不同土地利用類型閾值對水文響應單元劃定的影響

鄭貴元 李建貴 孫偉 王雯清 侯曉臣

摘要 為了在焉耆盆地應用WASSI模型，須在焉耆盆地劃定水文響應單元。通過ARCGIS軟件引用適度指數(shù)法劃定子流域后，增加了不同土地利用分類閾值，對比分析后疊加了合理閾值，通過土地利用圖劃定出水文響應單元。結(jié)果表明，采用土地利用分類閾值為18%時劃定水文響應單元為佳，此時水文響應單元數(shù)劃定為11個。在水文響應單元的劃定中主要影響因素是子流域劃分以及土地分類利用圖閾值，采用合理土地利用分類閾值所得的水文響應單元應同時具有利于計算和閾值適中兩大優(yōu)點。

關鍵詞 水文響應單元；土地利用類型閾值；WASSI模型；焉耆盆地

中圖分類號 P208 文獻標識碼 A 文章編號 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

眾所周知，水是一切生命生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎[1]。近年來，隨著人口的增長和經(jīng)濟發(fā)展的需要，水資源短缺的問題越來越嚴重。為了解決水資源不足問題，各研究領域的專家及政府都積極地為解決此問題做出了許多努力[2-5]。在眾多解決水資源短缺的方法中，使用水文模型進行區(qū)域水文模擬，為人為進行區(qū)域水碳資源綜合調(diào)控提供參考意見，是解決水資源短缺的一種科學方法[6]。

新疆維吾爾自治區(qū)是我國著名的林果種植大省，然而因地處西北干旱半干旱地帶，水資源總量并不豐富，近年來新疆常發(fā)的旱災就是因水資源短缺從而導致林果產(chǎn)量減產(chǎn)甚至果樹旱死[7]，這種情況嚴重制約了新疆林果業(yè)的發(fā)展。

焉耆盆地地處新疆，氣候特點為晝夜溫差大，屬于大陸性干旱氣候，水資源短缺情況較為嚴重[8]。為了解決焉耆盆地水資源短缺問題，本研究使用的模型為WASSI水文模型，WASSI模型是一個能分析區(qū)域水碳資源之間耦合關系的分布式水文模型，通過WASSI模型可以量化焉耆盆地水碳資源變化情況，應用WASSI模型需要在焉耆盆地劃定水文響應單元。利用分布式水文模型對研究區(qū)域進行水文分析時常以單元格來劃定[6]，隨著對水文模型的進一步研究，開始采用水文響應單元來分析研究區(qū)域水文，本文通過設定不同土地利用閾值深入分析了對水文響應單元劃定影響較大的因素，使得水文響應單元的劃定更具有合理性，為利用WASSI水文模型在焉耆盆地人為解決水資源短缺問題提供了基礎。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取焉耆盆地為研究區(qū)，該流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州東北部，焉耆盆地包括焉耆、和碩、博湖3個縣以及和靜縣的東部、拖克遜縣西北部。海拔1 100 m左右，地理緯度為東經(jīng)86°39′～88°20′、北緯41°23′～43°31′[9]。焉耆盆地多年平均溫度為8～9°C[10]，年降雨量50～80 mm，年蒸發(fā)能力2 000～2 450 mm[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及說明

焉耆盆地水文響應單元劃定的數(shù)據(jù)基于DEM數(shù)字高程模型，在劃定子流域后通過疊加土地覆蓋數(shù)據(jù)后得到水文響應單元。本文所用到的DEM數(shù)字高程模型和土地利用分類來自地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)，河網(wǎng)水系圖從DEM數(shù)字高程模型中分析提取。

1.3 研究方法

本文使用ARCGIS軟件進行水文響應單元的劃定。在ARCGIS軟件中輸入DEM數(shù)字高程模型，采用適度指數(shù)法對流域河網(wǎng)進行提取計算，對結(jié)論進行分析后使用ARCGIS的水文分析模塊進行盆域分析得到子流域圖，最后將土地利用分類數(shù)據(jù)疊加進子流域圖得到水文響應單元。具體處理流程見圖1。

1.4 計算方法

劃定水文響應單元的方法目前有適度指數(shù)法和最小面積閾值法等[12-13]。本文引用適度指數(shù)法來計算河流長度。河流的流向根據(jù)統(tǒng)計年鑒以及ARCGIS軟件中的河流流向分析得出為自西向東流。計算河流長度的方法為以主流道上的偏支為多余河流長度，以孤立的河流為不足的水流長度。計算的河流流向起點以及觀測的流向起點見圖2。

1.5 適度指數(shù)計算公式

本研究引用了張 旭等[12]的適度指數(shù)計算公式計算，計算公式如下：

F=■

Li代表不足的水流長度，Lr代表多余的水流長度，S代表多余或不足的水流長度，LT代表河流水系總長度。通過此公式統(tǒng)計多余的河流長度以及不足的河流長度計算出河流總長度后即可計算出適度指數(shù)。

