基于数字高程模型的历史洪水模拟

基于数字高程模型的历史洪水模拟

1流域地形空间变化对流域水文循环过程的影响传统的通用水文模型（如新安江模型）在中国洪水规划、水资源评价计划、洪水管理和网络分析等方面发挥了重要作用。但概念性水文模型基本没有考虑陆面不均匀性，水文物理过程的描述比较薄弱，不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。事实上，径流形成的过程就是水分在流域中的再分配过程（王守荣，黄荣辉等，2002）。Beven等（1988）已经证明地形的空间变化是影响流域水分空间不均匀分布的主导因素。由于流域特性存在的这种空间变异性，有必要尽可能利用流域的地形条件来改造现有水文模型的结构，这里根据地形数据DEM将流域在空间上离散为水文特性相对均一的子单元，使水文模拟更加符合实际的水文物理过程。径流形成研究的目的在于揭示径流形成过程的物理成因和规律，但由于水文现象本身的复杂，目前还不能给出严格的数学表达。笔者结合当前地理信息技术的研究成果，建立了基于自然子流域的观台以上集水区域数字水文模型。2数字水文模型的构建2.1地形地貌、高程模型观台以上集水区域地处太岳山东麓和太行山区，位于漳卫南运河流域上游，如图1所示。区内地面高程一般在海拔1000m以上，为土质丘陵区和石质山区。漳河上游支流众多，水系呈扇形分布，主要支流有清漳河与浊漳河两支。清漳河所经之地皆为石质山区，山高谷深，岩石裸露，坡陡流急；浊漳河又分北、西、南三源，均发源于太岳山区，三源上分别建有关河、后湾、漳泽3座大型水库，控制流域面积分别为1747、1296、3146km2。漳河流域面积19537km2，山区约占95%。区域的数字地形数据采用GTOPO30数字高程模型，此数据由U.S.GeologicalSurvey的“EROS”数据中心研制。该数字高程模型的空间分辨率为30s（接近1km），垂直分辨率为1m。区域数字高程模型，如图2所示。2.2数字流域识别数字高程模型（DEM）是目前用于流域地形特征提取的主要数据，通常有3种格式：栅格型、不规则三角网（TIN）和等高线，其中栅格型DEM应用较为普遍。由DEM提取流域的地形特征，包括确定单元格网的流向、汇流路径、河网间的拓扑结构、流域及子流域的边界划分等过程。目前，在DEM基础上有多种比较成熟的提取流域特征数字信息的方法（Tribe,1992）。O′Callaghan及Mark(1984）提出的基于栅格型DEM提取流域河网拓扑结构的算法得到了广泛应用（MartzL.W.,GarbrechtJ.,1992）。在自动提取地形特征的算法中平地和洼地区域水流流向的确定非常重要，这一点已被Martz和Garbrecht(1992,1998）广泛研究。生成数字流域有许多成熟软件，如由MartzL.W.、GarbrechtJ.研制的TOPAZ模型，ResearchSystemInc.(RSI）研制的基于数字高程模型（DEM）的RiverTools软件，ArcView的扩展模块HydrologicModelingV1.1。其他如WMS(WatershedModelingSystem）、SLURP和PRMS等水文模型均嵌入了数字流域识别模块，其中SLURP和PRMS模型直接采用子流域作为计算网格。笔者采用美国环境系统研究所（ESRI）的ArcViewGIS3.2生成此区域的数字流域，如图3所示。图中流域整体被划分为6大块，其中考虑到水库的蓄水作用，石梁以上区域被划分为4块，即3座水库（关河、后湾及漳泽）以上区域及水库至石梁区间的区域。此外，匡门口以上区域、石梁至三水库区间及石匡观区间又被细分为29个子流域。2.3石观区域的预报结果在数字水文模型中，流域内的3块区域（扣除三水库集水面积）分别进行径流预报，其中三水库的来水作为石梁区间的来水，石梁和匡门口区域预报的结果作为石匡观区间预报的来水。在子流域内分别建立新安江模型进行产流计算，汇流采用马斯京干法由各子流域出口分别演算至流域总的出口。与传统的泰森多边形划分子流域方法相比，数字水文模型利用地形信息改造现有水文模型的结构，将流域在空间上离散为水文特性相对均一的子单元，使水文模拟更加符合实际的水文物理过程。3流域内洪水数据分析将所建立的数字水文模型应用于观台以上集水区域的洪水模拟研究，区域内的5次历史洪水作为本次模拟的研究对象。其中，区域内29个报汛雨量站参与此次洪水模拟，蒸发资料由岳城水库的蒸发观测站提供，同时流域内的观台站、匡门口站及石梁站对同期的流量过程进行了观测，此外关河水库、后湾水库和漳泽水库管理处提供了相应的水库泄洪资料。将资料整理后输入模型并作洪水模拟研究，本次研究同时采用传统的洪水模型作洪水模拟，并将模拟结果进行比较。表1为传统水文模型与数字水文模型模拟结果的对比。从表中不难看出，两者模拟的结果相差较小，传统水文模型还略优于数字水文模型。笔者建立的数字水文模型利用了流域地形信息，但影响水文模拟精度的因素众多，比如植被、土壤类型等。因此，这里融合地形的水文模型是进一步建立能够融合植被特征、土壤类型的流域水循环一体化模拟的数字水文模型的前期研究基础。4数字水文模型的模拟精度及其影响流域径流的形成原因采用DEM处理技术生成数字流域，在此基础上建立数字水文模型，并将其与传统的水文预报模型作了应用对比。结果表明，所建立的数字水文模型显示了一定的模拟精度，