（地图学与地理信息系统专业论文）多源遥感数据应用于鄱阳湖水环境研究.pdf

多源遥感数据应用于都阳湖流域水环境研究 摘要 环境保护和环境治理是2 1 世纪社会经济可持续发展的热点问题。水环境安 全在环境建设中处于十分重要的地位。鄱阳湖地处长江中下游，是长江非常重要 的泄洪区；鄱阳湖是我国第一大淡水湖；鄱阳湖湿地是我国七大国际湿地之一； 鄱阳湖易受洪涝灾害；鄱阳湖血吸虫猖獗一方：鄱阳湖的水环境问题十分突出， 相关研究有着重要的现实意义。 分布式水文模型是模拟水循环的有力 具，但其数据问题一直是困扰模型推 广应用的重要因素。同时遥感科学与其它学科的结合是遥感应用的生命力所在， 所以推进水文模型与遥感技术的结合不但是水文学也是遥感科学的幸事。 遥感科学应用于水环境研究不仅仅限于与水文模型的结合，水位是全球变化 区域响应的重要指示因子，新型的遥感技术提供了一种准确估测水位动态以及蓄 水量的新方法。 总之，围绕鄱阳湖水环境问题，本文借助于不同时空分辨率的多源遥感数据 结合分布式水文模型作了应用性研究，并利用新型遥感器及其数据产品发展了成 功提取湖泊水位、估测蓄水量及其变化的新方法。主要内容包括： 1 ) 介绍了v i c 模型原理，根据其原理及其结构设计，从流域物理参数提取、土 地覆被输入、植被参数( a l b e d o ，l a i ) 输入等数据源方面改善v i c 模型 模拟的准确性。 2 ) 根据现实的土地利用状况，构造了可能的土地覆被发展趋势模式，并模拟了 该模式下可能的径流变化。分析了1 9 8 3 年- 2 0 0 2 年来，鄱阳湖气候变化情况， 并根据气候变化的现实趋势，模拟了照此趋势下3 0 年，6 0 年以及9 0 年后的 径流情况。 3 1 高度计精度可以达到厘米级的水位观测技术，早先一直应用于海洋，随着技 术的不断成熟，其应用开始走向陆地。内陆湖泊的水位是显示水环境变化的 直接因素，在此介绍并应用雷达高度计和激光高度计提取丫郡阳湖水位自 2 0 0 2 年9 月份以来水位变动。 4 ) 根据航空干涉雷达得到的高精度d e m 及当时的水体特征数据，得到鄱阳湖 的蓄水量或库容随水位变化的经验公式，结合s r t md e m 得到随水位变动 摘要 湖泊蓄水量的变化以及淹没面积的变化，这对鄱阳湖泄洪能力和灾害评估有 着重要意义。 关键词：鄱阳湖v i c 模型高度计遥感 i i 多源遥感数据应用于都阳湖流域水环境研究 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dm a n a g e m e n ti sak e yp r o b l e mo fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ti n2 1 “c e n t u r y 、a n dw a t e re n v i r o n m e n ts e c u r i t yp l a y s 卸i m p o r t a n tr o l e i ne n v i r o n m e n t c o n s t r u c t i o n p o y a n g l a k ei sl o c a t e da td o w n s t r e a mo ft h e c h a n g j i a n gr i v e ra n d i t sw a t e re n v i r o n m e n tp r o b l e m sa t t r a c ts p e c i a la t t e n t i o ns i n c e i ti so n eo f t h es e v e ni n t e r n a t i o n a lw e t l a n d sa n dt h el a r g e s tf r e s h w a t e rl a k ei nc h i n a 1 ti se a s yt os u f f e rf l o o dd i s a s t e ra n di sa l li m p o r t a n tf l o o d s t o r e - a r e ao fc h a n g j i a n g r i v e r s or e l a t e dr e s e a r c hi sp r a c t i c a l l ym e a n i n g f u l d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e li sg o o da tm o d e l i n gh y d r o l o g i c a lc y c l e ，b u ti n p u t d a t ah i n d e r si t sa