（水文学及水资源专业论文）集水面积阈值确定及其水文响应研究.pdf

摘要 降雨径流问题是水文学的基本问题，流域下垫面空间变异性对于流域水文 过程有着十分重要的影响。自s h e 模型问世以来，分布式水文模型逐渐成为流 域水文模拟的主要手段之一；与传统的集总式水文模型相比，分布式水文模型 具有明确的物理意义，能更明确地反映出流域下垫面的变异性。分布式水文模 型大多基于d e m ( 数字高程模型) ，通过d e m ，可以自动提取流域的地貌特征， 其中包括流域数字河网的生成。目前，流域数字河网的提取方法主要是m a r k 和o c a l l a g h a n 提出的坡面径流模拟算法，集水面积阈值作为该算法中的一个关 键性参数，用于划分流域内的河网与坡地，直接影响着生成的数字河网的精度， 从而对流域水文过程模拟产生影响。本文探讨了多种推求流域集水面积阈值的 方法，分别是：理论推导，集水面积一河道平均坡降关系曲线，河网密度， 河网宽度分布，利用分形技术。综合考虑推求阈值，避免了在集水面积阈 值取值时的主观性和随意性。本文利用s r t m 3d e m 数据，基于三水源新安江 模型构建立了一个分布式水文模型，进而研究集水面积阈值对于流域水文过程 模拟的影响。模拟结果表明，阈值对于水文过程的影响与其对数字河网的影响 有着密切的联系。不同面积大小流域对于集水面积阈值变化的敏感性也存在差 异，表现为：从流域地貌角度( 数字河网) 而言，小流域对阈值变化比大流 域更加敏感，阈值变化引起的小流域数字河网的变化更加明显；从模型角度 而言，大流域对于阈值变化引起的水文响应更加明显，这是因为大流域调蓄能 力比小流域强，大流域中河道汇流对于洪水汇流过程将发挥更大的作用；造成 这种现象的原因与模型结构也有关，不同的模型可能会得到不同的水文响应结 果。 关键词：分布式水文模型；集水面积阈值；数字高程模型：分形；s r t m 3 a b s t r a c t t h er a i n f a l l r u n o f fi s s u ei saf u n d a m e n t a lt h i n go fh y d r o l o g y s i n c ec a t c h m e n t r e s p o n s ei ss t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h ed y n a m i c so fw a t e rm o v e m e n t o nt h eh i l l s l o p e a n di nt h ec h a n n e l ，d i s t m b i t o dh y d r o l o g i c a lm o d e l w h i c hw e l lr e f l e c t st h e i n h o m o g e n e o u so fw a t e r s h e ds u r f a c ec a nl e a d t ob e n e f i t s s i n c es h e ( s y s t e m e h y d r o l o g i q u ee u r o p e e n ) m o d e lw a sf o u n d e di n1 9 7 1 ，d i s t r u b i t e dh y d r o l o g i c a l m o d e lh a sb e c o m eo n eo fp r i m a r yt o o l sf o rh y d r o l o g i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o n m o s to f 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 l sa r eb a s e do nd e m ( d i g i m le l e v a t i o nm o d e l ) ，b y w h i c hw ec a ne x t r a c td r a i n a g en e t w o r ka u t o m a t i c a l l y i nt h i sw a y , t h ec r i t i c a l c o n t r i b u t i n ga r e ai sac r i t i c a lp a r a m e t e rf o ri d e n t i f y i n gt h eh i l l s l o p ea n dc h a n n e l i t p a l y sa ni m p o r t a n tr o l eo nc o n d u c t i n gt h ep r e c i s eo ft h ed r a i n a g en e t w o r ka n d s e q u e n t l yh a si t si m p a c t so nt h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s s e s i nt