（水文学及水资源专业论文）基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究.pdf

摘要 摘要 数字高穰模型( d e 蚴已淼分布式流域水文模型中褥到了越来越广泛盼应用，但 d e m 孛蠹鼋蠲会洼港鞠平毽区域影酶卷流域河瓣的自动提取。磊前己撬出好多方法 来处耀这两种地形，但均针对已经形成的d e m 单元朗格进行处理，络果往毪生成 糖嚣灌及平行潺道。d e m 串豹阏会浚缝饔平缝区域怒由于低质量豹资瓣输入、生 成d e m 时的内插误麓等引起的。通过增加输入地形i 搿程信息，可避兔d e m 中平 逛区域纛羯会洼建豹囊或，键模承静海裾与实际河弼能够精确攒台。实例分析表 明，该方法效果明显。 o e a l l a g h a n 器m a r k 方法爱广泛疵震静撵淑流域游霹懿方法。秀了褥到连续静 河网，方法中引入了汇水面秘阐值的概念，但对于同一流域，利用不同的汇水砸 获瓣壤穗褥爨苓嚣鹣潺弼。撵澄了一麓方法，嚣霉淫潦密霪( 或海爨密度) 菇汇 水面积阙值的关系，确定汇水面积阈值，当河源密度( 或河网密度) 趋于稳定时 怼应念理夔嚣轵溺篷。将该方法癍矮予浍渡瓣流域，褥裂了联怒戆缕祭。 地貌单位线被看作是流域上各水质点在弱相互作用下，剿达流域出口汇流时 凌懿羧搴分礤。对于一令典蘩豹出坡黧薅搭鼙元，滋滚路径奄嚣罄分疆残，箨坟 地部分和河邋部分，为了得到汇流时间，必须首先确定汇流速度。坡地和河道的 汇滚逮度隧罄嚣域位鬈囊交，并且毖然与坡度骞关，嚣建，帮蓄先诗箨淡逮数空 间分布，迸而得到汇流时间的空间分布。现行地貌单位线计算方法忽略了与坡地 漫漉麓关熬潞鼹对阕。 提出了一种汇流时间计算方法，汇流时间中包括坡地漫流时间和河道汇流时 闻。方法孛域地单元的汇漉速度与淫遴单元懿i 流速发采耀誉霹豹诗舞公式，露 时考虑流速沿河道向下游的变化。流域中每一个网格单元的汇流时间得到后，将 其看俘随极交爨，进行统诗分橱后，褥剿汇澈赋闯的频事分东_ g h 地形指数l n ( a t a nb ) 是一些以物理概念为基础的水文模型的熬要参数。 t o p m o d e l 怒以计冀l n ( a t a n ) 指数及其分衣为基础蛉。对予据格d e m ，口免上 坡区域通过单位等高线长汇集剃单元网格内的面积，反映径流在流域中任一点的 累积越势，t a n 昼为单元网格的坡度，艇映重力便径滚蹶坡移动瓣趋势。墨翦罄遽 使用的计算该嘏形指数的方法为多流向法。方法中计算a 和t a nb 用的均是与流出 单元9 5 l 格流向豢直的等赢线长。另外计算下坡单元网榛累积汇流嚣积时没有考崽 欲计算h a ( a t a np ) 值弱单元网格的面积，这些怒不合理的。计算a 值应该用与流入 单元网格流向瓣直的等商线长，据此提堪了改避质的h a ( a t a n1 3 的计算袋式。方涟 摘要 中计算下坡单元累积汇流面积时包括了欲计算i n ( a t a n i s ) 的单元网格的面积。分析 了两种方法计算结果间的差值。 多流向地形指数计算方法在实际应用时比较复杂。提出一种简单的地形指数 i n ( a t a n b ) 计算方法，该方法分别计算d e m 网格单元的口和t a n b ，对坡度为0 的 网格单元进行专门处理，然后计算每一个网格单元的i n ( a t a n b ) 。以长江上游沿渡 河流域为例，将计算的地形指数用于t o p m o d e l 进行洪水径流模拟计算，得到了 比较满意的结果。 流域地形控制着地表径流的路径和累积水量的空间分布，流域地形可以用地 形指数的空间分布来表示。地形指数可用来作为水文相似性指数，即具有相同地 形指数的各点对降雨具有相同的水文响应。t o p m o d e l 利用地形指数频率分布计 算流域径流过程因此可以认为：具有相同地形指数频率分布的流域具有水文相 似性。分析认为长江流域上游的沿渡河流域与兴山流域具有水文相似性，利用兴 山流域率定的模型参数和地形指数频率分布计算的沿渡河流域径流过程，与实测 过程拟合较好。 关键词：数字高程模型( d e d ：汇水面积闽值：t o p m o d e l ； 地形指数l n ( a t a n i s ) ；水文相似性；地貌瞬时单位线；汇流时间 i v a b s t r a c t - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ i 自_ _ _ - _ l _ - e 目_ 口_ _ l l _ _ _ - 自l i _ _ _ l i l i _ _ - l e _ _ _ _ 日_ _ i _ 目 a b s t r a c t d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) h a s b e c o m e w i d e l yu s e di nd 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 i ti sf o u n dt h a tt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fd r a i n a g en