（水文学及水资源专业论文）考虑水土保持措施影响的topmodel模型研究及应用.pdf

摘要 大多数流域水文模型缺少显式考虑流域下垫面变化对水文过程的影响，因此不利于 研究水土保持措施对流域径流过程的影响。本文将在半分布式水文模型t o p m o d e l 模型中引入水土保持措施影响水文过程的物理机制，构建考虑水土保持措施影响的 t o p m o d e l 模型，研究我国南方红壤区一一江西省修河流域实施水土保持措施的水文响 应。 本文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，利用a r c g i s 软件根据地理 坐标将流域栅格高程数据与地表植被覆盖类型进行耦合，得到每一个栅格的高程数据与 地表植被覆盖类型。 将水土保持措施对水文过程的影响引入t o p m o d e l 模型产流模块，考虑下垫面变 化的水文效应。建立该模型时，将原t o p m o d e l 模型中关于土壤导水率全流域均等的 假设改为在某一种下垫面条件上相等，重新推导模型产流方程，并引入植被地形指数的 概念，使水土保持措施对下垫面条件的改变直观的反映在流域的植被地形指数变化上， 进而进行相应的产流计算。汇流计算时采用基于子流域的等流时线汇合法对每块予流域 进行汇流计算，得到子流域出口断面的流量过程。最后，利用通过d e m 提取的河网信息， 将各个子流域出口断面的流量过程进行“演算一汇合一演算”，最终得到整个流域出口断 面的流量过程。将该模型应用于修河清江站以上流域，进行参数率定与洪水模拟计算， 并与t o p m o d e l 模型与新安江模型在该流域的计算结果进行比较，同时计算各种水土 保持措施对径流过程的影响。 应用结果表明三个模型都能较好的应用于该流域进行洪水模拟，通过比较可以看出 考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型能够取得相对较高的模拟精度。各种水土保 持措施的实施不同程度的削减了洪峰，减少了洪量，取得了较好的防洪减灾效果。 关键词：数字高程模型、t o p m o d e l 模型、新安江模型、植被地形指数、水土保持措 旖、洪水模拟 a b s t r a c t t h ee f f e c to fv e g e t a t i o no nh y d r o l o g i c a lp r o c e s s e si ss e l d o mc o n s i d e r e de x p l i c i t l yi nm o s t w a t e r s h e dm o d e l s ，w h i c hl i m i t st h e i ra p p l i c a b i l i t yt oe v a l u a t et h ei m p a c t so fw a t e ra n ds o i l c o n s e r v a t i o no nr u n o f fp r o c e s s e s t nt h i ss t u d y ，ap h y s i c a l l y - b a s e dw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n s t r a t e g i e s h y d r o l o g ym e c h a n i s mw a sa p p l i e dt ot h et o p m o d e l s e l f - d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a l m o d e l s ，n a m e l yt h et o p m o d e lw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s h y d r o l o g ym o d e l t h e w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s - b a s e dm o d e lw a su s e dt oe x p l o r et h eh y d r o l o g i c a l r e s p o n s e sw i t hw a t e ra n ds o i l c o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e si nt h ex i u h er i v e rb a s i no fj i a n g x i p r o v i n c e ，r e ds o i la r e ai nt h es o u t ho f c h i n a i nt h i sr e s e a r c h ，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 ni n f o r m a t i o na r es t