地形信息在汇流模型中的应用研究.pdfVIP

http :// 地形信息在汇流模型中的应用研究1 郝振纯，李 丽，王加虎 （河海大学 水资源环境学院，江苏 南京 210098 ） 摘要：回顾了单位线、概念性模型和动力学模型中对地形信息、尤其是空间分布的地形信息 （如 DEM 、DTM 等） 的应用，以及这些模型在地形信息基础上的发展和进步；总结了现有分布式水文模型中所使用的汇流方法以及分布 式汇流模型中存在的一些问题；将滞后演算法应用到分布式汇流模型中，利用从DEM 中提取的水流路径长度和坡度 计算反映洪水波平移过程的各个网格的水流平移时间、用线性水库模拟洪水波的坦化过程，建立了分布式的滞后演 算模型；最后阐明了笔者对建立具有物理基础的分布式水文模型的建议和看法。 关键词：地形信息，汇流，数字高程模型 1 引言 分布式水文模型通过将研究区域划分为大量的基本单元 （如栅格网、不规则三角网等）来考虑 各种水文响应影响因素的空间分布，并以GIS 、RS 、雷达等空间分布的信息为数据源，可以在一定 程度上解决无资料或缺资料地区的水文模拟问题。分布式水文模型以其利用多源信息的优势，可以 较为方便地用于研究下垫面变化 （包括地表覆被、人类活动等的时空变异性）对水循环过程以及水 资源的影响；以其结构的优势，便于与气候模式和中尺度数值天气预报模型耦合，进一步研究气候 变化对水资源的影响；同时，由于分布式水文模型的数据源输入多为分布式的，它可以充分考虑降 水、气温等气象影响因素的空间分布，进一步确定径流、水资源的空间分布，为水资源的管理和水 灾害的防治提供必要的信息和参考。 汇流模型是水文模型中不可或缺的一部分，它在很大程度上决定着径流在河网中的时空分布。 尤其在时间尺度比较小的模型中 （如洪水预报模型），汇流模型的模拟能力直接影响着整个模型对 洪峰出现时间和峰值大小的预测能力。随着信息技术的发展，地形信息在汇流模型中的应用逐渐由 隐含条件变为直接的数据源，由 DEM 等空间分布的地形信息计算汇流参数、设计汇流模型的研究 也逐渐增多。 空间分布的地形信息在汇流模型中的应用促进了分布式水文模型的发展，本文对汇流模型在地 形信息、尤其是空间分布的地形信息基础上的发展过程进行了简单的描述和回顾；总结了现有分布 式水文模型中常用的汇流方法；并给出了一个利用地形信息进行流域汇流演算的分布式汇流模型； 阐述了作者对汇流模型发展的见解和展望。 2 汇流模型与地形信息 重力作用是引起流域汇流的主要作用，因此地形信息向来是汇流模型的潜在影响因素。即便在 只考虑输入输出的黑箱子模型中，地形的影响也是最能引起其参数改变的因素；在以圣维南方程组 为基础的动力学模型中，地形信息更是直接被用于计算模型参数。以往由于受到信息资料的限制， 直接应用地形信息的动力学模型往往只用于河道水流演算或具有实测资料的小流域及实验流域中。 上世纪七十年代，随着地理信息技术的发展，直接将地形信息引入汇流模型的研究也得到了很大的 发展。其中取得最大发展的就是单位线模型，它成功地实现了由历史资料靠经验方法确定 （Sherman 经验单位线）到根据地形信息计算 （地貌单位线）的过渡，并取得了极为广泛的应用。 2.1 单位线 1932 年，Sherman 为解决由降落在流域上的净雨过程推求流域出口断面流量的问题，提出了单 1基金项目：国家重点基础研究发展规划项目 （G199043400 ）资助 作者简介：郝振纯（1958－），男，山西翼城人，教授，博士生导师，主要从事水文水资源研究。E-mail ：hzchun@ 1 [1] 位线的概念，他假设单位线服从倍比、叠加原理和总历时不变 。1945 年，C.O.Clark 在Sherman 经 验单位线的基础上，首先提出了瞬时单位线 （Instantaneous Unit Hydrograph ，简写为IUH）的概念， 认为它就是无穷小时段内流域上均匀分布的单位净雨所形成的流域出口处的地面径流过程线，也就