DEM空间分辨率对流域水文特征信息提取及径流模拟影响研究

2018-06-14马原

水利规划与设计 2018年5期

马原

(辽宁省锦州水文局,辽宁锦州 121000)

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是目前被广泛应用于流域污染负荷计算的模型，由美国农业部(USDA)将SWRRB和ROTO模型综合利用形成，目前已在50多个国家的不同流域得到应用和推广。水文学者Beven将水文模拟的特点主要分为尺度界限、等效分析、唯一性标准、非线性和不确定性等5个特征。近年来，利用DEM数字高程在水文学多个领域被广泛的研究和应用，其计算结果被科学、准确地应用于分布式水文模拟研究分析方面[1]。研究流域的河长、宽度、坡度以及流域边界条件等河网参数的准确提取受DEM空间分辨率的影响显著[2]。一般情况下，DEM空间分辨率和精确度越高，对河流的信息提取和描述就越真实可靠，越能准确反应出研究流域下垫面层的水文结构分布状况，其分布式水文模型的模拟结果就越好。然而，现阶段如何获得高精度的DEM数据仍需要进一步的研究和探讨，且对于大尺度空间的研究流域，高分辨率的DEM数据可能会导致计算机运行缓慢，甚至无法满足计算的要求，不仅会明显降低计算机的运算速度，而且可能导致运算结果的不准确[3- 4]。

基于DEM数字高程模型的水文参数是分布式水文模型的重要输入数据，其精度和分辨率将直接影响到研究流域的水文特征信息和径流模拟结果的准确性和可靠性，是进行分布式水文模型模拟的重要基础和参考依据。据此，文章开展相关DEM精确性对水文模型模拟结果的相关研究，为提高分布式水文模型输入水文信息的真实性和有效性提供一定的理论支持和科学依据[5]。

1 区域概况及数据来源

1.1 区域概况

选择大凌河流域为研究对象，该流域位于我国辽宁省西部，水土流失严重，泥沙含量较大，约为57kg/m3。资料显示9月和10是该流域的降雨旺季，年降水量为450～600mm，径流量约为16.67亿m3。大凌河主要包括北、西、南三处发源区。北源区自北向南，径流自凌源县万元店至凌源县城南辛杖子汇入西源；南源自建昌县经喀左县与西、北两源汇流。三源汇流后由西南向东北方向径流，沿线径流包括朝阳县、北票市、义县、锦县，最终流入渤海[6- 8]。

1.2 数据来源

文章参考借鉴了6个气象站在1982～2014年的水文气象数据，并以1982～1985年的降雨监测数据以基准，主要包括大凌河流域的降雨量、日照时长、风速、温度、湿度、蒸散发量、太阳辐射等水文参数；大凌河流域的数字高程DEM数据在GIS上截出，并用于水系提取和流域离散化处理，精度为1∶33万；1∶25万水系分布数据由水利部水文局提供；土壤类型图精度为1∶33万，包括土壤类型分布和土壤化学属性；土地利用图的精度为1∶10万，由环境与生态科学研究中心提供。上述介绍的所有数据均采用统一的投影坐标系统，即UTM_Zone_48N椭球投影坐标系统。

2 研究方法

2.1 SWAT模型简介

分布式SWAT水文模型被美国学者最先提出并得到研究和应用，该模型具有参数设置少、所需资料少、操作简便等优点，被国内外学者广泛应用于大尺度、长时段的水文模拟研究。大量的水文学者认识到SWAT水文模型可广泛应用于水文资源模拟中，且模型模拟的结果精确度较高，能较好地反应出研究流域的实际情况，是目前在水文研究领域应用较为成熟的模型之一[9]。

2.2 研究方法

SWAT水文模型有不同的设置参数，可对研究流域在不同的水文影响下进行水文过程模拟。TOPAZ软件包是SWAT模型的主要计算元件，TOPAZ是进行河网水系坡度、河长以及河网边界等水文要素特征信息提取以及进行子流域划分的重要工具，SWAT模型是基于TOPAZ对水文要素特征信息的提取进行径流模拟的影响研究。故文章充分利用Arc Hydro Tools工具的计算特性和优点，以TOPAZ模块为基础开展水文特征信息和受DEM空间分辨率大小的影响研究。地表径流、河网汇流、蒸散发模型和数据差值算法均可在SWAT水文模型中应用和计算，其已被广泛应用于水文模拟分析中，且模拟结果表现出较高的可靠性[10]。