2 劃定過程和結(jié)果

2.1 不同閾值河網(wǎng)圖

圖3為不同閾值所得的河網(wǎng)圖。3個圖的閾值根據(jù)經(jīng)驗所得，分別設定3個圖的閾值為5 000、10 000以及20 000。繪制河網(wǎng)圖的方法是首先在ARCGIS中加載DEM數(shù)據(jù)以及焉耆盆地的邊界矢量數(shù)據(jù)剪切出焉耆盆地的地圖，然后采用填洼處理得到無洼地圖，之后進行流向計算，最后在地圖代數(shù)的柵格計算中輸入不同河網(wǎng)閾值即可設定不同的河網(wǎng)閾值。依據(jù)這3個經(jīng)驗閾值所繪河網(wǎng)圖見圖3。圖3（a）上河流數(shù)最多，圖3（c）的河流數(shù)最少，圖3（b）的河流數(shù)量處于圖3（a）和3（c）之間。通過統(tǒng)計河流長度即得到了表1所示的適度指數(shù)。

2.2 適度指數(shù)劃分

本文在設定不同河網(wǎng)閾值后統(tǒng)計了不同閾值圖的河流長度數(shù)值。具體情況見表1。

圖4為用適度指數(shù)法所繪制的閾值分析圖，選擇折線的頂點為最佳河網(wǎng)閾值取值，在圖中可以明顯看出折線的頂點處于閾值10 000～20 000中間，因而選擇河網(wǎng)閾值為15 000作為最適河網(wǎng)值。

2.3 水文響應單元劃定

在確定河網(wǎng)值后，在ARCGIS中使用水文分析中的盆域劃分命令劃出了焉耆盆地子流域圖，之后需要得出合理的土地利用分類閾值與子流域圖進行疊加即可得到水文響應單元。圖形疊加有2種方法，一種為圖層空間疊加法，另一種為空間疊加法[14]。本文研究的焉耆盆地為較小的盆地，根據(jù)此情況以選擇圖層空間疊加法為宜。

張 旭等[12]在洞庭湖水文響應單元的劃定中，土地利用分類圖設定了A、B、C、D、E 5種土地利用類型，根據(jù)每種土地利用分類圖在洞庭湖所占比例設定了一個閾值，閾值為15%。張德建[15]在SWAT模型中針對加拿大水文響應單元的劃定時，對土壤特性、土地利用類型和坡度分別設定了3個不同的閾值為5%、10%和20%，進行水文響應單元的劃定。這表明水文響應單元的劃定應依據(jù)研究區(qū)的情況來決定土地利用分類的閾值。

本文把焉耆盆地設定為5種土地利用分類圖，分別為水域、建筑用地、耕地、牧草地以及未開發(fā)利用地。為了得出相對較優(yōu)的閾值，本文決定設定不同閾值進行對比，通過設定不同閾值進行對比分析后再決定合理設定閾值的數(shù)值。表2為不同土地利用分類閾值表，此土地利用分類閾值的設定根據(jù)經(jīng)驗所得，即在參考了多人劃定水文響應單元的閾值后所設定，設定不同的閾值后使用ARCGIS中的融合將低于閾值的土地利用地融合到鄰近土地中，這是處理焉耆盆地中低于表2設定閾值的土地處理方法，之后再進行圖層空間疊加。子流域圖劃定后還需要進行后處理，以消除子流域上過于細小的區(qū)域，從而使其符合WASSI模型運行所需。

通過以上不同閾值處理結(jié)果對比分析后可發(fā)現(xiàn)，隨著土地利用分類圖的閾值增大水文響應單元數(shù)反而來越來越少。結(jié)合模型運行時所需的水文響應單元劃定數(shù)量越少就越利于計算，但不能只選擇水文響應單元數(shù)最少的閾值進行水文響應單元的劃定[12，15]。水文響應單元數(shù)越少計算精確度也會相應下降，從而無法保證模型運算的準確度。因此，結(jié)合WASSI模型運行情況所需以及前人經(jīng)驗，以選擇土地利用分類圖閾值為18%最佳。當采用土地利用分類閾值為18%時，水文響應單元的劃定結(jié)果見圖5，水文響應單元數(shù)為11個。

3 結(jié)論與討論

水文響應單元比柵格單元更能模擬區(qū)域地貌特性，因而選用水文響應單元應用于WASSI模型在焉耆盆地是適宜的。通過使用ARCGIS軟件的水文分析將焉耆盆地劃定為11個水文響應單元，每個水文響應單元的土地利用類型相對單一，這種劃定方案有利于水文分析。水文響應單元的不同劃定方案對WASSI模型在焉耆盆地的應用具有不同的影響作用，因而劃定水文響應單元時選擇較為成熟的水文響應單元劃定方案來劃定水文響應單元具有較高的合理性，在本文的研究中水文響應單元的劃定基于成熟的劃定方案并且結(jié)合實際情況綜合考慮了模型計算復雜度和水文模型的精確度問題，具有較高的合理性[16]。

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