楊  春

(江蘇省水文水資源勘測局徐州分局  江蘇徐州  221018)

摘  要：在研究城市水資源中，文章提出無人機遙感技術(shù)及SWAT模型的地理信息技術(shù)與水文模型結(jié)合的水資源評價方法。通過從戶外作業(yè)獲取的地表水分布信息，結(jié)合下墊面數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用SWAT模型對水資源環(huán)境中的重復(fù)水量進行計算，以此保障水資源總量的精確性。為確保方法的可靠性，選取平原區(qū)域某地作為實例對象，利用調(diào)查結(jié)果判斷評價方法合理性和可靠性。結(jié)果充分表明，該方法要比傳統(tǒng)方法考慮因素更全面，降低不確定影響概率，能夠為城市水資源評價提供方法依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SWAT模型；城市水資源；評價方法

0引言

我國水資源人均量非常低，空間分布不均衡，尤其是平原區(qū)域，河網(wǎng)非常密集，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)查水資源難度非常大。通過對無人機遙感技術(shù)及SWAT模型的地理信息技術(shù)與水文模型結(jié)合的水資源評價方法的應(yīng)用，能夠獲取精確的水資源情況，以此實現(xiàn)水資源高質(zhì)量開發(fā)利用。

1. SWAT模型水資源評價方法

為確保水資源評價結(jié)果的精確性，在實踐中使用RS技術(shù)、下墊面數(shù)據(jù)、水文模型等多種技術(shù)融合的研究方法^[1]。水資源總量計算通過水文模擬得出，其他部分水資源循環(huán)過程主要利用SWAT模型模擬。基于水資源循環(huán)流程是受到多種因素影響的，如土地種類、土壤情況、氣候條件等^[2-4]。這在構(gòu)建水文模型中，需要獲取到水資源區(qū)域的地理信息、空間信息等。在研究過程中，使用無人機遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)平臺進行空間信息獲取。現(xiàn)有水資源評價主要依靠空間信息和水文模型結(jié)合的方式進行研究，需要使用技術(shù)路線開展工作，如圖1所示。

1.1 SWAT水文模型

SWAT模型應(yīng)用中，主要包含兩個方面內(nèi)容，即陸地水文循環(huán)模擬和河道匯流過程模擬^[5]。陸地水文循環(huán)模擬主要對子流域中存在的各類物質(zhì)進行控制，基本上是輸入過程，而河道匯流過程模擬主要對河道存在的各類物質(zhì)移動過程實施控制。SWAT模型根據(jù)水量平衡方程對水循環(huán)計算：   

在該計算公式中：W_s,t代表土壤含水總量；W_s,0代表土壤最開始的含水量；t代表時間多少，單位是天（d）;R_day代表第多少天自然降水總量；Q_surf代表第多少天地表水流的總量；E_a代表第多少天水資源蒸發(fā)總量；W_seep代表第多少天土壤水分流失總量；Q_gwd代表第多少天地下水流總量。從水資源循環(huán)流程分析，該模型基本從自然降水到各類水流進行整體涵蓋。從陸地層面而言，模型在設(shè)計中對地表水流、蒸發(fā)水量、地下水流量三方面考慮。從河道匯流過程而言，使用馬斯京根法對其展開分析。

1.2地理信息數(shù)據(jù)

SWAT模型在設(shè)計中，是非常綜合性的分布式循環(huán)體系，整個運行過程涉及到大量數(shù)據(jù)資源，而數(shù)據(jù)資源是否客觀性、真實性、全面性等都將影響到計算結(jié)果的準確性^[6]。在研究過程中，需要采集或者收集的數(shù)據(jù)種類非常多，包括但不限于水文情況、地理空間信息等。其中，在水文情況獲取中，應(yīng)當對評價區(qū)域水資源數(shù)據(jù)進行梳理、整合后得到；地理空間信息是完全采用無極人遙感技術(shù)測繪得到，也可以從現(xiàn)有地理信息資料庫中獲取相關(guān)基礎(chǔ)資料，并且使用GIS技術(shù)解譯后得到^[7-9]。地理信息平臺基本上為模型研究提供豐富數(shù)據(jù)資源，包括但不限于高程信息、土地使用類型、水系信息等內(nèi)容。在這類數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上，GIS技術(shù)能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)渠道的資源進行整合，從而對評價區(qū)域的水網(wǎng)分布、河湖特點等進行明確。

