（计算机应用技术专业论文）分布式水文仿真系统dhsvm的java实现.pdf

t 一1 l t 、一上 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 日期：沙c 口年厂月j 绝 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 篱 名 阳 戤 瑚 掉 摘要 摘要 随着水文学、计算机科学和地理信息系统的发展，水文研究进入了一个全新 的时代。分布式的水文模型由于其物理意义明确，正在逐步取代集总式模型。分 布式水文模型在研究人类活动和自然环境变化对流域水文循环过程的影响，区域 水资源生成与演变规律方面，具有独特的优势。随着水文与相关学科研究的深入， 分布式水文模型所揭示的水文物理过程越来越接近客观世界。而地理信息系统 ( g e o - i n f o n i l a t i o ns y s t e m ，g i s ) 技术的充分发展，为人们方便地获取不同时空条件下 的空间数据，并进行分析处理提供了技术支持。数字高程模型( d 滔t a le 1 e v a t i o n m o d e l ，d e m ) 是构成g i s 的基础数据，它可以提取流域许多重要的水文特征参数。 因此，基于d e m 的分布式水文模型是现代水文模拟技术发展的必然趋势。 分布式水文土壤植被模型( d i s t r i b u t e dh y d r o l o g y s o i l v e g e t 血o n m o d e l ， d h s v m ) 在d e m 尺度上模拟了陆面水量与能量平衡。该模型由华盛顿大学于1 9 9 4 年开发，并在全球范围内许多的科研院所得到了使用。研究人员还根据自己的需 要进行了模型的改造。但2 0 0 3 年发布的最新版本( 3 0 版) 仍使用c 语言编写， 且没有图形用户界面，不易于与其它系统进行融合。 本文描述d h s v m 的j a v a 实现。论文描述了系统涉及的主要物理机制、系统 总体结构、各部分功能及一些细节特性。对实现过程中遇到的结构调整、参数调 整、同一模块不同实现方式等问题进行了详细描述。 论文工作并非一个将c 版本直接翻译为j a v a 版的过程。新版本具有如下特点： ( 1 ) 面向对象。植被、土壤等相关的物理过程使用面向对象的方式更能清晰地描述。 不同模块使用包、类等进行细分更加合理；( 2 ) 提供图形用户界面。增加了用户进 行配置的界面，且包含联机帮助，方便用户获得参数意义、用途等信息：( 3 ) 易于 与其它系统如数据挖掘工具w b k a 的融合；( 4 ) 支持多线程，并易于并行计算的扩 充。论文工作为项目组进一步的水文研究，包括可视化等奠定了坚实的基础。 关键词：水文学，物理模型，分布式，土壤，植被 _ i a b s t r a c t a b s t r a c t w i 也廿1 e d e v e l o p m e n t o fh y d r o l o g y c o i n p u t e rs c i e n c ea 1 1 d g e o i n f 0 衄a t i o n s y s t e m s ( g i s ) ，m er e s e a r c ho fh y d r o l o g yh 嬲e n t e r e dan e we r a d i s t r i b u t e dh y d r o l o g y m 0 如l s ( d h m s ) 玳r 印l a c i n g1 啪p e do n e sd u et 0 也e i rc l 碰t yi np h y s i c a l r 印r e s e n t 尔i o n d i s t r i b u t eh y d r o l o g ym o d e l sh a v ep a r t i c u l a ra d v 锄t a g e smr e s e a r c h w o r k so n 也ei n n u e n c eo fm 锄姑n da c t i v i t i e s 锄d 瑚t u r a le r l v i r 0 i 吼e mc h a 芏l g e st ob a s i n w a t e rc 打c u l a t i o l l a n do nt l l