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《华中科技大学》 2006年
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基于空间信息技术的流域分布式水文模型研究

凌峰  
【摘要】: 由于地球环境变化和人类活动的影响,流域水文循环过程日趋复杂,传统的集总式水文模型已经难以满足实际工作的要求,分布式水文模型与地理信息系统、遥感和数字流域等技术相结合是解决这些新问题、新挑战的有力手段和必然途径,也是当前水文学研究的前沿和热点。在此背景之下,本文对流域分布式水文模拟理论、方法及其关键技术进行了系统的分析,特别是针对空间信息技术在分布式流域水文模拟中的关键问题进行了探讨,主要研究内容和结论如下: 利用数字高程模型(DEM)数据,通过地形分析算法提取数字河网、流域边界和相关水文参数是分布式水文模型的基础和关键。本文对DEM数据特点、获取方式进行了总结,对利用DEM数据进行数字地形分析的方法进行了回顾,在此基础之上,以清江花天河流域为例进行了流域数字河网的提取,分析了提取数字河网时最小汇流面积阈值的确定方法以及DEM空间分辨率对数字河网提取结果的影响。结果表明不同的最小汇流面积阈值会得到不同的河网,实际工作中可以根据阈值与河网密度和河网坡度之间的关系来确定;DEM分辨率对河网提取结果有较大影响,而且这种影响与地形特征密切相关。 获取流域高精度DEM数据是提高数字水文分析效果的重要环节,而空间遥感技术是获取DEM数据最有潜力的方法之一,特别是最新发布的全球免费高分辨率SRTM数据在很大程度上解决了高分辨率DEM数据获取相对困难的问题,对于水文学研究具有重要意义。本文利用地形图数据对SRTM数据质量进行了验证,结果表明SRTM具有较高的精度,但是数据中存在的无效数据区域是其在水文学领域应用的最大阻碍,而常用的融合全球低分辨率DEM数据的无效数据区域填充算法容易给填充结果带来较大误差,难以满足水文分析的要求。 为提高SRTM数据在水文分析中的应用效果,本文提出了两种SRTM无效数据区域填充方法:第一种方法是利用高分辨率ASTER数据,通过误差空间分析方法填充SRTM无效数据区域;第二种方法是基于实际河网的SRTM无效区域填充算法,该方法首先填充位于河网上的无效数据,然后再利用低分辨率DEM数据填充其它无效数据区域。试验结果表明这两种方法均好于传统融合低分辨率DEM数据的填充算法,提取的数字河网也与实际河网相吻合,可以满足后续研究的要求。 以清江上游流域为研究区域,基于TOPMODEL模型,分别利用SRTM数据和地形图DEM数据进行了流域降雨径流模拟,结果表明虽然利用两种DEM数据计算得到的流域地形指数有较大差别,但是通过模型参数率定,两者均可以获得较好的模拟效果。分析了DEM数据空间分辨率对地形指数计算的影响以及进而对TOPMODEL降雨径流模拟结果的影响,研究表明TOPMODEL模拟结果对流域地形指数分布不敏感,但是对于不同分辨率的DEM数据,率定得到的模型参数有所不同。 针对原始TOPMODEL模型应用于大流域时存在的不足,结合GIS和遥感技术,对原始模型进行改进,构建了松散耦合的分布式TOPMODEL模型。该模型通过将较大流域划分为一系列子流域,在每个子流域上应用传统TOPMODEL模型模拟降雨径流过程,然后通过河网汇流得到最终结果。同时,为进一步考虑大流域的下垫面空间变化,增加了植被截留模块,并在模型参数率定中,充分利用通过遥感技术获取的流域实际土地利用、植被和土壤数据,建立了模型参数与流域实际资料之间的关系,降低了模型参数的不确定性,模拟结果表明改进后的模型可以获得更好的模拟效果。流域下垫面条件是影响流域水文循环过程的重要因素,为分析研究区域土地利用变化对流域水文循环过程的影响,利用分布式水文模型SWAT对流域水文循环过程进行了模拟。首先介绍了SWAT模型的基本原理,然后利用TM遥感数据和FAO土壤数据进行了流域模型参数化,并且在模型参数敏感性分析的基础上,对模型进行了参数率定,结果表明,SWAT模型可以很好地应用于研究区域的日降雨径流模拟。 利用1989年与2004年的两期TM遥感数据分别获取了相应时间的流域土地利用数据,并通过SWAT模型模拟了不同土地利用方式下的流域水循环过程,结果表明与1989年相比,流域土地利用方式的改变导致流域年均径流量减小,洪峰流量有所增加。在此基础上,进一步建立了5种不同的流域土地利用情景,并利用SWAT模型分别模拟不同情景下的流域水循环过程,模拟结果表明,随着植被覆盖度的增加,流域蒸发增大,径流量减少,洪峰流量减小;而城市扩张、耕地面积的增大以及植被覆盖度的减小则会导致蒸发量的减少和洪峰流量的增大。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:P334.92