e t w o r k sf r o md i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l si sa f f e c t e db yf l a ta r e a sa n dc l o s e dd e p r e s s i o n s av a r i e t yo fm e t h o d s h a v eb e e np r o p o s e dt ot r e a tt h e s et w of e a t u r e s ，b u ti tc a nb es e e nt h a tt h ef l a ta r e b sa n d c l o s e dd e p r e s s i o n sa r ep r o c e s s e do n l ya f t e rt h e yh a v eb e e nc r e a t e d ，s ot h a tm a n y s p u r i o u sa n dp a r a l l e ld r a i n a g ec o u r s e sa r eg e n e r a t e d i t i sk n o w nt h a tf l a ta r e a sa n d c l o s e dd e p r e s s i o n so f t e na r i s eb e c a u s eo fl o wq u a l i t yi n p u td a t a , i n t e r p o l a t i o ne r r o r s d u r i n gd e mg e n e r a t i o ne ta 1 ，t h e r e f o r e ，t h e y c a nb er e m o v e db ya d d i n ge l e v a t i o n i n f o r m a t i o nt oi n p u tt o p o g r a p h i cd a t a t h ep r o p o s e da p p r o a c hc a l ll e a dt ob e r e rm a t c h b e t w e e no b s e r v e da n dm o d e l e df l o ws t r u c t u r ea n dp r o d u c em o r er e a l i s t i cr e s u l t si n a p p l i c a t i o n t h e a l g o r i t h mf o rd e l i n e a t i o no f ad r a i n a g en e t w o r kp r o p o s e db y0 c a l l a g h a na n d m a r ki sv e r yw i d e l yu s e d ad r a i n a g ea r e at h r e s h o l di su s e dt op r o d u c eac o n t i n u o u s n e t w o r k , 8 0t h a td i f f e r e n tn e t w o r ki so b t a i n e df o rv a r y i n gd r a i n a g ea r e at h r e s h o l d a m e t h o di sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h er e l a t i o nb e t w e e ns o u r c ed e n s i t y ( o rd r a i n a g ed e n s i t y ) a n dt h et h r e s h o l di su s e dt op r o d u c ea l li d e a ld r a i n a g en e t w o r k ，t h ea r e at h r e s h o l dw h e n s o u r c ed e n s i t y ( o rd r a i n a g ed e n s i t y ) s h o ws t a b i l i t yi sr e a s o n a b l e t h em e t h o di su s e di n y a n d u h ew a t e r s h e da n da g o o d r e s u l ti so b t a i n e d t h eg e o m o r p h o l o g i c a li n s t a n t a n e o u su n i t h y d r o g r a p h ( g i u - h ) i sv i e w e d a st h e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o no ft h et i m e so fa r r i v a lo fi n d i v i d u a