eo c c m u e n c e 锄dv 撕a t i o no f r e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e w i t h t h ea d v 锄c eo fr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，t h ep h y s i c 2 l lp r o c e s sr e p r e s e n t e db yad h mi s b e c o m i l l gm o r e 锄dm o r ec l o s e rt 0n l a to ft l l er e a lw o r l d o nt h eo t h e rh a l l d ，g i s p r 0 v i d e st e c i l l l i q 诡s u p p o r tt 0 吐硷a n a l y s i so fs p a t i a ld a t ae v e ni nat e m p o r a lm a n n e r t h ef 0 u 1 1 d a t i o n 甜d a t ao fg i si ss p e c i f i e db yad 磷t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) ，w h i c h e s s e n t i a l l yp r o v i d em a n yi i i 驴n ；a n tp a r a m e t e r so f 廿l ew a t e r s h e d c o n s e q u e n t l y ，d e m b a s e dd 脚1 1 a sb c o m et h em o s ti m 刚t a n t 删o fm o d e mh y d r o l o 豺 t h ed i 嘶b 眦e dh y d r o l o g ) ，- s o i l - v e g e t a t i o nm o d e l ( d h s v m ) i s 锄e x p l i c i t l y d i s 晡b u t e di l y d r o l o g i c a lm o d e lt l l a ts i m u l a t e sm el 龇1 ds u r f 把ew a t e ra n de n e 玛yb a l a n c e a tt h es c a l eo fad e m i ti st y p i c a l l y 印p l i e da tm g hs p a t i a lr e s o l u t i o n so nt h eo r d e ro f 10 0mf o rw a c e r s h e d so f ：u pt 010 4k m 2 姐da t s u b d a i l yt i m e s c a l e sf o rm u l t i y e a r s i n m l a t i 0 i l s i tw 嬲o r i g i m l l yd e v e l o p e di nn l ee 砌y19 9 0 sb ym a r kw i g m o s t aw h i l ei n t h ew 础i 蟛o nu m v e r s 戤t h e ni tb e c 锄ep o p u l a ri nm 锄yu 1 1 i v e r s i t i e sa n do t h e r s c i e n t i f i c r e s e a r c h 证s t i t u t i o 嬲，、i t ha b o u t2 0 0f ；北u l t ) ru s e 娼w o r l d - 诚d e s o m e r e s e a r c h e r sf e v i s e d 锄de 姗e n d e dm em o d e la c c o r d i n gt ot l l e i ro v v l lr e q u i m e n t s h o w e v e r ，岫l a t e s tf o m a lv e 瑙i o n ( v 3 o ) 、棚p u b l i s h e d b yt l l ew a s