h i sp a p e rw e d i s c u s s e d5 m e t h o d sf o rc r i t i c a l c o n t r i b u t i n g a r e ai d e n t i f i c a t i o n t h e r e a r e t h e o r y i d e n t i f i c a t i o n ，蓬) c o n t r i b u t i n ga r e aa n dt o p o g r a p h i cs l o p er e l a t i o n s h i p ， d r a i n a g e n e t w o r kd e n s i t y , w i d t hf u n c t i o nm e t h o d ，f r a c t a lm e t h o d w h a t sm o r e ，b y u s i n gs r t m 3d e m ，ad i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lb a s e do nx i n a n j i a n gm o d e l w a sf o u n d e d ，t h e nw ea n a l y s et h eh y d r o l o g i c a lr e s p o n s e so f c r i t i c a lc o n t r i b u t i n ga r e a t h er e s u l ts h o w st h a th y d r o l o g i c a lr e s p o n s e sa r er e l a t e dt od r a i n a g en e t w o r k c o n d u c t e db yc r i t i c a lc o n t r i b u t i n ga r e a d i f f e r e n tw a t e r s h e da r e a sm a yh a v ed i f f e r e n t r e s u l t s t h ed r a i n a g en e t w o r ko fs m a l la r e a si sm o r es e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no f c r i t i c a lc o n t r i b u t i n ga r e av a l u e i n s t e a d ，h y d r o l o g i c a lr e s p o n s e st ot h ev a r i a t i o no f c r i t i c a lc o n t r i b u t i n ga r e av a l u ea l em o r es e n s i t i v ei nl a r g ea r e a s ，i nw h i c hc a t c h m e n t r e s p o n s ei sm o r ei n f l u e n c e db yt h ed y n a m i c so fw a t e rm o v e m e n ti nt h ec h a n n e l s u c har e s u l ti sa l s or e l a t e dw i t ht h es t r u c t u r eo ft h eh y d r o l o g i c a lm o d e l ，d i f f e r e n t m o d e l sm a y a c q u i r ed i f f e r e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：d i s t r u b i t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ；c r i t i c a lc o n t r i b u t i n ga r e a ；d e m ； f r a c t a l ；s r t m 3 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傲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) ： 叠纫立空 珂年年月j 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) ：_ 二垂啦 。呷年争月 j 日 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 “水与火的结合，给人类带来文明”，人类文明进程始终与水息息相关。人 类文明最早出现于水源充足的大流域：如发源于尼罗河的古埃及文明，幼发拉 底河和底格里斯河的美索不达米亚文明，以及黄河流域的华夏文明等。然而， “水能载舟，亦能覆舟”，水不只是人类生活的重要因素，同样也具有破坏性。 