基于空间分析法的新疆融雪洪水径流模拟

刘吉强

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)，乌鲁木齐 830000)

0 前 言

新疆地区的山地中多发生积雪融化性洪水灾害，山地与平原地区的热平衡状态不同，容易造成降水量及水资源分布不均匀。采用传统的集总水文模型不能得到满意的模拟结果，而基于DEM的分布式水文模型的建立在一定程度上解决了这一问题。文章对基于DEM的水文模型进行单元划分、结构和参数设定，来分析研究区的水文特点[1]。

1 研究区概况

军塘湖位于新疆地区的呼图壁县，见图1。军塘湖河源没有现代冰川。流域集中在中部山区，河流最终汇合在下山区马扎地区。它流经前面的丘陵和丘陵，来到呼图壁以西，进入平原。河流被山口拦河水库(洪山水库)截流。河源洪山水库全长47km，水库以上汇水面积861km2。流域平均海拔1600m，两大支流垂直比降63%，年平均径流量4.01×108m3。通过下游水库的调节，流入灌区。

2 模拟计算中的空间分析与实现方法

文章将“3S技术与GIS技术相结合”。利用GIS空间分析技术，结合该地区的DEM数据，建立分布式水文模型，分析洪水产生的过程，并对该径流过程进行相应的模拟[2]。

本次研究主要收集了该地区的气象资料、水文资料和遥感影像数据。

图1 研究区概况

2.1 基于 DEM 的分布式水文模型

基于格网DEM的分布式水文模型结构复杂，计算困难，难以应用于大型流域。对于网格单元(或子网格)，应用常规概念模型计算纯降雨，并进行合并计算[3]。最后，得到了类似SWAT模型的出口横流。该模型结构简单，计算过程简单，适用于大流域。

1)基于网格的划分：

对于流域较小的区域可以采用DEM网格直接进行小流域的划分，本次采用30m×30m尺度大小的网格，对研究区进行划分，这也是目前最常用的方法。

2)基于山坡的划分：

也可以利用斜坡进行流域的离散化，首先利用DEM数据将研究区的河网提取出来，然后根据河网以及流量相等的时间点划分出若干子流域。所有的汇流网格中，将河道周围的矩形坡面划分出来，这些矩形坡面即是水文模型中的计算单元，以此来计算坡面上的产汇流。最后再进行河网汇流计算。

3)基于子流域的划分：

采用地理信息系统软件和DEM数据，可以快速、有效的划分出河网形状。根据不同流域的形状，可以划分出于干流河道相连的子流域，这些子流域通常具有相同的流域特征，它们是采用水文模型计算时的最小计算单元，各个子流域之间的水文交汇形式可以清楚的展现，大大简化了计算，提高了模型建立的效率。当然，子流域也可以根据需要分为两个层次。

采用上述不同的方式，可以建立起分布式水文模型，方法虽然不同，但所达到的目的以及建立起的模型结果确是相似的。模型涉及的水文过程主要包括降水、植被截留、蒸散、融雪、入渗、地表径流和地下径流。各部分之间的关系如图2所示。

图2 分布式水文模型结构图

2.2 新疆融雪洪水径流模型概述

新疆融雪洪水径流模型包括2类：

1)基于能量守恒的分布式栅格融雪模型，分布式计算单元栅格融雪量；模型公式如下：

SMij(t)=a·FTC·ρij·
max(0，ATij(t))·(1440/△T)

(1)

式中：FTC为积雪融化系数；ρij为每个栅格的积雪密度，通过监测数据推求；ΔT为模型的时间段，min，在计算中，将半小时定位一个时段；ATij(t)为t时段内栅格平均气温；SMij(t)为t时间的栅格融雪量；a取默认经验值。

2)基于水量守恒的分布式栅格产流模型，分布式计算单元栅格产流量；

REij(t)=(2·△T/CSV1ij(t))·Iij(t)
+CSV2ij(t)/CSV1ij(t)·REij·(t-△T)
CSV1ij(t)=2CSVij(t)+△T
CSV2ij(t)=2CSVij(t)+△T

(2)

式中：REij(t)为t时间的栅格产流量，ΔT以30min为一个时间段；CSVij为蓄量系数，即水流通过一个栅格地表所需的时间；Iij(t)为t时间的栅格地表总输入。

3 模拟结果

3.1 栅格汇流累积矩阵的实现

根据区域地形的流量矩阵，由区域地形的流量矩阵计算流量值，并根据由高到低的规则，得到该区域的流量累积矩阵。在这个过程中，所有权重都使用1的权重矩阵。加权矩阵是表示暴雨平均降雨量的连续数矩阵，用于计算流域降雨量。汇流累计量的大小受网格数的影响，正在处理的网格不包括在累计计算中。图3示出了由汇流矩阵生成的累积流矩阵。

