（水文学及水资源专业论文）基于栅格的分布式新安江模型构建与分析.pdf

摘要 基于d e m 的分布式水文模型是现代水文学同计算机，3 s 等高科技技术相结合的产 物，是水文模型新的发展方向。本文是在数字高程模型的基础上，研究和归纳了流域 信息提取的方法和算法，利用d e m 数据提取了河网、水系、水流路径等相关的流域特 征，并根据三水源新安江模型的理论，建立了一个基于d e m 栅格的分布式新安江模型 g r i d x i n a n j i a n g 模型。 g r i d x i n a n j i a n g 模型是将每个d e m 栅格作为一个子流域处理，利用新安江模型计 算出当前栅格的产流量，然后根据栅格间的计算次序，将当前栅格上的产流按照 m u s k i n g u m 逐栅格演算法演算至下一栅格，直至流域出口。在进行栅格上的产汇流计 算时，该模型考虑了每个栅格上的水量平衡问题以及河道排水网络的影响。即在该模 型的汇流计算中，首先要考虑当前栅格是否蓄满，在未蓄满前，上游栅格的出流在流 入该栅格时首先补充其土壤含水量；而且如果栅格上含有河道，属于河道栅格，则网 格单元上的地面径流和壤中流一部分要汇入河道中。将该模型应用于钱塘江支流密赛 流域，进行参数率定与洪水模拟计算，并与新安江模型、t o p m o d e l 模型及 g t o p m o d e l 模型在密赛流域的计算结果进行比较。 应用结果表明上述四个模型都能很好的应用于该流域进行洪水模拟，通过比较可以 看出g r i d x i n a n j i a n g 模型能够取得相对更高的模拟精度。 关键词：数字高程模型、新安江模型、g r j d _ x j n a n j j a n g 模型、t o p m o d e l 模型、g t o p m o d e l 模型、密赛流域、洪水模拟 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e m h y d r o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d3 s ( r e m o t es e n s i n g , g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ， g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ) h i g h - t e c h , d i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e l sb a s e do nd e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) o r eb e c o m i n gt h en e wt r e n d o fh y d r o l o g i c a lm o d e l s i nt h i st h e s i s ，b a s e do nd e m ，t h em e t h o d so fe x t r a c t i n gb a s i n i n f o r m a t i o no r es t u d i e da n ds u m m a r i z e d , s u c ha sd r a i n a g en e t w o r k ，r i v e rs y s t e m ，f l o wl e n g t h a n ds o o n t h e n ，a c c o r d i n gt o t h e t h e o r yo ft h ex i n a n j i a n gm o d e l ，t h eg r i da n d t o p o g r a p h y - b a s e d d i s t r i b u t e dx i n m a j i a n gm o d e l ( g r i d - x i n a n j i a n 曲i sd e v e l o p e d g r i d x i n a n j i a n gm o d e lt a k e se v e r yd e mu n i t 鲥da s as u b - b a s i n ，u s i n gt h ei n i t i a l x i n a n j i a n gm o d e l t oc a l c u l a t er u n o f f - y i e l do ft h ec u r r e n t 鲥d ，t h e n ，a c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t i o no r d e ra m o n gt h ed e mg r i d s ，t h ef l o wo ft h eo u t l e to fe a c h 舒dt ot h eo u t l e to f t h ew h o l eb a s i ni sr o u t e db yt h e 鲥d - b y - g r i dm e t h o do fm u s k i n g u m w h e