h i n 舒o nu n i v e r s i t y i l l2 0 0 3 ni ss t i l l 州n e ni l lc 、i t h o u t 鲫1 1 i c su s e ri n t e r f a c e ( g u i ) f u s i o nw i mo t h e r s y s t e m si sa l s oh a r d 1 1 1 i st h e s i sd e s 晒b e saj a v ai m p l e m e 撇i o no fd h s v m n em a i o rp a n si n c l u d e p h y s i c a lm e c h a l l i s m s ，s y s t e ms t m c t u r e ，f 姐c t i o n so fe a c hp a r t 锄ds o m ed e t a i l e d c h a r a c t e r i s t i c s o t l l e rp r o b l e me n c o m i t c 淝d d u r i n gs y s t e mi m p l e m e n t i o n ，s u c h 笛 s 臼m c t u r ea l l dp a r a m e t e ra 由u s t i n g ，锄dd i f r e r e n ti m p l e m e n t a t i o n so fap a r t i c u l a rm o d e l ， a r ed i s c u s s e di nm o r ed e t a i l i i a b s t r a c t h o w e v e r m ew o r kd i s c u s s e di l l 廿l i s 也e s i si sf 缸丘0 mas i m p l e 仃a j l s l a ：t i o np r o c e s s 丘d mt l l ecv e r s i o nt 0m ej a v av r c r s i o n 。i h en e wv e r s i o nl l a sam l m b e ro fa c i v 锄t a g e s ， i n c l u d i n gb u tn o tl i m i 锄t 0 ( 1 ) o b j e c to r i e n t e d v b g e t a ：t i o i l s o i l ，s t 陀锄锄0 i 培。也e r s c 锄b er e p r e s e n t e db yo b j e c t s ，觚dp h y s i c a lp r o c e s s e so fm e mc 锄b ec l e a d yd e s c r i b e d b ym e t l l o d so f t l l e m t h ep a r t i t i o no fd i 丑e r e n tm o d e l s s c e i 谢o st 0p a c k a g e sa i l dc l 弱s e s 肌o f b e ns 仃a i g h t f 0 刑莉；( 2 ) g u ip r 0 v i d e d t h eg e 删i o no f 也ec o i l f i g u l 嘶o nf i l ec 肌 b ed o n ev i aau s e r - 衔e n d l yg u i ，i n 柱c ho i l l i n eh e l pi sa l s 0p r o v i d e d ；( 3 ) 缸i o n 、7 l ，i t h o t l l e rs y s t e m ss u p p o n e d f o re x a l p l e ，m e 如：t ar n j m 唱t o o lw r c k ac 孤b ee 嬲i l y i n c o 印o r a t e dt 0p r 0 v i d c 鹏wh n p l e m e n t a t i o no fs o i n em o d u i e s ；( 4 ) m m t i t l l 】c a l d i i l g s u p p o r t e d e x p e n d i n gi t t oap 删l