(a)水网示意图 (b)水流累积矩阵

3.2 空间分析应用

利用所建立的模型可以在时间和空间上计算网格汇流矩阵，并从矩阵中求出矩阵中的值，从而得到径流。

为了更清楚地描述空间分析结果，图4是GIS软件中上述矩阵的GeoTIFF格式文件的结果图。典型研究区的栅格数据分辨率为30m×30m。

图4 填洼处理之后的流域DEM数据示意图

由图4可知，流域的地势整体上呈现出南部高北部底的趋势，并由北向南过度。最高海拔3460.00m，最低海拔757.93m。盆地最北端的出口是洪山水库，水库两侧都是山体褶皱带。盆地中央右侧有一个山脊分水岭。汇流流向出口断面的时间长度示意图，见图5。

图5 汇流流向出口断面的时间长度示意图

在模型计算时间步长为30min的前提下，通过计算可以得出，最大的出口断面时长为23h。即从最慢网格收敛到出口断面的时间为23h.研究区的汇流流向出口断面的时长由北部向南部逐渐增加，说明南部地区形成产汇流的难度要远大于北部地区。但在中段右侧有明显的时间差带。由DEM资料可知，该区为山脊分水岭。4月9日17:00的栅格融雪量示意图，见图6。

由于该研究区的最北部地势较低，几乎没有被雪覆盖，融雪量接近于0，而流域最南边，地势较高，平均气温常年处于零度以下，融雪量也接近0.红色标线区为焦化厂，白色标线区为居民区，黄色标线区为林区，绿色标线区为煤矿区以及煤炭堆放区。一方面是遥感监测积雪信息失真造成的，另一方面由于太阳辐射减弱，积雪融化过程滞后。除林区外，其他地区的积雪由于人为干扰已经融化，因此融雪量为零。除无雪区和人为干扰区外，显然海拔越低，融雪量越大，直到所有积雪融化。图6中融雪的单位是每个网格的水深(mm)。4月9日17:00的栅格融雪产流量示意图，见图7。

图6 4月9日17:00的栅格融雪量示意图

图7 4月9日17:00的栅格融雪产流量示意图

研究区南部由于融雪所产生的径流量较低，接近于零，这是由于该地区海拔较高，融雪量很低，未产生地表径流。而北部地区及中部地区的融雪量变大，但融雪量大于产流量，可能由于地表渗流作用所造成的，部分融雪直接渗入地下，只形成部分地表水。雪水融化量、地表水蒸散发量和地表水入渗量会在一定程度上影响地表的径流量。一般来说，融雪量越大，径流越大。图中流量单位为每个网格的水深，mm。

3.3 不同时间的融雪汇流量

以下3个图表是2006年4月9日11:00、17:00和23:00的水槽流程图。由于融雪与温度和太阳辐射密切相关，因此首先给出了一天中三个不同时段的实测平均温度和太阳辐射累积量，如表1所示。

表1 流域平均气温和累积太阳总辐射

4月9日11:00的汇流量示意图见图8；4月9日17:00的汇流量示意图见图9；4月9日23:00的汇流量示意图见图10。

图8 4月9日11:00的汇流量示意图

图9 4月9日17:00的汇流量示意图

图10 4月9日23:00的汇流量示意图

显然，16:00的温度最高，而22:00的温度仍然高于0℃。此时累计太阳总辐射为日落前一天单位面积(M2)太阳总辐射的累计值。从3张不同时段的地图也可以看出，由于早晨气温较低，融雪产流量较小，导致汇流量相对较小，然后汇流量和汇流面积逐渐增大，汇流面积在17:00接近最大值，汇流量继续增大，23:00时，由于气温下降后径流量减少，汇流面积减小，但由于此时融雪汇流时间延迟，汇流量接近峰值。

4 结 论

文章介绍了新疆地区的典型流域，并给出了数据来源。从试验层面，给出了空间分析技术在新疆融雪洪水径流模型模拟计算中的应用实例。验证了新疆融雪洪水预警政策的科学依据。

由于分布式水文模型的计算量大，对计算速度要求高，并且进行空间分析模拟计算的流域面积大，但是又要求模型单元划分小，所以对系统的动态显示、动态刷新要求都比较高，对模型的空间分析算法还需要进一步优化；采用地理信息系统的技术来对分布式水文模型进行辅助建模，是目前最为流行的做法。