（水文学及水资源专业论文）分布式水文模型的汇流演算研究.pdf

摘要 分布式水文模型尚处于发展之中，对径流过程的时间和空间描述能力尚有待提高。论文以提高 对流域特征及径流的空间描述和模拟能力为目标展开了研究，重点研究流域特征和数字水系等汇流 载体的提取，以及在此基础上的逐网格产汇流计算。 为解决平原区流域特征提取的问题，在d e m 数据源的基础上，引入标量化的电子水系图，提 出标量河道法确定栅格流向，利用多源信息提取流域特征的方法比较了引入电子水系前后提取的 流域特征，表明标量河道法可以较好解决平原区流域特征提取的问题；并将标量河道法与同类方法 进行了比较，结果显示，标量河道法由于未对d e m 进行修改，在平原区所提取的流域特征具有较 高的精度 在分布式水文模型中，集水面积阈值的确定影响流域坡面汇流和河道汇流两个阶段的划分本 文对集水面积阈值的影响因素和确定方法进行了研究，分析了集水面积阈值变化对流域汇流计算的 影响文中对常用的集水面积阈值确定方法进行了分析，提出以引入的电子水系为实际水系的参考 标准，以河网密度、河源密度、水系分形维数等统计特征值为评价指标的方法，确定集水面积阈值， 使所提取的数字水系在分布特征和形态特征上与实际水系相一致，以提取更高精度的数字水系并 对黄河流域三门峡一花园口区间的6 0 个样本流域的集水面积阈值进行了分析，初步研究了集水面积 阈值随源区坡度、植被类型的改变而发生变化的规律特征 研究了在数字流域中以水力学方法为基础的逐网格汇流演算方法为使水力学方法用于数字流 域，对数字流域中的坡面汇流和河道汇流特性进行了一定程度上的概化，以参数的时间和空间变化 考虑流域汇流特性和径流过程的时空变异性；根据数字流域的特性选择运动波描述串联坡面汇流、 m u s k i n g u m - c t m g e 法描述河道汇流过程，并对二者的时空迭代步长的选择进行了分析研究。 以上述方法所提取的流域特征为载体、逐网格汇流为基础建立了栅格型的分布式逐网格产汇流 计算框架，该模型结构能够输出流域中任何栅格的径流过程其中采用能够考虑下垫面空间变化、 参数发展成熟的s c s - c n 法计算基本单元的产流，对沁河流域飞岭以上控制区域的9 场洪水过程进 行了模拟，结果表明所建模型能够较好模拟流域出口断面的径流过程；模拟中通过引入系统偏差系 数对描述下垫面空间差异的参数进行了修正，解决了参数跨区域移用的问题。 关键词：分布式水文模型、流域特征提取、集水面积阈值、汇流演算 a b s t r a c t d i s t z i b u t lh y d r o l o g i cm o d e li sak i n do fd e v e l o p i n gm e t h o do fh y & o l o g i em o d e l i n g , i t sa b i l i t yo f d e n b i n g t h es p a t i o 蛔a p o r a l d i s m b u t i n g o f r t m o f f i s n o t o u g l a l l l o w o t h j 摹s t u d y i sa b o u t i n c r e a s i n g t h e p i s i o no f 叩咀t 柚d e r i b i a ga n ds m a u l a t i n gc a t c h m e n t sa n dn m o f f o n eo ft h ek 邻i 8a b o u t t r a c l i n i g c a l l - i l ，l lo f n m o f f r o u t i n g , 羽l c ha 摹r o u t i n gp a t h s , d i g i t a l 憎l e rs y s t e m , a n ds oo 札a n o t h c fi sa b o u tt h er t m o f f g e n e r a t i o na n dr o u t i n g 鲥t o 鲥b a 8 e d 0 1 1d i g i t a tc a t c h m e n t i no m 胃幻r e s o l v et h ep r o b l e mo fe x t r a c t i n gb e t t o r 能t c l a m e n tc h 刮喇面ai np l a i n s g r i de l e e l r o n i c f i v e rn e t w o r ki si n d u c t e di nd i 枷e l e v a t i o nm o d e l s 嬲u s i s t a n td a t a 戳m 脯t od e t c r a l i n ef l o wv e c t o ro f e a c h 烈w h i e l ai sc