形象地说，水就好比一把“双刃剑”，它既可以拯救生命，也可以夺走生命i 即 可以维持生态系统，也因为它携带的污染物和过多的营养物质而使生态系统退 化【l j o 千百年来，人类始终找寻与水和谐共存的途径。水文学是人类长期与水作 斗争，不断观测、研究水文现象及其规律性而逐步形成的一门科学1 2 1 。水文科 学的研究领域十分宽广，从大气中的水到海洋中的水，从陆地表面的水到地下 水，都是水文科学的研究对象。地球上现有约1 4 亿立方公里的水，它以液态、 固态和气态分布于地面、地下和大气中，形成河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、 积雪、地下水和大气水等水体，构成一个浩瀚的水圈。水圈中的各种水体在太 阳辐射和重力的作用下，通过不断蒸发、水气输送、凝结、降落、下渗、地面 和地下径流的往复循环过程构成水文循环。水文循环是自然界各种水体的存在 条件和相互联系的纽带，是水的各种运动、变化形式的总和，是水文科学研究 的主要对象和核心内容；而在水文循环过程中，水文现象所表现出的特点，决 定了水文科学研究的特点。 为了更好地研究水文循环，人们设计了各种各样的流域水文模型，用以模 拟流域内的水文循环过程。水文模型从出现至今，经历了一个由简单到复杂， 单一到多元，集总到分布的过程。如今，随着科学技术的飞速发展，数字化信 息革命的浪潮席卷全球，人类正大踏步迈入数字时代。数字化信息革命使世界 发生了巨大的变化，几乎所有学科领域都受到了深远的影响。水文学作为一门 有关水信息的科学，在这场革命的推动下，必将走上一条全新的数字化道路。 在当今科技高速发展的数字时代，计算机信息技术日新月异，航天遥感等描述 河海大学硕士论文集水面积阈值确定及其水文响应研究 流域下垫面空间分布信息的技术日渐完善，特别是雷达降雨等新信息源的出现 以及地理信息系统等空间分析处理工具的应用，为水文模拟技术的变革和革新 奠定了坚实的基础。 近年来，分布式流域水文模型成为研究的热点，其充分考虑了流域空间变 异性，模型具有明确的物理意义，能够更加客观科学地揭示流域内的水文循环 过程。这些分布式水文模型大多基于数字地形模型( d i g i t a lt e r r a i nm 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 ) 。借助数字高 程模型，利用数字水文技术手段可以提取流域水文模型中所需要的地形地貌特 征，其中包括流域河网和分水线两大主要地貌特征。在流域河网生成过程中， 临界集水面积( 阈值) 是一个关键性参数，其将流域坡地与河道区分开来，直 接控制着河网的密度和分布等形态特征。基于d e m 的分布式流域水文模型对 于流域水文过程的循环必然受到临界集水面积( 阈值) 的直接影响。合理的临 界集水面积( 阈值) 对于分布式模型而言是十分重要的。 1 。2 国内外研究现状 1 2 1 流域水文模型 降雨径流问题是水文学研究的一个基本问题，为了更有效地研究降雨径流 问题，流域水文模型应运而生。流域水文模型是用数学的方法去描述、重现水 支循环过程的模拟方法【射。 1 2 1 1 流域水文模型的历史 流域水文模型( 有时我们称之为降雨径流模型) 始于上世纪5 0 至6 0 年代， 得益于数字计算机技术的发展【4 】。斯坦福模型( s t a n f o r dw a t e r s h e dm o d e l ) 是这 一时期最具有代表性的模型之一，也是最早的流域水文模型之一，可以称得上 是流域水文模型鼻祖。到了7 0 至8 0 年代，一系列的数学模型得以发展，流域 水文模型进入到了“繁荣期”，出现了一大批水文模型。如由三个欧洲机构( 丹 麦、法国和英国) 于1 9 7 6 年提出的s h e ( s y s t e m eh y d r o l o g i q u ee u r o p e e n ) ，b e v e n h 和k i r b b y 于1 9 7 9 年提出的t o p m o d e l ( t o p g r a p h yb a s e dh y d r o l o g i c a l 2 第一章绪论 m o d e l ) ，由英国水文研究所的m o m s 于1 9 8 0 年开发的i h d m ( i n s t i t u t eo f h y d r o l o g yd i s t r i b u t e dm o d e l ) 等。这一时期在中国自行研制的流域水文模型中， 赵人俊教授等研制的新安江模型和陕北模型是杰出的代表【5 1 。上世纪9 0 年代后， 水文模型发展更加趋于完善，水文模型考虑的因素更加全面，分类也更加细致， 不仅包括流域内水的运动，还包括泥沙、化学物质、微生物等的运动，甚至还 包括人类活动对于这些过程的影响。例如，在美国，h e c h m s ( h y d r o l o g i c e n g i n e e r i n gc e n t e r sh y d r o l o g i cm o d e l i n gs y s t e m ) 是设计河道系统的标准模型， 其考虑了土地利用变化对于洪水的影响。