u d i e d a n ds u m m a r i z e d ，s u c ha s d 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 b ya r c g i s ，t h e i n d i v i d u a le l e v a t i o na n ds o i lv e g e t a t i o nt y p eo fe v e r yg r i dc a nb ea t t a i n e dt h r o u g hm a t c h i n gt h e e l e v a t i o na n ds o i lv e g e t a t i o nd a t aw i t ht h ec o o r d i n a t e s t h eh y d r o l o g i c a lr e s p o n s e su n d e rv a r i a b l ee n v i r o n m e n ta r ee x p l i c i t l yt a k e ni n t oa c c o u n t b ya d d i n gt h ee f f e c to f v e g e t a t i o no nh y d r o l o g i c a lp r o c e s s e st ot h ef l o wm o d e lo f t o p m o d e l t h r o u g hc h a n g i n gt h ea s s u m p t i o n so fa v e r a g ew a t e rc o n d u c t i o no fs o i li nt h ew h o l eb a s i na s a v e r a g ew a t e rc o n d u c t i o no fs o i li ns o m el a n dc o v e r ，i n q u i r i n gi n t ot h ef l o we q u a t i o n ，d e f i n i n g t h ec o n c e p to fv e g e t a t i o n - t o p o g r a p h i ci n d e x ，t h em o d e li sd e v e l o p e dt or e f l e c tt h ec h a n g eo f l a n dc o v e rw i t ht h ev a r i a t i o no fv e g e t a t i o n - t o p o g r a p h i ci n d e x ，a n dt h e nt h er u n o f f - y i e l di s c a l c u l a t e d t h es u b - b a s i nb a s e di s o c h r o n em e t h o di s a d o p t e d t oc a l c u l a t et h e r u n o f f - c o n c e n t r a t i o no fe a c hs u b - b a s i n ，t h e nt h ef l o wp r o c e s s e so ft h eo u t l e to fe a c hs u b b a s i n i so b t a i n e d i nt h ee n d ，w i t h 廿1 ee x t r a c e db a s i ni n f o r m a t i o nb a s e do nd e m ，a sw e l la st h e “c a l c u l a t e - c o n c e n t r a t e c a l c u l a t e ”o ft h ef l o wp r o c e s s e so ft h eo u t l e to fe a c hs u b - b a s i n ，t h ef l o w p r o c e s s e so ft h eo u t e ro ft h ew h o l eb a s i nc a nb ea t t a i n e d i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h et o p m o d e lw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s - h y d r o l o g ym o d e l ，t h i sm o d e li sa p p l i e d t ot h eq i n g j i a n gb a s i no f x i u h er i v e r t h ei n i t i a lt o p m o d e l ，x i n a n j i a n gm o d e la r eu s e