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基于GIS的流域土壤水分补给量的模拟研究.docx
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2023-08-03
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基于GIS的流域土壤水分补给量的模拟研究.docx
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基于 GIS 的流域土壤水分补给量的模
拟研究
摘要 地理信息系统
(GIS:Geographical Information System)
的栅格数据模型是进行水文分析较常用的
方法之一,它强大的空间分析功能非常利于
构造分布式模型。土壤水分的空间分布与地
形、土壤和土地利用等因子密切相关。本文
利用 GIS 栅格数据模型构建了流域累积土壤
水分补给量的分布式模型,并应用于鄂尔多
斯高原的考考赖沟流域。结果分析表明,模
型能够合理地表达累积土壤水分补给量的
空间变化规律。这对于我国半干旱山地丘陵
地区的土地利用结构的空间安排、植被生态
建设与恢复具有重要意义。
关键词栅格数据模型 土壤水分 鄂尔多斯 地
理信息系统
数字水文模型是构建在数字高程模型
(DEM:Digital Elevation Model)基础之上
的一种分布式水文模型,它以流域面上分散
的水文参数和变量来描述流域水文时空变
化的特性。利用 GIS 栅格数据模型进行地表
水文特性的研究,是国际上的热点研究领域。
对此已有学者开发和建立了不同的算法和
模型[1,2,6,8,13],同时也进行了相应的应
用研究[7,14]。本文以鄂尔多斯高原的考考
赖沟流域为例,利用 GIS 空间分析技术,建
立研究区的数字高程模型。在此基础上,建
立基于栅格系统的水流模型。然后根据土壤
水分平衡原理,建立累积土壤水分补给量的
准分布式模型,分析不同地形条件对土壤水
分补给量分布的影响。模型的建立与实现对
于研究不同地形条件下潜在生态恢复的可
能性、水土资源的耦合以及土地资源潜力的
发挥具有重要意义。
1 模型的建立
累积土壤水分补给量模型 累积土壤水分补
给量是指在降雨过程中能够为土壤所保持
的部分,只有这一部分降雨能够为植被所潜
在利用。它的空间分布不仅与土壤本身的物
理属性有关,而且还与地形坡度、高度、土
地利用类型与管理措施等密切相关。
累积土壤水分补给量模型采用 GIS 中栅格
数据模型,把由 1∶1 万地形图得到的封闭
流域数字化,利用 GIS 软件,把它转成栅格
文件,栅格大小为 10m×10m。针对每个栅格,
依据水量平衡原理,建立累积土壤水分补给
量的计算公式为式中:Si 为第 i 栅格得到的
累积土壤水分补给量(mm);Pi 为第 i 栅格得
到的降雨量(mm);Di 为第 i 栅格的土壤渗漏
损失(mm)。其中,在降雨过程中水分的蒸发
(Ei)忽略不记。Rin,i 为周围栅格汇入为第 i
栅格的水分(mm);Rout,i 第 i 栅格总的水分
损失(mm)(不包括垂直方向水分的收支)。
由于研究区范围内沙层较厚,地形坡度相
对较小,土壤水分以垂向运动为主。因此,
各个栅格间侧向的壤中流可以忽略。栅格之
间的联系是通过地表的水流联系在一起。
径流模型 降水径流的计算采用美国农业部
土壤保持局的曲线数字法(SCS Curve
Number method)[12]。该方法自 20 世纪 50
年代产生至今被各国广泛采用,许多水文模
型,象 CREAMS、SPUR、AGNPS 等均采用了该
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