e lv e r s i o i l e v e nav c r s i o n 川i l i l i l l go nm a i l yw e b b r o w s e r si sn o th a r d i i lg e n e r a l ，也ew o r ko ft l l i st i i e 盘si s 也ef o u i l d a t i o no f 觚呱e r e s e a r c h e so fo u rg r o u p ： k e y w o r d ：h y d r o l o g y p h y s i c a jm o d c l d i 嘶b u t e d ，s o i l ，v e g e t 撕o n i i i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 分布式水文模型的发展2 1 1 1分布式水文模型的国内外研究现状2 1 1 2分布式水文模型一般结构5 1 1 3 基于d e m 分布式水文模型d h s v m 6 1 2 本文研究内容：。8 第二章d h s v m 系统理论基础9 2 1d h s v m 模型原理9 2 2植被在水循环中的作用1 1 2 1 3 冠层蒸散发1l 2 2 2 冠层截留12 2 2 3 冠层辐射1 2 2 3 土壤水热运动：13 2 3 1 土壤水形态1 3 2 3 2土壤水势与土壤含水量的关系1 5 2 3 3 达西定律15 2 4积雪融雪过程l6 2 4 1 积雪的物理性质1 6 2 4 2 融雪过程l7 2 5产流汇流过程。：17 2 5 1产流过程l7 2 5 2汇流过程17 2 6 本章小结18 第三章d h s v m 系统设计19 3 1 设计背景19 3 1 1 j a v a 相比c 语言的优势1 9 3 1 2 在本系统中的优势2 l 3 1 3 易用性设计2 2 3 2 包的划分。2 4 3 3 各包及类的划分与功能设计2 7 3 3 1 r a d i a t i o n 包- 2 7 目录 3 3 2m 笛s 包31 3 3 3 s l o p e 包：“3 3 3 4输入与输出接口：j 。3 4 3 4 1原始的输入数据3 4 3 4 2输出接口3 9 3 5 本章小结4 l 第四章d h s v m 系统实现。4 3 4 1 植物冠层的蒸散发4 3 4 1 1 潜在蒸散发率4 3 4 1 2空气动力学阻力4 5 4 1 3 冠层阻力：4 9 4 1 4短波和长波辐射“：4 9 4 2 非饱和土壤水运动5 1 4 2 1下渗过程。5l 4 2 2 渗透过程o 5 3 4 2 3解吸过程5 3 4 3 饱和土壤水运动：- 5 4 4 4 双层地面积雪和融雪模型_ ：5 4 4 4 1冠层积雪和融雪5 6 4 4 2 双层地面积雪和融雪5 8 4 5 系统运行关键方法6 2 4 6 本章小结6 8 第五章实验测试与分析6 9 5 1 实例测试6 9 5 1 1 输入界面6 9 5 2实验结果分析7 l 5 3 本章小结“小。7 4 第六章结论与展望。7 5 6 1 结论7 5 6 2展望7 6 致谢7 8 参考文献：7 9 v - 主要术语表 主要术语表 集总式模型l u m p e dm o d e 臌型将一个小流域区域看成一个节点 分布式模型d i s t r i b u t e dm o d e 啪地图划分成网格，每个网格看成一个节点 蒸散潜力p o t e l l t 锄e v a p 0 臼铷s p i r a t i o l l ，也称为蒸散潜能，是指蒸发面水分供应充足时的蒸散 冠层截留c 觚o p yi n t l 流e 州o n 降雨过程中植物枝叶拦截降水的现象，在降雨过程中植物枝叶吸 附的雨水量就是截留量 叶面积指数l e a f a 旭ai r l d e x 单位土地面积上的柱体内全部植物叶片面积之和( 仅指叶片的向上 半面) 冠层几何高度h e i g h to f c 鲫o p yg e o m e t i y 土壤表面至冠层最顶部的高度 空气动力学阻力a 蹦岫撇m i c 他s i s 切叽c e i 湍流扩散在冠层平均气流层高度上下方对水汽传输的 阻力 冠层阻力c 锄o p y 他s i s t a i l c e ，表示植被中所有植物气孔整体上对潜热通量的阻力 气孔导度s t o m a t a