四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究

第22卷第4期2006年4月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.22　No.4Apr.　2006

四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究

袁再健1,2,3,蔡强国1,3,吴淑安1,3,张明政4

(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;　2.中国科学院研究生院,北京100049;

3.中国科学院陆地水循环与地表过程重点实验室,北京100101;　4.升钟水土保持试验站,四川南部637324)

摘　要:针对日益加剧的四川紫色土地区水土流失情况,为定量分析紫色土地区小流域水土流失程度,选取四川省南部县

鹤鸣观小流域为研究区,在蓄满产流模型的基础上,构建了适合紫色土地区小流域分布式产汇流模型。该模型以地块为计

算单元,在每个地块上输入参数,然后依据流域产汇流机制计算每个地块的产汇流量,并用递归算法将计算结果推算到流

域出口,得到流域径流总量。该模型能评价流域下垫面各因子空间分布不均匀性和人类活动的影响,模拟每个地块次降雨

产汇流过程。在鹤鸣观小流域进行了模型的检验与应用,模拟过程与实测结果符合较好。该研究为四川紫色土地区水土保

持治理提供了科学依据。

关键词:紫色土;蓄满产流模型;分布式产汇流模型;地块;递归算法

中图分类号:TV121.7 文献标识码:A 文章编号:100226819(2006)0420036206

袁再健,蔡强国,吴淑安,等.四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究[J].农业工程学报,2006,22(4):36-41.

YuanZaijian,CaiQiangguo,WuShu’an,etal.Distributedmodelforsimulatingrunoffyieldinthetypicalwatershedof

thepurplesoilregioninSichuanProvince[J].TransactionsoftheCSAE,2006,22(4):36-41.(inChinesewithEnglish

abstract)

收稿日期:2005206206　修订日期:2005210209基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271075);中国科学院知识创新工程重要方向项目“水蚀预报模型研究”(KZCX3-SW-422);中科院地理科学与资源研究所自然科学基金延伸支持领域前沿项目(CXIOG-A04-10)作者简介:袁再健(1976-),男,,湖南武冈人,博士生,主要从事水蚀模型与GIS应用研究。北京　中国科学院地理科学与资源研究所,100101。Email:yuanzj@igsnrr.ac.cn0　引　言