n w s ( n a t i o n a lw e a t h e rs e r v i c e ) 是洪 水预报的标准模型。u s g s 的m m s 模型( m o d u l a rm o d e l i n gs y s t e m ) 则被广泛 应用于水资源管理与规划1 4 】。 1 2 1 2 流域水文模型的分类 流域水文模型按水文过程的描述划分可以分为确定性模型和不确定性模型 两大类，通常意义上讲的流域水文模型是指确定性模型。 确定性流域水文模型按照模型结构可以分为三类：系统模型( 黑箱模型) 、 物理模型( 白箱模型) 和概念性模型【6 】。 系统模型在输入与输出之间建立一种数学关系，并不具备任何物理意义。 这种模型在数据区范围内效果很好，因为它将数据之间隐含的物理意义用统计 关系表达出来了。但是用于外延预报，则该物理基础消失了，变成了纯数学表达， 所以效果较差用系统模型有线性和非线性的，时变和时不变，单输入单输出， 多输入单输出，多输入多输出等类型【6 1 ，具有代表性的有：简单线性模型( s l m ) ， 线性扰动模型( l p m ) ，神经网络模型等。 物理模型，显而易见，是一种基于物理基础的水文模型，这种模型对数据 量和计算时间有较大的要求。但是由于这种模型完全基于物理原理所以它可以 根据水文系统的变化对水文变量进行预测阴。具有代表性的如s h e 模型，i h d m 模型等 概念性模型是贪于系统模型与物理模型之间的一种水文模型，其含有较少 变量，具备一定的物理意义，常见的代表性模型有斯坦福模型( s t a n f o r d w a t e r s h e dm o d e l ) 和新安江模型等。 河海大学硕士论文集水面积阈值确定及其水文响应研究 流域水文模型按照时空尺度划分还有另外一种分类：按时间尺度划分可以 划分为短期洪水计算模型、长期水量平衡计算模型和连续计算模型三类【8 】；按 空间尺度划分可以划分为集总式模型和分布式模型两类。 集总式流域水文模型通常不考虑水文过程、输入变量、边界条件和流域几 何特征的空间变异性【8 1 把整个流域当作一个整体来考虑，对流域实行均一化 处理，模型中的水文过程采用简化的水力学方法或经验性公式表示，属于概念 性流域水文模型范畴。属于这类的典型的水文模型如新安江模型、萨克拉门托 模型、水箱模型( t a n k ) 等。 相比集总式流域水文模型，分布式流域水文模型充分考虑了水文过程、输 入变量、边界条件和流域几何特征的空间变异性，客观地反映气候和下垫面因 子的空间分布对流域降雨径流形成的影响【9 1 ，具有明确物理意义。目前代表性 的模型有： s h e 模型、i h d m 模型、s w a t 模型等。 1 2 1 3 分布式水文模型 流域下垫面因子空间分布不均匀性对流域降雨径流形成具有重要的影响。 相比较以往的集总式的水文模型而言，具有物理基础的分布式水文模型能够更 详细更准确地描述流域内的水文过程( r c f s g a r r d ，1 9 9 6 ) 。 早在2 0 世纪7 0 年代，国外就开始了分布式水文数学模型的研究【l o l ，1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表了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【l i 】，提出用更精致的方法( 水力学方法) 来模拟水在流域内的运动【6 】。 h e w l e t t 和t r o e n a l e 于1 9 7 5 年提出了森林流域的变源面积模拟模型( v s a s ) ， v s a s 模型将地下和地表径流分层模拟，在坡面上分块模拟地表径流【2 1 ，近似于 分布式模型。 类似于v s a s 的变源面积思想，b e v e n 和k i r k b y 于1 9 7 9 年提出了 t o p m o d e l ( t o p g r a p h y - b a s e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ) 模型。该模型基于动态 变源产流面积和简单的集总参数，利用d e m ( 数字高程模型) 推求地形指数 ( l n ( a t a n b ) ) ，地形指数反映了流域下垫面的空间变异性质，体现出了流域 空间变异性对于水文过程的影响，使水文模拟过程更具物理意义，模型中的参 数也具有一定的物理意义，可以通过实测资料来确定。但是该模型中包含了集 第一章绪论 总思想，并不是一个完全的分布式模型，由于其介于集总式水文模型和分布式 水文模型之间，起到一个“承上启下”的作用，因而通常被称为半分布式水文 模型。 相比半分布式水文模型，s h e ( s y s t e m eh y d r o l o g i q u ee u r o p e e n ) 模型是一 个较完备的分布式流域水文模型，也是一个最早和最具代表性的分布式水文模 型，该模型是1 9 7 6 年由三所欧洲单位( 英国水文研究所、法国s o g r e a h 咨询 公司和丹麦水力学研究所) 决定联合研制的，于1 9 8 2 年发布了第一版嘲。