基于HSPF模型的平原河网地区流域划分

2023-12-02马仕先,周刚,童思陈,呼婷婷,胡海珍

人民长江 2023年11期

马仕先,周刚,童思陈,呼婷婷,胡海珍

(1.中国环境科学研究院水生态环境研究所,北京 100012; 2.重庆交通大学河海学院,重庆 400074)

0 引言

平原河网地区存在大规模平坦地形,分布密集交织复杂的河网,还有大量的湖泊与水库,成片的圩区以及众多的人工河道和水利设施随处可见[1],传统水文模型流域划分方法(即D8算法)在此区域的应用受到极大的限制。D8算法依赖数字高程模型(DEM)数据,利用DEM数据提取地表信息,将地表数据按照最陡坡度方向生成网格,由最陡方向决定栅格的水流流向、模拟河流流向并生成河道数据。D8算法在平原河网地区的栅格流向计算不准,导致提取的河网部分丢失河段河网不连续和生成伪河网,同时该算法只能产生枝状结构的河网,无法对平原河网地区的交叉、环状结构提取模拟[2-3],无法合理划分流域范围和准确描述水网结构。

针对上述平原河网地区流域划分问题,部分学者[4-5]基于D8算法提出的解决方法包括通过GIS工具对原始DEM数据进行平滑操作,以消除洼地或将洼地和平原平坦区当成是水坑填满洼地水流再流出。另一些学者[6-8]提出了“Burn In”法、Agree法和辅助数据法等解决平原河网地区流域划分的方法,还有一些学者根据平原河网地区的特点提出了改进的划分方法。如Yadav等[9]提出了一种利用矢量河流数据辅助DEM栅格数据识别流域边界并提取水系的方法;Lai等[10]提出了一种结合水文特征和DEM数据提取河流节点、确定河网流向、划分流域类型的流域划分方法。

上述方法相对于D8算法更合理,但是对于平原河网地区地势平坦、流向往复、河网复杂、地理边界难以识别和确定的特点,这些方法在平原河网地区应用仍有很大限制。为了解决平原河网流域划分这个难题,本文以常州市钟楼区为典型区,基于气象、土地利用、土壤、DEM等时空数据,提出一种多尺度、分层次的平原河网地区流域划分方法,选择美国环境署(EPA)推荐的HSPF模型对钟楼区进行水文过程模拟,以期改进平原河网地区流域划分方法。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

常州市钟楼区位于太湖流域,主干河流为京杭大运河,属典型平原河网地区。钟楼区东部为建成区,西部则以农田为主,地势平坦、河网密布,水系结构和产流汇流过程较为复杂,如图1所示。钟楼区常年气候温和,雨量充沛,四季分明。冬干冷,夏湿热,春温多变,秋高气爽,雨热同季。依据2020年常州市降雨量数据,汛期6～7月份全市平均降水量达到295 mm,已超常年(245 mm)。钟楼区流域内水文站点的流量资料不完整,加大了在该流域模拟的难度,也为子流域划分验证增加了难度。本文以常州市钟楼区为典型区,在缺失部分水文资料情况下,选择2020、2021年数据对研究区进行水文过程模拟。

图1 研究区域示意Fig.1 Sketch of study area

1.2 数据来源

模型所需数据来源如表1所列。另外,HSPF模型要求使用的各图层数据必须具有相同的坐标系,为了满足这一要求,对不同来源的各GIS数据地理坐标系设定为WGS 1984,投影坐标系设定为WGS＿1984＿UTM＿Zone＿50N。

表1 研究区基础数据来源Tab.1 Data for constructing the HSPF model

1.3 土地利用数据

研究区土地利用数据来源于常州市环保局,将土地利用数据按照土地利用一级分类整理合并为HSPF模型需要的6种土地利用类型,流域内土地利用类型包括水域、园地、林地、耕地、荒地、建设用地。其中建设用地面积最大,为86 km2,约占总面积的57%;紧接着是耕地和水域分别为28%和12%。根据模型需求对土地利用数据进行处理,处理后的土地利用数据如图2所示。

