（水文学及水资源专业论文）网格型松散结构分布式水文模型及地貌瞬时单位线研究.pdf

摘要 摘要 探讨了当前比较流行的几种降雨量空间插值方法的优缺点和适用条件。考虑 到地形对降雨的影响作用，以协克里金方法为基础，引入高程信息作为影响降雨 的第二控制因素，建立了考虑高程影响的协克里金降雨空间插值方法。分别利用 泰森多边形法、距离平方倒数法、普通克里金方法及协克里金方法对沿渡河流域 不同时间尺度的降雨空间模式进行插值计算，初步证明所建议的方法具有较好的 计算效果。 以蓄满产流理论为基础，建立了一个网格型松散结构的分布式流域水文模型。 深入探讨了单元网格的降雨输入和产汇流计算方法。利用考虑高程影响的协克里 金方法确定单元网格时段降雨量；利用遥感资料获取研究区域内的植被覆盖情况、 土地利用分布情况等；建立了最大缺水量同地形指数之间的函数关系，基于数字 高程模型确定单元网格中净雨的汇流路径，从而解决了模型产汇流计算过程中的 降雨输入和参数网格化问题。将模型应用于长江三峡区间沿渡河流域的水文过程 模拟并与集总式新安江模型相比较，取得了较好的模拟计算结果。 鉴于现有地貌单位线理论中忽略水动力参数空间变化这一条件，基于地貌扩 散和水动力扩散的地貌单位线分析方法，提出了等价路径水动力参数的概念，建 立了考虑水动力参数空间变化的地貌瞬时单位线。考虑到河网形态所表现出的自 相似性质，以分形方法为基础，构造出理想河网的自相似网络并推导出各步生成 网络的宽度函数的计算方法，改正了前人计算方法中的不合理之处，利用累积宽 度函数寻找出最佳的拟合网络。以所得宽度函数为基础，考虑水动力参数的空间 变化，构建了基于宽度函数的地貌瞬时单位线，用于实际流域的汇流计算，取得 了较好的计算结果。 关键词：协克里金方法；网格型松散结构的分布式流域水文模型：地形指数： 地貌瞬时单位线；地貌扩散；水动力扩散；宽度函数 摘要 a b s t r a c t t h er e l a t i v em e r i t sa n da p p l i c a b l ec o n d i t i o n so fs e v e r a lp o p u l a rm e t h o d so fr a i n f a l l s p a t i a li n t e r p o l a t i o na r ed i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft o p o g r a p h yt or a i n f a l l ， t h ec o k r i g i n gm e t h o dw i t hc o n s i d e r a t i o no fa l t i t u d ei n f l u e n c e si si n t r o d u c e di n t o r a i n f a l ls p a t i a li n t e r p o l a t i o n s e v e r a lm e t h o d sa r ea p p l i e dt o s p a t i a li n t e r p o l a t i o nf o r s e v e r a lr a i n f a l ls p a t i a lp a t t e r n sw i t hd i f f e r e n tt i m es c a l ei ny a n d u h eb a s i n ，i n c l u d i n g t h i e s s e np o l y g o nm e t h o d ，d i s t a n c es q u a r er e c i p r o c a lm e t h o d ，o r d i n a r yk r i g i n gm e t h o d ， a n dc o k r i g i n gm e t h o dp r o p o s e db yt h i sa r t i c l e t h el a s to n e p r o v e st ob eb e s t a g r i dd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lw i t hi n c o m p a c ts t r u c t u r ei sb u i l to nt h eb a s i s o ft h et h e o r yo fr u n o f ff o r m a t i o no nr e p l e t i o no fs t o r a g e t h ec o m p u t i n gm e t h o d so f r a i n f a l li n p u ta n dr u n o f fg e n e r a t i o na n df l o wc o n c e n t r a t i o ni n g r i de l e m e n t sa r e d i s c u s s e dd e e p l y t h ec o k r i g i n gm e t h o dc o n s i d e r i n gt h ea l t i