dt o c o m p a r ew i t hi t f u r t h e r ，t h ei m p a c t so fs e v e r a lw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e so nr u n o f f p r o c e s s e sa r ec a l c u l a t e da sw e l l r e s u l t ss h o wt h a tt h et h r e em o d e l sa r ea l la p p l i c a b l et ot h i sb a s i na n dt h et o p m o d e l w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o ns t r a t e g i e s h y d r o l o g ym o d e lp e r f o r m sb e t t e rt h a nt h eo t h e r si n s i m u l a t i o na c c u r a c y t h ew a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o nr e d u c et h ef l o o dp e a ka n dq u a n t i t y ，a n d c o n t r i b u t ea1 0 tt ot h ef l o o dc o n t r o la n dd i s a s t e rd e c r e a s e k e yw o r d s：d i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l，t o p m o d e l ，x i n a n j i a n gm o d e l ， v e g e t a t i o n t o p o g r a p h i ci n d e x ，w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o 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) ： 歪羹! 型2 0 。7 年6 月f 日 论文作者( 签名) ： 应墨! 12 0 d 7 年6 月f 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) ： 应盔型z 。7 年易月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 阁题的提出 流域水文模型是水文科学研究的重要手段与方法之一，是研究水文自然规律和解决 水文实际问题的主要工具。水文模型以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界 的运动规律建立数学模型，通过计算机快速计算、数值模拟、图像显示和实时预测各种 水体的运动、循环、分布以及物理化学特征。自2 0 世纪5 0 年代中期开始，随着电子计 算机科学技术的发展及系统论的成熟，各国对各种水文模型开展了大规模的研究，同时 也提出了很多实用的水文模型。流域水文模型可分为确定性模型和随机( 统计) 模型l l 一 3 1 ，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，b l a c k - b o xm o d e l ) 、 概念性模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) 和物理模型( p h y s i c a l l y - b a s e dm o d e l ) 。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( 1 u m p e dm o d e l ) 和分布式模 型( d i s t r i b u t e dm o d e l ) 。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f 4 l 就是一种半分布式物理水文模型，而新 安江模型【冠就是一种半分布式概念水文模型。 、 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，从而给水文模 型的物理解释能力带来障碍，这样就使得很多水文模型的物理概念没能精确体现和验证， 地理信息无法及时准确地获得和使用。近l o 多年来，随着测量技术、计算机技术以及相 关的数学方法的发展，尤其是d e m 的出现及其利用d e m 提取流域特征( 水系、子流域， 坡度、汇流路径等) 的方法发展为分布式水文模型1 6 】的构建逐渐扫清了障碍。由于分布 式水文物理模型建立在数字高程模型d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 的基础上，因此 能及时模拟人类活动和下垫面变化对流域水文过程的影响1 ”。