nc a l c u l a t i n gt h e r u n o f f - y i e l da n dr u n o f f - c o n c e n t r a t i o ni ne v e r yu n i tg i r d ，t h ew a t e rb a l a n c ea n di n f l u e n c eo f t h er i v e rd r a i n a g en e t w o r ka r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n i no t h e rw o r d s ，i nt h ec a l c u l a t i o no f t h er u n o f f - c o n c e n t r a t i o n ，f i r s t , c o n s i d e r i n gw h e t h e rt h ec u r r e n tg r i di ss a t u r a t e d i fi ti sn o t ， t h es o i lw a t e rc o n t e n to ft h i sg r i dw i l li n c r e a s e sd u et ot h eo u t f l o wo ft h eu p s t r e a m 鲥d s b e f o r et h es o i lm o i s t u r eo fi tr e a c h e sw a t e rs t o r a g ec a p a c i t y m o r e o v e r , i ft h e r ei sac h a n n e l i nu n i tg r i d sa n db e c a u s eo ft h ee f f e c to ft h ed r a i n a g en e t w o r k ，n o ta l lt h eo v e r l a n di n f l o w a n di n t e r f l o wf l o wi n t ot h ed o w n s t r e a mg r i d ，p a r to f t h e mw i l lf l o wi n t ot h ec h a n n e l i no r d e rt ov e r i f yt h ea p p l i c a b i l i t yo f t h eg r i d x i n a n j i a n gm o d e l ，t h i sm o d e li sa p p l i e dt ot h e m i s a ib a s i no fw h i c hi sab r a n c ho fq i a n t a n g j i a n gr i v e r m e a n w h i l e ，t h ei n i t i a lx i n a n j i a n g m o d e l ，t o p m o d e la n dg t o p m o d e l a r eu s e dt oc o m p a r ew i t hi t r e s u l t ss h o wt h a tf o u r m o d e l sa r es u i t a b l et ot h i sb a s i na n dt h eg r i d x i n a n j i a n gm o d e lp e r f o r m sw e l lt h a no t h e r si n t h es i m u l a t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，x i n a n j i a n gm o d e l ，g r i d x i n a n j i a n gm o d e l ， t o p m o d e lm o d e l ，g t o p m o d e lm o d e l ，m i s a ib a s i n ，f l o o ds i m u l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同攀对本 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了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：垄坠丛问年 ，月刀日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂恚社有权保警本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段傈存论文。本人电予文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 ， 论文作者( 签名) ：益垫丛y 7 年 月? )日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 自然界的水文现象，是一种多因素相互作用的复杂过程，由于其形成机理至今仍不 是完全清楚，水文模型就成为了一种研究复杂水文现象的重要工具。