lc o n d u c t d n c 占，气孔导度表示的是气孔张开的程度，影响光合作用，呼吸 作用及蒸腾作用 土壤导水率s o i lh y d r a u l i cc o n d u c t i v i 单位势梯度时的水流通量 土壤导热率，s o i lt h e m a lc o n d u c t i v i 叫单位温度梯度下，单位时间通过单位面积土壤传导的热量 土壤热扩散率s o i lt h e m a jd i f 】吣i v i 州单位时间流入( 或流出) 单位容积土壤的热量 土壤孔隙度s o i lp o r o s i t y 土壤孔隙占土壤总体积的百分比 渗透率p e r m e a b i l i t y 在一定压差下，土壤允许流体通过的能力 垂向饱和水力传导率，v e r t i c a ls a n j r a t e dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y 垂直方向上，单位水力梯度下 的单位流量 田间持水量厢e l dm o i s t u r ec a p a c i t y 土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保 持悬着水的最大量 净辐射能量n e t m d i a t i o r l 在地面、水面或植被表面以至一枚叶的表面，均具有辐射来的辐 射能量以及其辐射出的辐射能量，两者之差为净辐射能量 潜热通量l a c e mh e a tf l u x 由于水汽相变向大气传输的热量通量 感热通量s e 憋i b l eh e 砒f l u ) 【由于湍流运动从地面向大气传输的热量通量 雪水当量w a c e re q u i v a j e n to f 蛐o w 指当积雪完全融化后，所得到的水形成水层的垂直深度 晴空指数c l e 啪e s si n d e 是指一定太阳高度角下地表接受的总太阳辐射与地球大气层上方平 行于地表面上接受的总太阳辐射的比值 i i 图索引 图索引 图1 1 基于d e m 的分布式水文模型的典型结构7 图2 1d h s v m 模型描述流域的示意图9 图2 2d h s v i 模型汇流过程示意图1 0 图2 3 植物冠层截留的物理模型1 2 图2 - 4 冠层辐射传输示意图1 3 图2 5 吸湿水示意图1 4 图2 - 6 薄膜水移动示意图1 4 图2 7 毛管水和重力水示意图1 5 图2 8 土壤水分特征曲线示意图1 5 图3 1d h s v m 系统包的划分示意图- 。2 4 图3 - 2r a d i a t i o n c l 弱s p i x e l p 聪l t c i d i a t i o n o 调用图2 7 图3 3s e p 鲫疵r a d i a t i o n 方法流程图。j 2 8 图3 - 4r a d i a t i o n p i x e l 中类的调用图2 9 图3 5m a s s e n e l l g y c m o p y r - e s i 鼬m c e o 方法调用图3l 图3 石冠层阻力的计算流程图3 2 图3 7s l o p e a s p e c t s l o p e a s p e c t o 方法调用图3 3 图3 8d h s v m 系统输入、预处理及输出过程示意图一3 5 图3 9d e m 数据三维图：3 6 图3 1 0 气象地图输入图3 6 图3 1 l 土壤数据三维图= 3 7 图3 1 2 植被数据三维图3 8 图4 l 潮湿部分潜在蒸发所需时间( 耽卿乃竹p ) 流程图4 4 图4 2 干燥部分潜在蒸发所需时间( d ，) ，吕唧z 砌p ) 流程图：4 5 图4 3 空气动力学阻力与风速的计算流程图4 6 图4 4 彳7 砌计算流程图51 图4 5 地下水位f 贬碑砌计算流程图。5 2 图4 6 饱和壤中流计算流程图5 5 图4 7 外界环境对冠层积雪的影响的计算流程图。5 7 v n 图索引 图4 8 雪水当量s 哟的计算流程图6 0 图4 9 积雪表面能量变化值m s ，死堋计算流程图6 1 图4 - 1 0d h s 心j e c t c a l c u l a t e o 方法伪代码6 3 图4 - 1 1a g g r e g a t e d m a k e l o c a l m e t e o r o l o 勖，d a t a o 方法伪代码“ 图4 1 2f u i l c t i o 璐m 嬲s e n e 聊b a l 锄c e o 方法伪代码6 5 图4 1 3s u b s u r f 如e r o u t e s u b s u r f k e ( ) 方法伪代码。