紫色土是四川水土流失严重的土壤。其侵蚀面积之

广和侵蚀强度之大,仅次于中国北方的黄土。强度侵蚀

区(侵蚀模数≥7750t󰃗(km2・a))主要分布在四川盆地

中部丘陵区的绥宁、蓬安、南充、南部、中江等市县及龙

泉山区的部分地带[1]。据南充市土壤普查统计和遥感图

像显示,全区明显的水土流失面积为76202万hm2,占

全区幅员面积的44.98%,全区土壤年流失量为388992

万t[2]。并且由于紫色土易于发生土壤侵蚀以及人类的

不合理利用,川中紫色土区水土流失日益加剧,土壤严

重退化,破坏了该地区的生态环境,增加了农业生产的

难度[3]。因此,控制川中地区的水土流失刻不容缓,而土

壤侵蚀模型作为进行水土资源管理、定量评价水土保持

措施的有效工具,在该地区的研究还比较少[4]。目前国

内的水文泥沙模型多为集总式模型(LumpedModel),

不考虑水文泥沙输移过程,并且研究区主要集中在黄土

高原,模型的推广受到限制。随着电子计算机技术与地

理信息系统(GIS)技术的发展,分布式模型成为当今国

际水文科学研究的重点与发展方向[5-7]。分布式水文泥

沙模型可反映时空变化过程,可对流域内任意一个计算

单元进行产汇流、产输沙模拟和描述,相对于集总式模型(LumpedModel)而言,其运行结果可信度、通用性更

高。但国内的分布式水文泥沙模型并不多见。

为此,本文在蓄满产流模型[8]的基础上,运用VB

语言与ArcGIS构建了适合紫色土地区典型小流域的

次降雨分布式产汇流模型,以地块为计算单元,在每个

地块上输入参数,然后依据流域产汇流机制计算每个地

块的产汇流量,并用递归算法将计算结果推算到流域出

口,得到流域径流总量。在鹤鸣观小流域对该进行了运

用与检验,结果表明计算值与实测值符合良好。本研究

为进一步建立小流域产汇沙分布式模型奠定了基础,为

定量分析紫色土地区小流域水土流失程度以及水土保

持治理效果提供了科学方法与依据。

1　流域基本情况

本文选取的研究区——鹤鸣观小流域位于四川省

南充市南部县,属嘉陵江西河流域,流域面积1.7km2,

由三条主要小支沟组成,基岩为白垩纪砂岩及砂质黏土

岩,土壤以紫色土为主。从1983年开始󰂪、󰂫号支沟出

口站就开始观测,󰂪号支沟90年代中期停止观测,󰂬号

支沟没设观测站,因此这里研究观测数据系列最长的󰂫

号支沟,其高差314m,面积0.420km2,干流长度为0.

350km,沟道平均比降为310‰,图1为鹤鸣观小流域

水系示意图。

小流域气候温和,雨量充沛,属亚热带季风气候。多

年平均降雨量957mm,多年平均降雨天数为142d。土

壤侵蚀以中、强度侵蚀为主,1987年后流域陆续进行了

以生物和工程措施相结合的水土保持治理工作,林草覆

盖率有所增加,水土流失状况有所缓解(四川省升钟水

土保持试验站.川北低山深丘中度流失区小流域综合治

理研究,1997)。63

图1　鹤鸣观小流域水系示意图

Fig.1　SketchoftheHemingguanBasin

2　模型构建

2.1　流域地块的划分

地块的划分一般采用两种方法:1)简单地块法,根

据模型计算的需要,用地貌单元、径流网络或土地利用

特征之一来划分地块单元,实际上是一种理想坡面,即

坡形、坡度、土壤和土地利用等相对均匀的地理单元;2)

综合地块法,大量的研究采用了综合法划分空间单元,

即根据地貌、土地利用、土壤等影响土壤流失的环境因

子划分地块,以此为基础采集和管理数据并计算土壤流

失量[9]。

本研究主要根据流域土地利用方式以及土壤特征

划分地块单元,分为以下几类:林地、果园、幼林(灌木

林)、坡耕地、梯地、水田、荒地以及其它类型(主要是建

筑用地)。

2.2　产流模型

根据鹤鸣观小流域1983～2004年121场降雨径流

资料以及实地土壤采样分析,我们发现流域产流方式以

蓄满产流为主。其中有效降雨由流域上的实际降雨强度

和蒸发蒸腾、植物截留、填洼、土壤入渗等降雨损失而决

定。一般情况下该流域一次降雨历时比较长,降雨损失

以蒸发、植物截留和入渗为主,填洼损失量很少,认为可

以近似忽略。由此,在蓄满产流模型的基础上建立小流

域次降雨产流模型:

蓄满前

P-E-Z=W2-W1(1)

蓄满后

P-E-Z-R=Wm-W1(2)

式中　P——次降雨时段降雨量;E——蒸发量;

Z——植物截留量;W1,W2——时段始末的土壤蓄水

量;R——次降雨时段产流总量;Wm——田间持水量。

考虑到流域上的土壤蓄水量与Wm分布不均,这里

用蓄水容量曲线。蓄水容量是包气带蓄满时与很干时(现代气候条件下)土壤蓄水量的差,也就是土层最大

可能缺水量。令流域上某一点的蓄水容量为W′m,则流

域蓄水容量曲线定义为蓄水容量等于或小于某W′m值

所对应的流域面积,如图2。图中FR为部分流域面积,F

为全流域面积,W′mm为W′m的最大值,Wm为流域平均蓄

水容量(mm)[8]。

假设降雨开始时的流域蓄水量为W0=W,即图上

的面积OABC。此时,若流域上降一有效平均雨深P-

E-Z,图中矩形面积KBEN即为其总水量的体积,其

中面积ABED代表这次降雨所增加的流域蓄水量∃W,

在无雨期,∃W为零。AD线的左边为蓄满的部分,图上

阴影面积KADN为产流量R。

图2　流域蓄水容量曲线图

Fig.2　StoragecapacitycurveoftheHemingguanbasin

图2表示的是下列水量平衡关系:

