第3章流域空间构成静态模型

第三章流域空间构成—静态模型易善桢电子信箱：yisz@手机节安排1数字流域概述2数字高程模型3静态模型4动态模型5,6,7,8流域时空数据模型10流域数据获取9流域数据存储传输与处理11数字流域模拟及应用主要内容流域尺度和构成要素1.流域的地貌特征3.数字流域和数字水系4.流域水系网络拓扑2.1.1流域尺度和分类1.2流域分级1.3流域构成要素§1流域尺度和构成要素1.1

流域尺度和分类流域尺度大小和分类流域边界和分水线闭合流域坡面流：蓄满产流

坡面流：超渗产流

河道流

雷暴雨

锋面雨

壤中流

年降雨、蒸发日降雨、蒸发砂砾石含水层地下水流流域水文气象的时空尺度

气象地表水文地下水文SpaceTime流域尺度大小和分类小流域：指面积一般不超过50km²的集水单元中等流域：100-1000km²大流域：1千—1万km²特大流域：大于1万km²*

大中小流域的划分目前尚无统一的标准流域功能分类：林业流域、农业流域、城市流域流域面积长江：180万平方公里黄河：75万平方公里珠江：45万平方公里海河：31万平方公里汉江：15万平方公里新安江（钱塘江上游流域）：1万平方公里唐河（汉江子流域）：4千平方公里北京密云潮河流域面积：234平方公里长江流域降水流域边界和分水线divide流域边界和分水线divide地形等高线中的极大值称为山峰山峰的下坡方向为山脊相邻山峰之间的区域称为鞍部山峰、山脊和鞍部的连接线称为分水线地面分水线和地下分水线分水线有地面分水线和地下分水线之分。地面分水线将地面水流分开流向相邻的两条河流。地下分水线则将含水层中的地下水流分开流向相邻的两条河流。地下水流向:地下分水线闭合流域非闭合流域闭合流域watershed闭合流域非闭合流域地面分水线包围的区域称为流域。流域有闭合流域和非闭合流域之分。地面分水线与地下分水线重合的流域称为闭合流域。地面分水线与地下分水线不重合的流域称为非闭合流域。1.2流域分级RiverbasinWatershedCatchment流域分级一个流域按流域内的自然分水线可以划分成若干个子流域，每个子流域按其内部的自然分水线又可划分成一些更小的子流域，这样不断地划分下去，最后得到的不可再划分的部分就是流域基本单元，即集水区（Catchment）。WATERSHEDCatchment流域分级NHDPlusBasins:AdministrativelychosendrainageareasWatersheds:AtesselationofabasinforaparticularpurposeCatchments:Atesselationofabasinusingphysicalrules排水系统尺度表示（ScalesofRepresentationofDrainageSystems）DigitalElevationModel:arepresentationofthelandsurfaceasaspatialcontinuum河流盆地RiverBasin根据盆地出水口来确定流域（watershed）流域的主要分级RiverBasin河流盆地Watershed流域Sub-Watershed子流域Catchment集水区坡面Slope是流域的内部构成，在流速计算中与河道有区别。1.3流域空间构成要素流域水文空间要素水系网络流域坡面河道节点流域环境空间要素土壤类型土壤湿度流域社会经济空间要素土地利用/覆盖流域空间基本构成要素流域地形DEM流域

watershed给定出水口，地面分水线包围的区域，人为确定。集水区Catchment流域基本单元坡面slope流域中除水系以外的陆域部分河道Chanel/Gully(冲沟)土地利用/覆盖Landuse/Cover流域地形流域边界watershed流域是河网或河段上指定一点的上游集水区域集水区Catchment流域基本单元，形状：扇形、书形；外缘集水区，内部集水区外链集水区内链集水区集水区是流域基本单元（Catchment）集水区对应的河道河道水系集水区由坡面-河道组成流域中水系以外的陆域部分称为坡面。除平原水网地区外，一个流域的水系的水面面积约占全流域面积的10%左右，其余90%左右即为坡地。坡面Slope按坡面的几何形状，可将坡地分为倾斜面、收敛曲面和发散曲面三种类型。Slope与overland同义，overlandflow用于流域侵蚀研究。河道Channel坡面片流或面流汇集形成一维水流，具有河道或冲沟形态。与河道近义的有冲沟(Gully)，细沟（Rill）,他们用于流域侵蚀研究。河道坡面流域土地利用/覆盖土壤类型流域基础设施-建筑-防洪设施§2流域水系网络拓扑2.1概述2.2水系的网络拓扑模型2.3河段的分级和编码2.1流域水系概述水系