lw a t e r d e o p l e t s a tt h e c a t c h m e n to u t l e t t h et r a v e l p a t h ，f o rat y p i c a lh i l l s l o p ec e l l ，c o n s i s t s o fah i l l s l o p e f r a c t i o n , c o r r e s p o n d i n g t oo v e r l a n df l o wa n das t r e a m f r a c t i o n ，c o r r e s p o n d i n g t o c o n c e n w a t e dc h a n n e l e df l o w t oo b t a i nt h et i m e o f t r a v e l ，v e l o c i t i e s m u s tb e d e f i n e d h i l l s l o p e a n ds t r e a mv e l o c i t i e s v a r y w i t hl o c a t i o na n dm u s tb e s t r o n g l y c o r r e l a t e dw i t hs l o p e , a n dt h e r e f o r eas p a t i a ld i s t r i b u t i o no f v e l o c i t i e sa n dh e n c eo f t r a v e l t i m e sc o u l db eo b t a i n e d t h e p r e s e n t m e t h o d so fg i u hn e g l e c t a n y t i m e d e l a y s a s s o c i a t e dw i t ho v e r l a n df l o w p a t h w a y s an e wm e t h o di s p r e s e n t e d t h et r a v e lt i m e ，i n c l u d i n gt h et i m ed e l a y sa s s o c i a t e d w i t ho v e r l a n df o l wp a t h w a y s ，i so b t a i n e d i ti s e x p e c t e dt h a tt h eh i l l s l o p ev e l o c i t ya n d t h es t r e a mv e l o c i t ya r ed i f f e r e n t ，a n dd i f f e r e n te q u a t i o ni su s e d i nt h em e t h o d ，t h ef a c t t h a tv e l o c i t yi n c r e a s e sg o i n gd o w n s t r e a mi nr i v e rs y s t e m si st a k e ni n t oa c c o u n t a f t e r v a b s t r a c t t h et r a v e lt i m eo fe a c hc e l lb e i n gc a l c u l a t e d t h ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f t h et i m e so f a r r i v a lo f i n d i v i d u a lw a t e r d r o p l e t sa tt h ec a t c h m e n to u t l e t g 吼i s o b t a i n e d t h e t o p o g r a p h i ci n d e xi n ( a t a nb ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fm a n yp h 5 r s i c a l l y b a s e dh y d r o l o g i c a lm o d e l s t o p m o d e li sb a s e do nt h ec a l c u l a t i o no fi n ( a t a nb ) i n d e xa n di t sd i s t r i b u t i o n i nt e r m so fad e m ，ai st h ec u m u l a t i v eu p s l o p ea r e a d r a i n i n gt h r o u g l lp e rc o n t o u rl e n g t ht oap i x e l ，w h i c hr e f l e c t st h et e n d e n c yo f w a t e rt o a c c u m u l a t ea ta