p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，c o m b i n a t i o no fr e m o t es e n s i n ga n d o t h e rs c i e n c e si so n eo ft h ea i m so fr e m o t es e n s i n ga p p l i c a t i o n s ，a p p l i c a t i o no f r e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yi n t oh y d r o l o g yi sh i g h l ye x p e c t e d r e m o t es e n s i n ga p p l i c a t i o ni nw a t e re n v i r o n m e n t s t u d yi s n o tl i m i t e di n c o m b i n a t i o no f r e m o t es e n s i n gd a t aw i t hd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l w a t e rl e v e l i sar e g i o n a lr e s p o n s ei n d i c a t o ro fg l o b a lc h a n g e r e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y p r o v i d e san e wm e t h o df o rm e a s u r i n gw a t e rl e v e la n dw a t e rs t o r a g ev a r i a t i o n f o c u s e do nw a t e rp r o b l e m so fp o y a n gl a k e ，t h i sd i s s e r t a t i o n e x p l o r e s c o m b i n a t i o no fd i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e lw i t h r e m o t e ss e n s i n gd a t a ，a n d i n t r o d u c e st h en e wm e t h o do fr e t r i e v i n gw a t e rl e v e la n dw a t e rs t o r a g ef r o mr e m o t e s e n s i n g d a t a t h em a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) t oi m p r o v et h es i m u l a t i o nr e s u l t so fv i cm o d e lb yu s i n gp a r a m e t e r s d e r i v e df r o mr e m o t e s e n s i n gd a t ai n c l u d i n g w a t e r s h e d p h y s i c a l p a r a m e t e r s ，l a n d c o v e r , v e g e t a t i o np a r a m e t e r s ( a l b e d o ，l a i ) a si t si n p u t d a t a ( 2 ) b a s e do i la n a l y s i so fl a n d c o v e ra n dc l i m a t ev a r i a t i o n ，w ec o n s t m c t s e v e r a lp o s s i b l el a n d c o v e ra n dc l i m a t em o d e sa n d a n a l y s i st h e i r h y d r o l o g i c a lr e s p o n s e s ( 3 ) t oi n t r o d u c ea n de x p l o r et h em e t h o do fu s i n ga l t i m e t r yt or e t r i e v e i t l a b s l r a c t ( 4 1 i n l a n dw a t e rl e v e l ，a n dg e n e r a t ep o y a n gl a k ew a