然而分布式水文物理模型 需要大量的空间信息资料，且随着流域面积的增大，对计算资源消耗较多，客观上限制 了分布式水文物理模型在土地利用覆被变化方面的研究应用 s l 。一种替代的方法是采用 半分布式水文模型，如t o p m o d e l 模型。该模型基于d e m 推求地形空间变化信息， 利用地形信息( 地形指数i n ( a t a n0 ) ) 模拟水文响应的特性，并用统计方法求得 出口断面流量。模型对实际水文过程尤其是对包气带( 不饱和带) 水分的运动及 浅层地下水动态的模拟贴切，考虑了下垫面地形的空间变异性对水文响应的影 响，并实现了产流面积的空间可视化。此外，模型与地理信息系统相结合，易于 1 河海大学硕士学位论文考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型研究及应用 实现数据的更新，能够实时反映现实下垫面的变化。 本文将以t o p m o d e l 模型为基础，在数字高程流域水系模型生成的数字流域上， 充分利用地理信息系统技术和遥感技术解译的流域下垫面信息，将水土保持措施对流域 水文循环的影响机制引入t o p m o d e l 模型中，进而构建具有一定物理基础的半分布式 水文模型考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型，并将该模型应用于水土流失 严重的我国南方红壤区江西省修河流域，模拟计算不同水土保持措施对径流规律的 影响，分析不同水土保持措施的防洪减灾效果。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 流域水文模型的发展 由于传统的流域水文模型本身所具有的局限性，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 ) 、数字高程模型( d e m ) 和遥感技术的迅速发展，使构造具有一定物理基础的流域分布式水文模型成为可 能。 流域分布式水文模型充分考虑流域下垫面空间分布不均对水文循环的影响。 与传统的流域概念性集总水文模型相比具有以下显著的优点： ( 1 ) 具有物理机理，能描述流域内水文循环的时空变化过程； ( 2 ) 其分布式结构，容易与g c m 嵌套，研究自然和气候变化对水文循环的影 响： ( 3 ) 由于建立在d e m 基础之上，所以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。 实际上，流域分布式水文模型并不是一个新的概念。1 9 6 9 年，f r e e z e 和h a r l a i l 唧 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制了s h e o o - 1 1 l 模型。该模型是第一个真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 2 1 ，d b s i n 模型【1 3 1 ， t o p k a p i 模型【1 4 】以及本文所研究的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陋m ，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 2 第一章绪论 坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1 9 9 7 年，黄平等1 9 】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1 9 1 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、刘昌明等口1 】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【捌介绍了改进的t o p k a p i 模型；2 0 0 4 年李丽、 郝振纯等田】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1 2 5 1 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。以上模型的研究与应用，极大地促进了流域分布式水文 模型的发展。 目前，基于d e m 的流域分布式水文模型有三种建模思路： ( 1 )具有物理基础的分布式水文模型，也称紧密耦合型分布式水文模型，应用数值 分析来建立相邻网格单元之间的时空关系。如s h e 模型及其变形。 ( 2 )松散耦合型分布式水文模型，在每一个网格单元( 或子流域) 上应用现有的概 念性集总模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断面流量。如分布式新安江 模型和s w a t 模型。 ( 3 ) 半分布式流域水文模型，基于d e m 推求地形空间变化信息，利用地形信息( 如， 地形指数1 n ( n t a n1 3 ) ) 模拟水文响应的特性，并用统计方法求得出口断面流量，如 t o p m o d e l 。 1 2 2 水土保持措施对流域径流过程的影响 1 水土保持措施对径流量的影响 水土保持措施将改变流域的植被状况。国内外很多学者研究过植被变化对径流量的 影响，多数研究表明无论在降水充沛还是很少的地区，砍伐树木或清除灌木丛都会造成 年径流量的明显增加。在多雨区，由于降雨的截留损失，森林的蒸散发大于其它土地利 用区；在少雨区，由于森林根系较深，能充分吸收土壤储存的水量，森林的蒸散发很可 能大于其它作物的蒸发【2 6 】。关于森林变化对流域产流量影响的研究最早开始于1 9 0 0 年瑞 士e n h n e n t a l 山区的两个小流域对比试验，其中一个流域为森林流域，森林覆盖率达9 9 9 6 ， 另一个流域以草本为主，占6 9 ，森林占3 1 。自1 9 2 7 年到1 9 5 6 年的观测资料表明，森 林流域年径流量比草本植物为主的流域低1 1 ，造成这一现象的原因是，森林流域具有较 大的土壤入渗能力和较慢的融雪速率【9 】。b o s c h 和h e w l e t t z 7 对世界各地9 4 个试验流域 的水文要素进行分析，得出结论：将10 9 6 的草地覆盖改为松树和桉树时，年径流深将减少 河海大学硕士学位论文考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型研究及应用 4 0 r a m ；将1 0 的草地覆盖改为落叶硬木或灌木覆盖，年径流深将减少1 0 2 5 m m 。根据b o s c h 和h e w l e t t 2 7 1 研究的5 5 个流域，以及p i e d m o n t 南部的1 0 个流域，t r i m b l e 等2 8 】采用回 归关系确定了河川径流减少量y ( 硼) 与森林覆盖的变化百分数x 的关系：y _ 3 2 6 x 。 c a d l e r 脚l 研制了一种计算土地覆被变化对径流量影响的半经验模型，并应用于英国苏格 兰高地地区，结果表明该地区森林流域的年蒸散发量是草地流域的2 倍多，年径流深为 草地流域的8 0 _ 书5 。刘昌明和钟俊襄【驯利用黄河流域年降水量和径流量资料，绘制黄 河流域年径流系数等值线图，结果显示黄河流域森林区的径流系数远低于非林区。 i a r r 和m c c o r i s o n p l 】在美国俄勒冈西部的研究表明，由于森林采伐的影响，年径流量减少， 原因是研究区域的森林是“雾林”，能够截获大量的雾水，森林的采伐减少了降水的输 入，从而导致径流量的降低。 还有一部分学者认为森林覆盖率的提高会增加径流量。周晓峰对松花江地区2 0 个流 域( 集水面积约1 0 1 k d l ”1 7 x1 0 5 k m 2 ) l o 年观测数据的多元回归分析结果表明，多林流 域的年径流量大于少林流域的径流量，森林覆盖率每增加1 ，年径流深增加1 4 6 唧1 3 2 1 。 长江流域规划办公室科研院曾分析长江流域的5 组对比流域，发现森林流域年径流系数 普遍高于无林流域3 3 9 6 2 1 8 p 2 】。刘昌明和钟俊襄 认为长江流域气候湿润，蒸散发能力 与实际蒸散发接近，在这种气候条件下，森林的生长不一定引起实际蒸散发量的显著增 加，相反，由于森林的调蓄作用，能使河流洪水减少，而使平水流量( 基本流量) 增加。 以上结论表明，森林覆被增加会减少径流量的结论并不能完全肯定。由于不同的自 然地理环境或相同的自然地理环境下不同结构类型的植被对大气降水的截留、林内降水 量的再分配、地表径流、地下径流以及蒸散发产生的影响不尽相同，由此造成水文循环 和水量平衡的时空格局与过程的差异，因此探讨森林与径流的关系，需根据实际情况具 体分析不同生态区的水文功能嘲。 2 水土保持措施对洪水过程的影响 水土保持措施对洪水过程的影响主要表现为植被对洪水过程的影响上。植被通过乔、 灌、草和枯枝落叶层的截留、蒸腾、土壤渗透及延缓融雪等过程，使地表径流量减少， 从而起到削减洪峰的作用。延缓洪峰作用的大小，又受到植被类型、林地结构、林地土 壤类型和降水特性的影响嘲。瑞士e m m e n t a l 山区的两个小流域对比试验表明：森林流域 5 0 次最大降雨的洪峰流量平均为0 3 7 m ”s1 k 矿，而草本植物覆被为主的流域约为1 7 5m 3 s “k m 4f 3 3 】。德国巴伐利亚地区的对比流域试验【划表明：植树后，随着树木的生长，洪峰 流量也随之削减，大部分削减出现在最初1 0 年中，发生强度较小的暴雨时，森林削减洪 4 第一章绪论 峰的比例较大。一般来讲，森林采伐对小洪峰径流增加较大，但对大洪峰径流影响有限， 甚至没有影响。这主要是因为在大暴雨情况下，土壤与植被没有额外的蓄水能力，从而 使大部分降雨形成径流【3 5 】。孙惠南【3 2 】认为当第一次洪峰中被森林截留的雨水与第二次洪 峰的来水相遇时，森林可能会增加第二次洪峰，特别是往往第二次洪峰比第一次洪峰更 为危险，因为在第二次洪峰来临时，土壤含水量比较高，形成洪峰的速度较快，成灾的 可能性增大。 