗證期均大于0.75,滿足模型模擬要求,提出的平原河網地區流域劃分方法具有一定的合理性和可行性。

(2) 以假設虛擬水庫和重新分配流量的方式處理平原地區普遍存在的交叉、環形河網,再結合平原河網地區流域劃分方法,在提高HSPF模型平原河網地區應用模擬能力的同時,也為平原河網地區的河流處理和流域劃分提供了新的思路和借鑒。