t e rl e v e lv a r i a t i o ns i n c e s e p t e m b e ro f2 0 0 2 u s i n gh i g hr e s o l u t i o nd e m f r o mr e m o t es e n s i n g ，w eg e ta ne x p e r i e n c e m o d e lo fw a t e rs t o r a g ev a r i a t i o nw i t hw a t e rl e v e l ，a n dc o m b i n i n gw a t e r l e v e lr e t r i e v e df r o mr a 2a l t i m e t r y ，w eg e tt h ep o y a n gl a k es t o r a g e v a a t i o ns i n c e2 0 0 2 k e yw o r d s ：p o y a n gl a k e ，v i cm o d e l ，a l t i m e t r y ，r e m o t es e n s i n g v 多游遥感数据应刚于鄱阳湖流域水王f 境研究 表格目录 表2 一】：s r t m 数据获取渠道一2 3 表3 1 ：u m d 分类体系4 l 表3 2 ：植被参数文件，4 2 表3 3 ：植被库文件内容4 3 表3 4 ：不同月份的a l b e d o 值4 6 表3 5 ：各种植被类型叶面积指数值4 8 表3 6 ：土壤水文特征表一5 0 表3 7 ：v i c 模型土壤参数文件注释5j 表3 8 ：水平衡模式输出通量文件一5 2 表39 ：模拟结果列表5 9 表31 0 ：模型验证结果。6 0 表3 11 ：两个植被指数引入前后模型精度比较6 2 袁4 一l ：论文中选用的分类体系6 5 表42 ：9 0 s 和2 0 0 1 年土地覆被转化矩阼6 7 表43 ：2 0 0 1 年和2 0 0 2 年土地覆被转化矩阵6 7 袁4 4 ：2 0 0 2 年和2 0 0 3 年土地覆被转化矩阵6 7 表45 ：2 0 0 3 年和2 0 0 4 年土地覆被转化矩阵，6 8 表46 ：鄱阳湖流域主要覆被类型的净变化量一6 8 表4 7 ：土地覆被模式构建7 j 表48 ：不同模式的径流及相对于模式1 的变化情况7 3 表49 ：情景模式相对于1 9 8 3 年的增加幅度7 8 表4 1 0 ：各情景模式下与模式1 对比的变化情况：7 9 表51 ：鄱阳湖水面面积随水位的变化8 7 表5 2 ：1 9 7 3 年以来发射的载有雷达高度计的卫星平台及其基本情况8 9 表5 3 ：卫星以及传感器的指标参数9 0 表5 4 ：1 c e s a t 卫星技术参数1 ) 9 3 表5 5 ：g l a s 的技术指标9 3 表5 6 ：g l a s 数据产品列表9 4 表5 7 ：e n v i s a tr e t r a c k e r 所得水位数据与实测的对比结果9 3 表5 8 ：r a 2 高程与棠荫水位数据9 4 表5 9 ：获取的g l a s 数据和r a 2 的对比9 4 插图目录 插图目录 图1 一】：技术路线图16 图2 一t ：s r t m 的覆盖范围，浅绿色的南北极地区为未覆盖地区一2 2 图2 2 ：s w b d 水体特征图一2 4 图2 3 ：数字化都阳湖流域水系图2 5 图2 4 ：经编辑后的s w b d 一2 5 图2 5 ：鄱阳湖流域图2 6 图2 6 ：1 ：2 5 万地形图得到的流域示意图2 7 图3 1 ：v i c 模型示意图2 9 图3 2 ： v i c 模型土壤分屡 图3 3 ：裸土蒸发示意图3 4 图3 4 ：中国东南部a l b e d o 分布4 5 图3 5 ：中国东南部土地覆被类型4 5 图3 6 ：中国东南部l a i 分布4 7 图3 7 ：鄱阳湖流域气象站点分布示意图4 9 图3 8 ：不同流速和扩散系数对比表5 7 图3 9 ：梅港站流量模拟图。：5 9 图3 一1 0 ：虎山站流量模拟图5 9 图3 一1 1 ：梅港站流量模拟效果图6 0 图3 1 2 ：弋阳站流量模拟效果图6 1 图3 1 3 ：虎山站流量模拟效果图6 1 图4 1 ：9 0 年代初鄱阳湖流域土地覆被图6 4 凰4 2 ：2 0 0 1 年鄱隰迥魄域土地覆被图一6 4 图4 3 ：2 0 0 2 年鄱阳湖流域土地覆被图6 4 图4 4 ：2 0 0 3 年鄱阳湖流域土地覆被图6 5 图4 5 ：2 0 0 4 年都阳湖流域土地覆被图6 5 图4 6 ：各个时期的土地覆被类型的组成及比例6 6 图4 7 ：2 0 0 1 2 0 0 4 年森林或林地类型内各种植被类型的比例。