s h e 模型模拟过程具有明确的物理意义，除了少量过程利用一些独立实验得来的经 验关系，模型主要采用偏微分方程的差分形式来模拟水文物理过程的质量、能 量和动量守衡【6 】。在空间划分上，模型充分考虑了流域下垫面的空间变异性， 平面被划分为许多矩形网格，有利于处理参数，资料的输入；垂直面被划分为 多个水平层，便于处理不同层次的土壤水运动嗍。经过多年发展s h e 模型已经 相当完备，包括一个用户界面友好的软件包及各种程序模块。然而，由于s h e 模型对于资料以及操作人员素质要求相当高，模型的广泛应用还存在一定的困 难。 在s h e 模型出现之后，人们相继开发了一些版本的分布式模型，如美国工 程兵团的c a s 2 d 模型，该模型利用数字高程模型来描述流域地形地貌【1 2 1 。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( s o i la n d w a t e r a s s e s s m e n t t 0 0 1 ) 1 1 3 l 。最初开发模型的目的是为了大流域复 杂的土壤，植被等土地利用条件下，土地管理对于水分、泥沙和化学物质的长 期影响，模型以日为单位进行长序列计算。通过对两个非常著名的且应用广泛 的半分布式模型( a r n o 模型和t o p m o d e l 模型) 的深刻分析，人们建立了 t o p k a p i 模型i ，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。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。 相比国外，国内分布式模型的起步较晚，但也取得了一定的进展。1 9 9 5 年， 沈晓东等提出了一种在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【l5 l 等提出了流域 河晦大学硕士论文集水面积阏值确定及其水文响应研究 三维动态水文数值模型的构想，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，任立良等【1 8 1 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。也在同一年，郭生练等【i “7 】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。该模型详细描述了网络单元的截流、蒸发、下渗、地表径流、地下径流、 融雪等水文物理过程，基于数字高程模型在每个网格建立降雨径流关系。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，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( 1 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：唐莉华针对小流域的 产汇流和产沙输沙建立了分布式水文模型。 1 2 2 数字水文技术 水文学本质上是关于信息的科学，一切信息技术的革命都必将深刻地影响 水文科学与技术的发展1 2 0 】。历史上信息技术的革命已经经历了三次，分别是作 为信息载体的语言和文字的发明，作为媒体制作技术的纸张和印刷技术发发明， 以及信息传送和媒体制作技术的电子化。当今以计算机为代表的信息技术正主 导着席卷全球的新技术革命浪潮，并推动人类社会走向信息时代，这就是即以 物质为时代特征的农业文明和以能源为时代特征的工业文明之后的科技文明 【2 0 l 。比尔盖茨指出“未来十年属于数字时代，它必将带来巨大的软件应用市 场”。近十年来，数字技术正促使一切科学技术领域发生一场深刻的变革，水 文科学也正在经历着这样一场前所未有的革新【2 l 】。数字高程模型( d e m ) 数据 的普及为水文学的发展提供了一个新的数据源，基于d e m 构建的数字流域是水 文研究的基础设施，是水文研究的技术平台【2 2 】。 与传统水文相比，数字水文在空间、要素、尺度上有大幅度的拓宽。数字 水文是水文基础科学和应用技术的深层次结合。是架构水灾害防治决策支持系 统、水资源可持续管理系统和水环境保护系统的基础【2 ”。数字水文模型在产流 单元的空间划分、建模的技术手段、模型的输入、模型的输出等方面都具有明 6 第一章绪论 显优势1 2 ”。在产汇流空间划分上，传统水文模型以子流域为产流单元，而数字 水文模型充分利用遥感地理信息，以网格为单元，体现出流域下垫面的空间不 均匀性：在技术手段上，传统的水文借助手工或求积仪等工具来计算流域各特 征要素，而数字水文模型利用数字高程模型( d e m ) 借助计算机可自动完成以 上工作，大大提高了工作效率；在模型输入方面，传统模型对于应用泰森多边 形来计算面均雨量，不能充分利用岛分辨率的雨量信息，而数字水文模型可以 充分利用遥感技术所获得的雷达降雨资料，实现降雨输入与模型之间的完整结 合。同样，在模型输出方面，传统水文模型只能给出水文测站控制断面以上集 水区域面积上的各种水文要素的空间平均值，而数字水文技术在给出水文参量 和状态变量的空间分布与时间序列方面具有很大的优越性，它能给出水文要素 的空间分布场。