6 6 图4 1 4d h s v m c h 觚n e l u t c c h 锄e l o 方法伪代码6 6 图4 - l5d u m p m u t e s u r 蠡圮e o 方法伪代码6 7 图4 - 1 6a 艇昨g a l | e d a g 鲈e g a t e o 方法伪代码。6 7 图4 17a g g r e g a t e d m 嬲s b a l 觚c e o 方法伪代码6 8 图5 1 系统数据源确定界面6 9 图5 - 2 系统初始化界面l 7 0 图5 3 系统初始化界面2 7 0 图5 4 系统运行图7 1 图5 5 系统运行时间步长设置7 1 图5 6 蒸散发总量e v a p t 0 t 输出图7 2 图5 7 蒸散发总量e 、，a p t 0 t 趋势图7 2 图5 8 出流量o u t f l o w 输出图7 3 图5 9 出流量o u m o w 与进流量i n n o w 的对比趋势图7 3 图5 1 0 土壤含水量s o i l w a ：t e r 输出图7 4 图5 1 1 雪水当量s w q 输出图7 4 l l 表索引 表索引 表3 1 各个包中类的功能描述2 4 表3 - 2a 鼬胆g a t e d 文件输出变量列表3 9 表3 3s 仃e 锄f l o w 承o a d f l o w ) 文件输出值4 1 l l i 第一章绪论 第一章绪论 水文学研究的对象主要为大气、植被、地表、土壤及含水层中的水分运移和 相互间的水分变化【1 1 。然而，水文现象的复杂性和水文资料信息的不足，一定程度 上限制了水文学理论的发展【2 】。由于水文过程中的空间分布不均衡以及水文现象的 复杂性，人们至今还不能完全采用数学物理方程来描述径流形成过程中的每一个 子过程，在产流、汇流等环节上仍然主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程 或经验公式。因此，通过建立水文模型近似地进行模拟已成为水文科学研究的一 种手段和方法p j 。 水文模型( h y d r o l o g i cm o d e l ) ，是自然系统的抽象，真实世界的概化，是符号 的综合体，是自然系统或部分自然系统的符号化，是数学模型用数学语言将自然 现象符号化的的水文学应用，是为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构 与逻辑结构。对用户来说，水文模型主要由水文学核心知识和技术外壳组成。核 心知识主要指水文学的各种定义和过程描述，技术外壳包括程序主体、人机接口、 数据处理等。水文模型按照建模角度，可分为集总式水文模型和分布式水文模型。 在实际水文过程中，影响流域降雨径流形成的气候因子和下垫面因子都呈现 空间分布不均匀的状态。长期以来，在实际水文研究中通常使用集总式概念性水 文模型。它将流域作为一个整体单元来处理，从而忽略了气候因子和下垫面要素 空间分布不均匀的事实，导致其结构和参数的物理意义模糊，因此在水文学发展 过程中的局限性日渐明显。除了在干旱区和类似黄土高原区多沙流河以外，它的 作用已经发挥到极致【2 j 。 分布式水文模型【4 j 则旨在克服这一局限性。它不但在设计原理上采用实际水文 物理演变方程来描述降雨径流行程过程，而且尽可能把流域水文单元无限细分， 以期在单元水文过程处理上基本保持均匀。所以分布式水文模型既能客观反映气 候和下垫面因子的空间分布对流域降雨径流形成的影响，也能对典型流域实验获 得的水文基本物理关系进行有效验证，还可以知道大范围尺度转换推广过程中的 大致效果。这就是为什么分布式水文模型实际应用有限，人们却投入极大热情持 续推动它的不断发展【4 j 。 随着计算机软硬件技术的发展及其应用领域的扩张，描述流域下垫面空间分 布信息的技术日渐完善，这就要求水文模型在技术上进行变革和创新。数字地面 电子科技大学硕士学位论文 模型技术【5 】已经成熟，流域地形、植被、土壤、分水线、河网、子流域的表达及集 水面积的计算完全能用数字化技术来实现，以改变以往手工量算的方式。