7 0 图4 8 ：2 0 0 4 年作物坡度分布图，7 0 图4 9 ：鄱阳潮流域汇流出口处位置示意图7 2 图4 一1 0 ：不同土地覆被模式下径流比较7 3 图4 一1 1 ：论文中选用的气象站点在鄱阳湖流域位置示意图7 4 图4 一1 2 ：三个气象站点的年降水量变化曲线7 5 图4 1 3 ：鄱阳湖流域三站年平均降水量的变化曲线7 5 图4 一1 4 ：三个站点的最高气温变化曲线7 6 图4 一1 5 ：三个站点平均最高气温变化曲线，7 6 图4 一1 6 ：三个站点最低气温变化 l 线，7 7 图4 1 7 ：三个站点平均最低气温变化曲线一7 7 图4 一1 8 ：不同气候情景模式下径流对比图7 8 图4 1 9 ：鄱阳湖流域各水文站点全年日径流情况7 9 图5 1 ：鄱阳湖流域的位置示意图8 i v i i i 多源遥感数据应川于鄱阳湖流域水环境研究 2 ：鄱阳湖区三维立体遥感影像图8 2 3 ：e n v i s a t 是搭载的传感器示意图一8 4 4 ：鄱阳湖水系特征图8 6 5 ：都阳湖流域s r t m 高程分布图8 6 6 ：湖泊面积与水位变化曲线与模拟8 8 7 ：星载雷达高度计工作原理示意图8 9 8 ：高度讣产品流程图 一9 2 9 ：i c e s a l 卫星的示意图一9 3 1 0 ：e n v i s a t r a 2 数据经过鄱阳湖r l _ 空的两条轨道示意图i 9 5 11 ：e n v i s a t r a 2 数据经过鄱阳湖上空的两条轨道示意图2 9 5 1 2 ：2 0 0 4 年棠荫水位变化图9 6 l3 ：e n v i s a t r a 2 数据经过都阳湖枯水位时两条轨道示意图9 7 f 4 ：来自于r a 2 的水位变化图9 7 15 ：r a 2 获取的高度值和棠荫水位站水位之间的关系1 0 0 1 6 ：g l a s 和r a 2 经过都阳湖流域轨道示意图1 0 0 1 7 ：都阳湖蓄水量变化图1 0 1 5 5 5 5 5 s 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 图图图图图图图图图图图图图图图图 多源遥感数据应川于鄱阳湖流域水环境研究 第一章引言 第一节研究意义 人类活动导致了全球性的环境变化，全球变化的内容包括气候变化、土地利 用和土地覆被变化、生物多样性变化、荒漠化等。其中气候的变化将改变全球水 文循环的现状，从而引起水资源在时空上的重新分配，并对降水、蒸发、径流、 土壤湿度等造成直接影响。土地利用和土地覆被变化则对水资源的二次分配产生 重要影响。研究土地利用和土地覆被的时空变化怎样与气候因素一起影响了水循 环过程逐渐成为水文学研究的热点。鄱阳湖流域因其特殊的地理环境，是一个水 循环对环境变化敏感的区域。 1 1 都阳湖的生态环境及其变化 鄱阳湖位于江西省的北部，长江中下游南岸，承纳赣江、抚河、信江、饶河、 修河五大江河( 以下简称五河) 及博阳河、漳河、漳河之来水，经调蓄后由湖口 注入长江，是一个过水性、吞吐型、季节性的湖泊。鄱阳湖水系流域面积1 6 1 2 2 万k m 2 ，约占长江流域面积的9 。鄱阳湖水位涨落受五河及长江来水的双重影响， 洪水、枯水期的水面、容积相差极大。鄱阳湖流域自古就是一个频受干旱和洪涝 灾害的地方( 徐德龙等，2 0 0 1 ) ，但近几十年，尤为严重。 历史上几次较大的覆被变化开始于五十年代，五十年代后期大炼钢铁，鄱阳 湖流域森林被大肆砍伐，流域生态环境遭到第一次大的破坏；六十年代，人们为 基本建设大量垦山造田、围湖造田，对于流域的生态环境破坏极其严重，导致六 十年代涝灾频发( 5 次) ，旱灾更是年年发生；自七十年代开始，政府部门抓紧 了人工造林和封山育林，但是因为“文革”中林木超计划采伐，“农业学大寨” 运动中烧山全垦造林，森林质量急剧下降，水土流失进一步i j n , f f 0 ，五河含沙量比 5 0 年代上升2 一8 9 不等，7 0 年代仍然水旱灾害严重( 胡细英，2 0 0 1 ) 。而且由 于人们长期的盲目开发，围湖造田，加上注入大湖的几条河流流域植被破坏，水 土流失严重，大量泥沙淤积鄱阳湖湖区。鄱阳湖面积由新中国成立初期的5 1 0 0 平方公里缩小至1 9 9 8 年特大洪水前的3 9 5 0 平方公里，容积也由3 7 0 亿立方米缩 小至2 9 8 亿立方米，调蓄洪水能力大大减弱，直接导致鄱阳湖洪泛频率大增， 第一章引言 1 9 9 8 年特大洪灾，湖区上百万灾民被困，数十万公顷早稻颗粒无收，所以1 9 9 8 年以后，鄱阳湖地区又开始了大规模的“甲垸行洪，退田还湖，移民建镇”的工 作。鄱阳湖流域又处于生态恢复的过程巾。总而言之，鄱阳湖流域历经了破坏一 重建一再破坏一再重建的反复过程，那么人类刘自然的反复干扰会对鄱阳湖流域 带来什么影响呢? 