由此可见，数字技术应用于水文学必将给水文科学带来巨大的 发展。 1 2 2 1 数字流域信息提取技术 上个世纪五十年代中期，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任米勒 ( c l m i l l e r ) 将计算机与摄影测量技术结合在一起，在成功解决道路工程的计算 机辅助设计这一特殊问题的同时，首先提出了一般性的概念：数字地面模型 ( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，缩写成d t m ) 。1 9 7 8 年d o y l e 将d t m 定义为描述地面特 征空间分布的有叙树值阵列1 2 4 1 。 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 ，缩写为d e m ) 是描述地面高程值 空间分布的一组有序数组，是通过数字地形分析技术从d e m 中得到的反映地 形特征的一系列数字组件，如坡度、坡向、高度带等，d e m 也是数字地形模型 的组件之一。数字高程模型主要有格网( g r i d ) 、不规则三角网( t i n s ) 、等值 线型等三种形式。数字高程模型已经在许多领域得到成功应用，例如在地形腐 蚀模型中的应用( k n i s e l ，1 9 8 0 ) ，在土地覆盖和土壤分类中的应用( s p e i g h t ， 1 9 7 4 ) ，在大气领域的应用( t e s c h e 和b e r g s t r o m ，1 9 7 8 ) 。 随着遥感技术发展、成熟及其与水文领域的密切结合，水文科学领域发生 了前所未有的革新，人们可以通过数字地形分析技术从各种结构中提取流域河 网和分水线两大地貌特征，因为这两大地貌特征是流域水文模型的主要参数， 7 河海大学硕士论文集水面积阈值确定及其水文响应研究 是实现流域空阃离散化的有效途径【2 5 1 。d e m 数据反映了一定分辨率的局部地 形特征，因此根据地形的局部特征，借助于一定的算法，就可以自动提取一定 地理空间范围内的自然水系。过去的二十多年里，水文学、地形地貌领域的研 究者开始对d e m 表现出极大的兴趣，做了很多研究，尤其是在数字流域河网水 系的提取和分析方面。任立良基于全球1 k i n 分辨率高程数据，利用d e d n m 提 取了长江三峡万县一宜昌区间的河网水系，结果与l ：1 0 万地形图上的水系一 致。李春红等基于辽河水系老哈河流域栅格d e m 数据，分别采用d e d n m 、 r i v e r t o o l s 、a r c v i e w 软件提取水系信息，构建数宁流域，并分析比较了三者在 凹陷区域识别、水系、子流域及其拓扑关系生成方面的差异。 基于d e m 提取流域河网的算法主要有移动窗口算法、坡面径流模拟算法和 谷线搜索算法三种【2 “。 移动窗口算法是p e u k e r 并u d o u g l a s 2 r l - y - 1 9 7 5 年提出的，算法思路是使用一 个2 x 2 的窗口对d e m 格网阵列进行扫描，对在窗口中具有最低高程值的点做 标志，窗口中除最低高程值以外的点将表示潜在的山脊线上的点。类似地，对 在窗口中具有最高高程值的点做标志，而剩余的点将表示潜在的山谷线上的点。 通过反复计算，可以提取一系列的特征点，这些点表示潜在的沟谷线( 或分水 线) 。然而，p e u k e r 和d o u g l a s 也存在不足，有时会提取出不连续河道，m a r k 和0 ，c a l l a g h a n 幽七9 】于1 9 8 4 年提出了一种能提取连续河网的新算法，即坡面径 流模拟算法。该算法以水流在地表沿着坡度最大方向流动为基础。坡面径流模 拟算法的实现分四步：确定d e m 中每一栅格单元的水流方向；计算每一栅 格单元的上游汇水面积；给定一个最小水道集水面积阀值；提取流域边界 及子流域。同一年，y o e l i1 3 0 ! 提出了谷线搜索算法。该算法的计算步骤是：首 先用一个样条曲线函数找到d e m 中的所有最低点；然后从这些高程最低点生 成谷线，每条谷线起始于这些高程最低点中没有参与生成谷线的高程最大值， 将其延伸到与其最近的高程低值点，重复这样的操作直到该谷线碰到别的谷线， 如湖泊或海洋；重复步骤直到遍历所有的高程最低点。目前，移动窗口算 法由于提取的河网存在不连续，已经很少应用，谷线搜索算法虽然能提取连续 河网，但其适用范围局限于小d e m ，且不具备水文意义【2 6 】，很难与分布式水文 模型进行耦合，所以m a r k 和o c a l l a g h a n 坡面径流模拟算法是目前比较流行的一 第一章绪论 种算法m a r k 和0 c a l l a g h a n 用f o r t r a n 语言开发了d e d n m ( d i g i t a le l e v a t i o n d r a i n a g en e t w o r km o d e l ) 程序模块。 