流域單次降雨侵蝕過程的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算

一、與gis的結(jié)合土壤侵蝕模型是定量評(píng)估土壤侵蝕影響、土地利用和土壤規(guī)劃的科學(xué)工具。近年來,土壤侵蝕模型由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖蚧谇治g機(jī)理的過程模型發(fā)展,和由單坡面模型向流域模型發(fā)展。GIS以其對(duì)空間數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、查詢分析、管理和顯示輸出能力,日益成為土壤侵蝕模型應(yīng)用不可或缺的工具,并出現(xiàn)了大量的侵蝕模型與GIS結(jié)合的實(shí)例。將流域侵蝕過程模型與GIS結(jié)合,研究流域徑流、侵蝕、產(chǎn)沙的時(shí)空變化規(guī)律,是土壤侵蝕模型發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。GIS與侵蝕模型的結(jié)合主要有三種方式:松散結(jié)合、交互界面結(jié)合和完全結(jié)合。松散結(jié)合主要指模型與GIS是各自獨(dú)立開發(fā)的情況。首先用GIS對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和預(yù)處理,然后按模型所需的格式將數(shù)據(jù)輸入模型,最后將模型計(jì)算結(jié)果再轉(zhuǎn)為GIS文件格式,進(jìn)行顯示和分析。松散結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是無須改變模型的代碼,而不足之處是有大量的數(shù)據(jù)管理和轉(zhuǎn)換工作。交互方式是開發(fā)一個(gè)交互界面,為模型提供輸入數(shù)據(jù),以及對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和演示,所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是通過交互界面自動(dòng)進(jìn)行。此類結(jié)合實(shí)例最多,以美國(guó)普度大學(xué)集成GRASS與ANSWERS和AGNPS模型的工作最為典型PCRaster二、pcrast空間動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言1.個(gè)圖層與點(diǎn)數(shù)據(jù)文件PCRaster系統(tǒng)采用四種文件來表達(dá)空間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。柵格圖層文件是PCRaster最重要的文件,每個(gè)圖層文件存儲(chǔ)了地表景觀的一個(gè)屬性特征,各屬性特征均與某種數(shù)據(jù)類型相聯(lián)系(表1列出了PCRaster的數(shù)據(jù)類型);點(diǎn)數(shù)據(jù)文件包含點(diǎn)數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)和一個(gè)或多個(gè)屬性數(shù)據(jù),用于表達(dá)點(diǎn)與圖層文件的關(guān)系;交叉表文件用于表示各圖層之間的關(guān)系;時(shí)間序列文件則與圖層文件結(jié)合,用于表達(dá)空間實(shí)體的時(shí)-空變化特征。2.gis空間分析函數(shù)PCRaster提供了120多個(gè)空間和時(shí)間命令函數(shù)。常用的命令包括單點(diǎn)運(yùn)算(代數(shù)、邏輯、比較、關(guān)系和函數(shù)運(yùn)算)、鄰域運(yùn)算(高通濾波,移動(dòng)平均等)和面域運(yùn)算(類別統(tǒng)計(jì)、耗費(fèi)距離等)。PCRaster最初的發(fā)展是為了解決地貌和水文問題,所以提供了一系列專門用于解決地貌和水文問題的GIS空間分析函數(shù),包括坡面和集水區(qū)分析、物質(zhì)輸移(如徑流-泥沙輸移)分析等。PCRaster系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言在地圖代數(shù)和制圖模型語(yǔ)言的基礎(chǔ)上,擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)迭代模型所需要的動(dòng)態(tài)輸入輸出命令函數(shù),它大大簡(jiǎn)化了動(dòng)態(tài)模型與GIS數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交換工作,在形式上也類似于靜態(tài)的制圖模型命令。PCRaster空間動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言與制圖模型語(yǔ)言在概念上有著本質(zhì)區(qū)別。制圖模型語(yǔ)言是一種自然語(yǔ)言,而PCRaster的動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言命令則類似于數(shù)學(xué)方程,每個(gè)命令函數(shù)計(jì)算一個(gè)表達(dá)式,得到一個(gè)結(jié)果,這對(duì)熟悉數(shù)學(xué)函數(shù)的研究人員建立動(dòng)態(tài)模型是很方便的。如泥沙輸移能力方程:G=C對(duì)于柵格圖層CoverFactor(C),FlowVolume(Q),Slope(S)和指數(shù)1.7,寫成PCRaster的空間動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言的命令函數(shù):TransportCapacity=CoverFactor3.