a l l e d 鲥a - e h a n n dm e t h o d c a t e l m a e a a tp r o p l t i c 6g o t t e nw i t hl h i sm e t h o d 懈 c o m p a r e dw i t ht l a n tg o t t e no n l yf i - o md i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s i tp r o v e dt h a tt h ep r o b l e ma b o u te x t r a c t i n g e a t e l a m e n t 蝌 l t t i c bi np l a i n sc o u l db es o l v e dw e l lw i t ht h ei i c w m e t h o d i tw a sc o m l , a r d ! w i t ho t h e r s i m i l a rm e t l a o d 暑t o o ac o n c l u s i o nw a l ld r a w nt h a tt h ep l e c i s i o no fa 【t 矗吣t e de , a t e l m a c u tp f o 刚e sg o t t e 咀 w i t ht h ei i c wm e t h o di 。b e t t e rf o ri th a dn o tc h a n g ev a l u e so f d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s t h ep a r a m e t e ro fe x t r a c t i n g 鳓t a lr i v e rn e t w o r k s , e a l l e de o n m t m t i n gmt h r e s h o l d0 1 c r i t i c a l c o n t r i b u t i n ga r e a , w a 8s t u d i e d , i a e l u d i n gi t se f f e c t so nb a s i nr u n o f f r o u t i n ga n dt h em e t h o d st od e t e r m i n ei t an c wm e t h o dw s l lu s e db yc o m p a r i n gd r a i n a g ed e m i t y , h e a d w a t c j rd e n s i t ya n dw 融矗喝y 暑t e mf r a e t n l d i m c m i o no f d i g i 协lr i v e rn e t w o r kw i t ht h a to f f a c t u a lr i v e rn e t w o r kt od e 咖j 卫旧曲峙p a r a m e t e t o6 0s a m p l e s d i s t r t l m t e di ns a m e m i a - l t 般y m n k o ui n t e r z o a co fy d l o wr i v e rw s t u d i e d a n dt h e i rt h r e s l a o l d sv e l a 1 1 a l y z , x lt o 础t h ed i s t r i b u t i o nl a w so f c o n t r i b u t i n ga r 髓t h r e s h o l d am e t h o do fr t m o f fr o u t i n gg r i dt o 蓼i di nd i s i t a lb a s i n sw a f ts t u d i e db a s e d l a y d a a u l i e sa i l l a l i m b d i g i t a ls l o p e sa n dc h a n n e l sw e g e n e r a l i z e di no r d e rt ou s i n gt r a d i t i o n a lh y d r a u l i c sm e t h o d si nd i g i t a l b a s i n s n 峙s p a t i o - t m l x , l l lc h a n g eo f b a s i n sa n dr u n o f f w a sd e m ，e db yt h ee l u m g eo fs o m l 。