流域水文模型即 是用数学的方法去描述模拟重现水文循环过程，在流域尺度范围内，对降雨径流形成 过程进行局部或综合模拟，从而达到确定流域水文响应的目的【卜2 】。流域水文模型的研 究始于2 0 世纪5 0 年代，随着计算机技术的发展，人们开始把水文循环作为一个整体， 在大的空间尺度上进行研究，在7 0 年代至8 0 年代中期，流域水文模型发展迅速，出 现了一些比较著名的模型，如美国的斯坦福( s t a n f o r d ) 模型和萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 模型，日本的水箱模型以及中国的新安江模型等都在这一时期提出并得到了应用 3 1 。8 0 年代后期至今，全世界范围内的流域水文模型研究进展缓慢，主要是利用计算机技术、 地理信息系统，遥感技术等对原有的流域水文模型做一些修改和完善，如m i k es h e 模型等。 流域水文模型可分为确定性模型和随机( 统计) 模型【4 “，在实际应用中，流域水 文模型一般是指确定性模型。从反映水流运动规律的科学性和复杂程度的角度出发， 水文模型可以分为系统模型( 即黑箱子模型) 、概念性模型和物理模型。从反映水流运 动空间变化能力的角度出发，水文模型又可以分为集总式模型和分布式模型。但是， 还有一种模型介于集总式模型和分布式模型之间，可以称为“半分布式”水文模型， 如t o p m o d e l 模型刀就是一种半分布式物理水文模型，而新安江模型8 1 就是一种半分 布式概念水文模型。 随着人们对水文规律认识的不断深入和高新技术的不断发展，流域水文模型的结构 和参数也随之被学者们不断的修改与完善。流域水文模型在发展前期，主要是系统理 论模型和集总式概念性水文模型的发展与应用，而在实际的流域上，影响流域径流形 成的降雨和下垫面条件呈现空间分布不均匀状态，集总式水文模型则忽略了这个问题。 过去受制于技术的限制，许多流域信息、特征不能及时准确地获得，地理信息无法及 时准确地获得和使用，使得分布式水文模型发展缓慢。而数字高程模型( d e m ) 的出 现为分布式水文模型1 9 的构建扫清了障碍，它不仅能够提取水系、流向、流域形状，而 且能够提取出地形坡度分布和其他地貌参数。将d e m 与土壤、植被、土地利用等分布 河海大学硕士论文基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 图或遥感图叠加，还能给出每个网格上相关的特征值。对于大中尺度区域水文模拟而 言，植被、土壤以及水力学因素的空间分布对水文模拟结果影响很大，而分布式水文 模型正是因为考虑了各种水文要素的空间不均匀性而具有优势。因此，如何考虑各种 要素、各个参数的空间分布，是分布式水文模型研究所必须解决的问题。地理信息系 统及遥感技术的发展，为这种问题的解决提供了一些有效的手段。如何将一些遥感资 料与水文模型参数建立关系也是一个新的有意义的问题。 本文是在国家自然科学基金项目“用于实时洪水预报的新一代降雨径流模型研究一 一改进新安江模型”( 编号5 0 4 7 9 0 1 7 ) 的资助下，寻求将新安江模型与数字高程模型相 结合，建立基于栅格的新安江模型。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 流域信息的提取和应用 数字高程模型( d e m ) 反映研究区域地面高程的分布情况，是分布式流域水文模 型的基础数据。大量的研究显示，d e m ( d i 酉t a le l e v a t i o nm o d e l ) 为分布式水文模型 的建立和运行提供了很好的平台和信息来源，并且在实际应用中取得了很好的效果， 有着极高的实用价值。在水文模拟中，国外从二十世纪七十年代开始研究由d e m 提取 地形特征，在八、九十年代取得了飞速地发展。国内从二十世纪九十年代开始研究， 并且重点是对国外软件的应用。近年来，许多国内研究者和学者也开展了一些研究并 对国外的研究方法进行了总结。最先提出的流域特征提取方法是1 9 7 5 年p e u k e r 和 d o u g l a s m 所使用的基于谷点识别的方法。目前应用最广的方法是19 8 4 年o c a l l a g h a n 和m a r k 提出的提取流域特征的方法，该方法采用d 8 1 法来判断流向，这种方法能有 效地减少洼地数量，但是处理过程中丢失了很多信息。如今，利用d e m 提取流域的软 件也有很多，如t o p a z r i v e r t o o l s 以及a r c v i e w + s p a t i a la n a l y s i s 等，这为分布式流 域水文模型的建模带来了便利。 1 2 2 分布式水文模型的研究 分布式水文模型( p h y s i c a u y - b a s e dd i s t r i b u t e dm o d e l s ) 是根据物质和能量守恒定律， 基于地理要素的概念模型【1 2 。1 9 6 9 年，f r e e z e 和h a r l a n 1 3 1 发表的“一个具有物理基础 数值模拟的水文响应模型的蓝图( f h 6 9 蓝图) ”被认为是分布式水文模型研究的开始。 