t u d ei n f l u e n c e si sa p p l i e d t og e tt h er a i n f a l li n 酣de l e m e n t s t h ev e g e t a lc o v e ra n dl a n d u s ec o n d i t i o n si nr e g i o n s o fi n t e r e s ta r ea c q u i r e df r o mr e m o t es e n s i n gd a t a t h ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m a x i m u mo fs o i lm o i s t u r e d e f i c i e n c ya n dt o p o g r a p h yi n d e xi sg i v e n t h ef l o w c o n c e n t r a t i o np a t h so fn e tr a i n f a l li ne v e r yg r i de l e m e n ta r eg o t t e nf r o md e m ，w h i c h s o l v et h ep r o b l e m so fr a i n f a l li n p u ta n dp a r a m e t e r sg i l d e d t h em o d e li sa p p l i e dt ot h e y a n d u h eb a s i ni nt h r e eg o r g e so fy a n g t s er i v e ra n di s c o m p a r e dt ot h el u m p e d x i n a n j i a n gm o d e l t h eb e t t e rr e s u l t sa r eg o t t e nf i n a l l y c o n s i d e r i n gt h es p a t i a lc h a n g e so fh y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r sa r en e g l e c t e di n e x i s t i n gg i u ht h e o r y ，t h ec o n c e p to fe q u i v a l e n tp a t hh y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r sb a s e d o ng e o m o r p h o l o g i cd i f f u s i o na n dh y d r o d y n a m i cd i f f u s i o ni s s u g g e s t e d t h eg i u h c o n s i d e r i n gt h es p a t i a lc h a n g e so fh y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r si se s t a b l i s h e d c o n s i d e r i n g t h es e l f - s i m i l a r i t yo fr i v e rn e t w o r k s ，s e l f - s i m i l a rn e t w o r ko fi d e a l r i v e rn e t w o r k si s c o n s t r u c t e da n dt h ew i d t hf u n c t i o nc o m p u t a t i o nm e t h o do ff o r m e dn e t w o r k si sd e r i v e d b y f r a c t a lm e t h o d t h em e t h o dc o r r e c t st h ei r r a t i o n a l i t yo ft h ef o r m e rm e t h o d ， a c c u m u l a t i v ew i d t hf u n c t i o ni su s e dt od e t e r m i n et h eb e s tf i tn e t w o r k t h eg i u hb a s e d o nt h ew i d t hf u n c t i o nc o n s i d e r i n gt h es p a t i a lc h a n g e so fh y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r si s b u i l t ，b yw h i c ht h er e s u l t so ff l o o dr o u t i n go fw a t e r s h e da r es