p 日聊眈 k i n e m a t i cw 挑e l x o s e nt o8 i m u l a t es l o p e 呶a n dm i m k i n g u m - c u n g em e t h o dw c h o s t o s i m u l a t ee h a n n dr o u t i n ga f 函a n a l 础e h a r a e t e r i s t i 铝o f d i g i t a lb a s i m af l l n co f g r i dd i s l r i l m t e dh y d r o l o g i cm o d e l s me s t a b l i s h e db a s e d0 1 1u p p e rs t u d i e s i tc a no u t l e tt h e f l o o d i x , o e e s so f e a c h 擘i da n d c a ns i m u l a t e t h es p a t i a l i n h o m o g e n e i t y o f t h e i r e f f e c t s0 1 1 1 f l o o d i n o r d e r t o s i m u l a t et h e 邓日“d i s t r i b u t i o no fg e n e r a t i o np t o e e s s ，s c s - c nm e t h o dw 勰t l s e dt oc a l c u l a t eg e n e a r a t i o n r u n o t f o f e a d a 咖d f o r t h es 衅i a lc h a n g e o f m d 蛐g 妇湖b e 蜘p f c s s 醯i n i t s p a r a m e t e r q a n c l 恼 c o n f e r e n c ev a 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n g s h o u l d b er , e e e m r y k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l ；e x n a c t i o no fc a t c h m e n tp r o p e r t i e s ；c o n t r i b u t i n ga r e at h r e s h o l d ； b a s i nr u n o f f c o n c e n w a t i o n 前言 g i s 、r s 等技术的进步为水文模型的发展提供了新的锲机，促进了分布式水文模型的发展和应 用相对于集总式模型而言，分布式水文模型的最大优势在于对水文过程及其影响因素的空间描述， 其最小计算单元包括栅格型、不规则三角网和水文相似单元等用于水资源的计算、模拟和预测的 分布式水文模型，如气候变化，土地利用变化对水资源的影响等，所需要的时空尺度较大，甚至可 以忽略汇流过程的影响但对用于洪水预报等描述水文过程的时空变化规律的分布式水文模型而言， 流域基本单元之间的相互连接就是进行流域产汇流计算的载体，流域汇流过程则是栅格间水流过程 的主体 本论文以栅格型分布式水文模型为对象，从提取流域水文模拟所必须的流域特征、数字水系等 着手建立数字流域，并以水力学方法为基础研究逐网格的流域汇流演算方法，建立逐网格产汇流计 算的分布式水文模型框架通过以上几方面的研究，在增强分布式水文模型对流域水文循环自然规 律的描述和模拟能力方面做了一些尝试性的工作，主要的研究内容和创新包括： ( 1 ) 在传统的以栅格型d e m 为基础的流域特征提取方法中引入橱格化的电子水系，利用多源 信息提取流域特征电子水系的引入增加了流域特征提取的信息量，基本上解决了丘陵地区和平原 地区流域特征提取的问题，并能够提取内陆河和湖泊等流域特征，大大提高了洼地和平原区流域特 征提取的精度 ( 2 ) 研究了确定数字水系的重要参数集水面积阈值对流域汇流过程模拟的影响，并通过对 常用确定集水面积阈值方法的分析，提出以引入的电子水系为实际水系的参考标准，利用河网密度、 河源密度、水系分形维数等统计特征确定合理的集水面积阚值，使所提取的数字水系在区域分布特 征和形态特征上都能够接近实际水系，提高了所提取的数字水系的精度，合理划分出坡地汇流和河 道汇流两个阶段。 ( 3 ) 通过对数字流域中坡面和河道的概化，建立以水力学方法为基础的逐网格流域汇流演算方 法其中，将传统的应用于单个坡面水流演算的运动波方法用于逐网格的串联坡面汇流演算；利用 全流域河道水流和水系的统计特性计算m u s k i n g u m - o m g e 法的参数，将其用于数字河道上的汇流演 算，通过参数随流量、河道特性等的时空变化来考虑流域中河道汇流的非线性特征 ( 4 ) 以上述方法提取的流域特征和汇流演算方法为基础，建立逐网格产汇流计算的分布式水文 模型框架，可以获得流域中任意栅格的产汇流过程。