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清水河上游流域可收集雨水资源量估算与检验

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热度74票 浏览25次 时间:2015年4月01日 08:11

2L{&]+^/_kI0作者:郭晓楠 王秀茹 刘兰妹水利新闻/v)xF a'{e }%Bd

水利新闻?1bsh#JL)W

摘要:以北京市西部山区典型流域——清水河上游流域为例,采用地理信息系统(GIS)和SCS(Soil Conservation Service)相结合的方法,估算了该流域不同土地利用类型在不同水文年6—8月可收集雨水资源量;并选取2008—2009年6—8月10场降雨的实测径流量数据,与SCS—CN模型计算的径流量进行误差分析,用来检验SCS—CN模型的精确度。结果表明:(1)研究区枯水年(p=75%),平水年(p=50%),丰水年(p=25%)6—8月可收集雨水资源量分别为7.16×107,1.04×108,5.71×107m3,占全年的平均百分比为82.43%;(2)不同土地利用类型在平水年6—8月可收集雨水资源量占总量百分比分别为:草地和林地占86.13%,耕地和园地占4.87%,工矿仓储用地、住宅等其他土地利用类型占9%;(3)利用SCS—CN模型计算径流值与实测值相比,合格率达到90%。水利新闻9QvS,l%QtqD,{

水利新闻9|F$] k EJ'w

关键词:雨水资源量;地理信息系统(GIS);径流

Qh.d5k9dT7zK0

/PMe5J@0Ot A9s'Srb0文献标识码:B  文章编号:1000-288X(2014)05-0208-05  中图分类号:TV213.9水利新闻u&q.Zu ~P*zYx

YrB(D{:h0Estimating and Testing on Collectable Rainwater in Watersheds of Upper Stream of Qingshui River水利新闻z#a1^QC Ew

W"UP%t&do t$v0GUO Xiao-nan,WANG Xiu-ru,LIU Lan-mei水利新闻*Y+J$}.L| }y

loa#OT6x1B0Abstract:Taking upstream watershed of Qingshui river as an example,the typical watershed in western mountainous area of Beijing City,Geographic Information System(GIS)and SCS(Soil Conservation Service) were used to estimate the collectable rainwater resource of different land-use types from June to August in different hydrological frequency years,which are dry year,normal year,and wet year.In addition,the SCS—CN computed runoff data and the observed data which were selected from 10times rainfall during June to August in 2008—2009,were used to analyze the errors and to test the accuracy of SCS—CN.The results showed that:(1)The collectable rainwater resource calculated from June to August in different hydrological frequency years were 7.16×107m3,10.36×107m3 and 5.71×107m3,respectively,accounted for the average percentage of 82.43%;(2)The percentage which rainwater resource of different land-use type collected from June to August in normal year were as following:lawn and woodland accounted for 86.13%,farmland and garden plot accounted for 4.87%,industrial and mining warehouse land,residential and other land use types accounted for 9%,respectively;(3)Comparing the computed runoff data with observed data,the acceptability was 90%.水利新闻9_Q%lv%j$L}k

Fo-G_A | t0Keywords:rainwater resource;geographic information systems(GIS);runoff

3p:A+|$PZ0 水利新闻VJ-a)G;@ a2Ry*T

雨水收集利用工程是干旱、半干旱地区生态建设和工农业生产的迫切需要,随着其应用和研究的不断深入,将会产生巨大的生态、经济和社会效益[1]。目前,中国农村和城市修建了各式各样的雨水收集利用工程,但是却没有收到很好的集雨效果,出现了部分集雨设施无水可集和部分集雨设施经常溢流的情况,究其主要原因是没有准确计算出该集水点可收集雨水资源量及其空间分布特征。SCS模型[2-6]又称为曲线数值法(curve number method),是美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service,SCS)于1954年开发研制的分布式流域水文模型。由于其结构简单,所需参数少,对观测数据要求不严格,模拟精度高等特点而被广泛应用。国内外学者将SCS模型应用到流域雨水集蓄利用进行研究取得了一定成果[7-12],主要包括研究出定量计算流域可收集雨水资源量的方法,确定雨水资源分布以及雨水集蓄利用工程布设点的方法。但是,关于空间和时间分布对雨水资源量影响的研究却很少。

~vA#MC.[0 水利新闻'@HNHm `{JWN

鉴于此,笔者以门头沟清水河上游流域为研究对象,将GIS和SCS相结合对该流域不同土地利用类型6—8月可收集雨水资源量进行估算和分析,并对结果进行检验,以期为该地区雨水资源开发及工程规划提供科学依据。水利新闻#Npr:OP6_Ra7t

