闽江沙溪数字流域模型建立及其应用研究

罗火钱，侯才水，马广恩

(1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000； 2.福建水利电力职业技术学院 院士专家工作站，福建 永安 366000)

沙溪干流的梯级航电开发在福建省内具有典型性，但是目前以沙溪干流流域为对象且为数不多的研究主要集中于水污染和水环境的分析[1]，而对其建立数字流域模型及相关应用的研究还比较少，值得作进一步的深入研究。在此背景下，本文以沙溪全流域为研究对象，应用数学、水利学、动力学、地理信息科学、遥感等多学科的理论、方法，通过实测数据的采集和处理，对沙溪流域特征进行仔细分析，掌握其地表产流形式及产沙形式。基于清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室建立的黄河数字流域模型，利用实测数据对模型参数进行测试、验证，完成全流域降水-径流-产沙的过程模拟，拟建成闽江沙溪数字流域模型；再根据沙溪全流域的特点，按照“自上而下”层层划分思路，先将沙溪全流域划分为若干个单元子流域，再将每个单元子流域划分为更小的“沟道+坡面”单元，使每个“沟道+坡面”单元对应一条“沟道”和若干个“坡面”，最后按照“自下而上”层层汇总原理，逐级汇流得到全流域的水资源量中心[2]。

1 研究区概况

闽江沙溪流域位于福建省中西部，是三明市境内最大的河流，也是闽江的重要支流之一[3]。沙溪为闽江上游，发源于闽赣交界的杉岭山，流经宁化、清流、明溪、永安、三明和沙县等6个县市，在沙溪口与南平市附近的富屯溪、建溪汇合后，注入闽江。沙溪干流全长328 km[4]，流域面积1.2×104km2(三明市境内流域面积1.0×104km2)，水量及流域面积均占闽江流域总面积的19%左右，多年平均降水量1 500～1 800 mm。流域内各级支流99条，树枝状河系。沙溪流域水资源比较丰沛，多年平均流量351 m3/s，多年平均径流总量约111×108m3[3]。沙溪流域属闽西北低山丘陵区，山地面积占80%左右，地表侵蚀作用强烈，河流深切成峡谷，阶地狭小，局部地段有小型河谷盆地[4]。

2 数字流域模型原理及产流模型[5]

2.1 数字流域模型原理

清华大学开发的数字流域模型TUD-Basin以DEM数据为依托，以流域分级理论为依据，充分利用现有的先进信息技术手段，以将不同层次不同功能的模型整合成一个完整的流域模型系统作为总体目标。从结构上看，数字流域模型包括数据层、模型层和应用层(图1)，其中模型层是核心，提供适当的理论和模拟方法对流域内的径流、泥沙、污染物等过程进行模拟计算[5]。

图1 数字流域模型的框架结构[5]

2.2 产流模型结构和计算过程

TUD-Basin以TOPAZ模块作为流域划分的基础，将坡面-沟道作为系统的基本单元。当单元的Strahler级别为1时，具有左(L)、右(R)和源(S)3个坡面；当单元的Strahler级别大于1时，只具有左和右两个坡面。产流模型以坡面作为基本单元，每个坡面的产流量汇集到对应的沟道内；同时所有沟道组成河网，形成汇流演进的通道。

产流模型被设计为一个以描述超渗产流为主的机理型模型，在物理图景概化和产流机理符合沙溪流域坡面产流自然过程的前提下，采用尽可能简单的形式模拟每个子过程。模型主要计算植被截流、地表超渗产流和表层土快速壤中流等子过程，并兼容可能出现的下层土壤中流和表层土短时超蓄产流。为实现多场次降水的连续模拟，计算蒸散发过程和土壤内的水分迁移。计算流程见图2。

图2 产流模型流程示意图

冠层蓄水、表层土壤水和下层土壤水的水量守衡关系为：

(1)