動(dòng)態(tài)模擬的程序用PCRaster空間動(dòng)態(tài)語(yǔ)言編寫的動(dòng)態(tài)模型按邏輯關(guān)系可劃分為5個(gè)模塊(如圖1所示):數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)(binding)、空間位置屬性定義(areamap)、時(shí)間控制(timer)、初始化(initial)和動(dòng)態(tài)模擬(dynamic)。數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)模塊是模型與GIS數(shù)據(jù)庫(kù)輸入/輸出的接口。由于模型使用的變量與GIS數(shù)據(jù)庫(kù)文件相對(duì)應(yīng),數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)模塊可以為這些文件定義變量別名,使得數(shù)據(jù)庫(kù)的文件與模型的變量聯(lián)結(jié)在一起;空間位置屬性定義模塊(areamap)決定了模型模擬區(qū)域的面積和空間分辨率。它用一個(gè)全局圖層定義模型模擬區(qū)域的空間位置屬性,所有的圖層文件均有與全局圖層文件一致的地理坐標(biāo)、范圍和網(wǎng)格大小;時(shí)間控制模塊(timer)通過設(shè)置模型的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)來決定模型的歷時(shí)和模擬次數(shù);初始化模塊(initial)用于設(shè)置模型的初始條件,空間屬性和非空間屬性數(shù)據(jù)均可在此賦初值。它由一系列pcrcalc操作命令組成,可以看作是靜態(tài)制圖模型語(yǔ)言為動(dòng)態(tài)模型的第一步循環(huán)賦初值;動(dòng)態(tài)模擬模塊(dynamic)定義了每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的所執(zhí)行的一系列命令操作,它們由一系列pcrcalc操作命令組成,在每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)從頂向下順序執(zhí)行,計(jì)算的結(jié)果作為下一時(shí)間步長(zhǎng)的初始值。第一步計(jì)算使用初始化模塊中定義初始值,第二步用第一步的結(jié)果,...,循環(huán)迭代直到結(jié)束時(shí)間為止。在每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)既可以從GIS數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù),也可將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。動(dòng)態(tài)輸入輸出語(yǔ)句(timeinput,report)在動(dòng)態(tài)模擬的每一步計(jì)算過程中,從PCRaster數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取時(shí)間序列文件的數(shù)據(jù),賦給各象元對(duì)應(yīng)的新數(shù)值,并將模型結(jié)果存入PCRaster數(shù)據(jù)庫(kù)。PCRaster動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言不是一般的GIS宏語(yǔ)言,用它編寫的模型也不是GIS各獨(dú)立模塊執(zhí)行動(dòng)作的清單。它要用pcrcalc程序來讀取模型語(yǔ)句,檢查語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類型,最后執(zhí)行。與宏語(yǔ)言相比,這種動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言有較好的錯(cuò)誤檢查能力和較快運(yùn)的行速度,但不能象宏語(yǔ)言那樣允許用戶隨意擴(kuò)展功能模塊,而必須通過擴(kuò)展pcrcalc程序調(diào)用的函數(shù)集來實(shí)現(xiàn)。三、徑流、侵蝕模型LISEM描述的過程如圖2所示。其中水文過程包括降雨、植被截留、土壤入滲和土壤水的垂直運(yùn)動(dòng)、填洼、地表漫流和溝谷匯流,侵蝕過程包括擊濺剝離、徑流剝離和徑流的輸移能力。土壤顆粒的輸移-沉積過程依據(jù)徑流的輸移能力和徑流含沙量的比較,如徑流的輸移能力大于徑流的含沙量,則發(fā)生徑流剝離,否則徑流中會(huì)有一部分泥沙沉積下來。土壤水的垂直運(yùn)動(dòng)的描述用的是Richard方程(用戶也可以選用Holtan或Green/Ampt方程)。地表徑流的描述用的是運(yùn)動(dòng)波模型和曼寧公式。坡面侵蝕沒有進(jìn)一步劃分細(xì)溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕。溝谷侵蝕只考慮徑流剝離,同樣依據(jù)徑流的輸移能力和含沙量的比較,來計(jì)算溝谷剝離和沉積過程。模型還特別考慮了道路,機(jī)耕轍痕和表土結(jié)皮對(duì)徑流、侵蝕過程的影響。LISEM模型是用PCRaster的空間模型語(yǔ)言命令語(yǔ)句進(jìn)行表達(dá)的,模型與GIS實(shí)現(xiàn)了完全的集成。模型用PCRaster系統(tǒng)將流域在空間進(jìn)行離散化,模型參數(shù)以PCRaster的圖層文件格式輸入。模型將降雨侵蝕過程等時(shí)間間隔分割,降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)按PCRaster的時(shí)間序列文件格式,用動(dòng)態(tài)輸入語(yǔ)句輸入;在流域出口和子流域出口處,模型每一步計(jì)算的徑流量和泥沙量結(jié)果也以時(shí)間序列文件格式,用動(dòng)態(tài)輸出語(yǔ)句進(jìn)行輸出。