1 9 8 6 年，由英国、法国和丹麦的科学家联合研n ts h e 1 4 - 1 5 1 模型。该模型是第一个真 2 第一章绪论 正的或者说具有代表性的分布式水文物理模型。近年来，国外涌现出许多分布式和半 分布式流域水文模型如d h s v m 模型1 6 1 ，d b s i n 模型l l 刀，t o p k a p i 模型以及 t o p m o d e l 模型等。 国内在此领域的研究起步较晚，但也开展了的大量工作 1 9 2 1 】，1 9 9 5 年，沈晓东等 在研究降雨时空分布与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基 础上，提出了一种在g i s 支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格d e m 的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1 9 9 7 年，黄平等【2 2 1 分析了国外一些具有物理基 础的分布式水文数学模型的不足，提出了流域三维动态水文数值模型的构想。2 0 0 0 年 任立良、刘新仁在d e m 基础上，对水文物理过程进行了模拟；郭生练、熊立华等2 卅 提出了基于d e m 的分布式流域水文物理模型；2 0 0 2 年王中根、刘昌明等 2 5 】提出了基 于d e m 的分布式水文模型构建方法；2 0 0 3 年刘志雨 2 6 】介绍了改进的t o p k a p i 模型； 2 0 0 4 年李丽、郝振纯等【2 7 】提出过一种以d e m 为基础的分布式水文模型；2 0 0 4 年袁飞、 任立良 2 8 对基于栅格的汇流方法进行了研究；2 0 0 5 年张珂、李致家 2 卿提出了一个基于 d e m 栅格和地形的g t o p m o d e l 模型。 1 3 本文研究内容 本文的目的是将新安江模型进行改进，建立一个实用的基于d e m 栅格和地形的分 布式水文模型g r i d x i n 肌j i a n g 模型，并根据每个栅格上土壤含水量的情况进行产 流区域随时间变化的分析，同时将g r i d x i n a l l j i a n g 模型应用于密赛流域，并将应用结 果与新安江模型、t o p m o d e l 模型和g t o p m o d e l 模型的结果进行比较。本文采用 了美国地质调查局( u s g s ) 提供的3 0 ”3 0 ”d e m 数据【3 0 ，3 0 ”3 0 ”全球土地覆盖 图像【”l 以及哥世得航天中心( g s f c ) 的全球土地资料同化系统( g l d a s ) 提供的5 ，5 全球土壤栅格资料 3 2 l 。本文研究的重点主要包括以下几点： ( 1 )基于d e m 的流域信息提取研究。该部分主要研究从d e m 中提取 g r i d x i n a n j i a n g 模型及其他水文模型需要的流域排水网络和数字水系，根据需要自动 划分、提取流向、子流域、栅格间的演算次序相关信息。 ( 2 )通过分析单个栅格上的土壤含水量以及蓄满情况，归纳出整个流域的产流 面积以及蓄满区域随时间的变化关系。 ( 3 )在新安江模型原理的基础上，建立一个基于d e m 栅格的分布式水文模型 河海大学硕士论文基于栅格的分布式薪安江模型构建与分析 g d d x i n a n j i a n g 模型。包括在单个栅格上的蒸散发计算，产流计算并以栅格为基 础的汇流计算。同时，对新安江模型、t o p m o d e l 模型与g t o p m o d e l 模型这三个 模型的原理也作了简要的介绍。 ( 4 )将上述四个水文模型同时用于密赛流域进行洪水模拟，并对结果做出相应 的比较，证明了g r i d x i n a n j i a n g 模型的合理性。 4 第= 章流域信息的提取及数字流域的构建 第二章流域信息的提取及数字流域的构建 近二十年来，随着信息、遥感等高新技术的发展，数字地面信息的获取更加容易、 准确，这更利于流域信息提取与数字流域构建的研究及应用。目前，绝大多数的分布 式水文模型都建立在d e m 栅格基础之上，所需的流域下垫面信息均来自于对d e m 栅 格的分析与处理。因此，流域信息的提取及数字流域的构建成为了分布式水文模型研 究与应用的前提。 2 1 基于数字高程模型的流域信息提取 2 1 1 基本原理 利用d e m 提取流域的基本水文特征信息，首先是要对原始d e m 数据进行识别以 及相应的处理，然后依据最陡坡度原则确定出每个栅格点的水流方向，由此算出每个 栅格点的上游集水区，再根据上游集水区的高程数据，按照一定的阂值确定属于水系 的栅格点，接着根据水流方向数据由水系的源头开始搜索出整个水系，最后，进行子 流域的划分，并对子流域与河网迸行编码，构建河网结构拓扑关系。其主要流程图见 图2 1 。 图2 1 数字高程水系模型计算流程图 河海大学硕士论文 基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 2 1 2 d e m 预处理 任何一个流域的d e m 数据都会存在一些局部凹陷和平坦的栅格单元，致使水流无 法流出，这与实际情况是不相符的，因此需要对这些栅格单元进行处理，使得d e m 中 不含有坑和坝，水流能够顺利地流出流域边界。 