（水文学及水资源专业论文）时空尺度对洪水模拟的影响研究.pdf

摘要 本文以淮河的史灌河流域和流域内的黄泥庄、七邻为研究对象，对水文资料和下垫面信息进行空间 分析，并构建概念性分布式水文模型；在此基础上着重对d e m 分辨率变化和降雨时空变化对径流模拟 的影响进行了探讨。 空间分析的目的在于提取和传输空间信息，对水文资料进行空间分析和处理是分布式水文模型应用 的基础。通过平均法、包络线法和c r e s s m a n 目标分析法三种聚合方法，通过距离反比加权、趋势面、 k r i g i n g 和泰森多边形方法对d e m 和降雨数据进行聚合和插值分析。分析结果表明d e m 聚合的精度与 地形复杂程度有关，地形越复杂，聚合的误差越大：当地形的变化不大时，各种方法插值的结果变化不 大，而且插值的误差较小，当地形较复杂时插值的误差也随着增大，各种方法的优劣就更明显。最好的 降雨插值方法是k r i g i n g 方法，但当雨量计的密度较低时这种方法的优势并不特别明显。 d e m 提取河网，采用填平后以d 8 法为基础，用数字化主干河道和湖泊、水库( d m r l n ) 进行校正 的方法相结合，得到的模拟河网较真实地反映了流域的河网结构。利用提取的流域水文特征作为概念性 分布式水文模型的输入，通过模型的调试和验证，结果证明模型是合理的，可以用于洪水模拟。 随着分布式水文模型日趋广泛的应用，d e m 的精度和其分辨率对水文模拟的影响已经引起人们的 关注。文中分析了d e m 分辨率变化，地形参数和提取的水文特征参数变化并引入信息熵理论，对d e m 分辨率变化的信息量变化进行了评价，并对提取的水文特征参数对d e m 信息熵的敏感性进行分析，在 此基础上探讨了径流对d e m 水平分辨率变化的敏感性以及d e m 分辨率变化对水文参数的影响。 降水是径流模拟中最大的不确定因素之一，但同时又是洪水预报中最重要的信息。雨量站网为水文 分析和水文模拟提供了必要的降雨数据，但是，雨量计测得的只是点雨量，不能很好的抓住降雨的空间 分布信息，尤其是在太中流域。雷达测雨数据可以克服雨量计测雨的缺点，为廉价的获得高分辨率降雨 提供了便利a 文中对雨量计测得的降雨和雷达测雨产生的降雨时间和空间分布对洪水模拟的影响进行了 深入地探讨。 关键词：时空尺度分布式水文模型降水时空分布d e m 分辨率洪水模拟 a b s t r a c t a c o n c e p td i s t u b u t e dh y d r o l o g i cm o d e li sb u i l ti nt h ed i s s e r t a t i o n ，b a s e do i lw h i c ht h ee f f e c t o fd e mr e s o l u t i o na n d s p a t i a lt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no f r a i n f a l lo nr u n o f fs i m u l a t i o ni sd i s c u s s e d i nt h r e es u b b a s i n ：j i a n g j i ，h u a n g n i z h u a n ga n dq i l i no f s h i g u a nr i v e rb a s i n t h eo b j e c to fs p a t i a la n a l y s i si st od i s t l a c ta n dt r a n s p o r tt h es p a t i a li n f o r m a t i o n a n a l y z i n g h y d r o l o g i cd a t aa n dd e md a t ai st h ef o u n d a t i o no fa p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l t h i sp a p e rd e a l sw i t hh y d r o l o g i cd a t aa n dd e md a t a u s i n gd i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o na n da g g r e g a t i o n m e t h o d st h er e s u l t ss h o wt h a tc r e s s m a r io b j e c ta n a l y s i sm e t h o di st h eb e s ；a g g r e g a t i o nm e t h o d o fa l ls e l e c t e da g g r e g a t i o nm e t h o d st r e n dm e t h o di st h eb e s ti n t e r p o l a t i o nm e t h o df o rd e m a c c u r a c yo fa g g r e g a t i o na n di n t e r p o