同时在全球变化的背景下，鄱阳湖流域的水循环过程会受到什 么影响呢? 1 2 水文模型与水文响应 土地利用所弓i 起的地表景观格局的变化是引起地表中地理过程变化的主要原 因之一，也是鄱阳湖区域环境演变的重要组成部分。那么，几十年来人们在鄱阳 湖流域活动造成的土地覆被的频繁变化对流域的水循环过程究竟会产生多大影 响? 而且全球的气候环境的改变正在困扰着人类社会，全球气候的变化会给区域 带来怎样的生态响应呢? 区域尺度上径流在全球变化的背景下会发生怎样的变 化? 分布式水文模型是一个能解决上述问题的理想工具。分布式水文模型又称为 数字水文模型，它是构建在d t m ( 数字地形模型) 或d e m ( 数字高程模型) 基础之上 的一种水文模型，是依据下垫面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。 分布式水文模型在研究区域水资源生成与演变规律方面，具有独特的优势， 具体来说其优势包括：具有物理基础，描述水文循环的时空变化过程。由于 其分布式特点，能够与g c m 嵌套，研究自然变化和气候变化对水文循环过程的影 响。能及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水文循环过程的影 响，因此本文选择了一个近年来在诸多流域有着成功应用经验的分布式水文模型 一v i c 模型。这个模型是由梁旭以及美国水文学家w o o de f 提出曾经在不同 空间尺度的流域中得到过成功应用，这些研究在a b d u l l ae ta 1 ( 1 9 9 6 ) ，n i j s s e ne l a 1 ( 1 9 9 7 ) ，w o o de ta 1 ( 1 9 9 7 ) ，w o o de ta 1 ( 1 9 9 8 ) ，o d o n n e l le la 1 ( 2 0 0 0 ) 以及 n i j s s e ne ta l ( 2 0 0 1 a ，b 1 等文中均报道过。 分布式水文模型主要研究四类问题，即径流模拟；模拟人类活动对径流的影 响；水质和生态模拟；水文过程物理机理的研究。上述四个研究问题中地表径流 模拟是最基本和最重要的一环。在鄱阳湖流域，借助于分布式水文模型我们可以 多源遥感数据应j 1 i 于鄱阳湖流域水环境研究 考察土地利用和气候变化对于径流的影响有多大。 然而，在应用分布式模型模拟时，首先要了解地表覆被的变化，这种宏观尺 度的数据获取就必须借助于遥感技术。遥感作为一种新兴便捷的信息获取技术， 可以通过多种光谱、时间和空间分辨率连续或周期性地观测地球表面，是获取全 球性和区域性土地覆盖信息的重要手段。除了下垫面的信息外，遥感还可以通过 对水文特征的提取、土壤水分的提取等为模型提供支持。与遥感技术的进一步结 合将为分布式水文模型开拓更广阔的发展前景。本文将结合地理信息系统技术、 遥感技术将大尺度陆地水文模型v i c 一3 l 模型应用在鄱阳湖流域，评价其土 地利用土地覆被变化以及气候变化对于鄱阳湖流域的水文影响，同时为分布式 水文模型与遥感技术的成功结合做试验性探索。 陆地水循环与水生态环境变化中的人为影响因素的确定与量化方法以及全 球变化与水循环问题在2 0 0 2 年我国香山水文会议上水文学泰斗归结出关于水文 学研究的关键的科学问题。可见，统一在上述研究问题基础上遥感技术与水文模 型的结合既有实践中的应用意义，又有理论上的探索意义。 1 3 遥感新技术手段与水生态 都阳湖与其他湖泊显著的不同之处就在于湖泊水位的涨落幅度极大，水位的 变化对都阳湖湿地生态影响非常大，鄱阳湖湿地是我国重要湿地之一：同时作为 长江的通江湖泊，它具有调蓄水量的作用，因此被称为长江的“蓄水池”。所以 实现水位与水量的遥感监测对流域的生态建设有重要意义。 遥感应用于水文、水资源领域主要在土壤水分的获取、蒸发散以及水质调查 方面，刈于水位、水量动态、径流方面的研究较少，本文从这一方向入手，既结 合研究区域的实际问题的解决，同时也在遥感与水文、水资源的结合作一步小小 的探索。 第二节研究现状或进展 2 1 国内外分布式水文模型的研究进展 根据模型的结构与参数是否考虑水文因子空间分布的差异，水文学家把水文 模型分为集总式和分布式两种不同类型的模型。从反映水流运动物理规律的科学 第一章引言 性和复杂程度而言，水文模型通常被分为三大类，系统模型( 也即黑箱子模型， 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 ) 。一般来说，系统模型和概念性模型都是集总性模型， 而物理模型都是分布式模型( 熊立华，2 0 0 4 ) 。介于集总式和分布式模型之间还 有一种所谓的“半分布式”水文模型，其典型代表是以地形为水文过程变异性基 础的t o p m o d e l 模型。集总式和分布式的分类大体代表着水文模型的发展历程，最 早的集总式水文模型把整个流域看成一个均匀一致的整体，并把流域内有关参数 平均化进行水文过程和水循环的模拟，并不考虑地形、地质、土壤、植被等地理 要素和降水、气温等气象要素的空问变化。