图2 钟楼区土地利用类型Fig.2 Land use types in Zhonglou district

2 平原河网地区水文建模

2.1 技术路线

根据平原河网地区地形平坦、河网复杂的特征,依据流域水文模型划分子流域的原理[11-12],提出划分子流域总的思路:保证划分的子流域是一个拥有出口、入口的对象,一个子流域对应一条单一流向的河段,流域划分办法的技术路线如图3所示。

图3 平原河网地区流域划分技术路线Fig.3 Technical route of watershed division method in plain river network region

本文提出的多尺度、分层次的平原河网地区流域划分方法中,多尺度是指利用多种分辨率的空间数据生成流域划分参考图层,主要包括:基础数据图(12.5 m×12.5 m DEM图)、建成区流域划分图、土地利用近邻分析图和单元格(100 m×100 m)级网格河流近邻分析图;分层次是指考虑地形和基础设施(水系、圩堤、道路、闸泵)等多种因素对流域的影响。处理基础数据后叠加流域自动划分图、网格河流近邻分析图、道路和圩堤图、土地利用近邻分析图、建成区流域划分图、闸泵分布图等至GIS软件中进行流域划分,既考虑了多尺度分辨率空间数据,又参考了不同层次的地形特征和相关设施数据,同时也考虑到自动划分方法的优点,对难以划分的圩区、水库、建成区等进行人工划分,是一种综合各种数据优势的平原河网地区流域划分方法。

2.2 河流数据

HSPF模型中的河段是指单一流向且河流拓扑关系唯一的河流,因此无法表达平原河网普遍存在的交叉、环状河网结构,这是流域模型在平原河网地区建模的一个难题。为了解决这个难点:① 假设虚拟水库。根据HSPF[13]使用手册,HSPF模型中的RCHRES是自由流动河段或混合水库,据此将有关河段(交叉、环状的河段)设为虚拟水库,虚拟水库可以设定最多不超过5个出口,达到形成交叉河段的目的,通过该办法可以更加准确地表达平原河网水系。② 径流量重分配。为了避免陷入计算循环,HSPF模型设定部分河段不能为虚拟水库,此时为了更加真实地模拟平原河网地区河网汇流关系,对能设置为水库但又存在交叉、环状的河道,参考SWAT模型中调水模块(Transfer)处理河段的方式[14],对有流量监测数据的河道,按照观测数据进行调水比例的设定;其余没有流量监测数据的河道则采用主河道和分支河道的宽度比进行调水比例的设定。

2.3 DEM、道路、圩堤数据

流域划分之前需要对DEM高程数据进行填洼、流域边界提取等处理[15],将研究区域的DEM依照流域边界大小裁剪下来以便后续使用。首先对研究区中道路数据进行处理,由于平原河网地区地势平坦、高程差值不大,道路对水文响应单元中降雨产生的地表径流的影响远大于地形对河流的影响。按照道路对流域划分影响的重要性,本文着重考虑主干道对流域产流、汇流产生的影响[16],将研究区域内主干道道路数据栅格化,使主干道所在区域的高程增大3m,其他区域高程值保持不变,使道路形成明显的陆上屏障,增强河道所在栅格的汇水能力。

圩堤会将圩区与其他地区分割开,产生强于主干道路阻隔水流的影响,平原河网地区流域划分时往往会考虑圩堤对流域划分的影响。在实际划分时受到平原河网的影响,在水系交叉的区域会存在多条圩堤,除了沿着圩堤方向进行流域边界划分外,可以借助道路进行判别,按照道路的重要性进行参考。若是存在“口”或“田”形圩区又无道路数据,此时按照平均分配的方法按对角线进行流域边界划分。圩堤数据需要通过常州市“十四五”省控断面分布图进行提取,将校准后的数据在GIS中进行叠加,为后期子流域划分时提供参考,处理后的DEM数据如图4。

2.4 流域自动划分

当研究区域DEM数据存在清晰高差时,仍采用常用流域划分方法(如ArcSWAT、BASINS、Qgis等)划分[17],D8算法在地形高差明显的基础上进行子流域自动划分是可靠的,也能够减少平原河网地区流域划分工作量,为新的流域划分方法大面积应用提供帮助。但对于平原河网高程变化不明显的区域,需借助其他参考图层进行流域划分。由于研究区整体面积不大,同时又不存在高差明显的区域,故无流域自动化分图层。