l a t i o nf o rd e mi sr e l a t e dw i t hc o m p l e x i t yo ft e r r a i nt h e m o r ec o m p l e xo f t h et e r r a i ni s ，t h el a r g e rd e v i a t i o ni s t h eb e s ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d sf o rr m n f n li s k d g i n gm e t h o d sh o w e v e gk r i g i n gm e t h o d s & r en oa d v a n t a g ef o r r a i n f a l li n t e r p o l a t i o nw h e nt h e d e n s i t yo f r m ns t a t e nn e t w o r ki sv e r yl o w t h em e t h o dt h a tc o m b i n e sd g m e t h o dw i t hd i g i t i z i n gt h em a i nr i v e r w a y s ，l a k ea n dr e s e r v o i r ( d m r l n ) i su s e dt oe x t r a c tr i v e rn e t w o r kf o n nd e mt h er i v e rn e t w o r ke x t r a c t e dw i t ht h i s m e t h o dr e p r o d u c e s t h es k e l e t o no f t r u er i v e r n e t w o r kt h ec o n c e ：叶d i s t r i b u t e d m o d e lb a s e dd e m i sp r o v e dr e a s o n a b l eb yc a l i b m i o na n dv a l i d a t i o no f t h em o d e l w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fd i s t z i b u t c dh y d s o l o g i o a lm o d e lb a s e do nd e mt h e a c c u r a c ya n d r e s o l u t i o no fd e m si s p a i dm o r ea a e n t i o n t o p o g r a p h t yp a r a m e t e r s a n d h y d r o l o g i c a lp a r o m a e r se x t r a c t e df r o md e m sf l e ea n a l y z e dw l e nd e mr e s o l u t i e ai sv a r i e d t h e h f f o n n a t i o nc o n t e n to fd i f f e r e n tr e s o l u t i o nd e mi sq u a n t i f i e du s i n ge n t r o p ya n da n a l y s i st h e s e n s i t i v i t yo fh y d m l o g i c a lp a r a m e t e r se x t r a c t e df r o md e mt od e me n t r o p y b a s e do nt h e s e a n a l y s e s t h ee f f e c to f d i f f e r e n t d e mr e s o l u t i o n o n t h er u n o f fs i m u l a t i o n a n d h y d r o l o g i cp a r a m e t e r i sa n a l y s i s r a i n p a l li so f i eo ft h el a r g e s tu n c e r t a i nf a c t o r sa tt h es a l r t et l m ei ti st h em o s ti m p o r t a n t i n f o r m a t i o nf o rf l o o df o r e c a a t i n gt h er a i ns t a t i o nn e t w o r ks u p p l i e st h er a i n f a l ld a t af o rh y d r o l o g i c a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n h o w e v e r , r a l n g a g er a i n f a l ld a t aa