1.3無人機遙感技術(shù)

在研究中，無人機設(shè)備使用華測p550，并且安裝多鏡頭對各類影像數(shù)據(jù)獲取，分辨率達到0.04米。根據(jù)測繪前所收集的地圖，對需要進行影像資料采集區(qū)域進行實地勘查，明確當前區(qū)域測繪條件，判斷出飛行和影響無人機設(shè)備的適應(yīng)度，從而對起降場地進行確定。在航測過程中，按照明確的測繪區(qū)域，使用直飛方式進行全面敷設(shè)，也會沿著航測區(qū)域邊界進行首尾相接，保障側(cè)視鏡頭能夠測繪到區(qū)域中的所有影像。航測中的飛行高度按照測繪方案執(zhí)行，實際飛行高度誤差不會超過設(shè)計高度的50米。相同航線獲取的相鄰影像圖片航測高度不會超過30米，最大航測高度和最低航測高度誤差不會超過50米。在研究中使用Geodging軟件對圖像色彩進行處理，影像背景本身的顏色不參與到計算中，按照標準模板對影像圖片色彩和亮度進行平均。針對不同區(qū)域色彩標準模板也需要存在差異，確保色彩處理后影像整體畫面清晰，色彩均勻，反差合理，光譜信息多樣化。通過對精度符合標準的影像圖片作為數(shù)據(jù)源，逐步建立三維網(wǎng)格，再構(gòu)建白體三維模型，將采集到的影像數(shù)據(jù)資料全部反映到白體模型中，以此得到水資源實景三維模型。

2. SWAT模型應(yīng)用案例

水資源評價區(qū)域處于沂蒙山區(qū)前沖積平原的邊緣地帶，整體地形走勢是西北高、東南低的特點。而且，該區(qū)域氣候是溫帶季風(fēng)氣候，常年自然降水量均為800毫米左右。經(jīng)過該區(qū)域河流非常多，包括但不限于大運河、沂蒙河等；也存在多處水庫，如艾山、楊廟等。

2.1水文模型構(gòu)建

水文模型中具備諸多要素，但是參數(shù)是其最核心的部分，這需要從水資源流域中進行特征提取，能夠詳細呈現(xiàn)和描述水資源流域循環(huán)過程。針對多數(shù)水資源流域而言，水文氣象情況、下墊面分布狀況都是極其繁雜的。在本次實際評價中，從水資源使用層面出發(fā)，對當前行政管轄區(qū)域合并，并且全面考慮地形變化、地貌特征等因素，對該區(qū)域水資源進行分區(qū)計算，分區(qū)如圖3所示。通過對GIS軟件進行使用后，能夠?qū)?/span>DEM中的數(shù)據(jù)資料進行效驗，以此得到準確的河網(wǎng)數(shù)據(jù)。也會對河網(wǎng)存在的各級支流進行分析，將其每條河流的匯點標記到河道上，從而對流入、流出區(qū)域進行劃分。再對ARCGIS水分分析模塊進行應(yīng)用，能夠?qū)⒃搮^(qū)域劃分為10個子流域。在水系數(shù)據(jù)獲取后，結(jié)合模型需求對該區(qū)域的土地使用類型、土壤成分信息等編碼設(shè)計。在研究中，土地使用類型數(shù)據(jù)、下墊面情況數(shù)據(jù)等都是來源于地理空間數(shù)據(jù)，并且與自然資源部門全國國土勘查結(jié)果是保持一致的，經(jīng)過處理后將其放入模型中。依托子區(qū)域各個部分的土地使用類型及土壤成分情況，對所有子區(qū)域水文進行分區(qū)，從而分別設(shè)計針對性的閾值。結(jié)合這種方式，水文計算過程得到全面優(yōu)化，能夠利用模型計算出各區(qū)域的匯流結(jié)果。