a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：c o k r i g i n gm e t h o d ；ag r i dd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e lw i t hi n c o m p a c t s t r u c t u r e ；t o p o g r a p h yi n d e x ；g e o m o r p h o l o g i ci n s t a n t a n e o u su n i th y d r o g r a p h ； g e o m o r p h o l o g i cd i f f u s i o n ；h y d r o d y n a m i cd i f f u s i o n ；w i d t hf u n c t i o n 、1llil，lr 日u舌 - - k - - 一 刖吾 传统的水文模型种类很多，但绝大多数均为集总式的水文模型，这些模型一 般都是将流域作为一个整体，由流域的平均降雨量过程和平均状态参数来推求流 域出口断面的流量过程，并不能很好地反映水文水资源要素在空间上的变化。这 种集总式流域水文模型虽然对水文学的发展起到了历史性的作用，但与实际流域 的情况并不相符，因为流域上的变化不仅来自自然条件本身的空间变异性，譬如 降雨的空间变化，流域的土壤、植被、地形、地貌等条件的空间变化，同时也包 含了人类活动的时空变化。因此，为了能够更好地识别这种空间变化，我们需要 一种在空间上是分布的、时间上是连续的并伴随相应过程描述的水文模型。 分布式流域水文模型是在系统水文模型和概念性水文模型的成功经验上发展 而来的。自从第一个严格意义上的分布式流域水文模型s h e 于1 9 8 6 年被提出之后， 分布式流域水文模型已成为了当今水文科学领域研究中的一个热点。这主要是由 于分布式流域水文模型具有更多更强的功能，能够把单一水量变化的模拟计算推 向更加广泛的水文水资源及生态环境等方面的模拟计算，从而大大拓宽了模型的 使用范围。分布式流域水文模型不仅可以帮助人们更加深入地研究和了解自然界 水文循环在不同时间尺度和空间尺度上的演变过程和规律，而且为综合解决在实 践中各种和水文循环紧密相关的一些工程问题提供了一个有效的平台和工具。 现代研究认为，流域水文响应是地貌扩散和水动力扩散对降落在流域上具有 一定时空分布的净雨共同作用的结果。地貌扩散作用取决于流域大小、形状和水 系分布状况；水动力扩散作用与流域上流速分布有关，一般取决于流域的地形坡 度和糙率的分布。这种对流域汇流机理的揭示，使得水文学家和自然地理学家试 图从理论上建立流域地形地貌特征与流域水文响应之间的关系成为可能，并有助 于解决无资料地区的汇流过程模拟问题。通过流域地形地貌参数来定量流域水文 响应已成为近2 0 年来水文学中最富有吸引力的研究课题之一。 论文以蓄满产流理论为基础，建立了一个基于d e m 的网格型松散结构分布式 流域水文模型，并在非线性框架下讨论了考虑水动力参数空间变化和基于宽度函 数构建地貌瞬时单位线进行流域汇流分析的方法。 本文得到国家自然科学基金项目“基于数字平台的流域水文模拟研究”( 编号： 5 0 3 0 9 0 0 2 ) 的资助。通过研究，主要获得了如下创新成果： ( 1 )以协克里金方法为基础，将高程作为控制降雨的第二影响因素引入到 降雨空间模式计算公式中，提出了引入高程的协克里金方法。通过对沿渡河流域 不同时间尺度的降雨空间模式的插值计算，初步证明所建议的方法具有较好的计 r u吾 算效果。 ( 2 )以蓄满产流理论为基础，建立了一个网格型松散结构的分布式流域水 文模型。在模型构建过程中，发现地形指数差值同包气带缺水量之间满足位移量 为零的对数维布尔分布函数，建立了地形指数同包气带缺水量之间的定量关系， 从而解决了模型产流计算过程中各网格蓄水容量的确定问题。 ( 3 ) 考虑到流域水系的分形特性，以两种变形元为基础构造出更加复杂多 变的河网形态，修正并改进了前人提出的宽度函数的计算公式，拓宽了公式的使 用范围。分别提出了路径等价流速、路径等价水动力扩散系数和河网等价流速、 河网等价水动力扩散系数的概念及计算方法，从而在非线性框架下以两种方法探 讨了水动力参数空间变化条件下的地貌瞬时单位线计算方法，在实用中取得了较 好的计算成果。 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。 v ，j 。 论文作者( 签名) 压礁9 2 0 0 6 年f 月彩日 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或电 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) 。髫2 鱼亟2 。6 年了月够日 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 在现实世界中，影响流域降雨径流形成的气候因子( 如降雨、蒸发等) 和下 垫面因子( 如地形、地貌、地质、土壤、植被、土地利用等) 均呈现空间分布不 均匀状态。