c q u i r e dl b r mp o i n to b s e r v a t i o n sc a bn o t c a t c ht h ed i s t r i b u t i n gi n f o r m a t i o no fr a i n f a l l ，e s p e c i a l l yi nl a r g es c a l eo fd r a i n a g e h - e i tr a i n f a l l d a t af o r mw e a t h e rr a d a r so v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e se f f e c to fu s i n gs p a t i a l l ya n dt e m p o r a l l y v a r i e dr a i n f a l ld a t ao i lh y d r o l o g i cs i m u l a t i o nv q a sa n a l y z e di nt h i ss t u d y k e yw o r d s ：s p a t i a l t e m p o r a ls c a l e ；d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l ；r a i n f a l ld i s t r i b u t i o n ；d e m r e s o l u t i o n ；f l o o ds i m u l a t i o n h u 舌 地理信息系统、遥感技术的发展以及计算机计算能力的提高客观上促进了分布式水文模型的发展。 具有物理基础的分布式水文模型被认为是最有发展潜力的水文模型，但迄今为止分布式水文模型在实际 应用中并没有取得令人振奋的结果。其一，数据资料的不确定性，也就是在现有的技术条件下还不能精 确地测出所需的各种参数；其二，大多数分布式水文模型最初都是在较小的流域获得成功的，将这样的 结果用到实际较大的流域中，也就是将水文模型从小尺度的模型移植到大尺度上去，一些水文机理就可 能发生了一些变化；再次分布式模型水文参数较多。虽然增加了模型参数，但用来校正和验证的实测 数据并没有增加，这无疑也增加了水文模型的不确定性。 虽然分布式水文模型的发展已有2 0 多年，国外己经建立了很多分布式水文模型，但是在我国这项 研究还刚刚起步。如何建立适合我国数据条件和气候条件的分布式水文模型是急待解决的问题。 因为d e m 能提取流域所需的部分水文特征参数所以现在很多分布式水文模型都是建立在d e m 基础上的。d e m 有不同的来源，它的精度、分辨率也各不相同。以前人们对它的关注较少，但随着d e m 在水文学中的广泛应用，人们对d e m 的质量也越来越关注。d e m 精度和分辨率的变化使提取的水文 特征参数发生变化，这势必会影响水文模拟的结果。另外，现在可以获得1 0 0 m ，1 0 m 甚至更小分辨率 的d e m ，如果这样高分辨率的d e m 用到较大的流域，计算的时间是首先要考虑的问题，这不仅关系 到计算机的计算能力问题，还关系到洪水的预见期问题。根据水文模型需求对不同d e m 分辨率的选择 也不同，对于一般的洪水预报，在实际应用中需要多大的分辨率即能满足预报精度而又减少计算时间是 一个很实际的问题。 降雨的空间分布和时间分辨率对径流的模拟结果都有一定的影响。许多人对此进行了研究，那么这 种影响受哪些因素的制约，与流域的大小、降雨特征、土壤含水量等水文参数关系如何，也是需要深入 探讨地问题。预计未来一两年内我国将实现全国范围内的雷达网，雷达测雨应用与分布式水文模型结合 不仅能提高水文预报的预见期而且有望提高水文预报的精度，对无雨量站或雨量站网稀疏地区，雷达测 雨的应用对控制降水的空间变化、暴雨的走向都具有极大的优越性。现有的雷达测雨精度是否能满足水 文预报的要求，很多人表示怀疑，怎样改进雷达测雨的精度更是雷达测雨数据在水文中应用的前提。 本文以国家自然科学基金委和黄委联合基金项目在实时洪水预报中采用雷达测雨的关键技术 ( n o 5 0 2 7 9 0 0 6 ) 为依托，将针对上述问题进行一些探讨，希望能对实际应用和理论研究提供一些借鉴。 本文的创新点： ( 1 ) 借鉴国内外分布式水文模型的最新研究经验和成果，建立基于d e m 的概念性分布式水文模型； ( 2 ) 利用空间分布变化的多源降雨信息作为概念性分布式模型的输入，从降雨特征变化、流域尺度 变化和模型状态变量变化出发研究降雨空间变化对洪水过程的影响，确定了降雨特征、流域大小和状态 变量影响降雨空间变化对洪水过程的影响： ( 3 ) 引入信息熵理论对d e m 空间分辨率变化所导致地信息量的损失进行定量评估，借助信息熵将 d e m 分辨率变化对这种影响进行了定量的研究，从而为这方面的研究从定性向定量进行了有益的探索， 为后续的研究作了理论的铺垫； ( 4 ) 提出d e m 敏感度闽值和降雨空间分辨率闽值，可以减少d e m 分辨率变化影响和降雨空间变化 影响，增加水文模型的通用性，提出了很好的研究思路。 