基于Geo-HMS和SWAT模型对山区小流域水文参数提取的适用性分析

张泽宇，常文凯，吴名剑

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 研究背景

现阶段水利工作者提取山区流域参数大都通过1∶1万地形图或者1∶5万地形图，根据流域分水岭划分流域界限和描绘河流情况。该方法耗时长，易出错，耗费较大的人力物力，对于大流域的处理更是费时费力。因此为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等专门处理流域参数的模型，大大方便了对流域水文参数提取的前期处理工作。

SWAT模型是一种具有较强物理机制的分布式水文模型，能够模拟出不同情形下流域的物理过程，与其他水文模型相比，SWAT能更好的反应降水和下垫面条件变化造成的产汇流过程变化，是非一致性条件下水文过程模拟的最有效模型[1-3]。

Geo-HMS模型是HMS水文模型的一个数据处理模块，专门用于HMS数据的前期处理工作，其处理后的文件可直接导入HMS建模使用[4-5]。其处理流程一般是先对DEM进行预处理，得到填洼后的DEM再进行水文空间分析计算，通过流向制定流域集水能力图，进而划分积水区域，再利用试误法自动设置河网阈值，最后得到子流域、水系和流域边界等文件[6]。

针对上述特点，文章运用Geo-HMS和SWAT水文模型对不同分辨率下的石梁河流域DEM图进行水文参数提取分析，探讨了两种模型在贵州地区的适用性。

2 研究区域概况及数据来源

2.1 研究区域概况

石梁河发源于贵州省松桃县石梁乡两岔河村尖山，是典型的山区雨源型河流，河源高程1524.2m，总体由东北向西南径流，自源头由北向南流经大河、石梁、胜利、杨家对门，在杨家对门进入印江县镜内，继续向南流经水洞口、新光、乌巢，在乌巢折向西南流，经寨王坳、黄家、祠堂边、木黄，在木黄汇入金厂河，汇口高程725m。石梁河杨家对门以上(松桃县境内)流域集水面积为38.2km2，主河道长14.5km，主河道比降18.3‰，流域形状系数为0.18，几何特征值为22.13。

2.2 数据来源

数据主要有两类，其一为石梁河流域的实际数据，其二为石梁河流域松桃县境内部分的DEM图。其中石梁河流域的实际流域面积和水系采用该区域的1:1万精度地形图勾绘得出，其比降等参数采用各个河段的高程、间距计算得出；30M分辨率的DEM图通过地理空间数据云网站(www.gscloud.cn)下载并提取得出，12.5M分辨率的DEM图来源于NASA Earth Data。

图1 石梁河流域30m精度DEM图 图2 石梁河流域12.5m精度DEM图

3 流域参数提取及分析

基于以上情况，利用Geo-HMS和SWAT水文模型分别对两种精度的DEM图进行提取，为能更加证实两种模型在山区水文参数提取的适用性及优劣性，本研究在提取过程中不对其生成参数作改变，皆由其默认生成。

其中，流域的参数主要有面积(F)，河长(L)，比降(J)，流域形状系数，及几何特征(θ)。

1)河道平均比降J表示河道各个河段比降的加权平均比降，计算公式为：

(1)

式中：Z0、…Zn为从下游到上游沿程各点河底高程，m；L1……Ln为相邻两高程点间的距离，m；L为河段全长，m。

2)流域形状系数为流域平均宽度与流域长度的比值。流域形状系数是以定量的方式表示流域的形状，一般而言，扇形流域的系数较大，狭长流域则较小。

3)几何特征值θ是流域的形状、面积、长度、平均高程、平均宽度、平均坡度、不对称系数等的总称，计算公式为：

θ=L/F1/4×J1/3

(2)

式中：L为河长，m；F为流域面积，km2；J为平均比降。

3.1 模型提取结果

模拟结果如图、表所示。

1)Geo-HMS

图3 30m精度提取出的流域及水系图 图4 12.5m精度提取出的流域及水系图

2)SWAT

3.2 分析研究

将上述模拟结果与石梁河流域真实数据对比分析，计算出其相对误差，以此确定两种模型在不同精度DEM图下在山区流域的适用性。

图5 30m精度提取出的流域及水系图 图6 12.5m精度提取出的流域及水系图

根据表1和表3所示，在利用Geo-HMS对两种精度的DEM提取的结果中只有比降值的相对误差较大，其余几项的相对误差较小，根据河源高程来看，精度越高，误差越小，也符合实际情况。

表1 Geo-HMS提取两种精度的结果

表2 SWAT模型提取两种精度的结果

表3 Geo-HMS提取处的参数误差(%)(绝对值)

根据表2和表4所示，SWAT模型提取的结果中也只有比降的误差较大，其余几项都和实际情况较符合。

表4 SWAT模型提取处的参数误差(%)(绝对值)

根据表3和表4，综合考虑六项指标值，在相同精度下，Geo-HMS提取出来的流域参数要优于SWAT模型。因此在提取山区小流域的水文特征值时，两种模型都能有效代替现行的处理方式，能大幅度的缩减时间和人力，且Geo-HMS相对更加可靠。

4 结 论

以石梁河流域为基础，通过运用两种不同的水文自动化提取流域参数的模型，对不同精度的DEM图分别提取其流域特征参数，再与实际参数作对比分析，探讨两种模型在山区流域的适用性及优劣性，研究结论如下：

1)两种模型的流域参数模拟值都较为接近实际值，除比降相对误差稍大外其余参数均低于10%，两种模型都能较好的提取出流域的各项水文特征值。

2)不同精度的DEM图对模拟结果的影响不大，相较而言，精度越高河源高程和比降的误差越小。

3)综合文章所列举的六项水文特征参数，提取相同精度的DEM图时Geo-HMS提取出来的流域参数要优于SWAT模型，在提取山区流域特征值时可优先考虑Geo-HMS模型。

通过对不同精度的DEM图进行流域水文参数提取分析，探讨两种水文模型在提取山区流域参数的适用性，得到的结果和研究还不够全面和深入，对于模型中各项默认参数的优化、DEM图的预处理等还需要进一步的研究与分析。