3 水土保持措旌对水文影响的研究方法 水土保持措施对水文影响的研究方法可以参照植被变化对水文影响的研究方法。目 前大多数研究是基于对比流域试验的方法来探讨植被变化对流域水文循环的可能影响。 所谓对比流域试验是选择两个面积、形态、地质、气候与植被都相似的流域，然后对其 同时观测一段时间，这段时间称为校正期( 一般3 5 年，最好包括丰水年和枯水年) 。 在校正期后，对其中一流域进行植被变化的处理( 如造林、伐林) ，保持另外一流域的植 被状况并作为“参照”流域。经过一段时间的观测，对两个流域的径流变化进行比较， 以此确定植被变化对径流的影响。对比流域试验的优点是排除了观测期间气候变异所产 生的误差，然而对比流域试验只适合集水面积较小的流域( 1 0 0 k m 2 以下) ，不适用于探讨 大流域的植被变化的水文效应【3 5 1 。 第二类方法为单个流域径流时间序列分析方法，即根据流域的植被变化情况对长时 间的径流观测资料进行统计分析。如c o s t a 等【3 6 】对亚马逊河t o c a n t i n s 流域5 0 年的径流 和降水时间序列进行分析，其中观测期i ( 1 9 4 9 - - 1 9 6 8 年) 内的耕地占流域面积3 0 ，观 测期i i ( 1 9 7 9 - - 1 9 9 8 年) 的耕地所占比例增加至4 9 ，结果表明观测期i i 内的年均径流 深较观测期i 增加2 4 。径流时间序列分析法的缺点是不能将气候变化所产生的径流变化 从实测流量系列中分离，从而增加植被变化对水文影响研究的不确定性。 7 0 年代以来随着计算机科学、地理信息系统与遥感技术的发展，研究植被与水文循 环的关系更多的是采用水文模型的方法。通过水文模型来模拟不同下垫面条件下的径流 量时，不仅可以考虑流域的综合因素对水文过程的影响，而且还能通过控制某些参数， 找出控制和影响水文循环的植被变化的因素嗍。例如h u n d e c h a 和b a r d o s s y l 3 7 1 应用h b v 模型对莱茵河9 5 个小流域的各种植被情景下的水文响应进行模拟；陈军峰和李秀彬p 卅 采用s w a t 模型模拟了长江上游梭磨河流域不同植被情景下的多年降水径流关系，定量地 评估了梭磨河流域的植被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响。由于水文模型需要率定 模型参数，通常会出现参数等效性的问题，即多组参数均能较好地表征流域降雨一径流 河海大学硕士学位论文考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型研究及应用 关系，从而难以确定模型参数与流域下垫面特性的定量关系，因此需要深入分析模型参 数的不确定性对植被被变化的水文效应预测结果的影响。对于大的江河流域，可以在下 垫面特性差异较大的各子流域率定模型参数，然后结合流域植被覆盖类型、土壤类型和 其它地形特征建立水文参数的区域化方程，将模型参数移植到全流域，可以有效减少模 型参数的不确定性 3 7 1 。 1 3 本文研究内容 本文的目的是建立一个基于d e m 栅格和地形的、考虑水土保持措施影响的 t o p m o d e l 模型。将模型应用于江西省修河流域，计算草地、林草结合、经果林及梯田 四种水土保持措施对径流过程的影响及其防洪减灾效果。本文研究的重点主要包括以下 几点： ( 1 )基于数字高程模型( 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t o p m o d e l 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、提取予流域，并提取等流时线分布。 ( 2 )将水土保持措施对模型参数的影响引入t o p m o d e l 产流模型，建立基于 d e m 栅格和地形的、考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型。引入植被地形指数 的概念，使水土保持措施对下垫面情况的改变直观的反映在流域的植被地形指数变化上。 ( 3 )将模型与新安江模型和原t o p m o d e l 模型进行洪水模拟对比分析，将模型 采用不同水土保持措施的日模拟结果与不采用水土保持措施的日模拟结果进行对比分 析。 通过以上几方面的研究，建立一个基于d e m 栅格和地形的、考虑水土保持措旌影 响的t o p m o d e l 模型。将模型应用于江西省修河清江站以上流域，进行洪水模拟和水 土保持措施对径流影响计算，取得了比较满意的结果。 1 4 流域概况 1 4 1 流域地理地形概况 修河位于江西省西北部，是都阳湖水系五大河流之一，地跨东经1 1 3 5 5 至1 1 6 北 纬2 8 4 0 至2 9 3 0 之间。主河源出于湘赣边境大伪山北麓铜鼓县的竹山下，自南向北流 经港口、程坊、东津，下行至周家、马坳问与渣津水汇合后，自西向东流经修水、清江、 武宁、柘林、虬津，于永修县城附近与潦河汇合。 