（水文学及水资源专业论文）降雨变异性对水文过程模拟影响研究.pdf

摘要 降雨是水文循环中最重要的组成部分之一，同时也是径流模拟中最大的不确 定因素。本文以淮河支流史灌河流域为研究对象，从雨量信息熵和降水时空分辨 率变化两个方面探讨降水的时空分布的不确定性。 基于信息熵的理论与方法，对黄泥庄流域内4 个雨量观测站的雨量信息熵进 行分析，通过比较各站间的独立信息和共同信息得出该地区雨量站的最佳组合。 研究结果表明冬季的雨量测站更有代表性，应首先考虑到雨量站网的选取中：当 雨量记录时间改变时，站点的设置与选取也应进行相应的调整。 应用数字流域水系模型d e d n m ( d i 醇a ie l e v a t i o nd m i n a g en e t w o r km o d e l ) 对d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 数据进行预处理，然后自动提取流域边界，确 定河网水系，并与新安江模型耦合，建立基于栅格的概念性分布式流域水文模型， 旨在实现集总式概念性模型与分布式手段的相互结合，更真实地对流域降雨一径 流形成过程进行模拟和研究。 运用逐步插值法把雨量站观测资料离散为栅格降雨数据，然后对栅格降雨数 据分别进行时间聚集和空间聚集，结合静态参数方法和动态参数方法，研究降雨 的时空尺度对径流模拟的影响。模拟结果表明：径流模拟对降雨时间分辨率变化 较为敏感，降雨的时间分辨率变低，径流模拟精度呈降低趋势；降雨时问聚集处 理会造成部分雨量信息丢失，洪水模拟应选取时间分辨率较高的降水资料。此外， 降雨空间分辨率的变化对径流模拟结果的影响不显著；分析空间聚集后的降雨场 特征，结果表明本文提出的降水空间聚集方法对面平均雨量的影响要大于对最大 雨强位置的影响。 关键词：降水时空变异性；数字高程模型；分布式水文模型；信息熵：不确定性 a b s t r a c t p r e c i p i 嘶o ni so n eo ft l l em o s ti m p o n a i l tc o m p o n e n t si nt h eh y d r o l o g i cc y c l e sa i l d t l l em o s tr e m a r k a b l eu n c e r t a i n t i e si ns n e a l t l n o ws i m u i a t i o n i nn l i sd i s s e n a t i o n m e s h i g u a n h e 刚v e rb 嬲i ni ss e l e c t c d 髂t l l es t u d yr e g i o n ，a i l dm ee 腩c to fi n f o m a t i o n e n n d p yo f m i n f a l la n ds p a t i o t e m p o r a lr e s o l u t i o no f p r e c i p i t a t i o na r e s t u d i e d a c c o r d i n gt o m ep r i n c i p l ea l l d m “h o d o l o g yo fi n f o n n a t i o ne n t r o p y ， m e i l l f o n n a t i o ne n 订o p i e so ft h e4m i n f a ng a g e si nt h eh u a n g i l i z h u a n gw a t e r s h e da r e s t i l d i e d t h e nt h ei n d e p e n d e n ti n f o n n a t i o na 1 1 dc o m m o ni n f o m l a t i o na 瑚d i 培t l l o s e g a g e si so b t a i l l e ds o 髂t 0p m p o s cm eb e s tc o m b i n a t i o no fm i l l g a g e s t h em i a l l g a g e su s e di i l 淅n t e ra r em o r er e p r e s e r i 诅t i v e ，也o s eg a g e ss h o u l db et a k e ni n t o c o i l s i d e m t i o nf i r s t l yi nt h eo p t i m 啪d i s t 曲u t i o no fr a i n f a l lg a g e s t h es e l e c t i o no f r a i n f 砒lg a g e sr e c o r d e di nf i v ek i n d so ft i m ei n t e a l sd i 丘hf o me a c ho t h e r ，s o r a i n f a l ln e t w o r ks h o u l db es u b j e c tt or e v i s i o n n ed i 百t a