n y p o i n ti nt h ec a t c h m e n t ，t a np i st h el o c a ls l o p e a n g l e o f t h ec e l l ，w h i c h r e f l e c t st h e t e n d e n c yf o rg r a v i t a t i o n a l f o r c e st om o v et h a tw a t e rd o w n s l i d et h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fi n ( a t a nb1i n d e xw i d e l yu s e di st h em u l t i p l ef l o wd i r e c t i o n a l g o r i t h md e v e l o p e db yq u i n n e ta 1 i tc a nb e e ns e e nt h a t ，i nt h ea l g o r i t h m ，t h ec o n t o u r l e n g t hn o r m a lt ot h ed i r e c t i o no f f l o wf l o w i n go u tt h ec u r r e n tc e l li su s e dt od e t e r m i n e b o t haa n dt a nb ，a n dt h a tt h ec a l c u l a t e dt o t a lc u m u l a t i v e c o n t r i b u t i n g a r e ao f d o w n s l i d e g r i dc e l ld o e s n o ti n c l u d et h ea r e ao f t h ec u r r e n tc e l l t h e s ea r eu n r e a s o n a b l e i ti sf o u n dt h a tt h ec o n t o u rl e n g t hu s e dt od e t e r m i n eas h o u l db et h a tn o r m a lt ot h e d i r e c t i o no f f l o we n t e d n gi n t ot h ec u r r e n tc e l l ，r a t h e rt h a nt h a tf l o wo u tt h i c u r r e n tc e l l t h ea l g o r i t h mi m p r o v e dt oc a l c u l a t et h ei n ( a t a nb ) i n d e xi sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h e a r e ao f t h ec u r r e n tc e l li si n c l u d e di nt h ec a l c u l a t e dt o t a lc u m u l a t i v ec o n t r i b u t i n ga r e ao f d o w n s l i d e g r i dc e l l t h ed i f f e r e n tb e t w e e n t h er e s u l t so f t h et w oa l g o r i t h m si sd e s c r i b e d a s i m p l ea l g o r i t h mf o rt h e c a l c u l a t i o no f t o p o g r a p h i ci n d e xi n ( a t a nb ) i s p r o p o s e d ， i nt h ea l g o r i t h m , aa n dt a n ，i se x t r a c t e ds e p a r a t e l y ，a n dt h ec e l l s ，w h i c hs l o p ei s z e r o ，a r et r e a t e ds p e c i a l l y s ot h a t i n ( a t a n ) c a i l b ec a l c u l a t e d t h e i n ( a t a n6 ) c a l c u l a t e di su s e di nt o p m o d e lt os i m u l a t e df l o o dr u n o f fi ny a n d u h ec a t c h m e n ta n d g o o d r e s u l t sa r eo b t a i n e d c a t c h m e n tt o p o g r a p h yg e n e r a l l yh a v eam a j o rc o n t r o lo v e rf