2.3 数据处理

研究中利用NEAREST法分别对空间分辨率为30m的ASTER DEM数据进行反复的取样计算。为了便于计算和数据处理，文章采用25×2n指数法进行反复取样，当n为0，1，2，……，7时，DEM空间分辨率分别为25m，50m，100m，200m，400m，800m，1600m，3200m。

2.4 评估标准

文章在分析比较的基础上，为提高计算模型模拟效果的可靠性，选取效率系数(ENS)、相对误差(Dv)以及径流过程线得出确定性系数(R2)进行模型模拟结果的评价。流域水量偏差估计一般采用径流过程线和相对误差(Dv)参数；模型的整体模拟效果以及准确性分析通常采用效率系数(ENS)和确定性系数(R2)，计算方程如下所示。

(1)

式中，Dv—相对误差；O—观测的平均值；P—预测平均值。

(2)

式中，ENS—流域污染模拟效率系数；Oi—i时刻的观测值；Pi—i时刻的模拟值；其他同上。

(3)

式中，R2—确定性系数；其他同上。

文章建立的水文模型模拟结果评价标准见表1。

表1 水文模拟结果评价标准

3 构建SWAT模型并率定

3.1 建立模型

利用6个气象站的降雨数据建立天气发生器，并将15个雨量站在1982～1985年的日降雨量监测数据输入模型，收集DEM分辨率为30m的土地利用类型、土壤类型以及植被覆盖率为研究流域的水文下垫面信息。河网集水面积阀值为120km2，以多种HRU划分方式对土壤类型、面积等进行设置，并设定最小面积阀值比为10%；产汇流计算利用SCS模型，并以马斯京根法进行汇流计算。

3.2 参数率定

文中选取敏感性较高的参数进行率定，并选取典型的大城子水文站、朝阳水文站和凌海水文站进行模型在月尺度径流的参数率定。根据上述三个具有一定代表性的水文站实测数据，SWAT模型在不同时期的模拟结果见表2。

表2 月尺度径流的模拟率定计算结果

由表2可知，月尺度径流模拟结果均表现出良好的精度和准确性，相对误差均小于15%，三个水文站的效率系数在验证期均大于0.80，在率定期在0.78～0.88之间，同样表现出良好的准确性，确定性系数R2值在0.88～0.95之间。验证期较率定期总体计算值偏高，但变化规律基本一致，总体反映了研究区的实际情况，满足流域面源污染模拟的精度规范要求。SWAT模型经过率定后，可用于对其他方面的研究模拟计算，可利用SWAT模型探讨水文参数及径流量受空间分辨率的影响研究。

4 影响研究

4.1 水文特征信息提取影响

文章充分利用了Arc Hydro Tools工具的计算特性和优点，然后以TOPAZ模块为基础建立的SWAT水文模型开展了水文特征信息提取受DEM空间分辨率大小影响的研究，8种DEM空间分辨率对水文特征信息的提取结果见表3。

表3 不同DEM空间分辨率下的大凌河流域水文特征信息汇总表

由表3可知，在不同的DEM分辨率下河流平均高度变化幅度最小，而最低高程随着分辨率的减少逐渐增大，最高高程随分辨率的减少而逐渐减少，研究表明河流的地势结构随分辨率的降低而趋于平缓；不同分辨率条件下，模型对流域的河网总长计算结果存在较大差异，河网总长随空间分辨率的降低而减少，DEM分辨率大于400m时河网总长变化幅度明显增大；随分辨率的降低大凌河流域面积和子流域个数呈减少发展趋势，即分辨率越低对流域的信息判断越不准确，流域的边界线分析趋于模糊。

4.2 径流模拟影响研究

文章利用效率系数(ENS)、相对误差(Dv)以及径流过程线得出确定性系数(R2)进行模型模拟结果的评价，计算结果见表4。

表4 各水文监测站在不同分辨率下的模拟结果

结果表明：随着空间分辨率的降低，文中所选的三个水文站其模拟径流的效率系数和确定性系数均表现出降低的趋势，当分辨率在25～200m区间时，R2和ENS降低幅度较低，当分辨率在400～3200m时，二者的降低幅度明显提高；大凌河洪峰流量模拟结果与实测结果误差随DEM空间分辨率的降低而逐渐增大，模拟径流拟合曲线吻合度逐渐朝着扩散方向发展。采用相对误差表征流域径流模拟总量和实测总量之间的误差，Dv值的大小代表模拟与实测之间的贴近程度，值越大则模拟结果偏差越大，值越小则模拟结果越好。研究表明：三个水文站的径流量变化随空间分辨率的降低无明显的规律性，即DEM空间分辨率对流域的径流量影响无明显的相关性，而径流总量的变化趋势与Dv值的正负保持一致性。