le l e v a t i o nd r a i l i a g cn e t 、o r km o d e l ( d e d n m ) i sl l s e dt op r e p r o c e s s 血c d i g i t a ie k v a t i o nm o d e l ( d e m ) d a t a a n dt od e r i v et h ew a t e r s h e d b o l l i l d a 彤f l o wv e c t o r a n d 蛐g cn e 觚o r ka u t o m a t i c a 重l y0 n 也eb a s i so f t h ed i g n a ld r a i n a g en e t ，o r ka 1 1 d t h ex i n a n j i a n gm o d e l ，a 鲥d - b a s e dd i s 伍b u t e dc o n c 印t i l a lh y d r o l o g i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e dt os i m u l a t et l ：峙n l i l o f r p r o c e s s e s 晰m 血ed i s t r i b u t e dr a i n f 砒ii n p u t t h es t e p w i s em t e r p o l a t i o nm c 也o di sl l s e dt oi n t e r p o l a t et h eo b s e r v e dr 豳一g a g e d a t at 0t l l eg r i d - b a s e dp r e c i p i 诅t i o na tt h cs p a l i a lr e s o l u t i o no f3 0 sa n di s 缸t h c ru p s c a l e ds p 妣d l ya i l dt e m p o r a l l 矿t h e nm ei m p a c to f 龇s p a t i o t e m p o r a ls c a l eo f p r e c i p i t a t i o no nh y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o ni si n v e s t i g a t e db yt h eg r i d - b a s e dh y d r 0 1 0 9 i c a l m o d e li l s i n gt h es t a t i cp a r 锄曲盯m e t h o da 1 1 dt h ed y n a m i cp a r 锄e t e rm e t b o d t h e n u m 硝c a ls i m u l a t i o ns h o w st l l a ts t r e a l n n o ws i m u l a t i o ni sv e r ys e n s i t i v et 0m e t e m p o r a lr e s 0 1 u t i o no fp r e c i p i t a t i o nd a t a ；t l l e c o a r s e rt h et e m p o r a lr e s o l u t i o n ，t h e w o r s et l l ef l o o ds i i i l u l a t i o np e r f o m l a n c e ；t e m p o r a la g g r e g a t i o no fp r e c i p i t a t i o nd a 协 m a vl e a dt om el o s to fr a i n f 砒li n f o m a t i o n ，t h e r e f o r cs t r e 锄n o ws i m u l a t i o ns h o u l d u s et h ep r e c i p i t a t i o nd a t aa tf i m e rt e m p o r a lr e s o l u t i 0 1 1 sa sm u c ha sp o s s i b l e f u r t h e 衄o r e ，t l l es p a t i a lr e s o l u t i o no fp r e c i p i t a t i o n 出吐ah a su n o b v i o l l se f f b c t so n s t r e a m n o ws i m u l a t i o n a n a l y s e so nm es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft l l ea g g r e g a t e d p r e c i p i 删o ns h o w t h a tt h ep r e c i p i t a t i o na g g r e g a t i o nm