l o wp a t h w a y sf o r s u r f a c ef l o wp r o c e s s e sa n da ni m p o r t a n te f f e c to np a r t t e r no f l i k e l yw a t e ra c c u m u l a t i o n i nt h ec a t c h m e n t t h et o p o g r a p h i ci n d e x ( a t a nb ) r e f l e c t st h et e n d e n c yo fw a t e rt o a c c u m u l a t ea ta n yp o i n ti nt h ec a t c h m e n ta n dt h et e n d e n c yf o rg r a v i t a t i o n a lf o r c e st o m o v et h a tw a t e rd o w n s l i p e t h ec a t c h m e n t st o p o g r a p h ym a yb es u m m a r i s e db yt h e d i s t r i b u t i o no ft h ei n d e xv a l u e s t h ei n d e xm a yb eu s e da sa ni n d e xo fh y d r o l o g i c a l s i m u l a r i t y a l lp o i n t s w i t ht h es a m ev a l u eo fi n d e xa r ea s s u m e dt o r e s p o n d i na h y d r o l o g i c a l l ys i m i l a rw a y f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f t h ei n d e xi su s e di nt o p m o d e l f o r s i m u l a t i n gh y d r o g r a p h s i tm a yb ee x p e c t e dt h a t t h ec a t c h m e n t sw i t ht h es a m e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f t h et o p o g r a p h i ci n d e xh a v eh y d r o l o g i c a ls i m u l a r i t y i tc a nb e f o u n dt h a tx i n g s h a nc a t c h m e n ta n dy a n d u h ec a t c h m e n th a v eh y d r o l o g i c a l s i m u l a r i t y t h e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o no ft h e t o p o g r a p h i c i n d e xa n de s t i m a t e dt o p m o d e l p a r a m e t e r so fx i n g s h a nc a t c h m e n ta r eu s e dt os i m u l a t et h eh y d r o g r a p h so fy a n d u h e c a t c l u n e n ta n d g o o dr e s u l t sa r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) , d r a i n a g ea r e at h r e s h o l d ，t o p m o d e l ， t o p o g r a p h i ci n d e xi n ( a t a nt 3 ) ，h y d r o l o g i c a l s i m i l a r i t y , g e o m o r p h o l o g i c a l i n s t a n t a n e o u su n i th y d r o g r a p h ( g i u h ) ，t r a v e li i m e 前言 1 上一王 月驻舌 自从有了实测降雨资料，人们就开始了对降雨径流过程计算的研究。径流形 成过程是流域对降雨在时程和空间上的再分配过程，是流域对降雨的水文响应。 降雨特性和流域下垫面特征空间分布的不均匀性，使降雨径流形成过程变得非常 复杂。由于计算能力、资料的获取以及水文学本身等各方面的原因，传统的径流 计算方法只能对降雨和流域特征进行均化。 计算机、r s 、g i s 特别是数字化技术的发展，为解决降雨以及流域下垫面空间 分布不均匀问题提供了技术支持。