由于d e m 格网简化了每一格网内的地势情况，d e m 高程值代表的只是格网 中心点或格网平均高程，并且受d e m 分辨率影响，所以借助d e m 生成的数字水 系往往与实际水系并不一定一致，这种情况在小尺度或平坦地区尤其明显。从 水文学角度来看，坡面径流模拟算法提取的河网在小尺度上与实际河网完全吻 合的情形几乎不存在( 3 q 。针对这个问题的解决，s a u n d e r s ( 1 9 9 9 ) 提出了“b u m i n ” 算法。其基本思路是利用已有的水系数据对数字高程数据进行处理。但这种方 法有两个主要的缺点1 2 6 】：不能处理湖泊、水库等面状水体；当河道宽度大 于1 个栅格时，容易产生平行伪河道。针对“b u m i n 河网方法的不足，t u r c o 妣【3 t l 等( 2 0 0 1 ) 提出了一种新方法。在数字河网基础上增加湖泊和水库等面状水体辅 助信息，即数字河流与湖泊网( d i g i t a lr i v e ra n dl a k en e t w o r k ，d r l n ) 信息。 d r i n 不仅用于对d e m 进行融合，而且还用于确定栅格流向。 1 2 2 。2 集水面积阚值研究进展 集水面积阈值又称临界集水面积( c r i t i c a lc o n t r i b u t i n ga r e a ) 一般定义为支 撑一条河道永久性存在所需要的最小集水面积【3 2 。3 3 1 。 m a r k 和0 c a l l a g h a n 的坡面径流模拟算法在每一栅格单元的上游汇水面积 后，给定一个临界集水面积( 集水面积阈值) 来区分坡地( h i l l s l o p e ) 和河道 ( c h a n n e l ) 。临界集水面积决定了河流的发源地。临界集水面积( 集水面积阈 值) 直接决定着生成的数字河网的密度，临界集水面积( 集水面积阈值) 太大， 得到的河网结果会比较稀疏，临界集水面积( 集水面积阈值) 偏小，得到的河 网结果会比较密集。 由于阈值的给定具有很大的随意性和主观性，并且其值的大小将直接影响 生成河网的疏密程度，长期以来，科研人员致力于尝试用各种方法来确定阈值， 取得了一定的进展。熊立华等【3 3 l 利用平均坡降与i 艋界集水面积关系曲线来确定 阈值，根据该值建立数字河网，以此为基础建立了分布式水文模型，模拟效果 不错；f r a n c e s c ag i a n n o n i l 3 4 垮利用坡地路径长度频率分布来确定阈值，与实际 较为吻合；孔凡哲等 3 5 1 根据水系河网密度来确定阈值，认为河网密度随阈值变 9 河海大学硕士论文 集水面积阈值确定及其水文响应研究 化趋于平缓时对应最合理的集水面积阙值；李丽等 划基于分形理论根据电子化 水系来确定闽值，结果礁示，利用该方法确定阈值所得到的数字水系与实际水 系在水系密度、河网形态和河网发育程度上都比较一致，利用这种法确定阈值 可以得到更高精度的数字水系。 根据d e m 来提取流域河网水系时，一般假定i 临界集水面积是一个常数， 即在流域内任何地点都相| 一【3 3 1 。事实上，临界集水面积在不同的气候带和不同 的土壤覆盖情况下取值是不同的，例如在热带雨林地区，临界集水面积取值比 较小；在干旱沙漠地区，稿界集水面积取值则比较大【朔。决定临界集水面积的 因素还有很多，比如地面坡度，土壤性质、地下水影响、地表植被等，因此在 流域内各处不一定完全相同 3 3 l 。事实上现在还无法找到一个确切的阈值来确定 永道起始点位置，因为即使在很小的流域内，每一条沟谷的阈值都可能各不相 同1 3 5 1 。v o g t ( 2 0 0 3 ) 1 3 9 1 首先根据决定河网密度大小的环境特性，如气候、土地覆 盖、地形、岩性、土壤等信息对流域内的景观地貌进行分类，然后分别提取不 同景观地貌类型的坡度一面积关系并分别确定其临界集水面积( 集水面积阈 值) ，并利用这些临界集水面积( 集水面积阈值) 提取意大利全境的河网，提 取的结果和实际的情况符合得比较好【2 6 1 。 1 3 研究框架 ( 1 ) 数字流域的提取 数字流域的提取采m a r k 和o c a l l a g h a l l 坡面径流模拟算法，利用s r t m 3 的d e m 数据，运用m & v 算法( m o r a n 和v e z i n a l 4 0 1 于1 9 9 3 年提出的一种快速填挖 算法) 进行d e m 预处理，根据d 8 法流向判断，上游集水面积计算，根据集水 面积阈值划分坡地和河道，确定河网水系，流域划分。 ( 2 ) 集水面积阈值的确定 基于数字化电子河网，对比采用五种方法来确定集水面积闽值，分别是： 理论推导，集水面积一河道平均坡降关系趣线，河网密度，河网宽度分 布，利用分形技术。 ( 3 ) 构建分布式水文模型 在提取的数字流域的基础上，基于新安江模型构建分布式水文模型，产流 第一章绪论 采用蓄满产流机制，将水源划分为地表径流，壤中流和地下径流三部分。汇流 采用“边演边合”模式，坡地汇流部分，地表径流汇流采用运动波，将圣维南 方程组连续方程离散化，运用差分形式进行模拟。壤中流和地下径流采用串联 线性水库。河道汇流采用动力波模型，将圣维南方程组离散化，运用差分形式 进行模拟。 