本研究采用的d e m 预处理的方法采用的是j e n s o n 和d o m i n g u e 于19 8 8 年提出的 洼地处理方法，该方法应用最为广泛，主要包括两个部分：洼地填平处理与平坦栅格 增高处理【3 3 - 3 4 。 1 ) 洼地填平处理 步骤1 寻找洼地栅格，即指8 个相邻的栅格高程都不低于该栅格的高程； 步骤2 扫描以洼地栅格为中心的5 5 窗口，与相邻8 个单元首先被标定； 步骤3 扫描窗口内的所有栅格，如果沿着陡坡或平地能够到达有入流洼地栅格， 则标定，否则不标定； 步骤4 逐渐扩大扫描窗口，重复步骤3 直至扫描完成研究区域内的所有栅格点， 标定所有符合条件的栅格点； 步骤5 被标定的所有栅格组成洼地集水区。从洼地集水区中找出所有的潜在出流 点，该出流点是己被标定的栅格点，它至少拥有一个比它高程低的未标定的相邻栅格。 如果没有这样的出流点，或者存在任何洼地集水区域的边界栅格，它的高程低于最低 的潜在出流点，那么标定还没结束，扩大窗口，重复步骤3 ； 步骤6 确定了最低的潜在出流点后，比较它和洼地栅格的高程。如果出流点高程 高，那么该洼地是一个凹地，否则是一个平地。对于凹地，把洼地集水区内所有低于 出流点高程的栅格升至出流点高程。这样凹地就成为一个平地。将平地内所有栅格标 定为平地。 2 ) 平坦栅格增高处理 该处理主要是利用在平地上人为的增加一定的高程值将平地改造成为斜坡，使水流 顺利的流出平地栅格。其基本步骤如下： 步骤l 确定平地区域边界上不需要附加高程增量的栅格点，并去掉标定；这样的 栅格点满足以下条件： a ) 带有平地标记； b ) 与其相邻的栅格点中，存在不带平地标记的栅格点； 6 第二章流域信息的提取及数字流域的构建 c ) 相邻栅格中，不带平地标记的栅格点的高程值低于带平地标记的栅格点高程； 步骤2 重新扫描平地区域内的所有栅格点，将带有平地标定的栅格单元迭加一个 很小的高程增量( 如d e m 数据垂直分辨率的十分之一) 。返回步骤1 和步骤2 ，反复 扫描，直到所有平地标定被去掉为止。 2 1 3 栅格单元流向确定 流向的确定方法是流域特征提取的基础，在目前的研究中，流向判断多是建立在3 3 的窗口基础上的，虽然进行流向判断的方法有单流向法和多流向法之分，但单流向 法因其确定简单、应用方便而应用最广。 流向法，对于多流向法不作阐述。 本研究中所需的流向矩阵的计算也是采用单 单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向 流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。关于单 流向的确定，也出现了多种方法，目前应用最为广泛 的是d 8 法，此外，还有r h 0 8 法、d e m o n 法【3 6 】 和d o o 法【3 7 等。本研究采用的是常用的d 8 法：假设 单个网格中的水流只有八种可能的流向，即流入与之 相邻的八个网格中。它用最陡坡度法来确定水流的方 7 8 1 、 ， i 0 26 + i j 543 图2 2 栅格流向代码 向，即在3 3 的窗口上，计算中心网格与各相邻网格问的距离权落差( 即栅格中心点 落差除以栅格中心点之间的距离) ，取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格， 该方向即为中心栅格的流向，在流向矩阵中八个方向用不同的八个数字表示。 2 1 4 集水面积的确定和河流栅格点的生成 集水面积指水流流入当前栅格点的所有栅格的面积和。沿最陡坡度法确定的水流路 径可计算任一栅格单元的上坡汇水面积，而该汇水面积的值以栅格数目表示。集水面 积矩阵在流向矩阵的基础上生成，矩阵中每个值代表上游汇流区内流入当前栅格的栅 格总数。当集水面积达到某一阈值时，才能形成河网，在河流栅格矩阵中，根据给定 的阈值，不低于此阈值的栅格标记为1 ，否则标记为0 。 2 1 5 水系生成 水系的生成是建立在流向矩阵与河流栅格矩阵之上，根据斯塔勒( s t r a h l e r ) 3 8 1 的 水流线分级系统对河流进行分级，即把最细的、位于顶端的不再有分支的细沟称为第 一级河流，由两个以上的第一级河流组成第二级河流，如果由两个以上不同级的河流 7 河海大学硕士论文基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 汇成，其级别同最高级的支流，依次类推。 该算法首先创立一个河流等级矩阵，存放各栅格的s t r a h l e r 等级，初始化为0 。然 后依次扫描流向矩阵，不从相邻的标记为河流栅格的栅格接收水流的栅格是等级为1 的河流的上游端点。从上游端点出发，沿水流方向进行追踪，直到遇到交点停止。交 点指从不止一个相邻的标记为河流栅格的栅格接收水流的栅格。在该河流上的所有栅 格等级赋为1 。一旦等级为1 的河流追踪完毕，就开始追踪下一等级的河流。当遇到一 个栅格的等级为当前追踪等级且流向自己的相邻标记为河流栅格的栅格都已赋予一个 较低的等级时，则该栅格是当前等级河流的上游端点。从该上游端点出发，沿水流方 向进行追踪。追踪路线上的栅格等级赋为当前追踪等级。遇到交点时要进行特殊处理。 如交点的等级高于当前追踪等级，则当前追踪停止，不改变交点等级。如流向交点的 相邻的标记为河流栅格的栅格没有全部赋予等级，当前追踪停止。