《流溪河模型V》PPT课件.ppt

流溪河模型 Liuxihe Model,陈洋波 中山大学自然灾害研究中心 中山大学水灾害与水利信息化联合实验室 ， 2010年7月15日 中国广州 中山大学,主要内容,流溪河模型理论与方法 流溪河模型数据需求与挖掘 流溪河模型参数推求方法 流溪河模型部分研究成果 CYB流溪河模型系统介绍 流溪河模型研发历程与工程示范 后续工作,流溪河模型理论与方法,什么是流溪河模型 中山大学陈洋波教授领导的水灾害与水利信息化国际科技团队经10余年研究开发而成的 主要用于流域洪水预报的分布式物理水文模型 因在流溪河流域洪水预报中首先研究成功而得名 开发的流溪河模型软件系统CYB.LMS，获国家计算机软件著作权登记,流溪河模型的总体思路,从水平方向将流域划分成一系列的单元 单元被看作是一个有物理意义的流域 单元流域有自己的物理特性数据：DEM、植被类型、土壤类型和降雨量 单元分成边坡单元、河道单元和水库单元三种,采用可获取的，有质量保证的，适当分辨率的DEM对整个流域进行划分,流溪河模型的总体思路,从垂直方向将单元分成三层 植被覆盖层（Canopy Layer）：地表面至树叶顶部的空间区域。假定蒸散发只发生在植被覆盖层，各单元流域的蒸散发量之间没有相互影响 地表层（Soil Layer）：地表面往地下若干深度的浅表土壤层，具有调蓄水能力 地下层（Underground Layer）：地表层以下的含水层 对地下层不进行网格划分，整个流域的地下层看作一个整体,流溪河模型的总体思路,在单元流域层次进行产流量计算 在流域层次进行汇流计算,流溪河模型的总体思路,模型分成6个独立的部分，每个部分称为一个模块 数据处理与流域划分模块 收集流域特性数据，包括DEM，土地利用类型，土壤类型 将流域划分成单元流域，分成三种类型之一 确定单元流域的物理特性 估算单元流域上的降雨 蒸散发模块 产流模块 汇流模块 参数确定模块 洪水模拟模块,流溪河模型的总体思路,蒸散发模块,E：为实际蒸散发量 ：田间持水量 ：凋萎含水量 ：土壤当前含水量 ：潜在蒸发率 ：蒸发系数,ES=0,产流计算模块,按蓄满产流模式计算地表产流量 由降雨引起的水流运动过程描述 单元流域上的降雨扣除蒸散发后的部分称为净雨 当净雨大于零时，净雨通过下渗作用进入地表层中的土壤中，补充地表层中含水量的不足 只有当地表层蓄满时，即土壤含水量达到饱和含水量时，多余水量转变为地表径流,产流计算模块,壤中流的计算 当土壤层中的蓄水量超过田间持水量时，土壤中的水向地下层渗漏 同时形成壤中流，向下游单元作侧向流动 壤中流根据达西公式和水量平衡公式计算,产流计算模块,渗漏量的计算,汇流计算模块,边坡汇流（hill slope routing） 河道汇流（river routing） 水库汇流(reservoir routing) 壤中流汇流（subsurface routing） 地下径流汇流(underground routing),边坡汇流计算方法,采用一维运动波法进行边坡汇流计算 忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项和压力项 只考虑摩阻比降和坡度的影响，即摩阻比降等于坡度 式中：Q为流量，h为径流深，q为单元侧向入流，包括地表径流产流量和上单元汇入的壤中流。,边坡汇流计算方法,假定在一个单元内，边坡的形状可抽象为一个平顺的三角形边坡，地表径流在边坡上是均匀分布的，水流是均匀流，则边坡上的地表径流汇流速度可根据曼宁公式计算如下：,单元流域出口的流量可计算如下,改写上式,边坡汇流计算方法,令,则,代入圣维南方程组的质量方程中有,采用有限差分法，离散为如下的形式,采用牛顿迭代法进行计算，迭代计算公式,河道汇流计算方法,河道汇流采用一维扩散波法 忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项 考虑摩阻比降与坡度及压力项的差,Q为过水断面流量，A为过水断面面积，q为侧向补给水量，即本单元上产生的地表径流量及上单元汇入的地表径流量，当本单元有支流汇入时，还应该包括支流的汇入水量。