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近年来,随着RS、GIS技术的发展,集成RS、GIS和DEM技术的分布式水文模型发展迅速。对于分布式水文过程模拟,流域径流模拟的精度受输入的气象数据影响,同时由于产汇流过程极大地受控于流域空间地形的结构,其精度还有赖于输入模型的流域特征参数,而流域的地形参数正是通过DEM数据提取出来的。国内外学者大量研究表明,DEM的分辨率影响了诸如坡度、汇流网络、河道长度、流域边界等流域参数的提取,进而对流域模拟有一定的影响。目前国内一些学者研究了不同分辨率的DEM对流域特征参数的影响,但对不同DEM分辨率情况下径流模拟的研究相对较少,因而研究DEM分辨率对径流模拟的影响以及不同DEM分辨率情况下各子流域之间地形参数与径流模拟的相关性,有助于进一步研究流域尺度内水文过程的时空变化规律,深入了解流域水文时空过程与气象、地—气界面条件及流域地貌特征间的关系,并应用到流域水资源空间分布快速评估实践中。
本文选取的汉江上游马道流域地区属湿润的亚热带气候边缘地带,流域内地貌条件复杂,气候变化多样,垂直地带性明显。选取基于水文过程的、具有较强物理机制的分布式流域水文物理模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型进行径流模拟,以60m×60m分辨率DEM为基础进行1981-1985年间的月平均径流模拟,以月径流模拟的N—S模型效率系数为主要指标,率定出月模拟效果最佳时(N—S模型效率系数达0.9427)的各参数值。运用所率定的参数分别对120m×120m、250×250m、500m×500m和1000m×1000m四种不同分辨率DEM的1981-1985年的流域径流进行模拟,运用River Tools软件提取流域地形参数,分析得出DEM对流域地形参数提取和径流模拟的影响,结果表明:不同分辨率DEM流域地形分析计算机自动提取得到的最长河道相差较小,但河道总长、坡度等相差较大,进而影响了分布式水文模型径流模拟的效率。
在流域中选取4个参考研究区,用同一套参数进行模拟,并用归一化的径流一河道总长比指数(NRLI)描述径流模拟与地形参数相关性,分析不同DEM分辨率对各个研究区的NRLI影响,通过以上模拟和分析可以得到以下结论:
1) DEM分辨率影响着流域特征参数的提取,尤其反映在对河道总长、河流密度、河源密度和坡度的提取上。分辨率高的DEM提取的河道总长、河流密度、河源密度和坡度就大,分辨率低的:DEM所提取的以上参数就偏小。
2)本文应用1981~1985年资料进行径流模拟,结果表明:DEM分辨率影响了河道总长、河流密度、河源密度、坡度等地形参数的提取,对径流模拟也有一定的影响。在运用最佳模拟参数进行模拟的情况下,由于分辨率的降低,所提取的坡度变小,汇流速度变慢,汇流有滞后,造成模拟的峰谷被均化,DEM分辨率高的要比DEM分辨率低的平均径流量大。
3)本文用NLI来表示径流与河道总长之间的相关性,发现模拟径流与河道总长之间存在较为稳定的相关性,即NRLI趋向于1。在同一流域中研究区范围由大到小变化,面积越小,其他地形、气象参数等影响越明显,NRLI波动越大。
4)NRLI受到DEM分辨率影响,随着DEM分辨率的降低,NRLI变得平缓,尤其是面积较小的研究区的NRLI波动明显缓和,因而,在对精度要求不严格的时候可以通过NRLI和流域径流量来推测局部地区产流,这个方法尤其适用于粗分辨率DEM情况下。
5)当蒸发量小于月平均降水量时,NRLI趋于稳定值,当蒸发量接近或者大于月平均降水量的时候,随着河道总长由大到小的变化,NRLI波动加剧,河道总长越小,NRLI的偏移量越大。
6)DEM的分辨率过低会使径流模拟和参数提取产生较大的误差,而过高分辨率的DEM又会导致计算繁琐和耗时,因而,当进行径流模拟的时候应该选取合适的DEM分辨率来达到较好的效率和模拟效果。