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， 论文中不包括其他人已经发表和撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事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) ：塑盐窒 2 0 0 4 年1 1 月1 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) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 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) ：瑰弛 2 0 0 4 年1 1 月1 日 河海大学申请博士学位论文时空尺度对洪水模拟的影响 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 洪水预报技术的发展 洪水一直是威胁人类和生命财产的最大自然灾害之一，近年来世界很多地区发生了大的洪水： 1 9 9 2 年法国的v a i s o n l a r o m a i n e 河，1 9 9 3 年美国的密西西比河、荷兰的m e u s e 河，1 9 9 4 年意大利的 p i e m o n t e 河，1 9 9 6 年西班牙的b i e s c a s 河，1 9 9 8 年长江、松花江和嫩江及2 0 0 0 年g o n d o 大洪水给各 国的经济和人民的生命财产带来了巨大的损失。据美国国家气象局口l ( n w s ) 统计1 9 4 0 年到1 9 8 2 年 平均每年发生洪涝灾害1 0 2 次，直接经济损失15 0 亿美元，现在美国平均每年的洪涝灾害损失达4 0 亿美元( n w f l 9 9 8 ) 。洪灾以每年5 的比率增加，各个国家和各地政府部门正在投入大量的科研经费， 研究如何利用最新的技术来研制防洪决策支持系统以便实时地预测、监测洪水灾害的发生和评估洪水 灾害的程度。 我国经济发达、人口稠密的地区位于黄河、长江、珠江、淮河、海河、辽河、松花江等七大江河 的中下游平原区，而平原区是我国洪水灾害最集中的地方。江河上游洪水主要来源于坡降较大的山地 丘陵区，洪水峰高量大，进入地势较为低洼、平坦的平原地区后，洪水容易分散漫流，因此平原区是 最容易发生洪灾的地方。我国7 0 的降雨集中在6 - 9 月的汛期，每年至少有上千万亩的农田受洪水的 威胁，一旦发生洪水，其灾害损失将无法估计。因此建立更实用的水文模型，充分利用现有的技术手 段和数据资料，作出精确的洪水预报显得尤为重要。 雷达测雨和数值天气预报的降水在某种程度上提高了降水的时间和空间分辨率，同时由于地理信 息系统和遥感的发展，促进了分布式水文模型的发展。这种分布式水文模型使原有的水文模型在处理 降雨和下垫面条件的不均匀性方面得到了改进。分布式水文模型由于其具有一定的物理基础，而又考 虑了降水和下垫面条件的空间变化对于洪水预报有了一定程度的改进。 1 1 2 洪水预报中存在的问题 从某种程度上说，洪水是无法避免的自然灾害之一，那么怎样把这种灾害降低到最低的程度是最 重要的。要想把洪水造成的损失降到最低，其提前是对洪水作出精确的预报。现在制约洪水预报精度 和预见期的主要原因是： ( 1 ) 水文资料的不充分和不确定性 洪水预报所需的降水蒸发资料大都是通过雨量站和蒸发站获得的，而常规雨量站和蒸发站网的密 度是比较稀疏的，若用这样的点雨量和蒸发推求面雨量和蒸发，获得真实的降水场和蒸发场信息是比 较困难的。由于遥感技术本身的原因，通过遥感或其它的技术手段获得的土壤含水量、植被指数等信 息都存在一定的不确定性。描述地形的数字高程模型( d e m ) 在建模的过程中也存在一定的不确定性。 这些都会导致洪水预报的不确定性。 第一章绪论 ( 2 ) 常规水文资料导致洪水预报预见期太短，洪水预报的有效性降低 常规洪水预报所用的降水资料都是通过雨量站获得的，在获得雨量资料之后再用其进行洪水预报 的预见期很短不能满足防洪、泄洪的需要。如三花间洪水预报是依据伊洛河龙门镇、白马寺，沁河 五龙口站以下的实测降水资料，进行花园口站的洪水预报，其预见期仅有1 4 1 8 小时，但根据计算， 在防洪形势严峻时，必须进行三门峡、小浪底、陆浑、故县等四座水库的联合调度，才能有效的削减 花园口站的洪峰流量和洪水总量以避免洪灾的发生。而联合调度必须在洪峰出现的3 0 小时之前进行， 才能真正使水库发挥拦洪作用。因此提高水文资料的预见期对于有效的防洪是非常重要的。 ( 3 1 洪水预报要借助一定的水文模型来完成，因此水文模型的选择客观上对洪水预报的精度和预见 期都有一定的影响。传统的集总式水文模型采用以雨量站为中心、按泰森多边形分块，雨量采用集中 输入、集中输出，在每块单元中降雨量采用面积平均值，容易产生降雨均化，会产生很大的降雨误差， 导致不能精确地预报洪峰和洪量口吲。流域洪水的产汇流过程，主要受具有空间分布特征的下垫面的各 种地理、地质和地貌因素的制约。传统的集总水文模型较少或未考虑地形和下垫面的变化，采用简单 的下渗经验公式、带有经验统计性的流域蓄水曲线等来模拟产流过程；采用单位线、线性或非线性水 库模拟汇流过程，难以真实的反映流域特征空间变化对产汇流过程的影响，而对洪水预报预报产生偏 荠。 