2.5 单元格级河流近邻分析

一般情况下,高程值相似的区域,距河流越近,降雨产生的径流会优先排到对应的河流中。基于这一思想通过GIS工具生成单元格级网格,根据每个网格中心到河流距离远近判定方格内土地归属,最后生成汇水分区。

主要步骤是:借助GIS中Arctoolbox的渔网工具创建研究区域100 m×100 m单元格级网格和100 m正方形中心点图层;利用近邻分析工具,根据每个正方形中心到河流距离的远近确定单元格的归属,将归属于同一条河流的网格合并,生成汇水面,最后根据流域大小裁剪形成100 m×100 m网格河流近邻分析图层,如图5所示。

图5 钟楼区100 m×100 m网格河流近邻分析Fig.5 100 m×100 m grid river proximity analysis of Zhonglou District

2.6 土地利用近邻分析

土地利用类型数据对流域水资源有着重要的影响[18],流域中相同土地的产汇流特性类似,在流域划分时需考虑土地利用类型的物理特性。首先按照土地大类合并数据,然后用GIS工具求出每一块土地利用面的几何形心,用近邻分析工具计算几何形心到河流唯一最短距离,并生成对应文件,通过土地利用和河流数据的属性对应文件,设置土地利用受纳河流,通过融合生成相同受纳河流,根据土地利用所属相同受纳河流生成汇水面。由于研究区水田和水浇地及旱地的面积差距较大,直接使用重分类土地利用数据会产生大量的交叉错误数据,此时将水田和水浇地及旱地分开统计后进行土地利用近邻分析。研究区生成的含117个近邻分析面的土地利用参考图层如图6所示。

图6 钟楼区土地利用近邻分析Fig.6 Land use proximity analysis of Zhonglou District

2.7 建成区流域划分

平原河网地区地理位置往往较为优越,土地肥沃,经济发达,存在大量建成区。针对平原河网地区中建成区流域划分,本文提出参考SWMM模型汇水区划分方法[19],综合行政区规划数据和管网数据对研究区域进行划分。

首先,对较大空间尺度建成区进行流域划分时,在粗糙的城市圩区和排水防涝的基础上,根据河网和道路信息形成流域边界。然后,根据城市区域内排水管网、雨水管网分布调整流域边界,形成小尺度建成区流域划分。在划分时应考虑到城市地表的汇水特性,考虑城市中存在的大类建筑物、隔离带、台阶、人行道等,再根据“龟壳法”采用人工目测加上人工绘制的方法进行小范围建成区流域划分。实际上,建成区的排水管网和雨水管网数据难以收集,排水管与雨水管共用管道产生雨污混流、串流的情况,此时建成区流域划分采用较大空间尺度汇水区(流域)划分的方法,根据城市圩区和行政边界进行划分。

2.8 闸泵数据

在平原河网地区划分流域时需重点考虑闸泵,因为平原河网地区水系连通的基础是水系格局与地貌形态,但水闸等水利工程的建设及其调度能力和调度策略是影响河网水系水文连通结果的重要因素[20]。闸泵主要作用是将外界补给水源的水引至圩田灌溉系统,或将圩田内多余的水从圩田池塘向外排到内河或主干河流。通常在丰水期即4～10月,将进行排水作业,此时过量的水流通过平原河网中大量的沟渠或排水沟排入骨干河中。当水稻生长季节需要灌溉时,将进行灌溉抽水操作,通过闸泵将主干河流中高水位水引入低水位的内河中,再引入沟渠内,通过田间沟渠进一步输送到田间,达到反向抽水的目的。

实际流域划分时,闸泵数据处理仍是一个难题,首先闸泵数据收集不全,其次是人为因素影响较大。研究区闸泵大多需人工排水或者灌溉作业,收集到的数据只包括位置信息,闸泵排水或灌溉作业频次、持续时间、水流方向无记录,无法准确分析对所在河流和流域产汇流影响。在缺失相关数据时,根据闸泵位置将闸门设定为常闭(见图7)和常开(见图8)两种情况进行流域划分。

图7 闸门常闭流域划分结果Fig.7 Results of watershed division when the gate is normally closed