e t h o da d o p t e di nt h i ss t u d yh a s m o r co b v i o u si m p a c t so na r e a lp r e c i p i t a t i o nm a no nt l l el o c a t i o no ft l l em a d c i m u n l p r e c i p i t a t i o ni n t e n s i 够 k e yw o r d s ：s p a t i o 也m p o r a lp r e c i p i t a t i o nv 撕a b i l i t y ； d i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l ； d i s 砸b u t e dh y d m l o g i cm o d e l ；i n f 0 h n a t i o ne n t r o p y ；u n c e r t a j n t y i l 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) ：董娟、 学位论文使用授权说明 w g 年易月烨日 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) ：堡堂垫：撕6 年6 月 仁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 降雨后径流如何产生是水文学的一个基本科学问题【l ；流域如何对降雨进行 时间和空间上的水量调节分配是水文学的研究重点，流域水文模型则是用来解决 这些问题的重要手段之一【2 】。流域水文模型是用数学的方法去描述、重现水文循 环过程的模拟方法，它的出现给水文科学注入了全新生命力1 3 】；它在水资源开发 利用、水环境影响评价等方面的广泛应用，使其日益成为水文水资源研究的重要 工具。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，用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 如降雨的空问变化，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。 近年来，随着水文模型建立经验的日益丰富和电子技术、g i s ( 地理信息系统) 和r s ( 遥感) 技术的不断发展，流域水文模型被逐渐改进为水文参数和水文变量 空间变化的分布式模型嗍。从代表性的s h e 模型开始【1 4 】，人们先后研制建立了 一些分布式水文模型。由于这些分布式水文模型用数字地形模型( d i g i t a lt e m i n m o d e l ，简称d t m ) 或数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称d e m ) ( 或网格) 来描述流域地形地貌，因此通常也叫基于d e m 或基于网格的模型口】。分布式流 域水文模型具有更多更强的功能，不仅能够自动提取流域水文模型中所需要的地 形地貌特征，提供网格上的流域地形、地貌的空间分布特性，而且能够帮助人们 基于网格解决降雨和下垫面条件的空间分布不均匀问题。因此分布式水文模型成 为当今流域水文模型发展的主要趋势，也是目前国内外水文学的研究热点1 6 j 。本 论文首先应用d e m 划分网格单元、提取流域水系，然后基于数字水系平台来构 建概念性分布式流域水文模型，旨在实现集总式概念性模型与分布式手段的相互 结合，即在传统模型的基础上加入分布式方法，以加强传统模型对部分物理性质 河海大学硕士论文 降雨变异性对水文过程模拟影响研究 空间变异性的描述，更真实地对流域降雨径流形成过程进行模拟和研究。 径流模拟是水文模拟中一个最基本、最重要的环节，是研究其他水文问题的 基础。降雨作为流域水文模拟的主要输入项，是水文循环中最重要的组成部分之 一，同时也是径流模拟中最大的不确定因素之一，其空间分布特征是影响径流模 拟及一系列其他水文问题的主要控制因素。降雨的空间分布变化不仅对径流量及 洪峰流量有影响，同时对峰现时间也有极大的影响。此外，降雨的不确定性还明 显地增加水文模型参数率定以及极端洪水事件频率预测的不确定性( k u c z e m 锄d w i l l i 锄s ，1 9 9 2 ：0 b l e d 等，1 9 9 4 ) 叽最近二十年来，随着全球变化研究的兴起， 景观区域、全球尺度的生态系统模型如m t c l i m 8 】、f o r e s t b g c 【9 】等不断被 开发出来，需要空间化的降雨数据作为环境因子参数，也从另一方面进一步强化 了降雨信息空间化的重要性。准确的降雨空间分布数据理论上可由高密度网来采 集，但由于需要大量人力、资金投入而缺乏可行性。此外，由于条件的限制，目 前水文部门还无法获得充足遥测数据资料。针对上述问题本文运用逐步插值法对 水文测站降雨资料进行空间插值，把空间离散的降雨资料作为文章构建的分布式 水文模型的输入，以增强模型输入资料的代表性。 