文中利用s c s - - c n 法进行流域基本单元的产流 计算，通过引入曲线数系统偏差系数对计算方法进行了修正，使产流计算即能考虑下垫面空间变化 对产流空问分布的影响，又在一定程度上解决了参数区域问移用的问题 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 论文作者( 签名) ：耋塑2 0 0 7 年3 月驴日 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( 含万方数据库) 、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) ：盔亟2 0 0 7 年3 月扩日 1 1 选题及其意义 第一章绪论 水是地球的血液，是万物赖以生存的源泉水循环深刻地影响着全球水资源系统和生态环境系 统的结构和演变，影响着自然界中一系列的物理过程、化学过程和生物过程，影响着人类社会的发 展和生产活动同时，人类活动和自然环境的变迁又反过来影响着水循环过程研究和认识水循环 过程及其对人类活动和自然环境变化的响应，对人类社会的健康发展是必不可少的 随着水文学和相关学科的发展，以及对水循环内在机制逐步深入地了解和认识，人们建立了各 种各样的水文模型用于模拟水循环、泥沙输送和污染物运移等过程从黑箱子模型到概念性模型， 直至具有物理基础的分布式模型，水文模型正在逐步走向完善，也在逐步揭示着水循环的内在机制 传统的水文模型多为集总式模型，是对流域产汇流机制的高度概化，对水循环影响因子的异质 性和变异性无充分考虑由于技术水平的限制，即便是分散性的模型，也往往是根据下垫面( 植被 类型，土壤等) 或自然水系将大流域划分为若干个子流域或具有一定空间相似性的水文响应单元， 力求减小下垫面因素( 覆被、土壤、地形等) 和气象因素( 降水、气温等) 空间不均匀性的影响 目前，计算机水平的快速提高和信息技术的发展为水文学提供了新的锲机，以各种形式的空间信息 为基础的分布式水文模型便应运而生 分布式水文模型通过将研究区域划分为大量的基本单元( 如橱格网、不规则三角网等) 来考虑 各种水文响应影响因素的空间分布，并以g i s 、r s 、雷达等空间分布的信息为数据源，可以在一定 程度上解决无资料或缺资料地区的水文模拟问题。分布式水文模型以其信息源的优势，可以较为方 便地用于研究下垫面变化( 包括地表覆被、人类活动等的时空变异性) 对水循环过程以及水资源的 影响；以其结构的优势，便于与气候模式和气象模型耦合，进一步研究气候变化对水资源的影响； 同时，由于分布式水文模型的数据源输入多为分布式的，它可以充分考虑降水、气温等气象因素的 空问分布，进一步确定径流、水资源的空间分布，为水资源的管理和水灾害的防治提供科学的时空 信息和参考在众多分布式或半分布式的水文模型中，具有物理基础的分布式水文模型因其对水循 环内在机制的揭示而受到青睐，并成为研究的热点同时，由于空间分布的可用信息源的增加，具 有物理基础的分布式水文模型所需要的庞大资料问题在一定尺度上不再成为难题，这也促进了这类 模型的研究和发展 然而，由于技术支撑、实际应用等种种因素的影响，现有分布式水文模型多以产流计算的空间 变异性为出发点，在模型的构建和计算中更注重水循环垂向运动和产流量的精度模拟，对汇流演算 则缺乏足够的重视随着全球变化逐渐成为人们关注的焦点，关于土地利用和气候变化对水循环和 水资源的影响研究更注重产流量的精度，甚至忽略汇流的影响；以物理机制为基础的分布式水文模 型往往侧重于水循环的垂向运动，偏向于研究土壤水、下渗等微尺度的水循环。然而，随着雷达测 雨和短期天气预报技术的发展，分布式水文模型必将用于洪水预报，为防洪决策提供预见期更长、 精度更高的预报结果。由于对汇流过程的简化和忽略，大尺度和微尺度的水文模拟都不适于分布式 水文模型在洪水预报、暴雨致洪预警等方面的应用 目前的分布式水文模型所应用的数据源基本上包括：d e m 、t i n 等地形信息；地表覆被土地利 用、城镇，水域等遥感信息；雷达测雨资料、气象模型输出等气象信息：以及土壤空间分布信息和 用于研究全球变化条件下水资源情景的气候情景和土地利用情景的输出等。除了根据地形信息提取 捧水网络外，对其它信息的应用也多限于对产流过程的描述和模拟，而关于如何将下垫面信息用于 汇流过程、以及其对汇流过程的影响程度的研究还比较少 从分布式水文模型本身的特性来看，它应是以最小水文计算单元间的汇流网络为基础的，单元 问的水循环和交换除了较为微观的土壤水和地下水的侧向运动和扩散外，更主要的则是地表径流由 上游单元向下游单元的汇集过程，以及在该过程中与土壤水、地下水之间的交换因此，研究能够 响应土地利用、地形等下垫面的时空变异性的分布式汇流演算模型，可以增强分布式水文模型对水 循环的空间描述能力，提高分布式水文模型对洪水过程的模拟和预测能力，不仅有助于我们进一步 认识水循环的内在机理，对于防洪减灾也是非常必要的 1 2 国内外研究动态 水文系统是一个高度非线性的复杂系统。