自1 7 世纪水量平衡理论创立以来，由于受到科学技术发展水平的制约， 水文学一般只能将流域作为一个整体，由流域的平均降雨量过程和平均状态参数 来推求流域出口断面的流量过程。这种集总式流域水文模型虽然对水文学的发展 起到了历史性的作用，但与实际流域的情况并不相符，因为不仅暴雨具有随时变 化的空间分布，流域的土壤、植被、地形、地貌、水文地质等条件在空间上也呈 现不均匀分布，人类活动的影响一般也是时空变化的。集总式水文模型显然只能 用于模拟气候和下垫面因子空间分布均匀的虚拟状况，并只能给出流域产汇流过 程空间均化的模拟结果，这样必然使得集总式水文模型的结构和参数的物理意义 模糊，以致在模拟现实世界的流域降雨径流形成时必然存在较大的局限性，精度 也常常不尽人意。 只有分布式流域水文模型才能为真实地模拟现实世界的流域降雨径流形成机 理提供有力的工具，因为它能客观地反映气候和下垫面因子的空问分布对流域降 雨径流形成的影响。到目前为止，虽然人们还是无法用一个解析函数来精确地表 达气候和下垫面因子的空间分布，以便精确地描述气候和下垫面因子在空间上的 连续变化规律，但可以采用空间离散形式给出气候和下垫面因子的空间分布。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，其中尤以数字高程模型( d e m ) 最为有用，因为d e m 不仅表达 了地面高程的空间分布，而且据此可以自动生成流域的水系和分水线、自动提取 地形坡度和其他相关地貌参数。将d e m 与表达土壤、植被、地质、水文地质特性 的参数的空间分布叠加在一起，还可以描述这些下垫面参数与地面高程之间的关 系。将所划分的子流域分布图与土壤、植被、地质和土地利用图叠加还可以生成 离散化的下垫面因子的空间分布。故此，由g i s 构建的数字化平台已能为探求流 润海大学博士学位论文网格型松散结构分布式水文模型及地貌瞬时肇位线研究 域降雨径流形成机理提供新的研究手段。本文在国家自然科学基金项目( 基于数 字平台的流域水文模拟研究，编号：5 0 3 0 9 0 0 2 ) 的支持下，着重探讨在数字化平 台上构建分布式流域水文模型来模拟流域降雨径流形成过程。这是流域水文模型 发展的主要趋势，已成为国内外水文学的研究热点。这对推动我国水文水资源科 学的发展，提高水文模拟预报精度，探讨水资源演化规律和可持续利用，均具有 重要的理论价值和实际意义。 降水是径流模拟中最主要的影响因素之一，是洪水预报中最重要的输入信息。 因此了解降水的空间分布对洪水过程的影响是非常重要的。在分布式流域水文模 型的研究与应用中也必须解决降雨空间分布的描述问题。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 i n 2 ，由此得到的雨量信息一般不能正确代表真实的雨量空间分布，不能 满足分布式流域水文模型的需要。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，而且其建立和维护费用要比建立稠密的雨量站网低，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，使得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。针对上述问题本文采用不同的空间插值方法来构建根据有限的站点资料获取 流域降雨的空间分布模式。 水文学家对汇流问题的研究已有1 0 0 多年历史。在“河道汇流”中建立了基 于槽蓄概念的m a s k i n g u m 洪水演算法。在“流域汇流”中建立了基于单位线基本 假定的单位线法和基于等流时线概念的等流时线法。这些理论和方法在长期的发 展中又出现了许多变种，并得到了广泛的应用。但由于这些理论和方法物理根据 不强，适用条件较窄，因此，在一些复杂的实际条件下使用效果并不理想。加之 这些理论和方法皆过多地依赖于实测水文资料，故在缺乏实测水文资料和人类活 动影响情况下往往难以使用或使用效果不佳。因此，依据新的理论和技术建立新 的流域汇流计算方法，尤其注重研制可适用于缺乏实测水文资料和人类活动影响 情况下的汇流计算方法十分重要。 论文的研究目的一是建立一个网格型松散结构的分布式水文模型，并寻求一 种能够合理描述降雨空间分布及下垫面情况的方法与之相配套；二是通过对河网 结构的拓扑分析，探讨流域结构对水文n 向应的影n 向，寻求新的建立地貌瞬时单位 线的方法。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 降雨资料的处理方法 实测降雨资料对水文学中的许多问题都起着至关重要的控制作用。作为水文 模型主要输入项的降雨，其时空变化是控制降雨径流过程的主导因素。诸多学者 通过研究降雨空间变化模式的不确定性对水文模型的影响发现【l 。o l ，任何流域上都 必须考虑到降雨的空间变化。因为它不仅对径流总量和洪峰流量有影响，同时对 峰现时间也有极大影响【1 1 - 1 4 1 。此外，它还明显增加了水文模型中参数估算的不确 定性【2 ，1 5 j 。文献 1 6 1 中曾指出，洪水预报的不确定性主要来源于降雨的不确定性而 非流域模型的不确定性，对预测洪峰最敏感的变量就是降雨的空间变化。w i n c h e l l 等【l7 】通过对前人工作的总结也发现，对径流形成而言，降雨的时空变化是一个高 度敏感的因素。 