基于GIS-流域土壤水分补给量-模拟研究

1、基于GIS-流域土壤水分补给量-模拟研究摘要：地理信息系统(GIS:Geographical Information System)的栅格数据模型是进行水文分析较常用的方法之一，它强大的空间分析功能非常利于构造分布式模型。土壤水分的空间分布与地形、土壤和土地利用等因子密切相关。本文利用GIS栅格数据模型构建了流域累积土壤水分补给量的分布式模型，并应用于鄂尔多斯高原的考考赖沟流域。结果分析表明，模型能够合理地表达累积土壤水分补给量的空间变化规律。这对于我国半干旱山地丘陵地区的土地利用结构的空间安排、植被生态建设与恢复具有重要意义。 关键词：栅格数据模型 土壤水分 鄂尔多斯 地理信息系统 数字水文

2、模型是构建在数字高程模型(DEM:Digital Elevation Model)基础之上的一种分布式水文模型，它以流域面上分散的水文参数和变量来描述流域水文时空变化的特性。利用GIS栅格数据模型进行地表水文特性的研究，是国际上的热点研究领域。对此已有学者开发和建立了不同的算法和模型1,2,6,8,13，同时也进行了相应的应用研究7,14。本文以鄂尔多斯高原的考考赖沟流域为例，利用GIS空间分析技术，建立研究区的数字高程模型。在此基础上，建立基于栅格系统的水流模型。然后根据土壤水分平衡原理，建立累积土壤水分补给量的准分布式模型，分析不同地形条件对土壤水分补给量分布的影响。模型的建立与实现对于研

3、究不同地形条件下潜在生态恢复的可能性、水土资源的耦合以及土地资源潜力的发挥具有重要意义。1 模型的建立1.1 累积土壤水分补给量模型 累积土壤水分补给量是指在降雨过程中能够为土壤所保持的部分，只有这一部分降雨能够为植被所潜在利用。它的空间分布不仅与土壤本身的物理属性有关，而且还与地形坡度、高度、土地利用类型与管理措施等密切相关。 累积土壤水分补给量模型采用GIS中栅格数据模型，把由11万地形图得到的封闭流域数字化，利用GIS软件ArcView3.2，把它转成栅格文件，栅格大小为10m10m。针对每个栅格，依据水量平衡原理，建立累积土壤水分补给量的计算公式为： (3)式中常数254为单位转换系数

4、，使S由英寸转换为毫米。曲线数字是土壤类型、土地利用类型、管理措施和前期降水的函数，其取值范围是0100(不等于0)，因此当CN100时，S0，并且QP。1.3 渗漏 每个栅格的渗漏取决于单位深度土体土壤的最大持水量，考虑到植物根系的主要吸水深度和本研究所在区域的降水量的大小与分布，以1m土体的深度为界，采用如下公式：(4)式中：Di为栅格i的渗漏量(mm)；Smax为栅格i最大持水量(mm)；Si为栅格i得到的累积土壤水分补给量(mm)。1.4 栅格水流模型 确定各个栅格单元的水流方向是采用DEM进行地表水文分析的基础。一个栅格的水流方向就是水体从其中流出的方向。本文建立栅格水流模型的具体方

5、法是：将被处理的栅格同其最邻近的8个栅格单元之间的坡降进行比较，被处理栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元中坡降最大的一个栅格单元中心之间连线的方向便定义为被处理栅格的水流方向，并且规定一个栅格的水流方向用一个数字表示。有效的水流方向定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并分别用128、1、2、4、8、16、32和64表示(图1)被处理栅格单元K同相邻8个栅格单元之间坡降的算法为(Jenson and Domingue,1988):Zi)为与计算栅格单元相邻的栅格的属性值。 在水流模型的建立过程中，由于一些高程数据的采样误差和高程数据取整所引起的数据误差和研究区内的特殊地貌类型会导致一些