图8 闸门常开流域划分结果Fig.8 Results of watershed division when the gate is kept open

3 结果与分析

3.1 流域划分结果

将河网数据、100 m×100 m河流近邻分析图、DEM数据、道路和圩堤图、土地利用近邻分析图、建成区划分图等导入BASINS GIS中,用Watershed Delineation的Manual工具进行流域划分,在划分流域时按照该顺序进行划分及重要性参考。划分以后利用DEM数据生成各子流域和河段相关数据,对不符合实际部分进行修改。根据闸门常开的情景,设定3个出口,最终划分55个子流域,对研究区进行水文过程模拟。流域划分结果如图8所示。

3.2 水文参数选择

根据HSPF模型水文参数介绍及相关学者对敏感性参数的研究[21-22],选择对径流影响较大的7个参数(LZSN、UZSN、INFILT、AGWRC、DEEPFR、INTFW、IRC)进行设置。根据相关研究[23-24]试设置相关参数值范围,通过约500次对相关参数的修改,对比径流结果,发现钟楼区径流参数较为敏感参数是LZSN、UZSN、INTFW、DEEPFR、IRC,其余参数默认模型自动设定数值,研究区水文参数具体设定及参数范围如表2所列。

表2 钟楼区HSPF模型水文参数选取Tab.2 Hydrological parameters for the HSPF model of the Zhonglou District

3.3 模型运行结果验证

平原河网地区的河流存在往复流,在进行水文过程模拟时,假定研究区的河段是单向性的、完全混合的水体,同时由于水文站流量数据缺失,以径流计算公式计算的流量作为实测数据,对模型进行率定验证[25]。径流计算公式如下:

Q=S×C×P

(1)

式中:Q为径流量,m3;S为汇水区面积,m2;C为径流系数;P为降水量,m。径流系数C的取值参考多年平均径流等值线图,汛期、非汛期取值分别为0.52和0.71[26]。

选用纳什系数Ens和相关系数R为模型率定标准,R和Ens均大于0.6时可以认为模拟效果好。钟楼区有德胜河桥、钟楼大桥和连江桥下3个水质站点,故选择对应河段进行水文率定与验证,选择2020年为率定期、2021年为验证期进行水文验证,经过约1 000次迭代分析,率定期和验证期的效率系数Ens、相关系数R结果如表3所列,3个站点径流量模拟结果如图9～11所示。

表3 钟楼区HSPF模型参数率定结果Tab.3 Parameter calibration results of HSPF model in Zhonglou District

图9 钟楼大桥2020～2021年降雨-径流变化情况Fig.9 Rainfall-runoff changes at Zhonglou Bridge in 2020～2021

图10 德胜河桥2020～2021年降雨-径流变化情况Fig.10 Rainfall-runoff changes at Desheng River Bridge in 2020～2021

图11 连江桥下2020～2021年降雨-径流变化情况Fig.11 Rainfall-runoff changes at Lianjiang Bridge in 2020～2021

3.4 分析

(1) 从径流过程来看,月流量的大小与降雨量的大小呈正相关关系;3个站点所在河流的水量在2021年7月份达到最大值。

(2) 从水量数值趋势来看,3条河的变化趋势相同,连江桥下和钟楼大桥8～12月份模拟值大于实测值。

(3) 从径流模拟差异来看,德胜河桥的差异主要在5月份,钟楼大桥和连江桥下的差异值主要在10月份。导致误差的原因可能是:① 实测值是通过径流计算公式计算得到河流水量,多年平均径流系数只能反映平均值而无法反映实测年的水量。② HSPF模型在平原河网地区实际应用时,需要假设水库和径流量重分配,径流量重分配是依照径流分配关系或主、次河道宽比进行人工处理,难免会受到人为因素影响。③ 研究区气象数据来自南大街街道气象站,位于钟楼区的建成区中,无法准确反映钟楼区西部农业用地范围的蒸散发量,在HSPF模型中当潜在蒸发量较大时,模拟产生的误差会随之增大,也会影响水文模拟结果。

(4) 从模型验证结果来看,研究区2020～2021年水文过程结果较好,提出的平原河网地区流域划分方法具有一定的合理性。但需要注意的是,本文提出的流域划分方法是在水系确定、河流流向明确的基础上依据相关参考图层生成的子流域划分结果,而平原河网地区由于存在往复流、交叉环状河网,在平原河网地区大规模应用时需要首先确定河网、明确河流流向,再依据流域划分原则进行子流域划分。