1 2 论文研究的目的和意义 洪水一直是威胁我国人民生命财产的最大自然灾害之一，我国由洪水造成的年平均损失居于各种 自然灾害的首位。为了更好的对洪水灾害的发生进行实时预测、监测并评估洪水灾害的危险程度，必 须提高水预报的精度和预见期。 计算机计算能力的提高，地理信息系统、遥感技术特别是雷达测雨信息等新技术、新方法的引入 及在分布式水文模型中的应用，客观上促进了分布式水文模型的发展。分布式水文模型在处理降雨和 下垫面条件的不均匀性方面得到了改进，加强对水文过程物理基础描述的分布式水文模型的研究得到 进一步的重视1 7 - 1 5 1 。许多水文学者【”。8 】认为具有物理基础的分布式水文模型是未来水文模型的发展方 向。 但是在目前的测量精度和测量范围内，要想精确的测量模型所需的物理参数是很困难的，现在所 能测量的参数值是一个模糊的范围值，同样需要模型参数的率定和验证，具有物理基础的水文模型无 疑会增加参数的数量，而用来率定和验证模型的数据并没有改变，这将使水文参数的不确定性增加。 对于流域条件不变化的流量模拟和水文过程模拟概念性的半分布水文模型应该是最好的选择”】。 流域洪水的产汇流过程，主要受制于下垫面具有空间分布特征的各种地理、地质和地貌因素的制 约。在以往的模型中，之所以对这些方面研究不多，主要是缺乏对这些空间分布信息的采集、分析和 处理的有力工具。在数字流域环境下，充分利用各种致洪因素的空间分布信息，建立数字水文预报模 型，迸一步完善对流域洪水过程的模拟，比较完善地解决好模型的移用问题，可以大大提高实时洪水 预报的精度。 在d e m 基础上建立的分布式水文模型，其d e m 分辨率的大小，水文信息、水文资料的分辨率( 观 测尺度) 对水文模拟、水文预报有重要的影响。不同分辨率的d e m 生成的河网结构，径流路径长、径 2 河海大学申请博士学位论文时空尺度对洪水模拟的影响 流方向和径流坡度等都会发生一定的变化。对于不同的研究区，多大的d e m 分辨率才能较为准确的 反映其真实的河网；不同尺度的流域需要不同分辨率的水文数据资料才能反映其自身的水文规律，多 大的分辨率能正确的反映研究区的水文规律，而又不产生数据的冗余，这些都是水文模拟需要解决的 问题。 降水是径流模拟中最大的不确定因素之一，也是洪水预报中最重要的信息。因此了解降水的空间 分布对洪水过程的影响是菲常重要的。目前水利防汛部门获得的雨量信息主要是通过地面雨量计的观 测得到。对于湿润地区一般站网的密度是2 0 0 3 0 0 k m 2 。由于地形等因素的影响导致得到的雨量信息不 能完全代表真实雨量的空间分布，不能进行精确的水文预报。雷达作为一种主动遥感手段可以探测较 大范围的瞬时降水空间分布，时空分辨率高，而且其建立和维护费用要比建立稠密的雨量站低，我国 预计在2 0 0 4 年底建立1 2 6 个新一代天气雷达组成的天气雷达网络【2 “。但是由于雷达测雨技术的复杂 性和实验条件的限制等原因，目前雷达测雨存在一定的误差，特别是大范围降雨测量的准确性尚不能 完全满足水文模拟和预报的要求，这不能完全归结为雷达的测雨误差，其它因素的影响也不容忽视 2 2 - 2 4 1 ，比如，径流对降雨的时间和空间分辨率的变化的敏感性等。针对上述问题本文采用不同空间分 辨率的雷达降雨数据比较降雨的空间变化对水文模拟的影响进一步说明了在水文模拟中准确的降雨空 间分布和时间分辨率的重要性，并对无雨量站地区采用雷达测雨数据进行水文预报的可行性提供了先 行研究基础和依据。 本文研究的目的是通过对下垫面以及降雨信息的尺度变化影响进行分析，理论和应用方面得出一 些有借鉴意义方法和结论，为分布水文模型在实时洪水预报中推广应用奠定基础。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 流域水文模型 1 3 1 1 流域水文模型的分类 水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟，是研究水文科学的一种手段和方法。目前，水 文模型的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模型( 如比例尺模型) 、类比模型( 如用电 流欧姆定律类比渗流达职定律的模型) 和模拟模型。其中，模拟模型是最常用的一类水文模型。该类 模型的特征是运用数学的语言和方式描述水文原型的主要特征关系和过程，因此也称为水文数学模型。 水文数学模型又可分为确定性模型和随机性模型。描述水文现象必然性规律的数学模型称为确定 性模型，相反，描述水文现象偶然性规律的数学模型称为随机性模型。 确定性的水文数学模型又称为数学物理模型、概念性模型和系统理论模型等三种。 ( 1 ) 数学物理模型是以数学物理方程对水文现象进行模拟的模型，它依据物理学质量、动量和能量 守恒定律以及流域产汇流的特性，推导出描述地表径流和地下径流的微分方程组。这些方程能描述径 流在时空上的变化，也能处理降雨的时空变化。由于流域下垫面非常复杂，产流和汇流交织发生，目 前建立这样复杂系统的水文数学物理方程还处于探索阶段，具有物理基础的分布式水文模型即属于此 类模型。 ( 2 ) 概念性模型是以水文现象的物理概念为基础，利用一些简单的物理概念( 如下渗曲线、蓄水曲 第一章绪论 线等或有物理意义的结构单元如线性水库、线性渠道等) 对复杂的水文现象进行概化，然后建立水文 模型。