不同土地利用类型阈值对水文响应单元划定的影响

郑贵元 李建贵 孙伟 王雯清 侯晓臣

摘要 为了在焉耆盆地应用WASSI模型，须在焉耆盆地划定水文响应单元。通过ARCGIS软件引用适度指数法划定子流域后，增加了不同土地利用分类阈值，对比分析后叠加了合理阈值，通过土地利用图划定出水文响应单元。结果表明，采用土地利用分类阈值为18%时划定水文响应单元为佳，此时水文响应单元数划定为11个。在水文响应单元的划定中主要影响因素是子流域划分以及土地分类利用图阈值，采用合理土地利用分类阈值所得的水文响应单元应同时具有利于计算和阈值适中两大优点。

關键词 水文响应单元；土地利用类型阈值；WASSI模型；焉耆盆地

中图分类号 P208 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）04-0288-03

Abstract In order to apply WASSI model in Yanqi basin，the hydrologic response unit should be demarcated in Yanqi basin.After using the ARCGIS software to quote the moderate index method，the different land use classification thresholds were added after comparing the different land use classification thresholds.After that，a reasonable threshold value was superimposed，and the hydrological response unit was delineated by the land use map.Results showed that when the land use classification threshold was 18%，it was better to delimit the hydrological response unit.At this time，the number of hydrological response units was defined as 11.In the demarcation of hydrological response units，the main influence factors were the sub basin delineation and land use classification thresholds，the hydrologic response unit obtained by using reasonable land use classification threshold should also have two advantages that easy to calculate and the threshold was moderate.

Key words hydrological respone unit；land use type threshold；WASSI model；Yanqi basin

众所周知，水是一切生命生存和发展的物质基础[1]。近年来，随着人口的增长和经济发展的需要，水资源短缺的问题越来越严重。为了解决水资源不足问题，各研究领域的专家及政府都积极地为解决此问题做出了许多努力[2-5]。在众多解决水资源短缺的方法中，使用水文模型进行区域水文模拟，为人为进行区域水碳资源综合调控提供参考意见，是解决水资源短缺的一种科学方法[6]。

新疆维吾尔自治区是我国著名的林果种植大省，然而因地处西北干旱半干旱地带，水资源总量并不丰富，近年来新疆常发的旱灾就是因水资源短缺从而导致林果产量减产甚至果树旱死[7]，这种情况严重制约了新疆林果业的发展。

焉耆盆地地处新疆，气候特点为昼夜温差大，属于大陆性干旱气候，水资源短缺情况较为严重[8]。为了解决焉耆盆地水资源短缺问题，本研究使用的模型为WASSI水文模型，WASSI模型是一个能分析区域水碳资源之间耦合关系的分布式水文模型，通过WASSI模型可以量化焉耆盆地水碳资源变化情况，应用WASSI模型需要在焉耆盆地划定水文响应单元。利用分布式水文模型对研究区域进行水文分析时常以单元格来划定[6]，随着对水文模型的进一步研究，开始采用水文响应单元来分析研究区域水文，本文通过设定不同土地利用阈值深入分析了对水文响应单元划定影响较大的因素，使得水文响应单元的划定更具有合理性，为利用WASSI水文模型在焉耆盆地人为解决水资源短缺问题提供了基础。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

本文选取焉耆盆地为研究区，该流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州东北部，焉耆盆地包括焉耆、和硕、博湖3个县以及和静县的东部、拖克逊县西北部。海拔1 100 m左右，地理纬度为东经86°39′～88°20′、北纬41°23′～43°31′[9]。焉耆盆地多年平均温度为8～9°C[10]，年降雨量50～80 mm，年蒸发能力2 000～2 450 mm[11]。

1.2 数据来源及说明

焉耆盆地水文响应单元划定的数据基于DEM数字高程模型，在划定子流域后通过叠加土地覆盖数据后得到水文响应单元。本文所用到的DEM数字高程模型和土地利用分类来自地理空间数据网，河网水系图从DEM数字高程模型中分析提取。

1.3 研究方法

本文使用ARCGIS软件进行水文响应单元的划定。在ARCGIS软件中输入DEM数字高程模型，采用适度指数法对流域河网进行提取计算，对结论进行分析后使用ARCGIS的水文分析模块进行盆域分析得到子流域图，最后将土地利用分类数据叠加进子流域图得到水文响应单元。具体处理流程见图1。

1.4 计算方法

划定水文响应单元的方法目前有适度指数法和最小面积阈值法等[12-13]。本文引用适度指数法来计算河流长度。河流的流向根据统计年鉴以及ARCGIS软件中的河流流向分析得出为自西向东流。计算河流长度的方法为以主流道上的偏支为多余河流长度，以孤立的河流为不足的水流长度。计算的河流流向起点以及观测的流向起点见图2。