随着科学技术水平的不断发展和提高，雷达测雨被认为是一种能够很好控制 区域雨量空间变化的解决方法。从5 0 年代开始已有一些国家先后建立了天气雷达 探测站网，主要用于警戒强对流灾害天气。我国在6 0 年代末开始着手研制和生产 7 1 1 型x 波段测雨雷达。7 0 年代生产了7 1 3 型c 波段天气雷达作为正式布网之用， 8 0 年代研制出具有数字处理系统的7 1 4 s 波段天气雷达，同时开始从国外引进多普 勒天气雷达。到9 0 年代已生产出7 1 4 c d 、7 1 4 s d 型脉冲多普勒天气雷达及c 波段 3 8 2 4 型全相干多普勒天气雷达。1 9 9 9 年在对美国w s r 一8 8 d 进行改进的基础上， 生产出第一部先进的s 波段全相干脉冲多普勒天气雷达，它已作为中国气象局新 一代布网的天气雷达引。多年来，水文学家一直试图在水文模型中应用雷达降雨 估测值并不断地开发出新方法以改善雷达测雨的精度 1 9 - 2 3 】。 英国国家河流管理局将雷达测雨资料用于洪水预报、预警。另外英国水文研 究所在这方面作了大量的实验研究工作 2 4 , 2 5 】，主要有：水文雷达实验( h y r e x ) ： 雷达一雨量计校正方法及精度估计；应用雷达降水资料的格点分布式降水预报模 型；河流预报系统( r f f s ) 和水文雷达系统( h y r a d ) 软件开发等。h y r a d 集 成了雷达和雨量计估算面雨量和流域雷达降水预报的研究成果，用实时雷达和雨 量计资料计算流域面雨量并进行未来两小时的流域面平均雨量预报，将计算和预 洞海大学博士学位论文网格型松散结构分布式水文模型及嚏貌瞬时单位线磅究 报数据以时间序列的形式存入r f f s 数据库用于河流预报。r f f s 与h y r a d 共同 组成了实时降水与河流预报系统，目前已经在泰晤士流域等几个洪水预报警报中 心进行日常业务应用。 美国在建设雷达网的同时，天气局水文降水分析项目h r _ a p 也开始实施， h r _ a p 的目的是将雨量站观测资料、卫星云图资料与雷达测雨资料相结合，产生用 于水文预报的最优降水估算场。经过多年的实验研究，目前已正式应用。目前美 国天气雷达估算降雨并用于水文预报的工作达到了全面业务化水平。 欧共体的c o s t - 7 1 7 计划从1 9 9 9 2 0 0 4 年完成，主要目标是评价、验证雷达信 息用于n w p ( n u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o n ) 和水文模型模拟的作用。该计划由三个工 作组组成，其中与水文建模有关的第一工作组( w g 1 ) 的具体任务【2 6 】是：( 1 ) 回顾 当前雷达测雨信息在水文学中的作用；( 2 ) 在时空范围内识别不同雷达测量结果的 误差特点，并检验其对水文模型的影响；( 3 ) 提供在不同的水文模型中对雷达测雨 数据精度的不同需求；( 4 ) 评价雷达数据和校正技术在水文模型中提供定量降雨预 报的作用：( 5 ) 研究什么样的降雨率预报适合水文模型输入；( 6 ) 研究雷达资料如何 才能提供与大气模型耦合的最佳方式；( 7 ) 为适应将来分布式水文模型和城市排水 模型需要提出雷达的发展方向。 我国从8 0 年代起也开始研究把雷达用于测雨并取得了进展，如北京大学和南 京大学在淮河流域开展把安徽省气象局的数字天气雷达用于淮河水系重点防洪地 区的降水量定量测量和预报研究。长江水利委员会在国家“八五”科技攻关三峡 项目“长江防洪系统研究”中，也开展了类似的研究。 但是，就目前情况而言，雷达测雨技术并不十分完善。从水文学上来讲，流 量资料的水文测验误差约为5 ，在实时洪水预报中，洪峰与洪量的预报误差均要 求小于1 0 。根据这些要求，目前雷达测雨得到的面雨量估计精度尚无法满足水 文上的应用要求。文献 2 7 中对n e x r a d ( n e x tg e n e r a t i o nw e a t h e rr a d a r ) 在美国 南部地区的应用进行了检验，结果发现，雷达测雨资料出现了系统性偏差( 系统 偏小) ，且这种偏差与测量范围有关，仅仅通过地面雨量站的事后校正也不能完全 解决。因此，要想把雷达测雨资料应用于水文预报，就必须提高雷达定量测量降 水的准确性。许多专业人员对此进行了大量的研究和实验，也取得了一定的成果。 许多水文工作者 2 0 锄，2 8 。3 2 1 做了很多实验证明了雷达雨量数据的优点，并把雷达雨量 数据作为水文模型的输入项应用在实际的流域中，取得了较好的预报结果，充分 第一章绪论 显示了雷达测雨用于水文预报的潜力。将雷达等遥感估测降水资料引入到水文模 型中是提高水文预报精度和增加预报预见期的重要途径，也是未来发展的必然趋 势。但雷达测雨应用于水文模型时必须解决两个关键问题：第一，雷达测雨的精 度问题；第二，水文模型与雷达测雨两者空间分辨率的匹配问题。 作为一种替代手段，空间插值技术是一种能够将点属性拓展到面属性的很好 的方法。在一定站网密度条件下，利用空间插值方法模拟出降雨的空间变化模式， 既可以节省大量的经费，又能够基本达到应用的需求。