随着空间信息技术的不断发展，如遥感和地理信息系统等，流域水文尺度化 问题正在成为理论水文学研究的一个核心问题，无论是具有物理基础的流域水文 模型、降雨和蒸散发的面均估计、遥感资料的解释还是无资料地区洪水预测都会 遇到此类问题。不同尺度上控制水文过程的主导因素不尽相同，目前国际上存在 着两种互补的探究尺度问题的方法：小尺度到大尺度的聚集( a g f e g a t i o n ) 与大 尺度到小尺度的解集( d i s a g g r e g a i o n ) 【s 5 】。将流域离散成较小的、可以认为其特 性相对均一的空间单元，己使水文模拟朝着更贴近实际水文现象的物理模型方向 迈进。国内外许多研究在以下方面取得了很大的突破：如利用流域信息，研究流 域尺度内各种小尺度要素( 如地貌、土壤、植被和降雨) 的空间变化对径流形成( 包 括泥沙和溶质过程) 的影响及其参数化；识别不同尺度流域水文信息移用所引起 的差别，进行有资料向无资料地区的信息移植和成果转化等。本文通过分析栅格 降雨资料的尺度变化对径流模拟结果的影响，进一步说明了准确的降雨空间分布 和时间分辨率在水文模拟中的重要性。 科学技术的发展使水文站网的现代化建设开始逐步实施，目前我国己有2 0 0 2 第一章绪论 多套水文自动测报系统进行水文数据的收集、传输与存储，今后将有越来越多的 流域实行水文信息自动测报。如何经济合理地布设站网以有限站点的观测来满足 全流域各点的需要，是水文水资源工作的重要技术课题。受站网现状及经济技术 水平等条件的限制，我国水文站网和监测项目还满足不了生态效益性建设和社会 经济发展需要，存在站网效率和资金收益的评估缺乏客观标准，测站数目、观测 时间的选择不合理，观测效益与成本不成正比等问题。因此开展站网论证，保证 在一定精度的条件下，收集资料所需的投资为最小的研究具有重大的意义。长期 以来我国在水文测站规划上有积差法、暴雨中心控制面积法和锥体法，但都存在 结果相差甚大，无法进行相互校核和印证的不足【1 们。本文以水文学和熵的理论和 概念为基础，利用信息熵来量化各站及站点间的雨量信息，根据站点的信息传递 能力确定雨量站网的布设，并对雨量站网的时空变化特征进行了试探性研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 分布式水文模型 水文模型的产生是对水文循环规律研究的必然结果】，水文模型的发展实质 上也是人们对流域水文规律不断充实和完善的过程。自斯坦福水文模型问世算 起，流域水文模型已经历了半个多世纪。在这半个多世纪中，人们把它作为预测 工具和探索自然的手段，通过不同途径研究和开发各种流域水文模型。 水文模型根据不同的标准有多种分类1 1 2 l ，根据模型结构和参数的物理完善 性，目前常用的可分为概念性模型和分布式物理模型。概念性模型用概化的方法 表达流域的水文过程，具有一定的物理基础，也具有相当的经验性，模型结构简 单，实用性强。常见的概念性模型有s a c 模型、t a n k 模型和新安江模型等， 事实上，这些模型的作者都认为自己的模型既可作为集总式也可作为分布式的。 这种分布式物理模型的优点是模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方 程和动力方程求解，可以更准确的描述水文过程，具有很强的适应性。与概念性 模型相比，分布式水文模型用严格的数学物理方程表述水文循环的各子过程，参 数和变量中充分考虑空间的变异性，并着重考虑不同单元间的水平联系，对水量 和能量过程均采用偏微分方程模拟。此外，参数一般不需要通过实测水文资料来 河海大学硕士论文降雨变异性对水文过程模拟影响研究 率定，能解决参数间的不独立性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区 推广应用。因此，分布式水文模型在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失变化的 水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价应用等方面显出优势。 自1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 【1 3 l 第一次提出了关于分布式物理模型的概念，分 布式模型开始得到快速发展。三个欧洲机构( 丹麦、法国及英国) 于1 9 7 7 年提 出的s 旺模型【1 4 】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 被划分成许多许多矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文响应的 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土壤水运 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，部分参数具有物理意义，可以通过观测或资料 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 域得到应用和验证i i ”。 计算机技术、空间技术的发展，促进了分布式水文模型的发展。