水利新闻jcD7c/sk

1 研究区概况

,D8Waf8WA0 水利新闻'k"V ]qc rOV(ci

研究区位于北京西部的清水河流域上游,总面积357.36km2;地理坐标为115°49′30″—115°56′37″E,39°58′32″—40°4′16″N。清水镇地貌类型为山区,气候类型为中纬度大陆性季风气候,年平均气温11.7℃,平水年降雨量(p=50%)528.7mm,丰水年(p=25%)690.0mm,枯水年(p=75%)386.7mm。全年降水量80%集中于6—8月,常以降雨形式出现;土地利用方式以有林地、灌木林地、草地及农耕地为主;土壤为山地棕壤、山地草甸土、林溶褐土及石灰性褐土,土壤质地主要为砂土、壤土及黏壤土。水利新闻4H,LRHUP

px1wSi,@C F$A02 数据来源与研究方法水利新闻T2T4K%Am,t({^

水利新闻+TO0jq-o}

2.1 数据来源

;cRSB)p)}0

fh0K4f4n#dvQ0(1)遥感数据包括清水河流域Landsat-7slc-off卫星TM 影像(卫星:LANDSAT7;条带号:125,行编号:27;2010年)和数字高程模型(DEM)数据(中心纬度:E115°,N39°;空间分辨率:30m,2009年),数据来源:http:∥datamirror.csdb.cn。水利新闻'Ibi,D P4t!q

水利新闻W:hO^6~ Dv+@x%i

(2)土壤数据包括门头沟区1∶25 000土壤类型和土壤质地图(比例尺1∶50 000)来源于北京市土肥工作站,2010年6月。

+Kt,e8_Y9P&h0 水利新闻BO7Z1ba\ZB&l

(3)气象数据包括流域气象站连续20a(1990—2010年)的气象资料(月平均降水量、月平均蒸发量等),来源于北京市门头沟气象局。

7[*R:t!iB0

7P9t-JT Jfc(uE8z0(4)1∶10 000地形图,来源于北京市门头沟区水务局。水利新闻;J[4P&m K+`N

水利新闻 {5wm(Zs

2.2 径流观测水利新闻5g5h*h@cV"\"wF

3d0@%Z yrV{6w`02.2.1 径流小区布设水利新闻m$V-w RP-aJ

V[j,k(qB8e0本文根据土地利用类型设置11个标准径流小区,每个径流小区面积为20m×5m,设置上、中、下3个土壤含水量观测点,观测土壤中的体积含水量,底部设径流桶,控制观测一次降雨之后的径流量和泥沙含量。小区围埂高30cm,埋深40cm,厚5cm,砖砌水泥抹面,内直外斜,防止顶部雨滴溅入区内[13-14]。

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3i2YlrbV6?02.2.2 观测方法水利新闻.X uJ aB'bYY

水利新闻?SUh6cs zU

(1)降雨量的测定。水利新闻Zkr(I.?6^`)E

NmU%H0f \+Ca0在径流小区布设自记雨量计记录降雨过程,计算出降雨量P(mm)。水利新闻2m!aW7M c

'i}8v2h*P!k"j Dr0(2)径流量的测定。水利新闻2P-c}1|2y Z

hu~%T&f x L$e[P.SD0在径流小区的下部修建蓄水池,测量径流小区的径流量V(m3/km2)。水利新闻#B,Z }*v_ ~@"j4R.`

+o8Nm3Gv&}q02.3 数据处理与计算水利新闻tkZ5@+B"O

水利新闻P/Z$A {| h0r

2.3.1 流域可收集雨水资源量概念

PhT pq*p$w0 水利新闻5ze&m | }+Nj+n

将流域划分为若干子集水区,分别计算不同下垫面特征(如土地利用、土壤及坡度)下子集水区的年径流量(年降水量×径流系数),然后累加所有子集水区的年径流量,即为流域可收集雨水资源量[15]。水利新闻z~,d-c5?2S,F6D8f'y1f

水利新闻|:c;OL'Ak |

(1)水利新闻}+T:NT6i Q)}

3o7e~ r PR:s P0eqp0式中:W——流域可收集雨水资源量(m3);Aij——各集水区面积(m2);Qij——对应各集水区的年径流量(mm);N——集水区个数,由于子集水区为不规则形;i,j,a,b——1~N 中间的变量,且a<b。水利新闻'b1Zy1q Gp.uq-U

水利新闻3n#I1spr5Wk7K

2.3.2 SCS—CN模型水利新闻qIcA7|0k"xk

水利新闻d`rE\

SCS—CN模型是当前应用广泛的计算流域地表产流模型,美国SCS模型通过分析大量实测资料,得出降雨—径流基本关系为:

3]5|@c$F7z*]0 水利新闻4P"]EJYMwkD

F/S=Q/(P-Ia)(2)

fF5I {!hq ?0 水利新闻Q xB.O0m(l]