在水文学领域中，特别是 对实测降雨资料的处理过程中，常用的插值方法有很多【l ，3 3 - 3 7 , 比较简单的方法如 泰森多边形法、距离平方倒数法、等雨量线法、样条函数法以及趋势面法等。虽 然某些方法的应用效果并不十分理想，但由于方法的简单易行，故在很长的一段 时间内得到了广泛的应用。将地质统计学方法引入到对降雨空间分布的描述是一 种很好的尝试。 地质统计学方法以变量区域化理论为基础【3 8 铷】。由于该类方法致力于利用相 邻样本点间的相互关系来对未知点进行预测，因而逐渐受到青睐。许多研究者发 现【3 5 ，4 1 1 ，与传统方法相比，地质统计学方法( 如k r i g i n g 方法) 能够给出更好的降 雨估算值。但是，近来d i r k s 等【3 6 1 发现，估算结果与样本密度有关，对于高密度的 站网( 例如每3 5 k m 2 中有1 3 个雨量站) ，k r i g i n g 方法并不比那些简单的方法( 如 距离平方倒数法) 能够提供出更好的结果。b o r g a 和v i z z a c c a r o e 4 2 j 通过比较不同样 本密度条件下k r i g i n g 方法和多重二次曲面法的插值效果后也得到了相同的结论。 事实上，目前常用的这些降雨空间插值方法往往忽视了一些对降雨有明显影响的 因素，譬如高程、距海距离等。尤其是在山谷地区，地形雨的形成与高程有着密 切的关联，而常用的方法却无法考虑到这一点。可以注意到，除了能够提供插值 误差( k r i g i n g 方差) 以外，k r i g i n g 方法相对于其它方法的最大优点就在于，当主 要属性的样本点较稀少时，可以通过样本点较密的第二属性加以补齐。就降雨而 言，第二信息可采用天气雷达的观测值。一种多变量的k r i g i n g 方法协克里金 ( c o k r i g i n g ) 方法已经被应用于雷达测雨资料同雨量站观测资料之间的数据融合 技术中【4 3 ，删。近年来，数字高程模型( d e m ) 的发展使得我们可以利用一种更有 价值且成本更低的第二信息数据高程。在一定的高程范围内，随高程的增加， 降雨会有逐渐增大的趋势，这主要是由于地形的起伏造成了空气的抬升且同时使 空气发生冷凝作用造成的。h e v e s i 等【45 4 6 】对内华达和加利福尼亚东南部6 2 个站点 溺海大学博士学位论文阚格型松散结构分布式水文模型及地貌瞬时单位线磅究 的实测资料进行分析后发现，高程同降雨量的相关系数可达o 7 5 以上。国内也有 类似的研究。因而，高程可以被利用来作为降雨插值的第二影响因子。 1 2 2 分布式流域水文模型的发展 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 为地表水文学研究的一个中心课题 4 7 , 4 8 】。2 0 世纪5 0 年代以来，随着计算机技术大 量引入水文研究领域后，人们开始用数学、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，并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【4 川，之后水文模型进入了蓬勃发展的时 期【5 。8 0 年代中期涌现出了一些比较著名的水文模型，如h e c 1 模型、r o r b 模 型、t a n k 模型、h 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 最著名的有新安江模型和陕北模型【5 。 2 0 世纪8 0 年代后期至今，流域水文模型的发展处于比较缓慢的阶段，基本上 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 用途而进行的改进【50 1 。随着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。 分布式水文模型的研究一般可认为始于1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 所发表的“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) ” 5 1 1 。其后，随着 计算机技术的不断发展，计算能力的不断提高，以及地理信息系统及遥感等相关 技术的出现与发展，为分布式水文模型的发展提供了强有力的支持。众多水文学 家开始致力于具有物理基础的分布式水文模型的开发研制与应用，并取得了一定 的成果1 5 2 7 1 】。现有的大部分具有物理基础的分布式水文模型几乎都是基于f h 6 9 蓝 图所构建的。尽管它们的流域离散化方法和描述水文过程的控制方程及其求解方 法各有不同，但无一例外地是以f h 6 9 蓝图作为径流过程描述的基本框架，即以质 量、能量和动量方程描述自然系统，通过连续控制方程计算水量和能量的变化过 程，并考虑各变量及参数的空间变异性。尽管以m i k es h e 为代表的分布式物理 6 第一章绪论 模型存在一定的局限性，但近些年来也得到了部分应用，并在工程规划项目中提 供了一定的决策依据【，2 | 。 到目前为止，国际上比较常见的分布式水文模型主要有以下几种：( 1 ) s h e 模 型 7 3 ，7 4 1 ，该模型是由丹麦、法国及英国的水文学家于1 9 7 7 年提出的，它是最早的 分布式水文模型的代表。