否则交点等级为当 前追踪等级，继续追踪。一旦当前等级的河流追踪完毕，就开始追踪下一等级的河流。 重复以上过程，直到没有某一等级的河流为止。此时追踪完了所有的河流，且已赋予 了正确的等级。 2 1 6 子流域的提取 在提取子流域之前，先给定一个子流域集水面积闽值( 例如3 0 0 个栅格) 。先生成 一个初值0 子流域号矩阵，然后搜索1 号子流域，根据前面生成的集水面积矩阵，搜 索出具有最大集水面积的栅格。从该栅格点出发，搜索流经该点的邻近的河流栅格， 分别判断这些河流栅格点是否是河流交点。如果不是交点，则该点赋值为当前的流域 号；如果是交点，再判断流经该点的邻近的河流栅格的集水面积值是否大于闽值，如 果其中任意一个大于阂值，则停止该条流路的追索，否则按照上面的方法继续追索下 去。如此追索下去，直到当前子流域不能再追索下去，然后增加子流域号，根据集水 面积矩阵，找出没有被标记流域号的具有最大集水面积的栅格，按照前面的方法追索 下去，直到没有子流域可以追索为止。 2 2 研究区域数字流域的构建 2 2 1 研究区域概况 本文所选用的研究流域为浙江省衢江的密赛流域，该流域位于开化县境内。其主干 流马金溪全长1 0 0 3 k m ，河道比降5 9 2 ，河道弯曲，坡陡流急滩多。密塞流域面积为 8 第= 章流域信息的提取及数字流域的构建 7 9 7 k m 2 ，流域内有6 个雨量站，一个蒸发站。该流域位于东经1 1 8 0 。1 1 9 0 。，北 纬2 9 1 0 。3 0 0 。区域之间。 本次研究采用的d e m 数据来自于美国地质调查局c o s g s ) g t o p 0 3 0 公共域免费提 供的3 0 ”3 0 ”的d e m 数据。d e m 数据截取范围为东经1 1 8 0 。1 1 8 6 7 。，北纬 2 9 1 3 。2 9 6 7 。 2 2 2 数字流域的构建 根据密赛流域所处的地理位置，截取出研究流域的l ! a n l k md e m 数据，并对初 始的数据进行预处理，然后按照上述方法提取该流域的相关信息，计算出相关矩阵值， 最后将其可视化。本研究流域信息的可视化采用的是美国环境系统研究所e s r i 开发的 a r c v i e w 、a r c f l n f o 软件。图2 3 一图2 9 就是根据以上算法计算后再由a r c v i e w 软件生 成的密赛流域部分图形。 图2 3 密赛流域初始d e m 值 河海大学硕士论文 基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 图2 4 处理后密赛流域d e m 值 图2 5 密赛流域流向矩阵 1 0 第二章流域信息的提取及数字流域的构建 图2 6 密赛流域集水面积矩阵 图2 7 密赛流域河道栅格矩阵 1 1 河海大学硕士论文 基于栅格的分布式新安扛模型构建与分析 图2 ，8 密赛流域水系图 2 9 密赛流域子流域提取图 2 3 本章小结 本章详细地介绍了基于地表径流漫流模型的d e m 预处理、流向确定、集求面积确 定、水系生成、以及流域提取的处理过程及相关算法。在此基础上，以研究流域为铡， 对密赛流域的流域信息进行了提取，得到了上述任何一个算法的矩阵值，并将它们用 相关软件显示出来，实现了可视化与数字流域的构建。流域信息提取过程中的结果以 短阵形式存储起来，想要的结果都可以很容易的获得，便予后砸的分布式水文模型建 立，丽且数字流域构建及可视化使得分析处理更加盼直观。 第三章g r i f l - - x i n a n j i o n g 模型的构建及相关模型原理 第三章g r i d - x i n a n j i a n g 模型的构建及相关模型原理 c 避d - x t u a n j i a n g 指静是栅格型的新安江模燮。即在d e m 高程模跫鲍基础上，提取 出研究流域的相关信息后，对原始的三水源新安江模型进行改进所得的分布式水文模 型。在建立该模型辩，最裙只是将研究流域上每个单元褫格作为一个予流域箍理，依 照薪安江模型缀理计算出每个单元栅播的产流，然嚣荐依据搪格阍携演算次序，将产 瀛量按照m u s t d n g u m 法逐撩格的演算至流域出口，得至流域总出浚过程。随着研究的 深入，在该模型计算中考虑了橱播阅的水量交换以及河遂排水网络翡影魄。这些问题 在本章中将有详纲的阐述，同时本章也介缨了t o p m o d e l 与g t o p m o d e l 鹩基本原 撵。 3 1 薪安江模型 新安江三求源模型是由溺海大学水文系承文预报教研室在赵人俊教授的带领下研 涮，并逐步完善起来的一个降雨径流模型，霹前在餮内洪水预报中褥到了普遍骢应用。 3 1 t 模型结褐 该模型是个分散参数瓣概念蛀模罂。掖据流域下垫面的水文、逮理情况将其流域 分为若干个单元嚣积，将每个单元面积预报的流量过程演算鳓流域出口然后叠翔起来 郑为整个流域的预掇流量过程 3 9 1 。模型流程见图3 1 。 单元面积永文模拟采用： 1 产流采用蓄满产流概念； 2 蒸散发分为三罄：上、下层和深层； 3 ，水源分为地表、壤中和地下径流三种水源； 4 。汇滤分为坡地、溺鼹汇流两个蹬段； 3 1 2 模型中使髯的变量 模型输入是：瑟平均雨量p ，量测的蒸发器观测值粼。模型输出：出流量鞠，实 际蒸发e ( 分为三层：e u ，e l 摹酲e d ) 。