式中:F——实际后损(mm);S——流域当时的最大可能滞留量(mm);Q——径流量(mm);P——降雨总量(mm);Ia———初损(mm)。又有次降雨后,流域的水量平衡方程:

:yT(j%t]F${0mUN0

aK\$B_Se+Q!eZ0P=Ia+F+Q (3)

L!M Tvg+i9Li~ft0

X G;P/o2]0根据(2)式和(3)式可以得出SCS模型的产流计算公式为:

nB,k(qpRd0 水利新闻M8d h/ux$N6\Vm

由公式(4)可以看出,当P<0.2 S 时,地表不产生径流,当P≥0.2 S 时,地表产生径流。参数CN是反应降雨前流域特征的一个综合参数,与前期湿润状况AMC(antecedent moisture class)、坡度、土壤类型、土地利用方式4个因子有关,但是根据相关文献[15—16]对坡度的修正结果表示,坡度对该地区径流的CN值无明显影响,因此本文忽略坡度因子对CN值的影响。只考虑其他3个因子对CN 值的影响。

B!Z C8Z3R#kic0 水利新闻'B.ha']\)ryz

AMCⅡ情况下的CN 值可以通过查SCS模型的前期土壤湿润程度表、土壤分类表和美国国家工程手册第4章列出CN值查算表获得参数值,理论取值范围为0~100[17];结合研究区实际情况,该文CN值取值范围为25~84。在AMC I或AMC III情况下,可根据公式(5),(6)换算其CN 值,与CN 参数有关的3个因子处理结果如下。水利新闻@j e z!fPYcj zz

:w8~$T1a:[ f0CN1=4.2CN2/(10-0.058CN2)(5)

B6e0f;Q9Y4l;r8}n0 水利新闻 ?X$YJ G

CN3=23CN2/(10+0.13CN2)(6)水利新闻2N,py]V.yKkw/^

?A5PUU02.3.3 计算土地利用信息

(U#a MT8^V0

2`S\)~` JR&_w]0为了提高土地利用特征信息,要对Landsat卫星影像进行处理,得到矢量数据格式的土地利用现状数据,共分为11类,总面积357.36km2,各地类面积及占总面积的百分比见表1。对遥感影像处理后得到土地利用现状图(附图1)。水利新闻?C,[)i6`*l

6GV^Ym]02.3.4 计算土壤信息

v4t.l lF9X`6v0 水利新闻3_x0bv1aD2S

将土壤类型栅格图在GIS软件平台下配准校正后矢量化,得到研究区土壤类型面积数据,SCS—CN模型根据土壤最小下渗率及土壤质地,将水文土壤组(HSG)分为A,B,C,D这4种类型,研究区土壤质地主要是轻壤土,依据渗透特征及质地确定水文土壤类型划分(表2,附图2)。

+BJZ ~Cz7g.lI0 水利新闻^?O"YX]t-g

2.3.5 土壤湿润程度划分水利新闻@r ~ }Be5O9N `

水利新闻 iA|M X*on4kHm

SCS—CN 模型将土壤湿润程度划分为3级,分别代表干旱(AMCⅠ)、平均(AMCⅡ)及湿润(AMCⅢ)3 种状态(antecedentmoisture class,AMC);在实际应用时,一般用降雨前5d的降雨量来确定土壤AMC。在平水年条件下,年降雨量为528.70mm,本文研究时间段6,7,8月这3个月土壤湿润程度为平均(AMCⅡ)状态。

)z#W h!q0gPH[ H0

1mQw B\.a{G9{03 结果与分析水利新闻)e E ?4vZ|*o A Fo

"{:HA3pKh{03.1 CN值

lf S Sb2m \!|fY:E@ N0

Eg[8]/p!c3PzoD0CN值反应径流潜力,在同等的降水条件下,CN值越小表示地表截留水分的能力越大,CN 值越大表示地表截留水分的能力越小。AMCⅠ,AMCⅡ状态下的CN值根据美国国家工程手册第4章的CN 值查算表及相关研究成果[18]得出(表3)。在相同的前期土壤湿润程度(如AMCⅡ)下:同一土地利用类型,不同土壤的CN 值不同,A 类土壤CN 值最小,D类土壤的CN值最大,这是因为不同土壤的最小下渗率和质地不同;同一土壤类型(A 类)下,不同的土地利用类型CN值也不同,林地最小,草地次之,住宅用地的CN值最小,这是因为不同土地利用类型对土壤的利用和破坏程度不同,导致CN值不同。水利新闻2\ nM?8@ xp3Q