式中：Scan为冠层蓄水量，m；t为时间，s；P为降雨强度，m/s；Pn为穿过植被冠层的净雨强，m/s；Ecan为冠层积水的蒸发强度，m/s；Wu为表层土蓄水量，m3；A为坡面的投影面积，m2；qzu为地表下渗速率，m/s；qzd为表层土与下层土间水分垂向运动速率，m/s,向下为正；Eu为表层土壤蒸发强度，m/s；Qgu为表层土壤出流量，m3/s；Wd为下层土蓄水量，m3；Qgd为下层土壤出流量，m3/s[5]。

3 数据收集及处理

3.1 数据概况

根据黄河流域数字流域模型建立时输入的参数要求，通过人工录入、GIS软件操作、河网提取程序运行、遥感影像处理等手段的收集和整理，形成模型所需的输入数据[6]：实测水文数据[7](1965-1968年，1994年，2000-2014年水文数据测站包括渔潭、宁化、小陶、洪田、新桥、永安、梅列、沙县(石桥)、陈大等9个水文站点和水茜、泉上、湖村、沙坪、禾口、济村、安乐、童坊、连城、罗坊、罗胜、姑田、铁丁石、大家坊、大岚山、西洋、胡坊、上坪、明溪、夏阳、岩前、中村、渔溪、南歧、夏茂、高桥、富口、西霞、官昌、南阳、高砂等31个雨量站点)、土地利用类型图(比例尺1∶5万)、土壤类型数据(比例尺1∶5万)、DEM(分辨率30 m)、河网数据、遥感影像数据(TM/ETM+)、行政区划图及水文站、雨量站分布图。

3.2 参与计算的时间数值

利用TUD-Basin转换时间点，记录到数据库里计算开始时间的STARTHOUROFFSET，用小时来表示(距离1950年1月1日的小时数)，按TUD-Basin时间参数转换界面，输入时间点，自动算出对应的时间数值，然后填入Excel表备用，在每次水量计算前，对应年份的时间点要更新输入数据库。

4 结果分析

按照技术路线，根据模型原理收集数据并处理，得到以下结果。

4.1 沙溪流域河网

利用清华大学的河网提取程序运行5 s，获得沙溪流域7级河网图及相关信息。见图3。

图3 沙溪流域河网分布图

4.2 沙溪河流域土壤类型图

结合土壤分类标准的大类进行遥感影像解译，获得土壤类型图，见图4。

图4 大类土壤类型分布图

4.3 土地利用图

结合土地利用类型分类标准的大类进行遥感影像解译，获得土地利用类型图，见图5。

4.4 水面蒸发量分布图

根据《水文年鉴》选取了安砂水库建成之前和之后的5个年份沙溪流域临近有记录的水面蒸发量数据，空间插值得到水面蒸发量分布图，见图6。

4.5 实测流量与计算流量对比图

通过输入数据运行模型，计算输出的流量数据(cal)与实测流量数据(obs)进行对比，得到一系列对比分析图(图7)，总体而言，沙县水文站点(沙溪流域出口)输出的流量数据与实测流量比较接近。

图5 沙溪流域地表覆盖图

图6 2008-2012年沙溪流域水面蒸发量分布图

图7 沙溪流域沙县测站2009年计算与实测流量对比图

5 结论与讨论

通过清华大学已建的适用于黄河流域的数字流域模型TUD_Basin软件和HPC集群版数字流域模型部署，输入降水量、站点、土壤、蒸发量、NDVI等数据，计算径流量，并与实测数据对比分析，从而初步建成沙溪数字流域模型，为研究三明市水资源、泥沙以及防洪等问题提供新的手段。模型采用坡面单元划分和组合机制，能够用于大至几十万平方公里，小至一个坡面单元(1 km2,乃至0.1 km2)的流域径流、泥沙模拟和预测。该模型在沙溪流域进行试用，证明该模型基本具备在沙溪流域进行降水-径流模拟的功能[2,8-10]。值得讨论一点，该数字流域模型是基于黄河流域特点建立，要让其适用三明沙溪流域的情况，必须应用大量历史数据进行参数率定和验证，并且可视化，对用户而言才更实用。

致谢：感谢本项目研究过程中清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室魏加华教授、李铁键副研究员、张昂博士、李家叶博士、司源博士，福建水利电力职业技术学院计算机应用技术专业2013级-2015级学生的大力支持。