概念性模型可以模拟水循环的整个系统，如流域水文模型；也可以模拟水循环的某个环节，如 产流模型、汇流模型、蒸散发模型、土壤水模型和地f 水模型等。概念性模型有集总模型和分散模型 z 分。集总模型忽略了各部分流域特征参数在空间上的变化，把整个流域作为一个整体。分散模型按 流域各处土壤、植被、土地利用和降水等的不同，将流域划分为若干个水文模拟单元，在每个单元上 以一组参数( 坡面面积、比降、汇流时间等) 表示该部分流域的种种自然地理特征，然后通过径流演算 而得到全流域的总输出。 ( 3 ) 系统理论模型又叫系统响应模型，是一种具有统计性质的时间序列回归模型，属于确定性模型。 它建立在系统输入和输出关系之上，核心问题是通过“系统识别”求出一个脉冲响应函数。 另外，根据对复杂水文地质过程进行概化和简化的方式和程度以及所作的假设，将水文模型分为 集总式水文模型和分布式水文模型： 集总模型，通常用一系列常微分方程来表示，不考虑水文过程的空间变化、模型的输入、输出以 及模型的边界条件等。在大多数集总模型中，一些水文过程用简单的经验代数方程式加以表达。具有 代表性的集总模型有：h e c 1 ，r d r b ，s s a r r 和水箱模型等。 分布式水文模型又可分为概念性分布式水文模型和物理基础的分布式水文模型。分布式水文模型 考虑水文过程、下垫面、模型的输入和输出的空间变化，水文过程通过数学物理方程来描述。常见的 具有物理基础的分布式水文模型有m i k es h e 口”8 i ，d b a s i n 等。概念性分布式水文模型是在对水文 过程进行概化的基础上建立起来的。常见的可用于构建概念性分布式水文模型的有：美国的s a c ，日 本的t a n k 和中国的新安江模型。此外，也有一些模型，如t o p m o d e l l “1 和t o p k a p i 模型，由于既不 同于概念性分布式水文模型的结构，又不同于具有物理基础的分布式水文模型的结构，而是属于具有物 理基础的半分布式水文模型 1 - 3 1 2 水文模型的发展 自1 7 世纪末建立了水文循环和流域水量平衡的基本概念后，产汇流问题就成为地表水文学的一个 中一i i , 课题t d , a 5 1 。2 0 世纪5 0 年代以来，在计算机大量引入水文研究领域后，开始用数学、物理学等方法 对流域发生的水文过程进行模拟，建立数学模型，作产汇流计算，先后提出了许多产汇流模型。1 9 6 6 年c r a w f o r d 和l i n s l e y 开发了s t a n f o r d 模型，之后水文模型进入了蓬勃发展的时期p q 。8 0 年代中期提 出了一些比较著名的水文模型，如s t a n f o r d 模型、h e c 一1 模型、r o r b 模型、t a n k 模型、i - i b v 模型、 s h e 模型，我国也自行研制了许多水文模型，其中著名的有新安江模型和陕北模型口”。 8 0 年代后期至今，流域水文模型的发展处于缓慢阶段，基本没有新的水文模型出现，大多数的水 文模型是在原模型的基础上，为适应不同的用途进行改进0 , 2 6 1 。由于计算机计算能力的提高，地理信 息系统、遥感技术特别是雷达测雨信息等新技术、新方法的引入及在水文模型中的应用，使得萌芽于 2 0 世纪6 0 年代的分布式水文模型得到了一定程度的发展，致使原有的水文模型在处理降雨和下垫面 条件的不均匀性方面得到了改进，加强对水文过程物理基础描述的分布式水文模型的研究得到进一步 的重视。 i3 1 3 水文模型存在的主要问题 4 河海大学申请博士学位论文时空尺度对洪水模拟的影响 ( 1 ) 概念性水文模型对流域复杂的水文过程进行概化，用简单的数学公式和经验公式来表达复杂 的水文过程，例如采用简单的下渗经验公式、带有经验统计性的流域蓄水曲线等来模拟产流过程：采 用单位线、线性或非线性水库模拟汇流过程。概念性的水文模型往往只涉及水文现象的表面而不涉及 水文本质或物理机制，因此流域水文模型的许多参数都缺乏明确的物理意义，这可能带来水文模型拟 合令人满意的假象【j j 。 流域降水分散地、不均匀地降落在流域上，流域的下垫面条件也不尽相同，现在处理降雨的 方法通常是根据雨量站资料用泰森多边形等方法进行点雨量向面雨量的转化，这会带来降雨的均化， 给径流模拟带来较大的误差。对于下垫面的处理则是根据地形、地貌划分子流域，在每一个子流域中 采用集中输入，集中输出的流域水文模型，最后将各子流域的径流线性叠加成出口断面的流量。这种 方法的不合理之处在于：各子流域的降水空间变化、参数的空间变化、汇流过程是否满足线性叠加原 理等问题都未考虑i j 叫。 ( 3 ) 物理基础的分布式水文模型无论是对流域下垫面的描述还是对水文物理过程的描述都更合理 也更详细，但是在现在的测量精度和测量范雨内，要想精确的测量模型所需的物理参数是有较大的难 度，现在所能测量的参数值是一个模糊的范围值，同样需要模型参数的率定和验证，而这种物理参数 的模型无疑会增加参数的数量，由于来率定和验证模型的数据并没有改变，因此参数的不确定性增加。 