图1 1 分布式水文模型构建流程图 ( 4 ) 集水面积阂值变化对于洪水过程模拟的影响 从对产流和汇流两方面考虑，量化考虑影响，如产流量，峰值，峰现时间 等。并研究流域大小对于集水面积阈值的敏感性。 1 4 小结 自第一个水文模型斯坦福模型( s t a n f b r dw a t e r s h e dm o d e l ) 问世到分布式 水文模型s h e ( s y s t e m eh y d r o l o g i q u ee u r o p e e n ) 模型的出现，作为具有明确物 理意义的水文模型，分布式水文模型正成为流域水文过程模拟的利器。当今以 计算机为代表的第三次信息技术革命为分布式模型的发展推波助澜，数字高程 模型( d e m ) 成为流域信息提取的“孵化器”，由数字高程模型提取的数字河 网作为水文模型的基础，直接关乎水文模拟的精度。临界集水面积( 阈值) 是 提取数字河网中的关键参数，其重要性可见一斑。 量 河拇大学硕士论文 集水面积阐值确定及其水文响应研究 第二章研究区域概况及资料数据 2 1 研究区域概况 2 1 1 地理位置 本文以淮河史河上游梅山水库集水区作为模型应用流域。史河古称决水， 为淮河支流之一。史河全民2 1 6 公里( 金寨县境内1 0 2 公里) ，支流有1 5 条， 主要支流1 1 条。流域面积6 8 8 0 平方公里( 其中在金寨县境内为2 3 6 8 平方公里) 。 史河在斑竹园区汇集竹根河、牛山河与牛食畈河，以下北汇南溪区的麻河和双 河区的双河、熊家河，东纳古碑区的白水河。史河经梅山后，至江店区又有长 江河、洪涧河和傅家河、白塔畈河和泉河三条支流注入i “1 。 图2 1 梅山水库上游集水区流域图 梅山水库是继佛子岭水库 建成后六安地区境内兴建的第 二座连拱坝大型水库。1 9 5 3 年 1 2 月，成立梅山水库工程指挥 部，1 9 5 4 年3 月动工，1 9 5 6 年 4 月除遂洞工程外，主体工程 基本完成。工程总投资9 2 6 8 万 元，做土方5 0 万立方米，石方 1 2 万立方米，混凝土3 5 2 万立方米。水库位于史河上 游，坝址在金寨县梅山镇大小 梅山之间。水库上游主要支流 有竹根河、白沙河、麻河、白 水河等l l 条山溪河流。库区 流域面积1 9 7 0 平方公里，占史 河全流域面积6 8 8 0 平方公里 的2 8 6 ，总库容2 3 3 7 亿立方米。相应洪水位1 4 0 7 7 米，防洪库容1 1 3 9 第二章研究区域概况及资料数据 亿立方米，兴利库容7 9 6 亿立方米，死库容4 0 2 亿立方米，汛期限制水位 1 2 5 2 7 米，防洪标准万年一遇。1 9 5 6 年水库竣工，当年汛期即将入库洪峰流 量5 0 1 4 立方米秒削减到4 4 0 立方米秒。1 9 6 9 年7 月1 4 日最大洪峰流量 1 3 9 7 8 立方米秒，最高水位1 3 3 3 5 米，而最大下泄流量仅1 5 6 0 立方米秒， 对于减轻库下史河沿岸洪灾和削减淮河洪峰起了重要作用。 2 1 2 地质地貌 梅山水库库区大地构造属淮阳占 陆的一部分，成陆时间较早，尤其南 部在l o 亿年前经五台吕梁运动 ( 又称皖南运动) ，就已从海底隆起 成陆；北部在6 亿年来经加里东 海西运动( 又称霍邱运动) ，脱离海 域。南北两部分的地质分界线是桐柏 磨子潭断裂带( 在金寨县内通过 图2 2 梅山水库流域三维地形图 胭脂青山一线) 。由于成陆时间 迟早不同，地层的新老也有差异，大致从南到北、从西向东，地层逐渐从老到 新。最老的为地质岩系，分布于胭脂青山一线4 ”。受地质构造作用，大别 山全面褶皱隆起，加之近代风化，侵蚀和堆积等外力作用的影响，使库区地貌 单元大体呈北东南西走向，山脉、丘陵与长条形盘地、河谷相问分布。地 f r a m p a s ：1 5 3 1 1 4 4 4 2 吼3 1 3 5 1 3 5 2 1 9t op e s ：1 1 5 9 5 3 7 5 9 9 6 3 1 6 1 3 2 5 4 1 5 2 0 蛔3 0 蛔加b 图2 3 梅山水库流域地势剖面图 ( 1 1 5 3 1e ，3 1 3 5 n ) - ( 1 1 5 8 5 e 3 1 6 1n ) 河海大学硕士论文集水面积阏值确定及其水文响应研究 势自西南向东北倾斜。 2 1 3 气象水文 整个流域属北亚热带湿润季风气候，特点是季风明显、四季分明、气候温 和、雨量充沛、春温多变、秋高气爽、梅雨显著、夏雨集中1 4 ”。流域年平均气 温为1 5 5 c ，历年值介于1 5 o 1 6 3 之间，年平均最高气温为2 0 6 ，平均 最低气温为1 1 5 c 。1 9 6 0 - 1 9 8 7 年间，冷年有1 9 6 9 、1 9 7 2 、1 9 7 6 、1 9 8 1 、1 9 8 4 、 1 9 8 5 、1 9 8 6 、1 9 8 7 计八年，暖年有1 9 6 1 、1 9 6 6 、1 9 7 8 计三年。冷暖年平均温 差相差7 2 。从气温变化来看，最冷月为1 月，平均气温2 8 ，累年极端最 低气温为2 0 1 ( 1 9 6 9 年) ；最热月为7 月，平均气温2 7 6 ，累年极端最高 气温为4 1 2 ( 1 9 6 6 年) ，年较差2 4 8 c