6 第一章绪论 修河干流过永修县城后，流向东北，过滂湖、大湖池至吴城，会赣江主支入鄱阳湖。 修河流域面积1 4 4 9 3 k m 2 ( 其中清江水文站以上流域面积6 3 5 8k m 2 ) ，相应河长3 8 6 k m 。 流域三面高山环绕，北缘幕阜山，中部九岭山，山脉均为东北西南走向，流域呈东西 长、南北狭的不规则长方形，地形为西北高东南低，背山向湖的箕形斜面。东西平均长 1 7 6 k m ，南北平均宽8 4 k m 。流域形状系数为o 1 1 6 。地势海拔高程在l o 1 2 0 0 m 之间。 流域内山地面积占4 6 5 ，丘陵面积占3 6 7 ，平原及湖泊面积占1 6 8 。流域分属九 江市的修水、武宁、永修三县及瑞昌县部分，宜春地区的奉新、靖安、铜陵三县及高安 县部分，南昌市的安义县及新建县、湾里区的部分。 从河源至抱子石为上游河段，河长1 8 2 8 k m ，河道平均坡降1 3 6 ，上游多为高山 峻岭，山岳中零星分布着山问盘地。抱子石至柘林为中游，长1 5 6 2 k m ，河道平均坡降 o 3 2 ，两岸为近代冲蚀成的低山丘陵。柘林以下称下游，柘林至永修河段长4 7 2 k m 河 道平均坡降0 1 6 ，两岸逐渐开阔，地势平坦，自艾城以下进入滨湖平原地区，圩堤纵 横，河道交错。河源至永修河道平均坡降0 5 1 。 修河流域支流众多，均为南、北向汇入干流，流域面积在2 0 0 k m 2 以上的支流共有1 1 条，渣津水、溪口水、上杭水、船滩水、里溪河、大桥水等六条支流均由北岸汇入，由 南岸汇入的有山口水、黄沙水、洋湖水、罗溪水及潦河等五条。流域内大部分地区植被 良好，多杉、松，森林茂密，但在中上游有少数地区为光山、秃岭，水山流失严重。 1 4 2 气象与水文 1 气象 本流域位于亚热带季风气候区，气候温湿，四季分明。春、夏季，每逢冷暖气流交 绥于境内，常阴雨连绵；夏、秋之交，每当副热带高压控制，往往情热少雨。流域内多 年平均降水量一般在1 4 0 0 2 0 0 0 m m 之间，局部略小于1 4 0 0 0 m m 或大于2 0 0 0 m m 。最大 年降水量2 8 1 3 5 m m ( 晋坪站1 9 7 5 年) ，最小年降水量7 4 4 o m m ( 吴城站1 9 6 2 年) 。降水 量的年内分配以4 6 月最为集中，约占总降水量的5 0 左右。流域内铜陵以东，靖安以 西的九岭山南麓一带，为全省四大多雨区之一，中心年雨量在2 0 0 0 m m 以上，武宁、永 修一带为少雨区，多年平均雨量小于1 5 0 0 m m 。 流域内降水量年际之间变化较大，最大年降水量均为最小年降水量的2 3 倍，最大 年降水量均为多年平均雨量的1 和1 6 4 倍。流域内降水量的另一个特点是雨季开始和结 河海大学硕士学位论文 考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型研究及应用 束的时间相差较大，一般在4 月进入雨季，6 月下旬雨季结束进入干旱少雨季节，而有些 年份提前在3 月下旬进入雨季如1 9 7 9 、1 9 8 1 年，而有些年份推迟至七月中旬才结束如1 9 7 4 年，八月中旬有时还有台风雨。年降水量变差系数c v 变化在0 2 5 - 0 2 0 之间，局部地区 小于0 2 0 或大于0 2 5 。 本流域洪水均为暴雨形成。形成暴雨的天气系统主要分为以下两个方面： ( 1 ) 地面系统有冷切变、暖切变、低槽、槽前西南气流、台风等天气系统影响本流 域产生暴雨。 ( 2 ) 高空系统有东亚东部阻塞型、东亚北脊南槽型、东亚中纬度锋区纬向型，乌拉 尔阻高型等天气形势形成本流域大暴雨。 本流域多年平均气温为1 6 1 7 c 。极端最高气温达4 4 9 c ( 修水站1 9 5 3 年8 月1 5 日) ，极端最低气温一1 5 2 c ( 安义站1 9 7 2 年1 月9 日) ，多年平均最高气温3 5 c 计 有1 9 3 7 天，多年平均最低气温o 。c 计2 7 3 8 天。流域内多年平均绝对温度湿度 1 6 5 - - - 1 7 6 m b 。最大绝对湿度4 0 9 m b ( 永修站1 9 6 9 年7 月2 2 日) ，最小绝对湿度o 7 m b ( 修水站1 9 6 7 年1 月1 6 日) ，多年平均相对湿度为7 9 8 3 2 ，最小相对湿度3 。本 流域多年平均蒸发量为1 1 6 0 1 6 6 6 m r n ，最大月蒸发量3 4 7 7 m m ( 奉新站1 9 7 1 年7 月) ， 最小月蒸发量1 9 3 m m ( 铜陵站1 9 7 7 年1 月) 。流域多年平均风速为1 0 6 _ - 3 0 1 m s ，实测 最大风速为2 2 0 m s ，相应风向为n n w ( 永修站1 9 7 9 年4 月1 2 日) 。 2 水文： 流域内水文测站基本上为解放后设立的。解放前仅在干流上设有永修及修水两站， 断续测有水位或流量资料，且精度不高。解放后在于、支流上先后设立了一批水文站。 本次水文分析计算采用的是清江水文站水文数据，该站位于修河干流中游武宁县清江乡 清江村，东经1 1 4 。