数字地表模型( d 1 m ) 或数字高程模型( d e m ) 能够定量地提供流域地形、地貌的空间分布特性，借助遥感技术以及不断发展并 逐渐成熟的g i s 软件系统，不僵可以解决降雨私下垫面条件空间分布不均匀问题， 而且可以自动获取流域水文模型中所需要的地形地貌特征值，如目前已有的地貌 单位线中的地貌参数，绝大部分都可以利用d e m 来自动提取。同时，利用d e m 可以直接构建能够考虑降雨和流域下垫面条件空间分布不均匀的分布式或半分布 式水文模型，目前已有许多流域水文模型直接构建在d e m 资料结构之上。利用 d e m 改进现有的流域水文模型或直接建立新的模型已成为当今水文学界研究的热 点。基于数字化平台描述水文现象和揭示水文规律是信息革命对水文学研究产生 的划时代影响。可以说，基于d e m 的分布式流域水文模型，代表着未来水文模型 的发展方向。 所利用的d e m 必须能够精确地表示流域地表的地形地貌特征，但由于在生成 d e m 时输入资料误差、内插方法以及d e m 垂直和水平分辨率等因素的影响，d e m 中常常存在一些伪地形，所以在利用d e m 之前，必须对它们进行处理。处理的目 的，不仅仅是为了得到与实际情况相吻合的河网，更重要的是得到一个能够表示 流域实际情况的d e m 。在论文中，利用国产g i s 软件( m a p g i s ) 对该问题进行 了研究。 利用径流的汇流时间研究流域汇流过程，由来已久，如等流时线方法，但由 于利用了流域平均汇流速度，限制了该方法在实际中的应用。利用格网d e m ，通 过建立汇流速度与地面坡度之间的关系可以得到具有空间分布特征的“流速场”， 进而可以得到流域各点径流到达出口断面的汇流时间。根据径流形成的“粒子学 说”，流域各点径流汇流时间的概率密度分布即为单位线。论文中就该问题进行了 详细的研究。 t o p m o d e l 自从1 9 7 9 年提出来以后，就得到了水文界的广泛关注，并被改 前言 进而适应格网型d e m ，因为一方面它能够考虑流域地形对径流形成和变化的影响， 重要的是其基于的产流机制更能符合径流形成的实际情况。模型中利用了一个能 够反映流域地形空间变化的地形指数，在模拟计算时，模型需要流域各点地形指 数的频率分布，因此，流域各点的地形指数及其频率分布是t o p m o d e l 关键的输 入资料。由于缺乏计算这两种资料的简单方法，限制了t o p m o d e l 的推广应用。 在论文中，提出了一种地形指数及其频率分布的计算方法，并用于模型中进行降 雨径流模拟计算。 本文主要创新点： ( 1 ) 提出了一种处理平坦区域和闭合洼地的方法。据平坦区域和闭合洼地( 人 为) 形成的原因，在数字化等高线时，针对有可能产生这两种地形的区域，参照 地形圈中的“蓝线”河网，增加能够反映微地形变化的数据点。方法可以消除平 坦区域和闭合洼地，生成更能反映流域实际情况的d e m 。 ( 2 ) 利用o e a l l a g h a n 和m a r k 方法提取河网时，选取不同的汇水面积阈值， 会得到不同的河网。以地貌学理论为依据，分析了汇水面积阈值与所提取河网的 河源密度( 或河网密度) 问的关系并用于确定合理的汇水面积阐值。方法可以排 除在选择汇水面积阈值时的随意性。 ( 3 ) 提出了利用流速空间分布计算单位线的方法。通过分别建立坡地和河道 流速与坡度之间的关系，得到每一个网格内的水流速度，进而求得水流在每一个 网格内的滞留时间：根据每一个网格水流到达流域出口断面的流路，求得每一个 网格的产流量到达流域出口的汇流时间，将汇流时间进行统计分析即可得到单位 线。以沿渡河流域为例进行了实例计算。提出的方法可以以分布式单位线的形式 考虑降雨空间分布不均匀问题。 ( 4 ) 通过对多流向地形指数计算方法存在问题的分析，提出了改进方法。 ( 5 ) 提出了一种简单的地形指数计算方法。首先分别计算d e m 中每一个网 格的坡度和汇水面积进而得到各网格的地形指数，然后进行统计分析得到地形 指数的频率密度分布。对于坡度为零的网格单元，提出了一种处理方法。 ( 6 ) 提出了利用地形指数( 或土壤地形指数) 研究流域水文相似性的方法。 地形指数的空间分布可以反映流域的地形特征，流域中具有相同地形指数的点对 降雨具有相同的水文响应，因此可以认为，具有相同地形指数频率密度分布的流 域具有水文相似性。以沿渡河和兴山两流域为例进行了分析计算。利用地形指数 ( 或土壤一地形指数) 研究流域水文相似性，综合考虑了流域地形、地貌、土壤 等自然因素的影响。 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。签铋：坦：堑查。7 年呷川日 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21 砬丝亟 。夕年9 月，莎日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题目的和意义 径流过程是流域对降落在其中的降雨在时程和空间上再分配的结果，是流域 对降雨的水文响应。无论是降雨特性还是流域特征，均影响到径流的形成和变化。 由于计算能力、资料的获取以及技术本身等各方面的原因，传统的降雨径流计算 方法只能对降雨和流域特征进行均化，例如假定暴雨强度空间分布均匀，不考虑 下垫面特征空间不均匀分布等。