1 7 世纪，在人们建立了水文循环的基本概念和流域水 量平衡基本原理之后，流域对降雨的水文响应成为地表水文学的中心问题在现代计算机出现之前 的1 0 0 多年里，人们用实验手段和物理模型来了解水文过程。2 0 世纪5 0 年代，随着电子计算机科 学技术的发展及系统论的成熟，出现了流域水文模拟的数学模型数学模型易于使用，又能经得起 复杂水文系统的检验因此，数十年来，水文模型有了长足的进展，人们研镧了各种水文模型并在 许多流域中广泛使用。这些数学模型既有应用系统观点的黑箱子模型，又有对真实物理背景进行假 设和概化的概念性模型然而，近二十年的研究都表明地表的不均一性对于水文过程的动力学因素 是很重要的l l 】当模拟一个尺度较大的区域时，必须考虑各种水文要素和下垫面因素的空间分布不 均匀性，而对计算效率的考虑则需要通过栅格来描述实际地形得以实现因此。鉴于传统的流域水 文模型自身所具有的局限性，同时随着水文循环中各个组成要素的深入研究，以及计算机、地理信 息系统( g i s ) 和遥感技术( r s ) 的迅速发展，使构造具有一定物理基础的流域分布式水文模型成 为水文模型发展的必然趋势。 1 2 1 水文特征的空间描述 径流时空分布受降水时空分布、河网结构和流域地貌综合影响总体来说，径流的时空分布理 论框架研究已经起步，在模拟和检验时空分布的降雨、河网结构和产汇流时空分布异质性等方面都 已取得了一些进展吲。 由于降水是影响径流时空分布的最主要因素，因此从时空角度研究地表水文过程最早始于降雨 的时空分布研究，如早期的时空降雨点过程模型口l ，到最近的时空分布降雨模型和理论i 】、降水资料 的降尺度处理p 1 等，都对降水的时空分布和空间描述进行了详细的研究。 其次，由于河网结构同流域汇流过程紧密相关，因此河网结构的描述对于径流的时空分布也有 着重要的影响对河网结构的定量描述起源于h o f t o n 和s t r a h l 盯，他们所提出的描述方法一直是河 网结构分析的基础，目前数字高程模型( d e m ) 的出现和发展使高精度的河网提取成为可能，并带 来了对河网自相似及尺度相似理解的进步在考虑流域地貌的流域出流响应分析方面，研究进步的 里程碑是流域瞬时地貌单位线的提出阿，随后大量涌现的有关流域地貌对流域出流响应分析方面的 2 研究大多均以h o r t o n 和s 舡a h l 日的河网描述方法为基础，利用概率论方法考虑每一级河网到更高一 级河网的水流以获得总出流过程 一 基于现代地形数据和g i s 平台的径流空间分布研究，一个最突出的贡献就是将流域出口响应函 数进行以单元网格线性系统为基础的空间分解，流域出口的响应是各单元响应函数的总和1 7 1 ，这样 以单元网格为基础的描述方式使确定流域内任一点的径流成为可能，并在流域响应中将现代数字化 信息进行充分考虑唧 随着雷达测雨、全球气候模拟和数值天气预报、遥感及其解译技术的进一步发展和完善，对降 水、蒸发等气候条件和河网、覆被等流域特性的空间描述将会更加精确。为提高分布式水文模型对 径流时空分布的模拟能力提供更可靠的技术支持 1 2 2 分布式水文模型 目前的分布式水文模型多是构建在d t m ( 数字地形模型) 或d e m ( 数字高程模型) 基础之上 的，是依据地形资料寻求水文模拟物理基础( 如产流单元、水系、汇流路径、集水面积等流域特征) 的一种现代技术途径唧对于大尺度区域水文模拟而言，天气、植被、土壤以及水力学因素的空间 分布对模拟结果的影响是比较大的分布式水文模型正是因考虑了各种水文要素的空间不均匀性而 得名的，然而，在模型中如何考虑各种要素、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。信息技术的发展为我们解决问题提供了有效的方法，依据不同的信息手段和信息源处 理不同参数的空间分布是分布式水文模型研究的必经之路。 关于分布式水文模型的研究已做了大量的工作，其研究范围覆盖了洪水预报、水资源评价和管 理、水污染和土壤侵蚀等各方面，在此基础上也建立了各种分布式、半分布式的水文模型，如适合 于沿海多山小流域的m i d a t “、栅格型的实时流域模拟器r i b s l “l 、分布式参数的流域水文模型 a n s w e r # 1 2 1 、利用栅格化的数据源模拟地表径流的地形水文模型t h m t l 3 1 、具有物理机制的分布式 水文模型e c o m a c ，、分布式确定性流域水文模型w e c c i ”】、以t i n 为基础的实时流域模拟器 t l u b $ l l o j 、完全分布的物理机制降雨径流模型r w a t 日6 0 ”总的来说，分布式水文模型的建模思路 有三种“q ：应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系，这类模型也称紧密耦合型分布式 水文模型，即人们所指的具有物理基础的分布式水文模型，如s h e 模型l l ，j ；应用现有的概念性模 型在每一个网格单元( 或子流域) 上进行产流计算，然后再进行汇流演算，最后求得出口断面流量， 这类模型也称松散耦合型分布式水文模型，如s w a t 模型口o 。