到目前，国 际上主要的分布式水文模型还有：t o p m o d e l 模型( 1 0 p g r a p h yb a s e d h y d m l o 百c a lm o d e l ) 【，是b e v e n h 和k i r b b y l 9 7 9 年提出的半分布式模型。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，基于 d e m 推求地形指数( l n ( 新a n 所) ，并利用地形指数来反映下垫面的空问变化对 流域水文循环过程的影响，应用空间变量地形指数来预报饱和区域降雨径流过 程，为局部水文相似性提供了理沦基础。模型中的参数具有较明确的物理意义， 可以利用实测资料来确定，而且还可以用于无资料流域的产汇流计算。s w a t 模型( s o i la i l d w a t e r a s s e s s m e m t 0 0 1 ) 1 1 7 l 该模型是1 9 9 4 年j e f f a m o l d 为美国农 业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 开发的。s w a t 是一个具有很强物理机制 的、长时段的流域水文模型，它能够利用g i s 和r s 提供的空间信息，模拟复杂 大流域中多种不同的水文物理过程；模型可采用多种方法将流域离散化( 一般基 于栅格d e m ) ，响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类 活动对流域水文循环的影响。t o p k a p i 模型1 8 l ，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。在一定空间尺度上建立在空间点上的假 设进行积分，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。模型的特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 4 第一章绪论 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。它适用于土地利用和气候变化影响的评估，也可用于无资料地区的 极值分析。d b s i m 模型【1 9 1 ，该模型是美国麻省理工学院l u i sg a r r o t e 和r a f l l e l l b m 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。模型网格内的产流以运动波 下渗模型为基础，同时考虑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，具有比概念性模型更明显的物理基础；但模型对地下径流的考虑 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，具有较大的随 意性。 国内分布式水文模型的研究起步较晚。2 0 世纪9 0 年代以来，在国家自然科 学基金的支持下，我国一些学者进行了探索性的研究工作。尽管起步较晚，但也 取得了较大的进展。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，几年后，黄平等【2 0 】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数学模型。2 0 0 0 年，郭生练等口1 2 2 】 建立了一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流 时空变化过程。任立良等h ，纠基于d e m 建立数字高程流域水系模型，应用新安 江模型进行流域数字水文模型研究。在每个网格上用地形高程来建立地表径流之 间的关系。2 0 0 1 年，郭生练、杨井等建立了基于g i s 的分布式月水量平衡模型。 2 0 0 2 年，张成才等进行了基于d e m 模型的流域参数识别方法研究；俞鑫颖、刘 新仁等建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型；夏军等将时变增益非线性水文 系统( t v g m ) 与d e m 结合，开发了分布式时变增益水文模型；牛振国等建立了 基于d e m 的区域参考作物蒸散量的分布式模型。 分布式水文模型，尤其是具有物理基础的分布式水文模型，由于能真实的描 述和科学地揭示流域径流形成机理，因此，必将逐步取代概念性集总式水文模型 而成为发展前景看好的新一代流域水文模型。 河海大学硕士论文 降雨变异性对水文过程模拟影响研究 1 2 2 分布式水文模型的技术支撑 从流域水文模型发展和应用可以明显看到，早在2 0 世纪6 0 年代，流域模型 的理论基础就已经比较完善，但真正意义上的分布式流域水文模型却是在近、l o 年中逐渐发展起来的，造成这种差距的主要原因就是缺乏有效的技术手段来分析 流域内部各种地理因素、地理过程所具有的复杂的空问模式，缺乏获取模型运行 参数以及将其纳入地理信息数据库进行管理的有效方法【1 2 】。遥感( r s ) 技术、 地理信息系统( g i s ) 技术尤其是数字化技术的发展为解决这些问题提供了新的 思路和方法，也为分布式流域水文模型的快速发展提供了强有力的技术支持。 