1.5 适度指数计算公式

本研究引用了张 旭等[12]的适度指数计算公式计算，计算公式如下：

F=■

Li代表不足的水流长度，Lr代表多余的水流长度，S代表多余或不足的水流长度，LT代表河流水系总长度。通过此公式统计多余的河流长度以及不足的河流长度计算出河流总长度后即可计算出适度指数。

2 划定过程和结果

2.1 不同阈值河网图

图3为不同阈值所得的河网图。3个图的阈值根据经验所得，分别设定3个图的阈值为5 000、10 000以及20 000。绘制河网图的方法是首先在ARCGIS中加载DEM数据以及焉耆盆地的边界矢量数据剪切出焉耆盆地的地图，然后采用填洼处理得到无洼地图，之后进行流向计算，最后在地图代数的栅格计算中输入不同河网阈值即可设定不同的河网阈值。依据这3个经验阈值所绘河网图见图3。图3（a）上河流数最多，图3（c）的河流数最少，图3（b）的河流数量处于图3（a）和3（c）之间。通过统计河流长度即得到了表1所示的适度指数。

2.2 适度指数划分

本文在设定不同河网阈值后统计了不同阈值图的河流长度数值。具体情况见表1。

图4为用适度指数法所绘制的阈值分析图，选择折线的顶点为最佳河网阈值取值，在图中可以明显看出折线的顶点处于阈值10 000～20 000中间，因而选择河网阈值为15 000作为最适河网值。

2.3 水文响应单元划定

在确定河网值后，在ARCGIS中使用水文分析中的盆域划分命令划出了焉耆盆地子流域图，之后需要得出合理的土地利用分类阈值与子流域图进行叠加即可得到水文响应单元。图形叠加有2种方法，一种为图层空间叠加法，另一种为空间叠加法[14]。本文研究的焉耆盆地为较小的盆地，根据此情况以选择图层空间叠加法为宜。

张 旭等[12]在洞庭湖水文响应单元的划定中，土地利用分类图设定了A、B、C、D、E 5种土地利用类型，根据每种土地利用分类图在洞庭湖所占比例设定了一个阈值，阈值为15%。张德建[15]在SWAT模型中针对加拿大水文响应单元的划定时，对土壤特性、土地利用类型和坡度分别设定了3个不同的阈值为5%、10%和20%，进行水文响应单元的划定。这表明水文响应单元的划定应依据研究区的情况来决定土地利用分类的阈值。

本文把焉耆盆地设定为5种土地利用分类图，分别为水域、建筑用地、耕地、牧草地以及未开发利用地。为了得出相对较优的阈值，本文决定设定不同阈值进行对比，通过设定不同阈值进行对比分析后再决定合理设定阈值的数值。表2为不同土地利用分类阈值表，此土地利用分类阈值的设定根据经验所得，即在参考了多人划定水文响应单元的阈值后所设定，设定不同的阈值后使用ARCGIS中的融合将低于阈值的土地利用地融合到邻近土地中，这是处理焉耆盆地中低于表2设定阈值的土地处理方法，之后再进行图层空间叠加。子流域图划定后还需要进行后处理，以消除子流域上过于细小的区域，从而使其符合WASSI模型运行所需。

通过以上不同阈值处理结果对比分析后可发现，随着土地利用分类图的阈值增大水文响应单元数反而来越来越少。结合模型运行时所需的水文响应单元划定数量越少就越利于计算，但不能只选择水文响应单元数最少的阈值进行水文响应单元的划定[12，15]。水文响应单元数越少计算精确度也会相应下降，从而无法保证模型运算的准确度。因此，结合WASSI模型运行情况所需以及前人经验，以选择土地利用分类图阈值为18%最佳。当采用土地利用分类阈值为18%时，水文响应单元的划定结果见图5，水文响应单元数为11个。

3 结论与讨论

水文响应单元比栅格单元更能模拟区域地貌特性，因而选用水文响应单元应用于WASSI模型在焉耆盆地是适宜的。通过使用ARCGIS软件的水文分析将焉耆盆地划定为11个水文响应单元，每个水文响应单元的土地利用类型相对单一，这种划定方案有利于水文分析。水文响应单元的不同划定方案对WASSI模型在焉耆盆地的应用具有不同的影响作用，因而划定水文响应单元时选择较为成熟的水文响应单元划定方案来划定水文响应单元具有较高的合理性，在本文的研究中水文响应单元的划定基于成熟的划定方案并且结合实际情况综合考虑了模型计算复杂度和水文模型的精确度问题，具有较高的合理性[16]。

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