2 l 】；利用由d e m 提取的地形信息模 拟水文响应的特性，并用统计方法求得出口断面流量，这类模型也称半分布式水文模型，如 t o p m o d e l t 2 2 1 紧密耦合型分布式模型水文物理动力学机制突出，便于研究水文循环对自然和气候变化的响 应，能及时地模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响，在研究流域下垫面变化 影响和无资料地区应用方面具有独特的优越性但结构复杂，计算烦琐，所需要的资料种类较多， 并且对于数据的处理也有较高的要求，当前还很难适用于较大的流域但并不能否认，这种理论清 晰、对水文响应机制有着客观全面描述的分布式模型将成为未来发展的必然。 松散耦合型分布式水文模型属于对集总式模型的分布式应用，它具有资料的空间分散性但却不 一定具有分布式的参数和模型结构这一类模型与传统模型类似，其参数( 尤其是产流参数) 依然 是对特定子流域综合下垫面特征的反映。未能反映不同植被、不同土壤组合下的下垫面对降水的拦 截和入渗过程，也不能反映各种植被和土壤各自对蒸散发的作用。故一旦模型参数确定，它所反映 的就是特定区域、特定情形下的降水径流关系，几乎不存在地区之间的移植性，也不能考虑下垫面 的时变性 半分布式水文模型相对而言结构简单，在集总式模型的基础上进行改造就可以实现，相对要容 易得多，目前的应用也比较广泛 科技的发展使数字和遥感资料的可利用性日益增加，更为分布式水文模型提供了有力的技术支 持。在信息采集和存储方面，人们借助卫星摄影和遥感等高技术手段获得的地理信息迅速增长目 前人们已实现对地球进行全天候的监视。建立了具有无边无缝的分布式数据层结构，包括多源、多 比例尺，多分辨率、历史和现时、矢量和栅格格式的数据，涉及农业、资源、环境、灾害、人口、 全球变化、气候、生物、地理、生态系统、水文、军事、工业等领域的海量数据库新的信息采集 技术，获取了大量过去不可能或难以获得的与水文相关的空间数据，这些空间信息为分布式水文模 型的研究提供了强有力的支持 1 2 3 流域特征提取 流域特征提取即是从数字高程模型中提取水文模拟所需要的汇流路径、数字水系、流域长度和 坡度等特征目前常用的数字高程模型为栅格型d e m ，现有的流域特征提取工具，如a r c i n f o 、 r i v e r t o o l s 、t o p a z 等，也是以栅格型d e m 为数据源的。本章节仅介绍以d e m 为唯一数据源的流 域特征提取方法，复合信息提取流域特征的方法将在第二章重点介绍。 在水文模拟这一领域中，由d e m 提取地形特征的研究在国外从2 0 世纪6 0 年代就开始了，其 高峰出现在2 0 世纪八、九十年代而在国内是从2 0 世纪年代才开始的，并且重点是对国外软件 的应用在该领域中，2 0 世纪年代之前的研究是比较少的，研究范围也仅限于分水线和山谷的 识别和提取 2 3 1 而在2 0 世纪八、九十年代取得了飞速的发展，相继出现了各种提取河网、流域边界 以及划分子流域的方法。近几年来，其研究的重点又从提取单一地形特征( 即流域中所有点的特征 都是整个流域特征不可或缺的一部分，由它们组成的流域特征是唯一的) ，如河网、分水线等，转到 了分布式子流域特征( d i s t r i b u t e ds u b c , a t e h m e n tp r o p e r f i 嚣。即对于每个点，该特征的取值都不同， 可以通过数据精简模型求取整个流域中最具代表性的值) 的提取研究上，如子流域长度、坡度、河 网密度等的计算方法。 1 2 3 1 基于谷点识别的流域特征提取 基于谷点识别的流域特征提取源于对河流所在网格( 即谷点) 的直接识别，通过对比研究网格 的高程与相邻网格的高程来识别出谷点，然后以一定的方式将这些谷点连接起来形成河网最先出 现的提取流域特征的方法便是1 9 7 5 年p e u k e r 等所用的基于谷点识别的河网提取方法例。 对于谷点的识别，1 9 7 5 年j o h n s o n 等的做法是先对比南北方向上的相邻网格，看是否出现v 型 剖面；再对比东西方向，若都出现v 型剖面则定义该网格为谷点。1 9 8 3 年，c a r r o l l 用了相似的方法， 他除了对比东西、南北方向外，还对比了对角线剖面，以识别谷点。但用这样的方法识别谷点，会 漏掉面积较大的山谷因为目前d e m 的垂向分辨率是很有限的，在d e m 中大山谷的底部几乎是平 坦的，t l 动识别程序不能将其划为山谷的一部分，这样就会丢掉很重要的地形特征信息。