,河道汇流计算方法,在流域的中上游地区及少资料及无资料地区，河流断面的形状及尺寸资料不易确定 在流溪河模型中，将河流断面概化为梯形,A为过水断面面积，h为径流深，w为梯形底宽，为河流侧面坡度,河道汇流计算方法,过水断面面积A的计算公式如下,对上式进行变换，得到如下的公式,则h可通过如下的公式计算,则可按如下的差分公式近似计算,河道汇流计算方法,过水断面的湿周可按下式计算,根据曼宁公式，河道水流速度可按下式计算,根据断面过水流量计算公式，并将上式代入，则有,由于,则有,将上式进行变换，得到,河道汇流计算方法,记,则,代入圣维南方程组的质量方程中有,采用有限差分法，将上式离散为,采用牛顿迭代法进行迭代计算，公式如下,水库单元汇流计算方法,洪水在水库中的传播速度非常快，一般要比计算时段短很多 忽略洪水在水库中的传播时间，认为水库单元上的流量就是进入水库的流量 将所有水库单元上的流量相加，就可得到入库流量 通过设置水库，实现对水库水位的预报,地下径流汇流计算方法,流溪河模型将地下层作为一个整体，不划分成单元 按集总式方法进行地下径流汇流计算 采用线性水库法进行地下径流汇流计算,流溪河模型需要的数据及其挖掘,流溪河模型建模需要的数据 流域物理特性数据获取方法 单元划分方法 河道断面尺寸估算方法,流溪河模型建模需要的数据,流域物理特性数据 DEM 土地利用类型 土壤类型 气象数据 蒸发率,河网及断面尺寸数据 河网组成 断面形状及尺寸 水文数据 实测降雨 实测流量,流域物理特性数据获取,DEM 高分辨率的实测数据，全国1:1万，局部更高 网上全球范围内的免费数据 HYDRO1K数字地形高程数据，美国联邦地质调查局(USGS)免费提供http：//gtopo30/hydro ，分辨率为1kmx1km，相对较低，可在大流域模拟时使用 SRTM 数字地形高程数据，90mx90m,30mx30m, ，在山区等地形较陡的地区效果较好，基本可满足流溪河模型建模需求,流域物理特性数据获取,土地利用类型 利用卫星遥感数据加工 全球免费的土地利用数据库，美国USGS全球土地覆盖数据库/，在国内镜像网站 ，分辨率为1kmx1km，可满足流溪河模型建模需求 土壤类型 利用全国普查成果 全球免费的土地利用数据库，国际粮农组织(FAO) 于2008年发布的中国土壤分布数据,单元划分,D8法 每个单元有8种可能的流向 分别用8个不同的整数表示 水流沿坡度最陡的方向流动,单元划分,河道单元划分 计算累积流：累积流入单元格的上游单元的个数 设定累积流的阀值 累积流值大于阀值的单元为河道单元,单元划分,水库单元划分 设定水库的控制水位 高程低于控制水位的单元为水库单元 边坡单元划分 非河道单元和水库单元的单元,累积流阀值的讨论,累积流取值不同，河道单元划分不同,河道分级,strahler河道分级 河道的最低级支流均命名为第1级 低级支流汇入高级支流时，级别不增加 同级支流相汇时，级别增加1级,河道分级,累积流阀值的临界值：当累积流值增加1时，河道分级增加1级,河道分段,将同一级河道分成若干段 每一段为一个虚拟河段 虚拟河段各单元断面尺寸相同,河道分段,结点设置：结点间的河段为一个虚拟河段 两条或以上河流的交汇点处 河道的宽度明显变窄处 河道流向明显变化处 河道底坡明显变化处 河段较长时分段 辅助工具：Google Earth遥感影像 覆盖全球，适用范围广 精度可基本满足洪水预报要求,河道断面尺寸估算,假定河道断面形状为梯形，3个断面数据 河道底宽 Google Earth遥感影像 河道底坡 根据DEM估算 河道侧坡 根据经验，在无条 件时可假定为90度,流溪河模型参数推求,流溪河模型参数,流溪河模型参数分类,不可调参数：直接通过流域