/j-a d;eJEK^(@-g!mt#z03.2 可收集雨水资源量计算与检验

0[ Q'wr`^T0

#E8~1G5ICl;?"v)s0将研究区土壤、土地利用数据层利用叠置(Overlay)分析中的求交(Intersect)工具进行分析,生成土壤—土地利用数据层,该数据层同时包含了土壤、土地利用信息,结合前期土壤湿润程度确定不同下垫面特征的CN值,运用SCS—CN 模型计算不同水文年下的径流量。Q平水年,Q丰水年,Q枯水年分别代表不同土地利用和土壤类型下对应的年径流量,结合GIS技术,按照可收集雨水资源量的概念,计算流域6—8月和全年可收集雨水资源量。

E,X nw6teO0 水利新闻$]"rde-@7v%^,zM

为了检验GIS和SCS相结合计算流域可收集雨水资源量方法的精度,该文选取了2008—2009年6—8月的10场降雨的实测径流量,与SCS—CN模型计算的径流量进行误差分析。从表4可以看出,与实测结果相比,计算结果有9场达到合格要求,总体合格率为90%。一般认为,应用SCS模型进行径流模拟时,计算径流量与实测径流量的相对误差在15%以内为合格,反之为不合格[19],此次实验结果满足要求。综上所述可以认为GIS和SCS相结合估算出的雨水资源量具有较高的精度。水利新闻 iqFl J;uJ'bQ

水利新闻GD0b/C8H9}7d\ a8`'u

3.3 可收集雨水资源量时间分布分析水利新闻;F@R*pH~ w

水利新闻mK7]j;[(}^

平水年(p=50%)6—8月可收集雨水资源量占全年(8.7×107m3)的82.30%,丰水年(p=25%)占全年(1.26×108m3)的82.22%,枯水年(p=75%)占全年(6.90×107m3)的82.75%。由此可以看出,该流域每年6—8月仅3个月的可收集雨水资源量就平均占全年的82.43%,而其他月份可收集的雨水资源量很少,所占比例不到全年的20%,这与北京地区降雨时间分布呈正相关,北京处于中国半干旱区,为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,降水季节分配很不均匀,全年降雨的80%分布于夏季6,7,8这3个月,因此应重视6—8月的雨水资源并布设相应集雨措施。水利新闻c/q[VY5iP2k

,R S)UU_,do i5j03.4 可收集雨水资源量空间分布分析

2e HwC.N e0

t-Dj*En/D0研究区6—8 月可收集雨水资源量平水年为7.16×107m3,丰水年为1.04×108m3,枯水年为5.71×107m3。不同土地利用类型的可收集雨水资源量有较大差异。由表1和表3可知,耕地和园地占总面积的3.50%,平水年可收集雨水资源量为3.49×106m3,仅占总量的4.87%,原因是耕种使土壤质量下降,土壤板结,不利于下渗,使地表产汇流加大。草地(包括天然牧草地),林地(有林地、灌木林地和其他林地)占总面积的91%,平水年可收集雨水资源量为7.56×107m3,占总量的86.13%,大部分地面坡度大于15°,易形成有效坡面径流;工况仓储用地、住宅用地、水域、其他用地占总面积的5.5%,平水年可收集雨水资源量为6.45×106m3,占总量的9%。由以上分析可知应对该流域草地、林地修建集水措施,拦蓄地表径流,用于农田灌溉和道路绿化灌溉。水利新闻^$d6PU^Rw fx-u

水利新闻D:_vHG"DY

4 结论水利新闻K#c1lu*@v

cz2D9x?Z|a0GIS和SCS模型结合,可以定量地计算出流域径流及可收集雨水资源量。可以在北京山区林地、草地上布设集雨措施重点收集6—8月可收集雨水资源量。本研究结果可应用于无水文资料的流域产流量的估算及地表径流的研究。对北京以及华北地区雨水集蓄利用工程的选址等相关设计有很强的指导借鉴意义,可为雨水利用工程的规划与设计提供科学依据。

]Pz3N#s2tl2T0 水利新闻G-oY"zy C6[

本文计算出的径流量和可收集雨水资源量是基于流域多年平均降水量而计算得出的,仅具有气候意义的概念。但是在实际情况下,对于某一确定的流域,流域的径流量不仅仅与下垫面状况、降水量有关,还与降雨强度和降雨的年际变化有关,但是根据相关文献[20—21]可知,径流量与下垫面和降雨量有很强的相关性,与降雨强度和降雨的年际变化相关性要弱很多,可以忽略不计,所以本文只考虑了下垫面条件和降雨量对径流量和可收集雨水资源量的影响。

8m4J!Yd)PY0 水利新闻;S3sv-^5fg R/j

本文所用的CN 值是在参考相关文献和美国工程手册的基础上确定的,仅适用于某一特定的研究区域,如果换做其他研究区域,则不一定适用,所以建立全国性质的CN值基础数据库是非常有必要的,也是未来关于CN值研究的重点。

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作者简介:郭晓楠(1987-),女(汉族),河北省石家庄市人,硕士研究生,研究方向为水土保持、水文及水资源。水利新闻 x|N a!H@ O Q;S

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