与此同时， 这种方法无法克服d e m 中错误数据的干扰，并会导致山谷延伸到太高的地方，得到与自然现象不 符的结果。为了解决这些问题，1 9 9 0 年t r i b e 2 5 蟪出了基于c a r r o l l 方法的新发展，导入了起始坡度 4 的概念，用斜面坡度阈值来限制所识别的网格是否谷点，即要判断v 型剖面的坡度是否大于斜面坡 度阈值，只有大于该值才可确定所研究网格为谷点他还提出，不仅要判断相邻的八个网格，还要 判断沿着每个剖面的网格，才能最后确定谷点但这样得出的谷点有些并不能连接成线，有些是不 连续的谷线片段，需要重新将其连接成网状 2 6 1 除了这种方法之外，还有别的提取谷点和谷线的方法，如用仿样曲线法寻求高程极小值或者梯 度极小值的方法等 提出谷点之后，就可以将谷点连接成线，形成河网1 9 9 0 年，q i a n 等对谷线片段的连接进行了 研究，提出了依据8 个测试所产生的迹象来判断能否将不连贯的谷线连接起来的方法，但并未谈到 这8 个限制条件如何选择，也未描述所产生的结果对这些限制的敏感性于是，1 9 9 2 年t r i b e 又提 出了一种简单的方法，即用谷线片段间的间隙阈值判断两条谷线片段能否交汇刚虽然这些方法能 取得一定的效果，但它的主观性太强，并且是很多因素交互作用的产物，不容易掌握应用，在实践 中应用较少 1 2 3 2 基于流向判断的流域特征提取 基于流向判断的流域特征提取的一般实现步骤为：判断单个网格的流向一根据流向将网格连接 成汇流网络一提取数字水系和其它流域特征在这个过程中需要解决这样几个问题；单个网格的流 向判断；洼地、伪洼地和平原区的识别和处理；集水面积阈值的确定 ( 1 ) 单个网格的流向判断 判断单个网格流向的方法总的说来有两类：单流向法和多流向法单流向法假定一个网格中的 水流只从一个方向流出网格，然后根据该网格和周围网格( 多用3 3 窗口) 的高程判断水流方向， 其具体方法有d 8 法口日、l e a 法 2 s l 、d e m o n 法 2 9 1 和d 一法口目等；多流向法所考虑的仍然是中心网 格与其周围的八个网格之间的关系，其产流仍然是点源，水流路径也是一维的线，由中心网格中心 点指向相邻网格中心点，唯一的不同就是水流从不同的方向流出研究网格，即将水流按一定的比例 p 0 1 分散地分配给高程较低的相邻网格虽然多流向法的提出比较晚9 ”，但并没有取代单流向法在实 际应用中的地位，单流向法( 尤其是d 8 法) 因简单方便而得到了广泛的应用 ( 2 ) 洼地、伪洼地和平原区的识别和处理 根据各个网格的流向将研究区域的网格串起来就形成了汇流网络，但由于d e m 中洼地、伪洼 地和平原区的存在。简单经过流向判断形成的网络往往是不连续的，并且无法判断这些断点是由于 d e m 水平分辨率和垂向分辨率的限制以及d e m 生成过程中的系统误差而产生的伪洼地旧还是真实 存在的湖泊如果不对这些伪洼地和平原区进行技术处理，根据各栅格的流向所确定的汇流网络就 是不连续的。因而在自动提取河网的过程中，必须对洼地和平原区进行合理的技术处理。为了生成 连续的汇流网络，很多学者将伪洼地和洼地一起处理，采用各种办法迫使研究区域内的水流能够通 过连续的汇流网络流到流域的出口断面。 1 9 8 4 年，m a r k 和o , c a l l a g h a n 2 7 用填平的方法来解决该问题该方法通过增加中心网格的高程 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哪】于是，对于洼地和平原 区的处理，近二十年来也出现了很多新的方法。大多方法是将洼地填平，而对于平原区则用垫高的 方法迫使水流流出去 1 9 8 8 年，j e n s o n 和d o m i n g u e 提出，平原区从入口到出1 2 1 的最短路径为水流路径，其余网格的 5 流向就采用该水流路径的方向但这种方法像m a r k 和o c a l l a g h a n 原来所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 “ 则将谷点法与流向合并起来用先识别出所有的洼地以及它们 的深度、区域、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 m o n 和d o m i n g u e 法确定流向，这样做的目的是识别出天然洼地。对于有河道穿过的大洼地，要在填平 处理后，在入口与出口问划一直线，直线经过的格网被赋以与水流路径相应的流向值，而洼地中河 道两侧的格网则取与河道方向正交、且指向河道的流向。由此产生的河网是收敛性的河网，具有了 一定的真实性。 同年。m a r t z 和g 习| l b f e c h 一”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 行了进一步的完善州。