在该模型中，流域在平面上被划分成许多规则的矩形网 格，这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文响应等在水平方向上的空间分布 性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层次的地表及地下水运动 问题。该模型考虑了截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、地表径流、壤中流、地 下径流、融雪径流等水文过程，模型参数具有物理意义，可以通过观测或从资料 分析中得到。在s h e 模型的基础上，演化出多种分布式水文模型，并在许多流域 得到检验和应用。但是，由于s h e 模型需要大量的资料数据，所以也在一定程度 上限制了其在实际应用中的价值。( 2 ) t o p m o d e l 模型【75 | ，这是一个具有2 0 多年 历史的半分布式流域水文模型，是由美国l a n c a s t e r 大学的b e v e n 和k i r k b y 在1 9 7 9 年提出。该模型将动态变化的产流面积与简单的集总参数型模型的优点结合起来， 主要特征是广泛应用了d e m 技术以及水文模型与地理信息系统的紧密应用。模型 结构简单，模型中的参数具有比较明确的物理意义，不但可以利用野外的实测资 料来确定，而且还可以应用于无资料流域的产汇流计算。模型充分利用了容易获 得的地形资料，而且与观测的水文物理过程有密切联系。该模型用地形指数 l n ( a t g f l ) 来描述水流趋势，并提出了产流面积变化的概念。在t o p m o d e l 中， 将流域内具有相同指数值的区域称为水文相似区，并根据l n ( c r t g f l ) 的值将流域划 分为一系列单元作为计算单元。而水文过程的主要控制方程为水量平衡方程和达 西定律。该模型在国内外得到了广泛地检验和应用。在利用t o p m o d e l 计算径流 过程时，对所需的输入资料要求较高，除了通常所需的降雨、蒸发等资料外，还 需要计算出每个计算网格上的地形指数以及流域内地形指数的概率密度分布特 征。地形指数计算的好与坏将会直接影响到模型的计算效果。( 3 ) t o p k a p i 模型【7 6 | ， 该模型假定土壤及地表网格内侧向水流运动可用运动波模型来模拟。将建立在空 间点上的假设在一定空间尺度上进行积分，从而把初始的微分方程转变成为非线 性水库方程，最后求取它的数值解。模型的主要优点在于可以利用数字高程模型、 土壤分布图、土地利用图等信息识别模型的结构和参数；可以应用于较大空间尺 度的流域而不影响到模型和参数的物理意义。模型适用于土地利用和气候变化影 洞海大学博士学位论文 两格型松散结构分布式水文模型及魅貌瞬时单位线研究 响的评估，也可用于无资料地区的极值分析，还可为g c m s ( g e n e r a lc i r c u l a t i o n m o d e l s ) 模拟路面水文过程提供一个有力的支撑【76 ，7 7 j 。( 4 ) g bm o d e l 模型，它是 日本东京大学的杨大文等人开发的。该模型基于地形地貌特征，将面积指数和宽 度指数作为流域划分的依据，形成一系列的山坡水流带，采用维分布函数来表 示整个坡面的空间变量。( 5 ) d b s i m 模型【7 8 】，该模型是美国麻省理工学院l u i s g a r r o t e 和r a f a e ll b r a s 所开发的种分布式实时降雨一径流预报模型。其产流模 式综合了超渗产流和饱和地面径流两种机制，模型结构较为简单。该模型的优点 和缺点都比较鲜明，优点在于产流过程的参数化比概念性模型具有明显的物理基 础，网格内的产流以运动波下渗模型为基础，同时考虑了土壤中饱和水力传导度k 值的各向异性以及在垂向上的非均质性；缺点在于对地下径流的考虑不够，汇流 中所采用的经验参数率定方法也缺乏明确的物理基础，仅以一个经验参数来描述 流域的非线性特征，具有较大的随意性。 国内在此领域的研究开展较晚，但也进行了有益的探索和研究。近些年来， 有几位学者相继提出具有物理基础的耦合型分布式水文模型的框架体系。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。黄平等人【7 9 】于19 9 7 年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，该模型由流域二维坡面流方程与三维饱和一非饱和流方程组 成，并从理论上分析了该模型的可解性和应用前景，但是尚未见其实际的应用和 检验。黄平后来根据物理学的质量、能量守恒定律和森林坡地产汇流特性，建立 了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文模型。郭生练等 人【8 0 ，8 1 3 建立了一个基于d e m 的分布式流域水文模型，并以美国缅因州一个面积为 1 o k m 2 的小流域为例进行了模拟计算。在松散型分布式水文模型方面，任立良等 人【8 2 斟1 基于d e m 技术构建数字流域，利用新安江水文模型进行数字水文模型的研 究，得到了初步研究成果。 