这些均化与实际情况不符合。正是这些不均匀性 使降雨径流形成过程变得非常复杂。因此在进行降雨径流计算时必须尽可能定 量地考虑这些分布不均匀性。这不仅是提高降雨径流计算精度的需要，也是探索 降雨径流形成机制的需要，具有重要的理论和实用意义。 计算机、r s 、o i s 、特别是数字化技术的发展，为解决降雨以及流域下垫面空 间分布不均匀问题提供了技术支撑。数字地表模型( d t i v i ) 或数字高程模型( d e m ) 是对地表的数学模拟，是g i s 的基本资料源之一，它能够定量地提供流域地形， 地貌的空间分布特性。利用d e m ，借助遥感技术以及不断发展并逐渐成熟的g i s 软件系统，不但可以解决降雨和下垫面条件的空间分布问题，而且可以直接获取 水文计算中所需要的流域地形地貌特征值。利用d e m ，可以克服传统的、集总式 模型存在的闷题。构建可以考虑降雨和流域下垫面条件空间分布不均匀性的分布 式或半分布式流域水文模型。本论文首先对基于d e m 提取流域水系的原理和方法 进行研究，然后借助g i s 工具对基于d e m 的分布式或半分布式流域水文模型以及 地貌单位线进行研究。 1 2 基于d e m 提取流域河阿研究的述评 1 2 1 d e m 在流域水文模型中的作用 用于模拟河川径流的流域水文模型已在水文模拟中得到了广泛的应用1 1 1 ，并逐 渐向分布式流域水文模型发展。分布式流域水文模型一方面需要具有空间分布特 征的地表参数( 如高度，地利用，不透水覆盖等) ，另一方面，为了实现对所模 拟水文变量的空间描述，还需要能够用来确定流域内排水结构的地表特征资料( 如 流向，流路，汇水面积，河网等) ，最适宜的方法即是利用g i s 工具从流域的d e m 中自动提取这些信息。目前已有许多水文模型都利用了从d e m 中提取的这些信 息，例如，o l i v e r a 和m a i d m e n t 【2 】研发的能够考虑超渗降雨空间分布的降雨径流 模型，就需要利用流向矩阵来计算各子流域上的单位线；t o p m o d e l 需要利用流 河海大学博士学位论文基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究 域内各点的流向、汇水面积来确定地形指数 3 1 ，并且很多人对在应用t o p m o d e l 时如何从d e m 中提取流向进行了研究 45 1 。c a b r a l 等提出的降雨一径流模型直接利 用了从d e m 中提取河网的方法【6 】。其它的模型象s l u r p 7 1 ，p r m s 8 j 等利用了从 d e m 中生成的子流域作为计算单元；h y d r o t e l 直接将流向矩阵、河网以及提 取的子流域作为模型的输入1 9 l 。所有这些模型以及其它模型，都不同程度地得益于 对流域排水结构自动、精确的提取【1 1 。正是因为d e m 为自动提取流域的排水结构 提供了可能，才使得其在流域水文模型中，特别是分布式流域水文模型中的作用 变得越来越大【1 0 j 。 1 2 2 河网的提取 ( 1 ) 利用“高于”的概念确认河网 利用d e m 提取流域河网，最初是通过确定谷地单元来进行的。 g r e y s u k h 1 1 1 1 ，p e u k e r 和d o u g l a s1 1 2 l 以及t o r i w a k i 和f u k u m u r a 1 3 1 均提出，首先需要确定d e m 中的单元是不是谷地单元，如果是，则可以将谷地单元连接后形成河网。确定谷 地单元时所采用的方法是依次比较某一单元与其周围相邻单元的高度，如果某些 相邻单元的高度犬于该单元的高度，则可以认为该单元为谷地单元。j o h n s t o n 和 r o s e n f e l d 1 0 1 提出通过比较某单元的南一北，东一西四个单元与其本身的高度来确 定该单元是否为谷地单元。即通过比较南北两个相邻单元的高度来确定该单元是 不是东西向谷地单元，同时通过比较东西两个相邻单元的高度来确定该单元是不 是南北向的谷地单元。c a r r o l l l 4 1 提出了类似的方法，只不过又增加了比较东北西 南两单元的和西北东南两单元的高度。m a 剐l 。b a n d 1 6 1 b u r r o u g h 1 7 1 以及d o u g l a s 1 8 1 根据p e u k e r 和d o u g l a s 的思路提出了一些类似的方法。在实际应用时可以发现【m l ， 利用这些方法确定的谷地单元往往是不连续的，而且生成的谷线与实际谷线相比 向上坡延伸太远，其根本原因是由于利用了“高于”的概念。另一方面，方法中 仅考虑了一单元周围的8 个相邻单元，所以不能很好地识别较宽广的平坦谷地。 为了解决上述问题，t r i b e p o , 1 9 】在c a r r o l 方法的基础上提出了进一步改进的方 法。在该方法中，一方面引进了地面坡度阈值的概念，另一方面不仅要考虑一个 单元周围相邻的8 个单元，同时还要考虑每一个方向更远的单元。用这种方法生 成的河网被描述为“谷底河网”，它反映了一个区域内谷地的位置和宽度。