相对于 集总式模型而言，有物理基础的分布式水文模型在研究流域变化影响和无资料地 区应用方面具有独特的优越性。 1 1 分布式水文模型的发展 分布式水文模型从提出至今经过了几十年的发展，特别是近1 0 年来通过r s 和g i s 等高新技术的引进和相关学科的渗透，模型技术取得了很大的进展。9 0 年 代以后，集总式模型由于自身的局限性，几乎处于停滞状态【6 1 。而此时分布式水文 模型的一个显著特点是同d e m 相结合，这种基于d e m 的分布式水文模型也被称 为数字水文模型，是数字化时代的产物【_ 7 1 。 1 1 1 分布式水文模型的国内外研究现状 2 0 世纪5 0 年代，人们用数学的方法去描述和模拟水文循环的过程，产生了水 文模型的概念。有关水文模型的定义很多【8 】，最好的表达是引入系统的概念【9 】。从 水文学的角度而言，系统是一个概念上的空间区域，它能够接收恒量的输入，保 存该量的一部分，并排出同量的输出【l o 】j 据d i s l 【i n 【l l 】和c l a r k e 【1 2 】对模型所下的定义：模型是一个复杂系统的简化体现， 那么水文模型就是对复杂水文系统的一种简化体现。具体地说，水文模型就是用 一种特定的表达方式来概化一定的水文系统，使它能够代表实际的水文系统，并 在一定的目标下代替实际的水文系统。常用水文模型包括物理模型与模拟模型。 其中，物理模型是对一部分自然世界进行的明确的构造表示，模拟模型使用对某 一过程的观察仿真物理模拟的自然过程【l o 】。 1 9 6 9 年f e r e z e 和h 砌锄发表了一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的 蓝图【1 3 】，第一次提出关于分布式物理模型的基本概念和框架。1 9 7 5 年，h e 、e l t t 和t r o e n a l e 指出流域径流来自三个方面：( 1 ) 在河流两旁的饱和区域，壤中流在这 个区域上渗出，并流入河道；( 2 ) 直接落在流域饱和区域上( 按水平投影面积计) 的降雨与降雪；：( 3 ) 在不透水面积上的h o 哟n 坡面流。据此他们提出了森林流域的 变源面积模拟模型( 简称v s a s ) ，在该模型中，地下径流被分层模拟，在坡面上 的地表径流被分块模拟。 1 9 7 9 年b e v e i l h 和鼬r b b y 提出了以变源产流为基础的t o p m o d e l 模型【1 4 j 。 2 电 i 叠 - f 第一章绪论 它的主要特征是利用地貌指数来描述和解释径流趋势和由于重力排水作用径流沿 坡向的运动。在集总式和分布式流域水文模型间起到了一个承上启下的作用。 f 锄g l i e 位i 等【1 5 】将修改的t o p m o d e l 和一个表面能量平衡模型耦合在一起，计算 整个流域范围内的蒸散发空间变化。但t o p m o d e l 并未考虑降水、蒸发等因素的 空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义上的分布式水文模型，这 类模型也称半分布式水文模型。在实际应用中，t o p m o d e l 基本都很成功。主要 原因是理论上的误差被计算机程序中对微分方程进行随意离散化时所带来的更大 误差所掩盖【4 1 。到目前为止，t o p m o d e l 在国内外已被广泛应用，是一个相当成 功的半分布式流域水文模型。 由丹麦、法国及英国的水文学者提出的s 髓模型是最早的分布式水文模型【1 6 j 。 该模型的主要水文过程可有质量，动量和能量守恒偏微分方程的有限差分式表示， 也可由经验方程表示。s h e 模型为研究人类活动对于流域的产流，产沙及水质等 影响问题提供了理想的工具。然而，该模型最初主要以欧洲的流域水文过程为框 架，应用也只局限于该地区，除欧洲外的其它地区应用得很少，现在，通过改进， 该模型也存在很多不同的版本，比如m i l 蠢 厶 第二章d h s v m 系统理论基础 第二章d h s v m 系统理论基础 d h s v m 模型是一种综合考虑能量平衡，充分反映气候、植被、雪盖、土壤等 相互作用和相互反馈机理的分布式水文模型；它基于流域d e m 对蒸散发、雪盖、 土壤水和径流等水文过程进行动态描述。本章详细描述d h s v m 模型原理，并且 对植被，雪盖，土壤，产汇流的基本原理进行描述。 