6、栅格存在无效水流方向，使模型产生沉降点。沉降点在计算机处理时其水流方向不能用8个有效的代表流向的数字来表示，可能是一个栅格或相互联结的一系列栅格。地表水流方向的确定必须对沉降点进行纠正和消降。模型实现的流程示意图如图2。图3 累积土壤水分补给量的分布 2007-04-23图6表示了不同坡度下累积土壤水分补给量与平均植被指数的统计分布。可以看出，累积土壤水分补给量和植被指数的分布均随坡度的增大而降低，二者具有很好的一致性。这与坡度较小的地方具有较高的土壤水分的补给有关，同时也与半干旱地区植被主要受水分影响而分布是吻合的。说明了模型能够合理地表达了累积土壤水分补给量随空间而变化的规律。 图7表示不

7、同海拔高度的地形部位所接受的土壤水分补给量与植被指数的差异。在大于1300m的地形上，随地形高度的增大，土壤得到的水分补给量逐渐降低。这是由于在暴雨发生的情况下，地形高处的径流汇集到低洼地方入渗的缘故。由该段植被指数的变化可以看出植被受土壤水分供给的影响，其变化与土壤水分的补给量具有很好的一致性。流动和半流动沙丘在该流域主要分布于海拔低于1300m的区域内，植被指数在该段为负值或很低，也说明该部位为裸沙地或植被的发育很差。这与该部位具有较高的土壤水分补给不一致，它说明该区域内植被恢复的可能性。土壤水分补给量随不同地形条件的这种变化，反映了空间地理位置和地形对实际降水收入的影响，与植被随地形条件

8、的变化对比分析，也揭示了植被恢复的可能性。3 结 论 地理信息系统的栅格数据模型便于数据的操作与处理，从而具有强大的空间分析能力。利用它进行水文分析与模拟是目前较为活跃的一个研究领域，它不仅可以进行流域宏观的径流分析与预测，而且对流域内部的水分特征也可以通过分布式模型进行模拟。借助于该类GIS数据模型系统，本文对流域土壤水分补给的空间分布进行了建模与验证。分析结果表明，模型较合理地表达了土壤水分补给随空间的变化规律，在降雨产流及存在壤中流的情况下，流域内各点的实际土壤水分补给与地形、土壤和土地利用等因素密切相关。水分限制是我国干旱和半干旱地区土地生产潜力发挥的主要因子之一,根据土壤水分的空间分

9、布特点，进行水土资源的合理配置，对于适当的安排土地利用的空间结构与布局，维持区域生态稳定，充分发挥土地资源的潜力具有重要意义。参 考 文 献：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

10、 J. A Physically based, variable ContributingArea model of basin hydrologyJ. Hydrological Bulletin, 1979,24(1):43-69.3 Boughton W C. A review of the USDA SCS curve number methodJ. Aust. J. Soil Res.1989,27:511-523.4 Greenlee D D. Raster and Vector Processing for Scanned LineworkJ. Photogrammetric En

11、gineering and Remote Sensing,1987,53(10):1383-1387.5 Jendon S K. Application of Hydrologic Information AutomaticallyExtracted from Digital Elevation Models J. Hydrological Processes,1991,(5):31-44.6 Jenson S K, J O Domingue. Extracting Topographic Structure fromDigital Elevation Data for Geographic

12、Information System AnalysisJ. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1988,54(11):1593-1600.7 Kao J J. Determining drainage pattern using DEM data for nonpointsource water quality modelingJ. WaterScienceandTechnology.1992,26(5-6):1431-1438.8 Martz L W. Garbrecht J. Automated recognition of va

13、lley linesand drainage networks from grid digital elevation models: a review and a new methodCommentJ. JournalofHydrologyAmsterdam.1995,167(1-4):393396.9 Nicholson S E, Farrar T J. The influence of soil type on the relationships between NDVI, rainfall, and soil moisture in semiarid Botswana.I. NDVI response to rainfallJ. Remote Sens. Environ.,1994,107-120.10 Nicholson S E, Tucher C J, Ba M B. Desertification, Drought, and Sufrace Vegetation: An example from the West African Sahel