该方法通过用远小于d e m 垂向分辨率的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，从而迫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p ”但这种方法有一个最基本的假设，那就是平原区的入流口高于出流 口，即河嘲从较高地势向较低地势延伸收敛 对于洼地和平原区的处理，有的学者曾尝试用别的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、插值误差等引起的伪洼地的问题1 9 9 0 年h e l l c r 提出了一种更合适 的数据结构来生成河网。即t i nd e m ，但是栅格d e m 仍以其存储简单、处理方便而广受欢迎，并 且它经常是可利用的地形信息的唯一资源。于是同在1 9 9 0 年，s k i d m o r e 用h u t c h i n s o n 算法创建了 一种可以克服错误洼地的栅格d e m 。但是大部分栅格d e m 都不是由h u t c h i n s o n 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 但是，仅仅以d e m 为数据源的流域特征提取方法有其本身的局限性，尤其在洼地和平原区的 处理中，d e m 分辨率的提高对于其所能提供的信息量而言并无大的改善，在平原区所提取出的河网 与实际河网相差甚大 3 s 1 于是，近年来又有学者提出在原有d e m 基础上增加有效信息量的提取流 域特征方法，以解决平原区虚拟河网与实际河网相差甚远的问题。这些方法包括对d e m 数据进行 局部的加密和修改 2 7 鲰删、或引入矢量水系数据h 1 蚓等，以增加提取虚拟水系的信息源这些方 法都在一定程度上改善了流域特征提取的精度 ( 3 ) 集水面积阈值 得到汇流网络之后，也就意味着研究区域径流的汇集路径已经确定，便可以根据此汇流网络计 算所需要的水流路径长度和坡度、地貌律等分布式流域特征了。但要提取数字水系，首先要确定河 道源头。对于河道源头的问题，一般都用集水面积阈值来确定 集水面积阈值是指能够形成并维持河道的临界集水面积，它综合反映了河道源头所处的位置和 形成的条件在以d e m 等空间分布的地形信息为基础的流域特征提取中，集水面积阈值是作为一 个确定数字水系的参数而出现的，当网格的上游集水面积大于或等于该阈值时则认为其是位于河道 上的栅格，否则即为坡面的一部分，它决定了捧水网络中坡面汇流和河道汇流过程所占的比例这 就意味着要寻找一个经验证据和实测流量资料都支持的集水面积阈值( 亦称为临界集水面积) ，使它 成为流域显著地形特征的一种度量 4 3 1 。 集水面积阈值取决于气候条件、土壤特性、地表覆被和坡面特性嗍，它影响着数字水系的结构 和形态、也影响着所提取的其它流域特征。这方面已经有了大量的研究，如：r o g e rm o u s s a 等研 究了集水面积阈值对地形特征( 河道、捧水路径长度和主干河道长度) 和比尺特征( h o r d o n 律和 s t r a h l c r 律等) 的影响，结果表明集水面积阈值的变化对地形特征的影响相当大，并且也会影响比尺 6 特征；y a n g 等m 1 研究了宽度函数对不同集水面积阈值的敏感性 一 由于集水面积阚值对所提取的流域特征产生影响，教势必会影响到以此为基础求得的汇流参数 和模拟结果，如分布式水文模型r , w a t e r f e a 4 司利用集水面积阈值从d e m 中提取水系和划分子流域， 由于模型汇流采用有限元法，子流域的数目会影响模型计算。因此集水面积阙值的选择会对模型的 计算结果产生影响l i e 等i 7 1 针对一个9 6 8 k i n 2 的流域，研究了集水面积阈值对由汇流时间的分布和 平均值计算出的第一时间响应函数所确定的流域瞬时单位线和所预测出的流域出口的流量过程线的 影响，发现随着集水面积阈值的加大，坡面流所占比例加大，由于坡面流糙率大，使水流在坡面上 的集水时间加长，从而使总的汇流时问加长 关于集水面积阈值的取值，最简单的方法就是采用常数值，不考虑它在研究区域内随地形地貌、 下垫面的空问分布、以及气候特性而呈现出的空间变化，这也是一般水文模型中最常用的方法i 嗍 那么问题的关键就是这个全流域统一的常数该如何取值 其实关于集水面积阈值问题研究最多且最具理论性的当属地貌学范畴的研究工作。在地貌学中， 集水面积阈值是与河流侵蚀相关的一个概念，集水面积阈值的取值所描述的其实就是河道源头确定 的问题很多提取河网的模型将源头的位置描述为沉积物输送侵蚀过程的结果，根本的假设就是河 道源头位于冲刷作用大于扩散作用的地带，相应于由凸坡面向凹坡面过渡的地带i 例大量的研究工 作 s e 。“”1 表明，在集水面积a 和坡度s 之间存在着一个相关关