g i s 主要用来研究流域下垫面要素的空间分布；提取模型的运行参数并纳入 到地理数据库中统一管理；利用g i s 的可视化工具进行输出显示和结果分析。 g i s 和流域水文模型的集成研究，也是近1 0 年来g i s 领域和水文模型领域研究 的热点，很多流域水文模型都和g i s 软件进行了集成，如：农业非点源( a g n p s ) 污染模型和g e o g r a p h i cr e s o u r c e sa n a l y s i ss u p p o ns y s t e m ( g r a s s ) 【2 4 】， a n s w e r s 模型和g r a s s 【2 5 1 ，s w 玎和g r a s s 【2 6 】，s m 盯和a r c e w 【2 7 1 。遥感 技术通常被用来快速获得研究区土地利用现状、植被覆盖度估计、反演气温、空 间降水区域划分等工作，目前利用遥感图象直接提取分布式流域水文模型参数已 成为遥感领域研究的热点问题。m a i d m e n t 【2 8 0 9 】等总结了g i s 、r s 技术在分布式 水文模型中的重要作用，认为g i s 和r s 技术是流域水文模型从集总式到分布式 转化的桥梁。 分布式流域水文模型的发展，是以精确模拟和计算流域地表的地形地貌等特 征为基础的。随着获取和描述流域下垫面空间分布信息的技术日渐完善，水文模 拟技术发生了巨大的变革。此时分布式水文模型的一个显著特点是同d e m 相结 合，这种基于d e m 的分布式水文模型是数字化时代的产物【4 】，因此也被称作数 字水文模型。借助于d e m ，我们可以不但可以从高程资料中自动提取河网、坡 度等地形资料，应用于水文过程分析、土壤侵蚀计算以及土地利用规划等各个方 面：而且能够方便地与利用遥感等方法所获得的流域下垫面信息进行叠加，如土 壤成分、植被覆盖等。此外，我们还可以在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。由此可见， d e m 的引入必将大大地促进流域水文模型的发展，不仅可以改进现有的集总式 6 第一章绪论 水文模型，而且也使具有物理基础的完全分布式水文模型的研制成为现实【6 1 。 1 2 3 流域水文的尺度化 水文尺度是指水文过程、水文观测或水文模型的特征时间或长度，水文尺度 问题则是指水文系统在不同尺度之间进行尺度转换时所遇到的问题【3 0 】。水文现象 ( 诸如水量、水质等) 的变化规律均存在着尺度效应，其实质就是存在着从量变 到质变的差异，美国国家研究理事会州r c ，1 9 9 1 ) 在“水文科学的机遇”一书中明确 指出尺度问题是水文学中尚未解决的主要问题，该空间尺度可以从点尺度到全球 尺度，时间尺度可以从秒至年( 际) 。 自l e e ( 1 9 9 2 ) 年将水文学定义为探求任何给定的时空尺度内水平衡动力学以 及水文循环与地球生态系统之间的物理的、化学的、生物的传输关系的门科学 后，人们对尺度问题在水文学中的重要性认识愈来愈深，一方面是由于水文学科 本身发展的需要，另一方面是因为人类活动己开始影响世界气候和人类自身的生 存条件。自然界的水文过程既有确定性成分，也有随机性成分，这随机成分的多 寡又因水文变量的种类、时间尺度和空间尺度而变，再加上人类活动的影响，水 文现象的确很复杂。为了从变化多端的自然水文现象中寻求水文学规律，首先就 要认识一定尺度的水文规律和特征，然后设法找出各尺度之间的联系，获得普遍 规律的认识。 水文尺度问题在水文科学中一直受到广泛的关注和重视阢3 2 1 ，已成为当今水 文科学研究的前沿性课题之一。在第2 1 届、2 2 届国际地球物理与大地测量( i u g g ) 大会上，国际水文协会( i a h s ) 专题讨论了水文尺度、地下水、人类活动影响、可 持续性与冰雪水文等6 大问题，提出把尺度从点的物理机制扩散到面上的v p c 模 式和简单的水量平衡模式，并考虑把大尺度的水流输送溶入全球气候模式中 ( g c m s ) 【”】。国际地圈生物圈计划( i g b p ) 的核心项目“水文循环的生物圈方面” ( b h a c 计划) ，特别把实验小区尺度水文生态变化过程( 植被一大气一水文过程) 的 模拟推广到考虑陆面地貌和不均匀分布的空间尺度上，建立区域尺度陆面过程的 参数化方案。此外一些重要的水文国际刊物也相继推出专刊讨论尺度问题。国内 对水文尺度问题也有研究【3 4 。4 们，刘国纬对中国大陆尺度和流域与区域尺度的水文 循环大气过程做了系统研究，首次确切地计算了我国境内的水汽通量；刘新仁在 河海大学硕士论文 降雨变异性对水文过程模拟影响研究 新安江模型的基础上，建立了多重尺度系列化水文模型，在淮河流域上对模型参 数的地区化规律进行了研究：魏林宏在构建分布式水文模型的基础上，对d e m 水平分辨率和降雨空间分辨率的变化对径流模拟的影响进行了初步的探讨【7 8 1 。 在过去十余年里，尺度问题虽然已引起水文学者的足够重视，并在研究过程 中获得进展，但是还存在许多关键性问题有待进一步深入研究，列举如下： 解决水文条件( 如地形地貌、土壤类型、植被条件与土地利用状况等) 和 水文通量( 如降水、蒸发散在流域空间的不均匀性与分散性) 的时空非恒定性，所 带来的水文物理相异问题；建立下垫面信息( 如地形地质、土层厚度、土壤类型) 间的物理联系。