状态变嚣有流域平均张力水蓄量碍( 分为三层： 上层w u ，下层鞲l 和深层1 | | | d ) ，平均自由水蓄量s 。躁是产流面积，r b 是透水面积上的 直接径流量。r 是透水面积上瓣产流量( 分为地袭r s ，壤中r i 和她下r g ) ，通过坡缝、 河海大学硕士论文基于栅格的分布式新室江模蛰构建与分析 河瘸汇流转化为鲻、q i 、q g ，单元总出流是q 。 图3 1 新安江模型结构流程圈 3 1 3 模型的参数 若河刚汇流采用滞后演算法，单元的新安江模型有1 5 个参数。当河道汇流用马斯 京根法时，总共有1 7 个参数。根据其杨理意义与在模穗中的作用可以分为4 类： ( 1 ) 蒸发参数：k ，w u m ，w l m ，c 。其中k 为蒸散发折算系数，w u m 为上层张力水蓄水 容量，w l m 为下层张力水蓄水容量，c 深层散发系数； ( 2 ) 产流参数：_ l ；y m ，b ，工m 。其中删为张力水蓄水容屠，b 为张力水蓄水容量曲线指 数( 反映流域均匀程度) ，i m 为流域不透水面积； ( 3 ) 划分水源的参数：s m ，e x ，k g ，k i 。其中s m 是自由水蓄水容量，e x 为自由水蓄 求容量曲线指数，k g 为地下求出流系数，k i 为壤中流出流系数： ( 4 ) 汇流参数：c g ，c i ，c s ，l 。其中c g 为地f 水消退系数，c i 为壤中流消退系数， c s 为河网水流湾退系数，l 为单元流域汇流滞时。 对于单元流域的新安江模型，有7 个参数比较敏感，他们是：k ，s m ，k g ，k i ，c g ， e s ，l 。 3 1 4 河道洪水演算的水文学方法一马斯京根法 1 4 第三章g r i d - x i n a n j i a n g 模型的构建及相关模型原理 圣维南方程组描述的一维非恒定流模型叫做动力波。圣维南方程中如果忽略惯性 项，动力波就成为扩散波，相应的圣维南方程就简化为扩散波方程。 马斯京根法在理论上属于扩散波。扩散波可以用于下游回水影响较小的天然河道。 关于扩散波的适用范围在7 0 8 0 年代国外有较多的研究。下面仅仅简要的列出本研究 可能涉及到的马斯京根法几个主要方面： 马斯京根法的槽蓄方程为： w = 印 ( 3 - 1 ) q 1 = x + ( 1 - x ) q ( 3 - 2 ) 取水量平衡方程和槽蓄方程差分解，可得流量演算方程： 0 2 = c o l 2 + c 1 l + c 2q l ( 3 - 3 ) 式中k 是槽蓄曲线的坡度，等于恒定流状态下的河段传播时问，即k = d w d q 。；x 反映河道的调蓄能力，x = i 1 一瓦l ( l 是河段长) ；q 1 为示储流量，相当于河槽蓄量w 下的恒定流流量。系数计算如下： 一0 5 a t 一胁 ”0 5 a t + k k x 。0 5 a t + k x 1 0 ，5 f + k k x 。 一0 5 a t + k k x 0 5 a t + k k x ( 3 4 ) c 0 + c 1 + c 2 = 1 非线性的马斯京根法有变动参数和非线性槽蓄曲线两种处理方法。在变动参数法 中： 。：三一掣 ( 3 5 ) 。一21 f 0 3 一w 世= 兰_( 3 6 ) c ( q ) 式中c 是波速。对于具体河段，i ( q 。) 与c ( q ) 都可根据水文站实测资料求得，如河段 的l q 和k q 。关系是线性的，可以建立x q 及k q 的线性方程。 为了满足马斯京根法在演算中流量沿河道及在时段内线性变化的要求，应当取 河海大学硕士论文基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 k 砸to 对于长 扣j 遁璺进，仃分砹攒算。分段的参数 n ：墨 a t = 圭一n ( o 5 一力 量。= 万k 式中n 为分段数，工。与墨为每段的参数。 ( 3 7 ) 3 2g r i d - x i n a n j i a n g 模型 o d d - x m a n j i a n g 模型的构建是以新安江模型的原理为基础，基于d e m 而构建的分布 式水文模型。 3 2 i 模型结构与基本原理 g r i d x i n a n j i a n g 模型将逐个栅格作为一个计算单元，蒸散发计算、产流计算及分 水源计算分别采用新安江计算躁理的三层蒸散发模型、蓄满产流模型及采用自由水蓄 水库结构进行水源划分，再计算出每个栅格上的张力水蓄水容量与自由水蓄水容量【4 1 i ， 得到每一个栅格单元的产流量和地表、壤中、地下三种水源，然后根据栅格演算次序 矩阵，将每一个栅格上的地表径流、壤中流按照m u s k i n g u m 法h 0 1 逐栅格演算至流域的 出口，地下径流则采用新安江模型中线性水库的方法演算至流域出口。在进行栅格演 算时，如果当前栅格的土壤含水量未达到饱和，则上游栅格的出流量首先补充当前栅 格的土壤含水量；如果当前栅格有河道存在，属于河道栅格，则地表径流、壤中流将 按比例把部分流量汇入河道中。其计算流程图见图3 2 。 