分布式模型之所以能够得以迅猛发展，其关键就在于一些相关技术如：数字 高程模型( d e m ) 、地理信息系统( g i s ) 和遥感( r s ) 等支撑技术的逐步完善和 发展。其中尤以d e m 的广泛使用更为突出。目前，绝大多数的分布式水文模型都 是建立在d e m 栅格基础之上，并依托d e m 进行模型所需下垫面信息的提取和模 第一章绪论 型计算结构的设计。 借助于d e m ，我们可以很方便的与利用遥感等方法所获得的流域下垫面信息 进行叠加。例如土壤的组成、植被类型及植被覆盖情况、土地利用情况等。而对 于模型的计算结构，d e m 的最大贡献就体现在能够在d e m 的基础上提供流域内 每个网格的水流方向，从而确定出网格之间的相互关系及计算次序等重要信息。 水流方向的确定是d e m 为分布式水文模型提供的最基本、最重要的一个信 息。流域内各网格汇水面积的计算、河网的提取、网格演算次序的确定等，都要 以单元格的流向作为基础，因此流向确定的正确与否将会直接影响到模型计算结 构的设计以及模型的模拟精度。但在d e m 中如何确定流向仍然存在一些有待解决 的问题。 实践中使用最为普遍的流向确定方法是d 8 方法【85 1 ，但在某些情况下该方法不 能直接使用，必须涉及人为的主观因素。当有两个或多个可能的水流方向时，只 能主观上给定某种准则来确定一个唯一的水流方向陋8 9 1 。j e n s o n 和d o m i n i q u e l 8 7 】 于1 9 8 8 年所提出的确定平坦区域中水流方向的方法被认为是唯一能够满意地描述 平地水流方向的方法 9 0 】。但利用该方法经常会产生平行河道的问题【9 。孔凡割9 2 1 提出了三种处理洼地和平坦区域的方法，试图解决平行河道的问题，但这些方法 需要从原始资料开始手工处理，并不便于实际应用。并且对于真实存在的平地， 方法的可行性也是值得怀疑的。d e m 中的闭合洼地给流向的确定造成了很大的困 难【9 1 | ，从而引起了许多学者的关注。但由于d e m 中很多洼地并不实际存在，而仅 仅是由于原始资料的分辨率或资料输入的误差所造成的，因而部分学者【8 7 ，9 3 。9 5 1 认 为d e m 中所有的洼地都属于伪洼地，应当予以去除。 相对于网格水流方向的确定方法而言，河网的提取方法就显得比较容易解决。 利用d e m 提取流域的河网，最初是通过确定谷底单元格来进行。g r e y s u k h f 9 6 l ， p e u k e r 和d o u g l a s 【9 7 1 以及t o r i w a k i 和f u k u m u r a l 9 8 1 均提出，提取河网首先必须要确 定d e m 中的单元格是不是谷底单元格，确定后将谷底单元格连接在一起即可形成 河网。但在实际应用中发现【85 | ，利用这种方法所确定的谷底单元往往是不连续的。 o c a l l a g h a n 和m a r k 8 6 ，9 3 1 在此基础上提出了一个能够提取连续河网的方法。该方法 以水流在地表沿最大坡度方向流动为基础，由于方法的水文基础明确，因而得到 了广泛的应用【8 5 8 7 , 9 4 ，9 5 ，9 9 1 0 2 1 ，并被认为是最普遍实用的方法【9 1 1 。但该方法在平原 地区的使用效果并不十分理想，常会出现平行河道【9 1 】的现象，而实际上这种平行 涸海大学媳学位论文融格銎松散结捣分布斌水文模垫及地虢瞬嗣单位线砩灸 河道在野外是不存在的。王加虎1 0 3 1 为了弥补d e m 中河道信息的缺失，从信息论的 角度比较了引入矢量化河网与栅格化河网各自在精度与效率上的优势，创建了一套 通过”关系树”把d e m 中隶属河道的栅格点群自动连接成水系的源头追索模型，把 基于d e m 和栅格化河网自动提取虚拟水系的方法推向实用。该模型能够充分利用 目前各种电子地图中的水系图层，提高了虚拟河网的精度，而且可以在一定程度 上解决传统方法中洼地与平原区的问题。该模型经过不同地区的多次验证，具有 很强的实用价值。 d e m 所具有的独特功能使其在流域水文模拟及其一系列分析和计算过程中展 现了无比的优势，因而得到了越来越广泛的应用，很多水文模型 1 0 4 。1 0 8 1 都利用了规 则的矩形格网作为模型的基本单元，已有的一些模型也往往为了适应这种资料类 型而加以改进。 遥感是一种宏观的观测与信息处理技术，范围可遍布全球，具有周期短、信 息量大和成本低的特点，是当代一种很重要的信息源。作为一种信息源，遥感技 术可以提供土壤、植被、地质、地貌、地形、土地利用和水系水体等许多有关下 垫面条件的信息，也可以测定估算蒸散发、土壤含水量和可能成为降雨的云中水 汽含量。栅格式的遥感数据与分布式水文模型的数据格式有一致性，给概念理解 和使用都带来了方便。以遥感为手段获取的上述信息在确定产汇流特性或模型参 数时是十分有用的。在对遥感图像作校正、增强、滤波、监督或非监督分类以后， 可以被转化为图形，纳入到地理信息系统中去，成为分布式水文模型建模与参数 率定时的数据支持。 地理信息系统( g i s ) 是综合处理和分析空间数据的技术，它的发展，为科研 和管理决策人员提供了有关区域综合、方案优选和战略决