因此这种模型只代表了流域的平均自 然状况，并没有考虑流域内部各种水文气象因子的差异。无法全面的刻画出水文 系统分散输入集中输出的产、汇流规律，无法模拟环境变化( 如土地利用、水土流 失、气候变化影响评估) 中的陆地表面过程。与集总式水文模型不同，分布式水 文模型在水平方向上考虑模型输入参数的空间分布特征，把下垫面划分为能够表 达各种参数空间异质性的网格或具有相同水文特征的水文响应单元，在垂直方向 上将土壤分层，更加准确地表达了地表的真实状况。因此，为了研究和解决变化 环境中的水文和水资源问题，必须开发有物理基础的分布式流域水文模型。 自2 0 世纪9 0 年代以来，由于有地理信息系统技术的发展作为技术支撑，分布 式水文模型得到了长足发展。 1 9 6 9 年，f r e e z e 年l h a r l a n 发表了一篇题目为“一个具有物理基础数值模拟 的水文响应模型的蓝图”的文章，在这篇文章中他首先提出了分布式水文模型的 概念和框架，被认为是分布式水文模型研究的开始( f r e e z era ，1 9 6 9 ) 。 第一个真正、具有代表性的分布式水文物理模型是1 9 8 6 年由丹麦、法国及 英国的水文学者( b e v e n ，1 9 8 0 ；a b b o t t ，1 9 8 6 a ，1 9 8 6 b ) 研制与改进的s h e ( s y s t e m h y d r o l o g i ce u r o p e a n ) 模型，该模型是在f r e e z e 和h a r l a n 的思想的指导和启发 下研制成功的。此后出现了很多分布式水文模型，妻1 1 9 8 0 年，i h d m ( i n s t i t u t e o fh y d r o l o g yd i s t r i b u t e d m o d e l ) 模型( c a l v e r a a n d w o o d w ：l ，1 9 9 5 ) ：1 9 8 5 年，美国农业部农业研究中，o a l o n s of i d ec o u r s e y 设计的s w a m ( s m a l lw a t e r s h e d m o d e l ) 模型( t u t e j an k ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。 分布式水文模型最大的优点是能够正确地表达土壤、植被等下垫面的空间异 4 多渊遥感数撮应用十郝阳湖流域水环境研究 质性，其输入参数也是分布式的。这就要求各种参数都需要大范围的实际观测并 把它离散化到整个流域上去，这是传统方法难以做到的。但随着g i s 技术、r s 技 术、计算机技术的成熟，它们为分布式水文模型的实现提供了技术于段。水文学 通常需要水文气象、地形、土地利用、土壤、河流等各种各样的数据，对这些数 据进行分析和处理是一件非常麻烦的工作，急需有一个好的空间数据分析及处理 的工具。也正是由于地理信息系统是一种采集、处理、传输、存储、管理、查询 检索、分析、表达和应用地理信息的讨。算机系统，能够分析、处理大量地理数据， 所以，人们很自然地将地理信息系统与水文进行结合，并得到了迅速发展。自 2 0 世纪9 0 年代以来分布式水文模型成为水文学家的热点。 1 9 9 2 年，由l i a n g x ，w o o de f 等人提出v i c ( v a r i a b l e in f i l t r a t i o n c a p a c “y ) 分布式水文模型。 1 9 9 4 年，j e f fa r n o l d 为美国农业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 开发了 s w a t 模型( a r n o l dj g ，t 9 9 3 ) 。该模型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 ) ， 能够响应降水、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。该模型能在资料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛 的应用。这个模型近年来在中国也得到较为广泛的运用( 王中根，2 0 0 3 ；张蕾 娜，2 0 0 3 ) ，但这个模型的缺点就是参数要求太多，数据的难获得使得模型难于 广泛应用。 