1 2 1 4 解决存在问题的关键技术 ( 1 ) 加强对流域径流形成物理机制的研究1 3 l ，对流域水文模型的研究突破传统的概念性模型和 “黑箱子”模型的研究思路，不仅要尽可能吸收当代产汇流理论研究所取得的研究成果，而且要应用 现代的高科技手段进行新的实验，揭示新的水文规律 3 , 2 9 1 。因此采用数学物理偏微分方程全面描述水 文过程，依据计算数学理论寻求有效的数值计算方法是关键。 ( 2 ) 地理信息系统( g i s ) 处理下垫面因子复杂的空间分布；改进雷达测雨技术和遥感技术，提高 测得数据的精度：提高计算机计算能力和数值分析理论，进一步发展促进了分布式水文模型的发展。 1 3 1 。5 水文模型的应用现状及发展趋势 从分布式水文模型的开发到现在已有2 0 多年的历史，虽然建模的技术已经很完善，但实际用得较 多的还是概念性的集中式模型或半分布的概念性水文模型，对于以物理为基础的完全分布的流域水文 模型只限于小尺度的流域，或者说还处于试验和不断完善的阶段【3 “。导致物理为基础的完全分布的流 域水文模型不能推广的重要原因之一就是模型输入信息的空间分辨率和精度还不能满足这种水文模型 的需要。 水文要素数据的缺失以及水文站网的缺少限制了人们对水文现象和水文规律的认识。虽然通过遥 感等高科技手段可以弥补水文站网的稀少，和其它相关资料的获得。但是由于条件的限制，目前想要 获得充足的数据资料进行水文模拟和预报还是非常困难的。因此通过已有的资料来反演未知的过程的 变化规律是非常必要的。因此在未来一段时间内概念性的分布式水文模型将是更好的选择。 随着遥感技术的改善，提供更加精确和高分辨率的物理参数：地理信息系统特别是能够详细描述 流域地形信息的d e m 和天气雷达测雨，数值天气预报的发展，具有物理基础的分布式水文模型必将 取代集总式的或概念性分布式水文模型。 第一章绪论 1 3 2 遥感在水文学中的应用 很久以来，人们就认识刘流域水文模拟的结果在很大程度上依赖于输入数据的质量。水文研究的 主要问题在于没有足够的、精度高的数据来定量描述水文过程”引1 。只有获得详细的地形、地质、土 壤、植被和气象资料的基础上，才能对较火流域的气候变化和土地利用产生的水文效应进行科学的研 究。 遥感技术可提供面状信息而非点状信息，可直接和间接测量常规手段无法测量到的水文变量和参 数，可提供长期、动态和连续的大范围资料值，因此在水文学上有着广泛的前景。 遥感技术在水文学上的应用从宏观方面可大致分为两个方面：一是直接用于水文变量和水文参数 的测定和估算，如积雪面积、湖泊面积、降水量等；二是利用地表探测到的地表波谱特征来推求水文 参数，例如，利用n d v l 、气温等来计算区域蒸散发，估算土壤含水量。 与传统的数据收集方法比较，遥感技术的优点可归纳为以下几点：区域分布观测代替点观测； 时空分辨率高；以数字形式获得相关数据；可以获得人类无法到达的偏远地区的信息。 遥感技术的缺点主要是不能直接提供水文模拟所需的数据，要把遥感获得的信号转换成相应的水 文数据。将遥感数据解译成水文信息的可行性技术仍在发展中，其转换的过程仍存在很多困难【”1 。 1 3 3 地理信息系统在水文学中的应用 地理信息系统是在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初从制图和c a d 程序中分离出来的。早期g i s 在水 文学中的应用主要是水文制图，现在g i s 在水文模拟研究中的作用越来越显著，已成为水文研究的主 要工具之一【”筇】，是非常有潜力的描述流域尺度水文过程的工具o “。2 0 多年来由于地理信息系统在水 文学中的应用使得水文学的研究取得了很大的发展，水文过程的表示方法有了很大的变化：从集总式 水文模型到半分布式水文模型再到分布式水文模型p ”。g i s 对具有空间分布性质的地理数据进行管理 和综合分析，与流域产汇流有关的地理数据主要有地面高程和反映土壤、植被、地质、水文地质特性 的参数等，其中以数字高程模型( d e m ) 最为有用。 从d e m 提取的集水流域和水流网络数据，是大多数地表水文分析模型的主要输入数据。地表的 物理特性决定了流经其上的水流特性，同时水流的流动将反过来影响地表的特性。对地表影响最大的 水流特性是水流的方向和速度。水流方向由地表上每一点的方位决定。水流能量由地表坡度决定：坡 度越大，水流能量也越大。另外由不同地表曲率决定的凸形或凹形地表也会对水流的流动产生影响： 在凸形地表区域。水流加速，能量增大。与此相反，在凹形剖面处水流流速降低，能量减少。因此对 水文分析来说，关键在于确定地表的物理特征，然后在此特征之上再现水流的流动过程，最终完成水 文分析的过程。 用d e m 提取流域水文特征，在大多数栅格处理系统中，使用传统的邻域操作便可以提取这些信 息。但也需要一些非邻域的操作计算，比如确定大的平坦地区范围内的水流方向等，因此简单的邻域 操作对这些计算是不够的。为克服这些限制，一些研究者提出了使用邻域技术和空间迭代技术的复合 算法，该算法提供了从d e m 中提取集水流域、地表水流路径以及排水网络等形态特征的能力。 上述算法的发展人体经历了两个阶段，第一阶段的算法一般基于格网点与空间相邻的8 个格网之 6 河海大学申请博士学位论文时空尺度对洪水模拟的影响 间的邻域操作但不能很好地处理洼地：第二阶段的算法与此类似但能完整地处理洼地与平坦地区。 被高程较高的区域围绕的洼地是进行水文分析的一大障碍，因而在决定水流方问以前，必须先将 洼地填充f ”“1 。