2 1d h s 垤模型原理 d h s v m 在流域d e m 的网格尺度( 水平分辨率为1 0 2 0 0 m ) 上对土壤湿度、 雪盖、蒸发的空间分布以及径流过程进行动态描述( 时间步长为1 2 4 h ) 。以d e m 的节点为中心，流域被分成若干计算网格单元。地形特性用于模拟流域地形对短 波辐射吸收、降雨、气温和坡面流的作用【4 9 j 。 流域的每个网格都被赋予了各自的土壤特性和植被特性，在整个流域上，这 些特性随空间位置的不同而变化。在每一个网格内，假设地表由植被和土壤组成。 每一计算时段内，模型对流域内各网格的能量平衡方程和质量平衡方程进行联立 求解，各网格之间则通过坡面流和壤中流的汇流演算发生水文联系。图2 1 1 4 j 为 d h s v m 模型描述流域的示意图。从水平方向看，每个网格点与其相邻的8 个网格 点交互；从垂直方向看，每个网格点分为植被层和土壤层，而土壤层又被分为表 面土壤层和地下土壤层，且表面土壤层还可能存在积雪层。图中所示箭头表明三 层之间交互作用的方向。 图2 - 1d h s v m 模型描述流域的示意图 9 电子科技大学硕士学位论文 冠层截雪和释放模型采用单层的质量、能量平衡模型来模拟。冠层下面( 或露 天) 的积雪和融雪模型则采用双层的质量、能量平衡模型来模拟，同时也明确考虑了 地形和植被覆盖对积雪表层的质量、能量交换的影响。 冠层蒸散发过程采用了双层模型，每一层又分为潮湿和干燥两部分。采用达 西定律计算流经多个根系土壤层的不饱和壤中流的运动。底层根系土壤层的出流 补给该网格的地下水，如图2 2 。 图2 2d h s v m 模型汇流过程示意图 相邻网格之间水量交换是由高到低流动，并最终流向河道。在每一个网格内， 如网格1 中的向下箭头所示，下层根系的渗漏水流向地下水。如水平箭头所示， 相邻网格之间的水流交换导致水流向下游运动并流向河道。当网格地下水位升至 河床高程以上时，壤中流就会产生进而向河道汇集。当坡面流流向下游邻近网格 时如果下游网格存在不饱和土壤区，那么坡面流会再次下渗( 网格3 和网格5 的坡面流分别在网格4 和网格6 再次下渗) ，每一个网格与其相邻网格的水量交换， 是按照坡面流；饱和土壤水和非饱和土壤水3 种基本方式进行的，因此一般采用 三维水流运动方程描述。当网格的地下水位线上升至地面时就会产生回归流和饱 和坡面流。 河网水系由一系列相互连通的河段组成，每一河段又穿过一个或多个d e m 网 格。当坡面流和壤中流向下游河道推进时，中途可能被道路网格拦截。当网格地 下水位高于穿过网格的道路排水沟的高程时，道路会截留壤中流。路边沟渠内的水 流沿道路排水网流向下水道或河道。如果道路横穿一条河流，其截留的水会流进适 当的河段并沿河道汇流。从下水道中流出的水沿下水道下面的坡面运动时会再下 渗。随着网格地下水位高于或低于河床高程，道路排水渠或河网的截留作用会加 l o 厶 第二章d h s 订系统理论基础 强或减小。道路排水或河道的流量演算采用串连的线性水库进行模拟。 d h s v m 是具有物理意义的分布式水文模型，该模型在数字高成模型( d e m ) 的尺度基础上对流域的水文过程作整体描述。该模式主要由6 个模块组成：( 1 ) 两 层植被模式，p e 姗锄m o n t e i m 方法模拟植被和土壤蒸散发过程；( 2 ) 能量、质量平 衡模式用于模拟积雪、融雪、冻结和升华等过程：( 3 ) 两层根带模式，用于模拟水 分在未饱和土壤中的运动；( 4 ) 准三维路径模式，用于模拟饱和土壤中的壤中流模式 结构；( 5 ) 逐网格计算和单位线法计算地面径流，如果网格内有公路或河道截留则 必须采用前者；( 6 ) 采用线性水库演算河道和排水沟的汇流。 2 2 植被在水循环中的作用 传统所指植被在水循环中起到的作用，也就是下垫面上的植被和近地大气层之 间的相互作用。本文研究的水循环作用是指植物中的水分能量交换传输运动这样的 微观过程。主要涉及冠层蒸散发，冠层截留和冠层辐射三个方面。 2 1 3 冠层蒸散发 蒸散是指构成生态系统各部分的蒸发和蒸腾所消耗的水分总和，包括生物活 体( 指植被) 的蒸腾和蒸发，非生物活体的蒸发两个部分。蒸散的大小往往决定 了生态系统中其它的水文过程，反映了系统中植被，土壤，小气候和其它的一些 综合水文特征；同时，由于水分是物质运输和能量的载体，特别是蒸散消耗了输 入到系统中的太阳能的大部分。所以蒸散过程的实现