P-E-Z-R=W2-W1(3)

上式即是次降雨的产流方程。蓄水容量曲线的线型

采用B次抛物线比较合适[8],即

FRF=1-1-W′mW′mmB(4)

据此可求得流域平均蓄水容量Wm[8]为

Wm=∫1

0W′md(FR󰃗F)=W′mm1+B(5)

流域蓄水量W,由图2,应为

W=∫a

01-W′mW′mmBdW′m=W′mm1+B1-1-aW′mm1+B(6)

与流域蓄水量W相对应的纵坐标a为

a=W′mm1-1-WWm11+B(7)

产流时,当a+P-E-Z

R=(P-E-Z)-∃W=(P-E-Z)-

∫a+P-E-Z

a1-W′mW′mmBdW′m

=P-E-Z-

(Wm-W)+Wm1-a+P-E-ZW′mm1+B(8)73　第4期袁再健等:四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究当a+P-Z-E≥W′mm时

R=P-E-Z-(Wm-W)(9)

据此做出的降雨径流相关关系见图3。以上求得的

产流量是每一计算单元的总产流量,包括地面地下径流

都在内。进一步应划分水源,推求地面径流与地下径流。

把R分为地面径流RS与地下径流RG两部分,如下式:

当P-E-Z>FC时,

RG=FC

RS=P-E-Z-FC

当P-E-Z≤FC时,

RS=0,RG=R(10)

式中　FC——时段稳定下渗量(这里不考虑不稳定入

渗那部分)。

图3　流域降雨总径流相关图

Fig.3　Relationshipbetweenrainfallandrunoff

2.3　参数的确定

在以上的产流计算中,包含了6个参数:Z,W,

W′m,W′mm,Wm,B,这几个参数可通过计算(或者估算)得

到。

1)Z:植物截留量。植物截留损失的降雨量与植被

类型和植被覆盖度有关,一般来说,森林的郁闭度大、叶

面积指数高、林分结构好、雨前树冠较干,则截留量大,

同时,雨量大、雨强小、历时长的降雨类型,有利于林冠

截留。尽管截留损失在降雨初期较大而后逐渐变小并趋

于饱和,但在计算中假设降雨时截留均匀损失。

Hartley[10]在1987年提出了一个简单计算植物截留损

失的降雨量Z(mm)的关系式

Z=ZmaxCv(11)

式中　Cv——植被覆盖度,%;Zmax——在植被覆盖度

为100%时,植被所拦截的降雨量(mm)。相应于不同的

植被,其Zmax取值是不同的,具体数值参照一些研究成

果[11,12]并根据鹤鸣观小流域不同季节的植被覆盖度变

化情况确定计算地块对次降雨的截留量。

2)W:时段流域蓄水量

产流计算过程中,需确定出各时段初的流域蓄水

量。设一场暴雨起始流域蓄水量为W0,时段末流域蓄水

量计算公式[13]如下:

Wt+∃t=Wt+Pt+∃t-Zt+∃t-Et+∃t-Rt+∃t(12)

式中　Wt、Wt+∃t——时段初、末流域蓄水量,mm;Pt+∃t——时段内流域的面平均降雨量,mm;Rt+∃t——

时段内的产流量,mm;Zt+∃t——时段内流域的植物截

留量,mm;Et+∃t——时段内流域的蒸散发量,mm,式

中的蒸散发量根据流域逐日蒸发量数据按一定比例折

算得到。

3)W′m,W′mm:流域上某点的蓄水容量以及其最大

值,可由流域上某点的土壤前期含水量,参考流域平均

蓄水量加上实测降雨径流资料、流域各点的土壤植被特

征加以优选。

4)Wm:流域平均蓄水容量,是流域干旱程度的指