有些洼地是在d e m 生成过程中带来的数据错误，但另外一些却表示了真实的地形如 采石场或岩洞等。通过平滑处理来消除洼地，但平滑方法只能处理较浅的洼地，较深的洼地仍然得以 保留。处理洼地的另一种方法是将洼地中的任一格网赋以洼地边缘的最小高程，从而达到消除洼地的 目的，通过将洼地填平，使洼地成为水流能通过的平坦地区。整个流域水文特征的提取由四个主要步 骤组成，即无洼地d e m 的生成、水流方向数据的生成、水流累计数据的确定和源头确定。 ( 1 ) 无洼地d e m 的生成 基于流向的河网提取方法得出的河网连续性差，还会出现一些实际不可能出现的环流现象，这主 要是由于地形洼地产生的。产生地形洼地的原因有两种：一是自然存在的真实的洼地；二是由于d e m 垂向分辨率和d e m 生成过程中的系统误差，结果d e m 中会出现许多伪洼地。对于洼地和平原区的处 理，近二十年来出现了很多新的方法：1 9 8 4 年，o c a l l a g h a ne l “3 9 】用填平的方法解决该问题。该方法 通过增加中心网格点的高程，直至内部水流能够流出。实际上就意味着所有洼地都是低估高程的结果。 但是有些洼地是由高估高程引起的水流路径的阻塞而产生的，因此用这种方法填平洼地后生成的河网 有时与实际不符。针对这种情况，1 9 8 8 年，j e n s o n l 4 ”提出，平原区从入v i 到出口的最短路径为水流路 径，其余网格的流向就采用该水流路径的方向。但这种方法与o c a l l a g h a ne t a l 原来用的方法一样会产 生很多不合理的平行河网。1 9 9 2 年，t r i b e 4 3 1 将谷点法与流向合并起来用。先识别出所有的洼地和它们 的深度、面积和位置，根据深度阈值和范围阈值选出大洼地。然后对其它洼地进行填平处理，用j e n s o n 的方法确定流向的目的是识别出天然的洼地。对于有河道穿过的大洼地，要在填平处理后，在入口和 出口问划一条矗线，直线经过的网格被赋予与水流路径相应的流向值，而洼地中河道两侧的网格则取 与河道方向正交，且指向河道的方向。由此产生的河道是收敛的河网，具有一定的真实性。 1 9 9 2 年，m a r t z l 4 0 又提出了一种在平原区增加两个坡度的处理方法，并在1 9 9 7 年对它进行了进一 步的完善。该方法用远远小于d e m 垂向分辨率的高程增加步长，分别从较高地形和较低地形开始增 加平原区的网格高程，从而使水流从较高地势流向较低地势，改变后的高程值基本不会影响整个d e m 的数据结构。但这种方法有一个基本的假设，那就是平原区的入口高于出口，即河网从较高地势向较 低地势延伸收敛。这样就能产生收敛的河网，较好地解决大洼地和平原区的问题。 对于洼地和平原区的处理，也有人曾尝试用其它的d e m 结构来代替栅格d e m ，从而回避栅格 d e m 生成过程中因数据干扰、插值错误等引起的伪洼地问题。1 9 9 0 年h e l l e r t 4 s l 提出了一种更合适的 数据结构来生成河网，即三角网d e m ( t i n d e m ) ，但是这种方法并没有得到广泛的应用。栅格d e m 仍以其存储简单、处理方便而广受欢迎。于是同在1 9 9 0 年，s k i d m o r e l 4 9 1 用h u t c h i n s o n t s o , s q 算法创建了 一种能克服错误洼地的栅格d e m ，这种方法首先为低分辨率的d e m 插补高程，然后连续不断地垫高 高程，直到满意为i p 。但是大部分的栅格d e m 都不是用这种算法创建的，这些尝试终因其实用性不 强，缺乏资源而未得到广泛应用。 ( 2 ) 水流方向矩阵的生成 确定流向的方法 7 第一章绪论 水流方向是指水流离开网格时的指向，它决定着地表径流的方向和网格单元间流量的分配，是基 于d e m 的分布式流域水文模型中个十分关键的问题。目前关于水流方向的确定有6 种方法”“：d 8 法( 或单流向法) 1 4 1 1 、r h 0 8 法，a s p e c t d r i v e 法、d e m o n 法和多流向法【s 6 l 。应用比较广泛的是 d 8 法i 5 ”，其中d 8 法比较容易与分布式水文模型结合，但在计算流域面积方面不如其它方法。r h 0 8 法是在d 8 法的基础上b l 入了一个随机变量来计算流向，随机变量的引入是为了解决水流路线平行的 问题，从而使计算的水流方向等于网格的坡向，使流向更符合实际。但正是随机变量的引入使得水流 应该平行的地方，一直不平行而且彼此交汇，这样使许多网格无法与上游网格连接，导致集水面积的 计算发生错误。q u i n n t 5 6 1 提出的多流向法按照梯度比分配从较高网格到相邻较低网格的流量，在实际 中应用也较少。 水流方向数据的生成 主要介绍用d 8 法来生成水流方向数据矩阵。用d 8 法来确定水流方向，即通过将网格x 的8 个邻 域网格编码，水流方向便可以其中一值来确定，网格方向编码为： 如果网格z 的水流流向左边，则其水流方向被赋值7 。需要说明的是出现在下面步骤中的距离权 落差概念，距离权落差是通过中心网格与邻域网格的高程差值除以两网格间的距离，而网格间的距离 与方向有关，如果邻域网格对中心网格的方向值为2 ，4 ，6 ，8 ，则网格