此外较著名的还有，1 9 9 5 年，g r a y s o n 等提出的t h a l e s 模型，它是一个 基于矢量高程数据的分布式参数模型；t 9 9 8 年，杨大文等提出了基子山坡的和基 于1 0 1 0 k m 2 网格的大尺度分布式水文模型g b h m 模型( y a n gd ，e ta l ，1 9 9 8 ) ； 姚华夏等( 2 0 0 1 ) 提出了基于网格的集降雨空问输入估计，降雨蒸发径流过 程模拟，河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型( y a oh x ，2 0 0 1 ) ， 以及嘟l o o d 模型( k o u w e nn ，1 9 8 8 ； k o u w e nn ，e la l ，1 9 9 3 ) s l u r p 模 型( k i t e ，1 9 9 5 ) s u p r m s ( p r e c i p i t a t i o nr u n o f f m o d e l i n gs y s t e m l 模型( l e a v e s l e y s t a n n a r d ，1 9 9 0 ) ，w e p 模型，此外还有t o p m o d e l ( 半分布式) ，t o p k a p i ， s h e t r a n ，m i k es h e ( i 扫s h e 发展而来) ，d h s v m ，a r c e g m o 模型( 熊立华， 5 第一章引言 2 0 0 4 ) 等等。 国内在分布式水文模型的研究起步较晚，模型的数量和质量也不如国外，但 也取得了不少进展。 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，黄平等又建立了描述 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，并用有限元 数值方法求解模型。 张建云( 1 9 9 8 ) 等建立了参数网格化的分布式月径流模型，并应用模型进行 了华北、江淮流域的水资源动态模拟评估，取得了不错的效果。 2 0 0 0 年。李兰等提出和建立了一种分布式水文物理模型；该模型将数学物 理问题l = j 洪水预报相结合，分别给出了流域产流、河道汇流和水库演算三个动态 分布式耦合模型；可计算出参数、水文物理变量等随时间和空间分布变化的动态 过程；不仅可用来分析流域内降水径流演变规律还可进行洪水实时预报。 2 0 0 0 年，郭生练、熊立华等建立了一个基于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。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，夏军等将集总式的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( d t v g m ) 。它能够在水文资料信息不完 全或者有不确定性干扰条件下完成分布式水文模拟与分析。通过在潮白河流域的 验证，基本上能满足水资源管理的要求。 牛振国( 2 0 0 2 ) 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。 俞鑫颖、刘新任等( 2 0 0 2 ) 建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型，针对融水 雨水混合补给为主的流域，建立了基于d e m 和g i s 得网格式空间分布水文模型。 唐莉华( 2 0 0 2 ) 等提出了一个针对小流域的分布式水文模型，包括产汇流和产输 沙模型。 计算机技术和网络的发展，为水文模型分析、处理数据、结果表达、发布与 6 多源遥感数据应用十鄱阳湖流域水环境研究 推广提供了便利条件。从网上现在可以搜索到许多共享的水文模型。如： h t t p ：w w w s p a t i a l h y d r o l o g y c o m s o f l w a r e _ h y d r o s t a t h t m l ，介绍_ 很多地表和地下 水水文模型， 模型应用比较广而且比较成熟的软件有：m i k e s h e ( h t t p ：w w w s f w m d g o v o r g e x o c w m p m i k e s h e ) ：v i c ( h t t p ：w w w h y d r o w a s h i n g t o n e d u l e t t e n m a i e r m o d e l s v i c v i c h o m e h t m l ) ， t o p m o d e l ( h t t p ：e c o w i z u n i - k a s s e l d e m o d e ld b m d b t o p m o d e l h t m l ) ，s w a t ( h t t p ：w w w b r c t a m u s e d u s w a t ) ，d h s v m ( h t t p ：w w w h y d r o w a s h i n g t o n e d u l e t t e n m a i e r m o d e l s d h s v m i n d e x h t m ) ， w a t f l o o d s ( h t t p ：w w w w a t f l o o d c a ) 等。 