这是一 个独特新颖的、具有潜在使用价值的概念【2 0 l ，因为在水文上谷底是水聚集的地方 1 2 1 1 ，并且t r i b e f l9 加1 将谷底河网视为识别谷源的基础。 ( 2 ) 利用水流方向信息识别河网 m a 甜”j ，o c a h a g h a n 和m a r k p 2 1 经过研究发现，利用p e u k e r 和d o u g l a s 方法 生成的河网往往是不连续的，因此提出了一个能够提取连续河网的方法。该方法 2 第一章绪论 是以水流在地表沿着最大坡度方向流动为基础的。由于其水文基础明确，该方法 得到了广泛的应用1 0 2 3 书】，并且被认为是最普遍实用的方法【2 0 i 。 利用0 c a l l a g h a n 和m a r k 方法提取河网有四个步骤：首先，按坡度最大的方 向确定d e m 中每一个单元网格的水流方向。第二，确定流域边界。找出到流域出 口有径流路径的所有单元，从流域出口所在单元开始，沿着与流向相反的方向进 行。第三，提取河网。任一单元上游的汇水区域，可以利用水流方向，通过计算 汇集到该单元的所有单元的总数确定。然后选定一个集水面积闽值，凡是汇水单 元总数超过该阈值的单元都作为河网的一部分。第四利用计算的水流方向，计 算出与每一段模拟的河网网链相对应的子汇水区域。采用的方法为计算流入网链 每一个单元的所有单元总数。应该指出，这种方法是以一些假定为基础的，其中 最重要的假定是：所生成的河网是源于完全不透水和无植被区域上空问分布均匀 的降雨事件f ”1 这个假定非常重要，因为自然界地表并不是完全不透水和无植被 的，所以根据这种假定生成的河网很有可能与野外实际河网不吻合1 2 们。 0 c a l l a g h a n 和m a r k 方法不能在像海滩等平坦区域使用，因为河道只有在汇 水面积超过阙值的地方才能形成。同时该理论尽管在山区应用较好，但在较宽广 平坦的谷地往往形成许多伪河道，即出现相互平行的河道【2 0 l ，实际上这种平行河 道在野外是不存在的。另外，该方法利用了汇水面积阕值的概念，选择不同的汇 水面积阈值将得到不同的河网，因此如何确定能够提取与实际情况相吻合河网的 汇水面积阔值，将有待进一步研究。 0 c a l l a g h a n 和m a r k 方法存在的另一个问题是，只有在d e m 中的每一个单元 都确定了水流方向以后才能得到连续河网，但在以下三种情况下可能会难以客观 地确定水流的方向：具有两个或更多可能水流方向的单元；所有单元具有相 同高度的平地区域：d e m 中的闭合洼地。 y o d i 于1 9 8 4 年【蟪出了一个在d e m 中利用仿样曲线寻找高度最低值的河网 提取方法。该方法首先在d e m 中找到高度最小值，然后从该高度最小值处开始向 上坡延伸成谷线。很多研究人员都利用了y o e l i 的有关概念【1 6 , t 3 l 。 t r i b e l 2 0 1 提出的提取河网的方法解决了前述方法存在的问题：即河网河源的定 位问题以及d e m 单元水流方向的确定问题，特别是平坦区域水流方向的确定问题 和自然洼地和伪洼地( 由误差引起的) 的区分问题。确b e 还指出 e n s o n 和 d o m i n i q u e 【冽提出的方法是确定平坦区域( 包括d e m 本身的平地和将洼地填平至 出口高度所形成的平地) 单元流向最广泛使用的方法。然而，m a r t z 【3 4 1 却发现，利 用 e n s o n 和d o m i n i q u e 确定流向的方法，基于d e m 自动生成的河网，与地形图 上的“蓝线”河网相比，河长较短且弯曲程度较小。该现象在平坦区域特别明显， 3 河海大学博士学位论文基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究 t f i b e 的方法似乎不能减弱河道的裁弯取直问题，而是在加强该问题。当利用d e m 自动生成河网和计算出的坡度用于流域水文模型时，这种河道的裁弯取直问题 影响很大。所以t r i b e 提出的方法还存在着有待将来进一步解决的河源定位和平坦 区域流向确定两个重要问题p ”。 1 2 3 水流方向的确定 水流方向是d e m 为流域水文模型提供的最基本的一个信息。因为流域内各点 汇水面积的计算、河网的提取等都是以流向为基础的，因此流向确定的正确与否 直接影响到基于d e m 的流域水文模型的模拟精度。但是在d e m 中确定流向时仍 然存在一些有待解决的问题。实践中普遍使用的流向确定方法为d 8 方法【1 0 j ，但在 有些情况下该方法不能直接使用，必须涉及人为的主观因素。当有两个或更多可 供选择的方向存在时o c a l l a g h a n 和m a r k 2 2 1 以及s l ( i d i n 0 阳【3 3 l 建议主观上首选以 北方为准顺时针的那一个方向j e n s o n 和d o m i n i q u e i 捌利用了类似的方法，然而当 有两种以上水流方向可供选择时，他们利用了更好的方法来确定流向，例如当有 三种相邻的可能时，可以选择中间的一个。b e v a q u a 和f l o r i s 3 l j 则在谷线上选择使 弯曲