4 7 ”，北纬2 9 。l l ”，控制流域面积6 3 5 8 k m 2 。1 9 7 8 年起观测水位、 流量等项至今。观验河段顺直段约7 0 0 m ，上游右侧有一固定沙洲，由卵石、细沙组成。 上游有弯道，下游有急滩，主流部分河床为卵石，滩地为细沙，右岸为陡岸，左岸较平 缓，有小竹林护岸，后有小土堤。历年水位流量关系稳定单一 s 第二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 流域信息是进行水文模拟的必要信息，提取流域信息也就是构建现代水文模型、进 行水文模拟以及其他相关研究的前提。由于流域信息种类很多、数据量大，利用现代测 量技术、计算机技术以及相关方法进行流域信息自动提取具有十分重要的意义。近年来， 随着地理信息系统( g i s ) 的应用，以及精确详细的数字高程模型( d e m ) 数据的方便 获取，利用d e m 提取流域信息已经开展了广泛地研究。本章详细地介绍了d e m 预处理、 流向确定、水系生成、流域提取以及流域信息提取的处理过程。 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，按照一定的阈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，并对子流域与河网进行编码，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 9 河海大学硕士学位论文考虑水土保持措施影响的t o p m o d e l 模型研究及应用 2 1 2 d e m 预处理 d e m 预处理是为了将d e m 中的洼地和小平地改造成斜坡，也就是使d e m 数据反 映的地形特征均由斜坡构成。这样处理的目的就是使水流能够顺利流出流域边界。同时 也为了流域信息提取的后续步骤的正确进行，必须处理洼地和小平地。 本研究采用的d e m 预处理的方法是j e n s o n 和d o m i n g u e 于1 9 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口删 1 ) 洼地填平处理 步骤l 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 x 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6 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， 该出流点是已被标定的栅格点，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1 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： 带有平地标记；与其相邻的栅格点中，存在不带平地标记的栅格点；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。 1 0 第二章流域信息的提取及数字流域的构建 2 1 3 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 x3 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。本研究中所需的流向矩阵的计算也是采用单流向 法，对于多流向法不作阐述。 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 法和d o o 法等。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 7 8l t， l 6 _0 斗2 i ， 上 、 5 43 图2 2 水流方向代码 定水流的方向，即在3 3 的窗口上，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差( 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( 图 2 2 ) 。 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日表示。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阂值时，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l ，否则标记为0 。 2 1 5 水系生成 根据流向矩阵和河流栅格矩阵，可以生成需要的水系。我们根据斯塔勒( s t r a h l e r ) 【4 1 】 的河流分级系统对河流进行分级。河流的分级有助于对水系的构成进行进一步的分析。 斯塔勒提出河流的等级划分方法，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 斯