由以上所述的水文模型的发展可以看出，计算机技术、地理信息系统技术、 遥感技术、雷达测雨技术和水文理论的进步使得分布式物理模型得以蓬勃发展。 事实上，2 0 世纪9 0 年代在分布式水文模型方面似乎没有发生太大的变化，只是模 型变得更加易于使用，结果的可视化表达得到很大改善而己。分布式水文模型是 流域水文模型的发展方向，而目前分布式水文模型发展的趋向是： i 将分布式水文模型与地理信息系统技术相结合，并依靠遥感技术为重要 数据来源，依此来揭示自然变化和人类影响下流域水循环规律，为区域的洪涝或 者干旱灾害做出准确预报( 吴险峰，2 0 0 2 ；芮孝芳， 2 0 0 4 ) 。 具体地说，g i s 在分布式水文模型中的以下几个方面发挥着重要作用：( 1 ) 空间数据管理。g i s 能够统一管理与分布式水文模型相关的大量空间数据和属性 数据，并提供数据查询、检索、更新以及维护等方面的功能；( 2 ) 提取水文特征。 如芹用地形数据计算坡度、坡向、流域划分以及河网提取等，如e s r i 提供的a r c h y d r o 模块，可以在a r c l n f o 、a r c v i e w 中直接调用；r s i 提供的r i v e tt o o l s ；( 3 ) 模型数据准备。如利用g i s 的空间分析和数据转化功能，制备分布式水文模型要 求的流域内土壤类型图、土壤深度图、植被分布图以及地下水埋深图等空间分布 性数据；( 4 ) 模型输出结果的可视化与再分析( 王书功，2 0 0 4 ) ；( 5 ) 通过a r c g i s 的二次开发语言，如a r c v i e w 中的a v e n u e ，a r c i n f o 提供的v b 接口等，将水文模 型和a r c g i s 集成，通过界面即可操作，使水文模型的使用易于推广。 遥感技术的兴起为水文学发展提供了一个新的契机，它可以提供土壤、植被、 7 第一章引言 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 获取降雨的空间变化特征、估算区域蒸发、监测土壤水分等，这些信息是确定产 汇流特性和模型参数所必需的。流域水文模拟的结果很大程度上依赖于输入数 据，而往往由于缺乏足够的、合适的数据而不能很好的描述水文过程，并且只有 获得详细的地形、地质、土壤、植被和气候资料，对大范围流域气候变化和土地 利用产生的水文影响研究才有可能。通过遥感技术，能够弥补传统监测资料的不 足，在无常规资料地区可能是唯一的数据源，大大丰富了水文模型的数据源。和 传统的数据收集方法相比，遥感技术获取数据的优点主要有：( 1 ) 直接获取或经 转换后为数字化形式，便于应用且数据是栅格形式，所以正好可以适合分布式水 文模型的要求。( 2 ) 覆盖空问范围广，可以获得区域以至全球尺度的每个点上的 数据，这是传统的野外实地水文观测所远远不能比拟的。( 3 ) 面状数据，无需要 再进行点面的转化。( 4 ) 可提供相对高分辨率的时间和空间信息。( 5 ) 可获取偏 僻的无人可及的区域资料。总之，遥感技术可以提供面状信息，两非点状信息， 可以在直接或间接测量常规手段无法测量到的水文变量和参数( 如区域土壤湿 度) ，可以提供长期、动态和连续的大范围资料，因此，在水文学上有着广泛的 前景。 然而，在实际应用中，目前遥感技术存在着尺度问题( 傅国斌等，2 0 0 1 ) ，有 些时间分辨率的遥感信息根本无法得到。目前水文科学中应用的遥感信息，大都 是数小时到月的中尺度时间分辨率。 相对6 i s ，遥感技术在分布式水文模型中的应用水平比较低。 遥感技术在水文研究和水资源管理的应用具体来说可以归纳为：( 1 ) 用原始 的遥感图像确定重要的空间水文现象，如水体特征，地下水理深，雪被覆盖面积 等；( 2 ) 用处理过的遥感数据，例如，降雨的数量和强度以及空间格局，作为水 文模型的驱动因子；( 3 ) 用多光谱数据例如植被类型和密度来定量确定地表因素、 进行土地覆盖与土地利用分类，或计算l a i 、a l b e d o 作为参数输入等；( 4 ) 根据 卫星遥感数据的直接以及基于地表能量平衡的蒸散分布；( 5 ) 应用遥感数据得到 的信息，例如土壤湿度，通过数据同化来提高模型模拟；( 6 ) 用遥感数据进行模 型验证。准确的模型模拟与诸多因素有关，例如物理过程的参数化，合适的模 型驱动输入，合适的模型参