Network流域中河道（河流）交汇形成的树枝状或网状结构，亦称河系（Streamnetwork）。河道水系水系Network自然形成的水系多为树状结构人工开挖形成的平原水系可为网状结构交汇点水系的形态特征平行状水系的支流与干流大体成平行趋势相交汇，相应的流域形状多为扇形。羽毛状水系的支流自上游而下游，在不同的地点依次汇入干流，相应的流域形状多为狭长形。混合状水系的支流与干流的关系介于前两者之间，相应的流域形状也介于狭长和扇形之间。羽毛状水系平行状水系混合状水系水系特征与流域出口流量关系面积相同、水系形状不同，同样一场暴雨形成的流域出口断面流量过程线明显不同。平行状水系由于各支流汇集到流域出口断面的同时性强，所以产生较尖瘦的洪水过程。羽毛状水由于各支流汇集到流域出口断面的时间相互错开，所以产生较矮胖的洪水过程。混合状水系产生的洪水过程则介于以上两者之间。2.2水系的网络拓扑模型水系的拓扑学特征主要表现为水系分叉、河流分级和满足河数定律上。大量的观测资料表明，自然界的天然水系一般属于二分叉树的形状。构成要素水系Network出口源节点链水系的拓扑定义树形结构的“根”为水系的出口，且只有一个。树形结构的外沿“叶”节点为各个分支河流的源头，称为河源，简称源。两条河段的交汇点为节点。出口与相邻节点以及相邻节点之间的河段称为内链，源与相邻节点之间的河段称为外链。内链与外链统称为链。外链内链水系的拓扑结构水系组成河源节点出口SchematicNetworkStandardArcHydrodatastructureSchematicLinksSchematicNodesType1NodesandLinksforWatershedsType2NodesandLinksforStreamsType3for…..SchematicNetworkProcessesNodeprocessesRainfall-runoffandpollutantloadsonwatershedsSummingflowsorloadsonstreamsWaterqualityinwaterbodiesLinkprocessesRoutingflowsinstreamsPollutantlossesinstreams在20世纪以前，人们对水系中大小不同的河流只有定性的认识，仅将水系中的河流区分为支流和干流两级。1914年以后，地貌学界普遍主张采用序列命名的法则，即将水系中各条河流按一定的次序排列成序列，并以序号对序列中的河流逐一加以命名。河流的河段(Riverreach或segment)是面向网络拓扑和数据库的命名。2.3河段的分级和编码河段的分级和编码霍顿(Horton)分级法斯特拉勒(Strahler)分级法霍顿(Horton)分级编码法将最小的不分叉的河流称为1级河流，只接纳1级河流汇入的河流称为2级河流；只接纳1，2两级河流汇入的河流称为3级河流，其余类推，直至将水系中所有的河流命名完毕。www.HHU.EDU.cn斯特拉勒(Strahler)分级编码法定义从河源出发的河流为1级河流；同级的两条河流交汇形成的河流的级比原来增加1级；不同级的两条河流交汇形成的河流的级等于两者中较高者。11111111111122222333444Strahler分级法河段对应的集水区每一个集水区都对应一个河段（外链、内链，任何级别的河段）。集水区汇水流量作用于河段的终止点。节点与河段的拓扑关系和基数每一个节点至少连接两个上游河段。河源没有上游河段，只是外链河段的起始点。出口没有下游河段，是内链河段的终止点。每个河段有一个起始点（源或节点，如果起始点是节点，则起始节点对应两个以上上游汇入河段），有一个终止点（节点或出口）。对于河网的数据库建模，需要明确的拓扑和数量关系§3流域的地貌特征1流域面积分水线包围区域的平面投影面积称为流域面积AABC流域长度B和宽度C2流域长度和宽度从流域出口断面至分水线的最大直线距离称为流域长度，与它正交方向的分水线之间的最大直线距离称为流域宽度。格拉格(Grag)通过对许多小流域资料的分析，发现流域长度与流域面积有如下关系:3流域形状形态因子：流域面积与流域长度平方的比值圆度：流域面积与周长为流域周长的圆面积的比值伸长比：面积等于流域面积的圆的直径与流域长度的比值当A增加时，形态因子减小，这意味着对较大的流域，其形状是趋于狭长形的。4河网密度和河道维持常数单位流域面积上的河流长度称为河网密度河网密度的概念首先由霍顿于1945年引入，它表达了流域水系排水的有效性。河网密度的倒数称为河道维持常数,它的含义是为了维持单位长度的河道必须要有多少汇水面积提供径流。一般来说，随着河流级的增加，要求的给养面积也增加。5河流频度和链频度单位流域面积上的河流数目——河流频度单位面积上的链数——链频度6面积－河长曲线7高程曲线河长同相应汇水面积之间的关系曲线8流域坡度流域上两点间的高差与它们之间直线距离的比值——两点之间的坡度最小二乘法高程曲线法高程曲线包围的面积相当于以面积为权重的平均流域高差面积河长曲线包围的面积相当于以面积为权重的平均流域长度它们的比值则相当于平均流域高差与平均流域长度之比值，即平均流域坡度§4

数字流域和数字水系§4

数字流域基本要素生成4.1概述4.2水系和流域面的生成4.1概述数字高程模型为流域地形地貌参数的计算、流域水系的生成等提供基于数字化的自动处理方法。基本地形地貌参数的提取自数字高程模型出现以来，人们就对如何利用数字高程模型计算坡度和坡向进行大量的研究，提出了多种具体计算方法。流向和水系的生成4.2水系和流域面的生成水系和流域生成的流程图（1）确定格网中水流的流向一般采用D8方法。该法认为每个格网中水流有8个可能的流向，应取最大坡度方向作为格网中水流实际发生的流向。凡汇入各个方向水流的格网称为凹点，相邻格网的高程相等而无法判定水流流向的称为零点。凹点的集合称为洼地，例如实际地形中的水库、湖泊等。零点的集合称为平坦区域，例如实际地形中的平地。洼地和平坦区域的存在使得确定水流流向发生了困难。因此，在用D8方法确定水流流向时，应对原始数字高程模型进行预先处理。DEM