2.2參數(shù)確定

在SWAT模型中，需要使用的參數(shù)非常多，對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，應(yīng)當利用SWAT模型中的功能實現(xiàn)。在多次抽樣測算中，對參數(shù)情況進行統(tǒng)計，對不同影響參數(shù)分級，能夠得到對模擬過程產(chǎn)生影響大的參數(shù)。再結(jié)合敏感性分析模塊的功能，將區(qū)域自然降水信息、溫度等數(shù)據(jù)進行輸入，對參數(shù)概率進行確定，使用SWAT中的算法對參數(shù)概率進行計算，以此與標準參數(shù)范圍進行對比，結(jié)果如表4所示。

2.3水資源量模擬結(jié)果

該區(qū)域水資源都是由自然降水形成的，水位變化區(qū)域也是直接受到氣象條件影響，與自然降水保持一致。在研究中，選擇其中具有代表的流水情況進行分析，模擬得到各個區(qū)域的平均地表水資源總量。根據(jù)評價區(qū)域1980~2021年平均自然降水頻率分析，選擇出四個不同的自然降水頻率分別是30%、55%、80%、90%等年份，將其自然降水數(shù)據(jù)帶入到模型中，能夠得到如圖5所示的結(jié)果。

針對區(qū)域1980~2021年間的水資源產(chǎn)生條件，導(dǎo)入已知水文數(shù)據(jù)模擬得知，從而得到各個分區(qū)平均地表水資源總量，總量為7.12億m3。結(jié)果可知，區(qū)域整體水資源比周圍更加豐富，這源于區(qū)域上方處于兩河交匯處，流域下游河水進入到湖泊中，整個區(qū)域水網(wǎng)非常密集。從歷年平均自然降水情況可知，該區(qū)域僅僅只占據(jù)市區(qū)面積的6%，但是水資源總量占比達到12%。從地下水儲量方面分析，該區(qū)域主要存在淺層地下水，也是受到氣象條件控制的，沒有其他的規(guī)律性特點。結(jié)合該區(qū)域1980~2021年間地下水儲量統(tǒng)計可知，地下水儲量為2.69億m3；通過對氡同位素示蹤法計算出重復(fù)水量達到0.21億m3。因此，該區(qū)域總的水資源總量應(yīng)該是7.57億m3。

2.4 SWAT模型與地面分類法分析

在水資源總量計算中，往往也會使用到傳統(tǒng)方法，這類方式并沒有取消利用。一般情況下，運用在集總式產(chǎn)流模型中，如地面分類法。在對地面分類法應(yīng)用中，能夠?qū)Σ煌聣|面的產(chǎn)匯流計算，也對某區(qū)域水資源總量進行確定。地面分類法在運用中，先要對水文簡化，需要有很強的經(jīng)驗性，原理機制簡單，常常用于沒有實測資料的區(qū)域。通過計算結(jié)果進行對比，SWAT模型整體數(shù)據(jù)資料的準確程度更高。在使用SWAT模型中，誤差系數(shù)在1%左右；而地面分類法誤差系數(shù)在8%左右。從計算結(jié)果來看，SWAT模型分析法總體得到的水資源總量超過地面分類法，這說明使用該方法計算準確率提升8%左右。

3. 結(jié)語

本文在研究中，所選取的研究對象處于平原區(qū)域，通過對內(nèi)外內(nèi)分析模式的開展，實施水資源總量評價方法，并且將其運用到區(qū)域水資源綜合分析中，得到很多研究結(jié)果。在使用RS技術(shù)、下墊面數(shù)據(jù)、水文模型后，能夠更快分析出區(qū)域水資源情況，充分提升測量效率；和以往水資源調(diào)查方式不同，結(jié)合無人機設(shè)備對數(shù)據(jù)進行復(fù)核，保障調(diào)查結(jié)果精確性，也可以將所有因素覆蓋；而且SWAT模型比地面分類法更為準確。因此，本文研究分析的水資源評價方法，對其他區(qū)域進行水資源評價有很好的借鑒作用。

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作者簡介：楊春（1989-），男，漢族，江蘇睢寧人，本科學(xué)歷，工程師，主要從事水文水資源評價、地下水監(jiān)測與管理等方面的工作與研究工作。聯(lián)系電話：13912020162，郵箱：272247954@qq.com，單位地址：江蘇省徐州市云龍區(qū)大龍湖街道中茵廣場5號樓