栅格演算次序矩阵的算法是建立在处理后的d e m 与研究区域的流向矩阵上的，其具 体步骤如下： 步骤1d e r 预处理及流向矩阵计算( 具体方法见第二章) ； 步骤2 在集水面积矩阵基础上，搜索出具有最大集水面积的栅格点( 即流域出口) ， 并赋值为当前计算次序k ( k = 1 ) ： 步骤3 累加k ( k = k + 1 ) ，按照顺时针方向( 从正北方邻点开始) 依次扫描所有前 一赋值点周围8 个邻点，如果邻点流入前赋值点，则赋值该邻点当前计算次序k ； 第三章g r i d - x i n a n j i m a g 模型的构建及相关模型原理 图3 2g r i d x i n a n j i a n g 模型计算流程图 1 7 河海大学硕士论文基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 步骤4 重复步骤2 直到没有栅格可以赋值； 步骤5 将得到的计算次序矩阵倒排序，即将最大值与最小值交换，依次类推，得 栅格演算次序矩阵。 在g r i d x i n a n j i a n g 模型中，只考虑地表径流、壤中流对河道和土壤含水量有贡献， 汇流也是如此，地表径流、壤中流与地下径流分别采用两种方法计算。如图3 3 所示， 当前栅格为一河道栅格，土壤含水量属于非饱和状态1 6 】。图中尸一栅格实际降雨；e 一 蒸发；s 一土壤实际蓄水量；s m 一土壤蓄水能力；q s i 。一上游栅格地表径流、壤中 流的出流，即当前栅格地表径流、壤中流的入流；q c 。一上游栅格河道出流：q g 。一 上游栅格地下径流的出流，即当前栅格地下径流的入流；q c 。一地表径流、壤中流汇 入河道流量；q s i 。一当前栅格地表径流、壤中流出流；q e 。当前栅格河道出流； q g 。一当前栅格地下径流出流。 图3 3 单元栅格物理过程示意图 对于非饱和的栅格，把q s i 。与降雨p 叠加后用新安江模型的方法进行产流计算。 & = p + q s l h 4 3 6 4 d t g a r e a ( 3 8 ) 式中：最一用于计算的雨量值；d ，一计算时段；g a r e a 一栅格的面积。 经过产流计算后，就可得到当前栅格地表径流g 与壤中流q f ，然后可算出汇入河 道流量以及当前时断的河道入流q c 。 1 8 第三章c r t i d - x i n 删i a n g 模型的构建及相关模型原理 q c 。= ( g + 9 ) + 勿 q c = q c ，g + q c 。 式中：勿一g 与q f 汇入河道的比例。 在汇流过程中，地表径流、壤中流以及 河道流量都采用m u s k i n g u m 逐栅格演算法，下 面以非河道栅格为例。 图3 4 所示区域由6 个非河道栅格组成， 其中a 、b 、c 栅格水流都流入d ，出流量分别 为q 、g 和q ，由m u s k i n g u m 法( ( 3 1 1 ) 式) 演算到d 得“、残和纠。则d 出流量岛为残、 g 、鳞之及自身产流量功。之和( ( 3 1 2 ) 式) 。 q 搿= c ，n + c j q j + 1 + c 3 q j + l q d ( f ) = o ：( f ) + q ；十q ；( f ) + q d o ( f ) 式中，c l ；c 2 和c 3 的计算方法与式3 - 4 相同。 3 2 2 栅格单元蓄水容量计算 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) q a 夕q 潆 d 图3 4m u s k i n g u m 逐栅格演算法 ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 对于流域中每一个栅格单元来讲，它的张力水蓄水容量w m 利用式( 3 - 1 3 ) 进行计 算： 聊= ( 以一只) 三包 ( 3 1 3 ) 式中：巳一田间持水量；p 凋萎含水量；k 一包气带厚度，其中包气带的厚度一般 为0 5 0 9 m 。 自由水蓄水容量s m 可以认为是流域内饱和含水量与田间持水量之间那部分可以在 重力作用下可以自由流动的最大的水量，利用式( 3 - 1 4 ) 进行计算： s m = ( 见一哆) + 三廊 ( 3 1 4 ) 式中：以一饱和持水量；一腐殖质土的厚度，其中腐殖质厚度在0 o 3 m 之间，一 般平均厚度为0 i m 。 1 9 河海大学硕士论文基于栅格的分布式新安江模型构建与分析 一般认为，单元栅格的1 i f m 及s m 与土壤结构和植被类型有关，根据流域土壤特性分 布图，取1 0 个点进行分析【4 2 】，得到表3 - 1 。 表3 - 1 土壤特性参数与删和s m 饱和水力 取样点取样地区特征饱和含田间持凋萎含 w m s m 传导度 编号和组成水量水量水量( )( 皿) ( c m h ) ( i ) 1 河，河底 0 5 0 0 00 5 5 0 00 3 0 0 00 1 5 0 0o 5 07 5 0 02 5 o o 2 湖，沉积土壤 0 5 0 0 00 5 5 0 00 3 0 0 00 1 5 0 0o 8 01 2 0 0 02 5 0 0 3 沼泽，有机根系 0 5 0 0 00 5 5 0 00 3 0 0 00 1 5 0 0o 5 07 5 0 02 5 0 0 4 河边沉积，粘土 0 9 5 7 10 4 7 6 90 2 9 3 00 1 3 1 50 7 01 1 3 0 01 8 0 0 河边沉积，沙， 51 6 3 3 90 4 8 2 90 3