张 鑫，张明浩

(1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

分布式水文模型的空间离散化(Spatial Discretization)研究，是将微地形分割成模型运行的基本地域单元[1]。常见的空间离散化方法有子流域法和网格法2种方法，研究表明，当子流域面积过小时，大量的子流域造成参数率定困难，且当子流域面积超过5km2，才有可能反映流域地形特征和水流路径[2]，因此子流域法不适用于面积较小的微地形水文模型模拟。网格法是将研究区下垫面分割成等距离的网格单元，水文模型进行模拟时，直接考虑了研究区网格面积、坡度、坡地河道等因素的相互作用及其空间变化规律。

DEM是流域水文特征提取的重要数据源，基于DEM提取的水文特征是分布式水文模型的基础参数。魏林宏[3]等研究表明在分布式水文模型中水文特征是流域水文模型应用的基本参数，影响流域水文模型精度，其中流域面积、高程和河网结构受到DEM网格离散状况的影响较小，坡度和水流路径长则会受到较大影响。Quinn P[4]等人研究表明同一DEM数据源，不同网格大小所提出的水文特征不同，离散网格越大流域面积增加，而坡度减小。Dunne T[5]等人通过DEM网格大小对径流模拟结果的影响结果表明，DEM格网大小对模型模拟的精度有重要影响，马原[6]等人探究了DEM网格大小对水文特征和SWAT模型径流模拟结果的影响。因此水文模型在流域的模拟应用中，定量的研究基于网格法的空间离散化研究，对分布式水文模型的应用具有积极意义。

1 实验设计

1.1 研究区概况

杨凌区位于陕西黄土高原南部、关中平原西部，全区总面积135 km2，地势总体呈现北高南低，西高东低，属于温带半湿润大陆性季风气候，降雨分布不均，多集中在夏秋季，强度大且多暴雨、阵雨，年均温为13℃，平均降水量637mm。

试验土壤选择陕西省杨凌区坡耕地表层樓土(0～20 cm)。

1.2 微地形模拟

土样采集后风干过￠5mm筛后分层填装在侵蚀槽中，每层的土壤容重保持在1.30 g/cm3左右，并确保土壤结构的均匀性和连续性[7]。土壤前期土地利用类型为农耕地，为确保试验更接近自然状况，分层填装后由长期从事农业劳作人员布设黄土区常见的人工掏挖(AD，artificial digging；从坡底逐渐向坡顶锄挖，形成在空间上不称的凹凸相间的洼地)耕作措施[8]。

1.3 人工降雨实验设计

试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室进行。选择可自由升降坡度钢槽，以5°坡度间隔差在0°～30°度间自由调节，试验槽规格为2.0m×1.0m×0.5m(长×宽×高)，在1mm/min与1.5mm/min雨强下进行人工降雨[9]。降雨采用下喷式降雨喷头，距地面16m，从而使得雨滴到达地面的速度与自然降雨相符，降雨均匀度大于80%，使得模拟降雨可以替代自然降雨的雨滴直径和分布，侵蚀槽底部排水口设计为V形，便于收集径流量[10]。

每组试验分别设置3个重复对照试验，1mm/min雨强降雨历时70min，1.5mm/min雨强降雨历时120min。

1.4 数据获取

采用三维激光扫描仪对微地形进行非接触式扫描，从而获取高精度的黄土坡面微地形高程点云数据。利用ArcGIS 10.5对三维激光扫描仪获取的点云数据进行Kriging插值获取AD耕作措施下1、1.5mm/min雨强的微地形黄土坡面微地形DEM数据，如图1所示。

图1 试验区图

2 研究方法

空间离散化的网格法是将研究区分割成等距离的网格单元对空间进行离散化，DEM空间离散程度影响水文特征的提取结果，流域水文特征则是流域汇流计算、水文模型应用的基础。据此本研究利用不同坡度(5°、10°、15°)人工掏挖耕作措施下1、1.5mm/min雨强的DEM栅格数据，分别对1～10mm不同大小的网格离散单元进行流域水文特征提取。

基于DEM数据，结合ArcGIS空间分析方法，提取水流路径长、主河道长、坡度、河网结构等水文特征信息。提取方法如图2所示。

图2 ArcGIS水文特征信息提取技术路线

3 结果与分析

以1、1.5mm/min雨强5°坡的微地形人工掏挖耕作措施为例，将微地形DEM离散为不同网格大小的高程数据，对不同离散网格大小的流域水文特征进行统计分析，统计结果见表1。

表1 不同网格大小微地形水文特征信息提取汇总表

由表1可知，5°坡下1mm/min雨强人工掏挖耕作措施的水流路径长和主河道长均随着DEM离散网格的增大呈现先增大后减小的趋势，最大坡度由85.32°逐步减少到58.10°，平均坡度由34.02°减少为19.75°，最大高程与平均高程从格网大小从1mm到10mm均基本没有大的变化；5°坡下1.5mm/min雨强人工掏挖耕作措施的水流路径长和主河道长与1mm/min雨强的变化趋势相同，二者均随着DEM离散网格的增大呈现先增大后减小的趋势，最大坡度由84.24°逐步减少到62.55°，平均坡度由31.51°减少为21.07°，微地形坡面整体坡度随着网格的增大变缓，最大高程与平均高程与1mm/min雨强的变化趋势也相同，格网大小从1mm到10mm均二者基本稳定，没有大的变化。

4 讨论与结论

微地形格网大小使得径流坡度、河道长等均发生变化，从而影响水文模型在流域河网中的模拟精度。本试验采取人工降雨的方法排除其他因子的干扰，提高了结论的可靠性，为后续研究提供科学依据，研究结果表明：以微地形数据为基础建立DEM时，并非微地形格网单元越小越好，只有当微地形中某一格网大小使得各个要素与流域内实际各要素值出现最佳拟合，DEM模型才更接近真实值。因此在以DEM为基础数据应用水文模型时，选择最佳的空间离散网格单元至关重要。

但研究仍存在一些需思考的问题：

(1)本研究内容仅考虑了单一耕作措施，对不同耕作措施下，空间离散化对水文特征的影响规律有待研究。

(2)基于空间离散化对水文特征产生影响，定量的研究空间离散化对分布式水文模型模拟精度的影响是今后研究的重要内容。