水文要素观测多集中于时间尺度上，空间分布资料甚少。今后 应加强高分辨率的空间分布信息的观测，如土壤水份、土壤类型，阻便为识别流 域自组织性、确定尺度关系和率定分布式参数模型提供坚实的基础。水文学的 理论和模型具有高度的尺度特性，在某一尺度上建立的模型一般不能移植到高一 级或低一级时空问题中求解。因此，如何考虑空间尺度的不均一性和实现尺度转 换成为目前水文科学研究的焦点和最具挑战性的问题。 1 2 4 水文站网的规划 水文站网是一定区域内，按照一定原则，用适当数量的各类水文测站构成的 水文资料收集系统，它可以包括水文站、雨量站、水质站、地下水观测井、固定 洪水调查点等。在我国所有水文资料、水文情报都是依据一定的水文站网取得的， 水文站网的优劣直接影响到水文资料的使用价值，因此水文站网规划在水文工作 布局中起到举足轻重的作用。 合理的站网规划原则必须考虑到水资源规划、工程和经济等方面对资料的要 求。由于进行站网规划时，要预见资料的用途是有困难的，即发挥资料的最大效 用是一个错综复杂的问题，因此，最优站网的概念只是作为一个有用的目标，在 实际工作中，用一个替代或近似的情况来代替。随着水文站网规划在实践和理论 上的不断进步，站网优化开始逐步考虑经济、社会等因素间复杂的相互关系。 我国在2 0 世纪5 0 年代中期研制了运用于水文测站规划的积差法和暴雨中 心控制面积法，1 9 6 5 年又提出了锥体法，这三种方法由于简便易行，对资料系 列要求较宽，至今仍为许多人所沿用；这些方法的缺点是采用相同的允许误差， 第一章绪论 所给出的结果相差甚大，无法进行相互校核和印证。随后胡凤彬【4 2 】提出了水文区 分法，该法兼顾地形、地貌等综合因素，对降雨量等水文要素主要水文要素进行 聚类分析，从空间上揭示水文特性的相似性和差异性，具有很好的实用价值。 国外把许多新的理念引入雨量站网规划方法的研究，取得了许多新的成果， 其中信息熵法以其广泛的研究前景和其在信息科学理论中的基础地位而应用较 多。早在1 9 7 9 年，l a n 曲e i n 【4 3 j 就提出，由于熵能够描述数据的利用程度而可以 用来量化监测工作的效率和收益。c a s e l t o nh u s a i n 【州也将熵的概念来估计区域水 文的不确定性，从而计算了信息传递量，结果表明熵方法在评估测站数量和位置 的空间优化设计方面是一种方便的手段。 随后，h u s a 访【45 】以水文学和熵为基础，对水文网络的优化( 减少站点) 与扩 展( 补充站点) 做了一些研究，根据信息传递最大化原理对稠密网络予以优化， 利用信息插补概念与最小水文信息带的鉴别来扩充稀疏网络。h a n n a n c i o g l u 和 y e u j e v i c h 【4 6 】通过定义信息的已传递量和可传递量，以熵对同一河流上站点间的水 文信息传递进行量测，从而进行测站的空间设计。几年后，h a h n a i l c i o g l u 和 a l p a s l a i l 【4 7 1 基于熵的原理进行了对已有站网的时间抽样频率、空间抽样地点以及 联合时一空设计特征加以评估的研究工作。k r s t a n o v i c 与s i n 曲 4 8 ，4 明利用熵在 l o l l i s i a l l a 州就降雨网络在空间与时间评估方面建立了一套方法，采用联合熵和 互信息来求得雨量站的最佳组合，并构造等量信息线来进行雨量站的决策。y 觚g 与b u m l 5 0 l 利用熵的概念为数据集合网络设计建立了套方法，方法的核心是网 络中站对之间的有向信息传递指数( d i n ，提出在成对的两者之间，具有较高d i t 的站应该保留，这是因为它具有更大推断信息的能力。 我国在信息熵的应用研究方面也取得了一些进展。张继国与刘新仁7 5 ，7 6 l 利用 信息传输研究了淮河流域蚌埠站以上区域降雨的时空分布不均匀的问题。他们通 过有向信息传输指数( d i t i ) 与距离的关系给出信息传输图，并认为在浚流域信息 传输具有显著的方向性，并且降雨带是东西展开、南北推移的。文【7 还对雨量场 予以抽象化处理，模拟出连续的雨量场，并且提出了信息传输函数、信息距离等 新概念，最后通过模糊聚类法得出结论：熵确实蕴含了流域内包括地形、高程及 气候等物理因素在内的绝大部分信息，熵作为研究不确定性的工具是相当有效 的。 河海大学硕士论文降雨变异性对水文过程模拟影响研究 1 3 本文研究框架 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 雨量站网的信息熵分析 该部分以信息熵为理论工具，就雨量观测站的雨量信息熵进行分析，并通过 比较雨量信息的联合熵与互信息得到增加或减少一个雨量站所引起的信息量的 变化情况，以此来求取不同雨量记录时段下雨量站的最佳组合。 ( 2 ) 分布式水文模型的建立 该部分主要研究应用d e d n m 对d e m 进行顸处理，自动提取模型建立需要的 流域边界、坡度等各种流域特征，确定河网水系，然后与新安江模型耦合，建立 基于栅格的概念性分布式流域水文模型。