流域各象元的侵蝕量和沉積量以PCRaster的圖層文件格式輸出,用于表達(dá)侵蝕和沉積的空間分布。另外可由PCRaster命令函數(shù)根據(jù)數(shù)字地形模型派生出模型的水沙輸移路徑聯(lián)系網(wǎng)絡(luò);還可使用PCRaster地貌水文命令函數(shù)自動(dòng)提取溝谷特征。四、實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比本文選擇安塞縣大南溝流域?yàn)檠芯繉?shí)例,流域面積3.57平方公里。LISEM模型的參數(shù)是在流域內(nèi)選5個(gè)剖面18個(gè)樣點(diǎn),以2周頻率進(jìn)行測(cè)量的,測(cè)量的參數(shù)有植被覆蓋、葉面積指數(shù)、作物高度、隨機(jī)糙度、土壤團(tuán)粒水穩(wěn)性、土壤表面團(tuán)聚力、土壤含水量和表土結(jié)皮類型及分?jǐn)?shù)。徑流泥沙過程監(jiān)測(cè)是在主溝上易形成斷面控制臨界條件的地方,建一V型量水堰,采用超聲波傳感器觀測(cè)水位,泥沙濁度傳感器測(cè)量泥沙含量,由一套自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制,并配有一套常規(guī)人工測(cè)量系統(tǒng),對(duì)自動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。降雨過程監(jiān)測(cè)則是在流域內(nèi)布設(shè)5個(gè)翻斗式自記雨量計(jì),自動(dòng)記錄降雨過程。本文選擇1998年8月1日的降雨事件進(jìn)行模擬,降雨量是15毫米,歷時(shí)49分鐘,平均雨強(qiáng)18毫米/小時(shí)。流域地貌和溝谷特征數(shù)據(jù)是在用1∶10000地形圖建立的數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上,再用PCRaster軟件的有關(guān)功能提取而獲得的;滲透方法選用Holtan滲透方程;模擬時(shí)間為150分鐘,時(shí)間步長(zhǎng)為10秒鐘。模擬結(jié)果如下:模型計(jì)算的總徑流量和總土壤流失量與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較列于表2。根據(jù)模型輸出的侵蝕和沉積的空間分布圖統(tǒng)計(jì)的不同地貌部位的侵蝕強(qiáng)度列于表3。圖3是模擬的徑流過程線與實(shí)測(cè)的徑流過程線的比較。由表2可知模擬計(jì)算的總徑流量和總土壤流失量比實(shí)測(cè)值略低,相對(duì)誤差分別為15%和5%,表明模擬的計(jì)算精度較高。從表3可以看出,大南溝流域的土壤侵蝕強(qiáng)度從梁峁頂部向溝坡逐漸增大,呈現(xiàn)出垂直增強(qiáng)分帶特征,表明大南溝流域土壤侵蝕強(qiáng)度的空間變化,主要受梁峁溝壑地形因素控制。根據(jù)圖3,模擬計(jì)算的徑流過程線比實(shí)測(cè)的徑流過程線形態(tài)偏瘦,且峰值偏高、超前。原因是模擬的時(shí)間步長(zhǎng)是10秒鐘,而實(shí)測(cè)徑流過程采點(diǎn)時(shí)間間隔是1分鐘(超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量),實(shí)測(cè)值相對(duì)于模擬值在時(shí)間上進(jìn)行了平滑,因而實(shí)測(cè)過程曲線峰值偏低,形態(tài)偏肥。黃土高原徑流過程屬于超滲產(chǎn)流類型,徑流過程線形態(tài)尖瘦,模擬的徑流過程線符合黃土高原的實(shí)際情況。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析本文介紹了PCRaster系統(tǒng)的空間動(dòng)態(tài)模型語(yǔ)言,并用PCRaster系統(tǒng)和LISEM模型,對(duì)黃土高原小流域一次降雨侵蝕過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)間步長(zhǎng)為10秒鐘,歷時(shí)為150分鐘,共模擬900次;參數(shù)31個(gè),均以PCRaster圖層文件格式輸入,文件大小為519行580列,采用8字節(jié)實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)類型;整個(gè)模擬過程所涉及數(shù)據(jù)量達(dá)65GB字節(jié)(519*580*8*31*900)。模型與GIS做到了完全的結(jié)合,二者共享同一數(shù)據(jù)庫(kù),避免了頻繁地?cái)?shù)據(jù)交換,加快了模擬計(jì)算速度,整個(gè)過程模擬僅用了3小時(shí)(PII300,32M內(nèi)存PC機(jī))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算精度較高,徑流過程線符合黃土高原超滲產(chǎn)流的實(shí)際情況,模擬輸出侵蝕和沉積空間分布圖可用于定量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)流域土壤侵蝕強(qiáng)度的空間變化。本次實(shí)驗(yàn)是一個(gè)在GIS環(huán)境下動(dòng)態(tài)模擬降雨侵蝕過程的范例,它為如何用GIS表達(dá)和處理空間動(dòng)態(tài)過程提供了一個(gè)解決方法。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比偏低,主要原因有兩個(gè):一個(gè)是基于點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的空間插值;另一個(gè)原因是用數(shù)字高程模型派生水流路徑聯(lián)系