模型建立包括栅格单元产流模型和汇流 模型的构建，以及分布式水文模型参数的率定。 ( 3 ) 降雨时空变化对洪水过程模拟的影响 根据模型的输入需要，运用逐步插值法把雨量站点观测资料离散为栅格降雨 数据，然后对栅格降雨数据分别进行时间聚集和空间聚集，结合静态参数方法和 动态参数方法，研究降雨的时空尺度变化对径流模拟的影响。采用静态参数方法 时，主要研究洪水模拟对降雨时空分布变化的敏感性：动态参数方法是在各个分 辨率下使洪水模拟结果最好，比较模拟的效果和水文参数的变化。 1 3 2 研究区域概况 本文以淮河史灌河流域的黄泥庄集水区作为模型应用流域。史灌河流域位于 北纬3 1 。1 2 3 2 0 1 8 ，东经1 1 5 。1 7 1 1 5 0 5 5 ，是淮河一级支流，发源于安徽省金 寨县，地跨安徽金寨、河南商城和固始三县。全长2 1 1 k m ( 入淮河口以上) ，集 水面积6 8 8 9k m 2 ，呈南北向，在淮河三河尖水位站处汇入淮河。史灌河上游分史 河和灌河两个分支，以史河为主干。 史灌河流域具有独特的地形、地貌和植被特性，流域地势自南向北降低，地 形复杂，既有高山峻岭，又有低山丘陵，还有广阔的平原，主峰金刚太海拔1 5 7 6 m ， 山区水流湍急，平原河网发育。流域上游为深山区，下垫面覆盖良好；下游为丘 陵平原区，地势低洼，洪涝灾害频繁。南部水库上游区山高坡陡，森林覆盖率高 】0 第一章绪论 达6 5 ，北部丘陵平原区多为耕地，森林面积很少。 史灌河流域地处我国南北气候过渡带，气候温和，年平均气温为l l 1 6 。c 。 流域多年平均年降水量为1 0 7 7 m m ，时空分布不均，降雨主要集中在6 9 月，多 以暴雨形式出现，暴雨历时短、强度大、暴雨中心笼罩范围小，暴雨时山洪骤发， 干旱时河道常常断流。降雨量年际变化大，最大年雨量为最小年雨量的3 4 倍。 降水量的年内分配也极不均匀，汛期( 乒9 月) 降水量占年降水量的5 0 一8 0 。 史河是淮河流域来自大别山区的一大支流，对淮河干流洪峰的形成有重要的 影响。1 9 6 9 年7 月1 0 目，大别山区特大暴雨，1 5 日蒋家集出现洪峰，达4 5 5 0 r n 3 s ， 与1 6 日王家坝的4 5 6 0 m 3 s 的洪峰遭遇。由于史河来水的顶托，使王家坝水位超 过2 8 6 6 m ，迫使蒙洼开闸蓄洪，各行洪区也相继破堤。由于大别山区是暴雨中心 之一，因此史河的洪水预报是整个淮河防洪的重要组成部分。 图1 1 黄泥庄流域位置、三维地理示意图 黄泥庄站( 1 9 5 1 年开始建站，位于东经1 1 5 。3 7 、北纬3 1 。2 8 ) 控制的集水区 域集水面积8 0 5k m 2 ，位于史河的上游( 如图1 1 ) ，区域植被覆盖较好，有丰富 的地下水和壤中流；该集水区属于高山和丘陵区，平均海拔4 7 9 m 。 1 3 3 研究方案与技术手段 论文第一部分利用信息熵的概念，针对分析黄泥庄流域雨量站点的空间与时 河海大学硕士论文 降雨变异性对水文过程模拟影响研究 问变化提出一套方法。该方法把雨量资料划分为两个样本区间( 冬季、夏季) ， 同时选取五个不同计算时段( 1 天、2 天、1 周、1 月和1 年) 。雨量观测站之间的 时空依赖性用自协方差矩阵来检验。对每个站点雨量信息的边缘熵来说，联合熵 与互信息可推求得到，雨量站的增加取决于它是否增加了站网内的信息量：雨量 站个数的确定取决于站网内未传递信息量，以这种方式，雨量站的最佳组合可得 到。该部分总体框架和技术路线见图1 r 2 。 第二部分充分利用互联网资源来获取d e m 数据，并应用数字流域水系模型 从d e m 中提取流域数字化水文特征，构建了基于栅格的分布式水文模型，模型 包括三个主要部分：栅格蒸发、栅格产流、栅格汇流。然后对栅格降雨资料分别 进行空间聚集和时问聚集，分析径流模拟精度的变化和模型参数的变化。进行降 雨时空尺度变化分析时，把栅格雨量数据分别聚集成6 h o u r 、9 h o l l r 和1 2 h o l l r ；同 时利用本文提出的聚集方法生成了空间分辨率分别为4 k m 、8 k m 、1 6 k m 、3 2 k m 和6 4 】( | l l 的栅格降雨数据。该部分总体框架和技术路线见图1 3 。 图1 2 第一部分研究的总体框架和技术路线 2 第一章绪论 图1 3 第二部分研究的总体框架和技术路线 河海大学硕士论文降雨变异性对水文过程模拟影响研究 第二章雨量站网的信息熵分析 不确定性是水文水资源系统中普遍存在的现象，它来源于很多方面，包括水 文概念外延的不确定性、自然界中水文现象的不确定性、观测资料信息的不完备 性等，这些大量的不确定性使水文过程常呈现出一种不稳定、模糊、无序或混沌 的状态，迫切需要我们用新的方法和手段去认识和解决。近3 0 多年的研究状况表 明，熵( e n 们p y ) 成为研究水文水资源科学领域中不确定性的个有效工具，将 熵的概念引入水文水资源学科是具有广阔发展前景的【8 0 1 。 早在1 9 9 7 年v p s i n 曲就比较详细地介绍了熵在水文水资源、水环境及水利工 程的可靠性等方面的研究成果【6 ”。自此人们也注意到s h a i l n o n 所定义的信息熵可 以作为随机现象不确定性的度量，或是所含信息量的度量。作为引起径流不确性 因素之一的