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【引证文献】
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2 李慧;SWAT模型在新疆内陆河流域水资源模拟中的应用研究[D];新疆农业大学;2010年
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【参考文献】
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【共引文献】
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7 李伟涛;王秋龙;张磊;;GIS支持下的水源汇水区非点源污染关键因子识别——以深圳市为例[J];安徽农业科学;2008年14期
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2 任秀文;姜国强;钟满妮;李开明;;SWAT模型参数敏感性分析及增江流域的应用[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集(第一卷)[C];2011年
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4 丁伟翠;范本贤;李廷栋;丁孝忠;耿树方;杨强;王振洋;;我国地质制图的SRTM DEM数据应用研究[A];全国地质制图与GIS学术论坛论文集[C];2011年
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7 杨艺红;应倩岚;;城市湿地公园水系规划浅析——以河北唐山乐亭古滦河湿地公园水系规划为例[A];转型与重构——2011中国城市规划年会论文集[C];2011年
8 张先卫;王武;;利用天气雷达测雨及其在水文中的应用[A];大气物理、云雾物理人工影响天气技术经验交流及学术研讨会论文集[C];2004年
9 赵春雷;李二杰;姚树然;;基于GIS、GPS技术的蝗虫灾害遥感监测系统[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
10 马宁;白衡;严卫;;基于Sloped Facet模型的MODIS遥感影像条带噪声去除方法研究[A];图像图形技术研究与应用2009——第四届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2009年
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1 武桂芝;大沽河河道渗漏及其对洪水演进影响研究[D];中国海洋大学;2010年
2 王雄师;讨赖河流域水资源演变及其合理配置研究[D];兰州大学;2010年
3 穆振侠;高寒山区降水垂直分布规律及融雪径流模拟研究[D];新疆农业大学;2010年
4 邓睿;多源遥感数据和GIS支持下的台风影响研究[D];浙江大学;2010年
5 沈晔娜;流域非点源污染过程动态模拟及其定量控制[D];浙江大学;2010年
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7 黄义忠;丽江市地质环境脆弱性及其对策研究[D];昆明理工大学;2010年
8 丁文荣;云南省盘龙河流域河流悬移质输移变化及其对环境变化的响应[D];昆明理工大学;2008年
9 邓湘雯;不同年龄阶段会同杉木林水文学过程定位研究[D];中南林业科技大学;2007年
10 王金叶;祁连山水源涵养林生态系统水分传输过程与机理研究[D];中南林业科技大学;2006年
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1 崔普伟;基于单元流域的黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域次暴雨产沙经验模型研究[D];华中农业大学;2010年
2 苏毅;兰陵溪小流域生态系统健康评价研究[D];华中农业大学;2010年
3 黄鹏;市级大地水准面精化的研究与应用[D];山东科技大学;2010年
4 汤传勇;基于数字流域的左江流域生态环境评价研究[D];广西师范学院;2010年
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9 梁永会;面向网格服务的SWAT模型集成体系研究[D];郑州大学;2010年
10 吴晓东;淄博市计划用水指标体系与管理制度研究[D];山东农业大学;2010年
【同被引文献】
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4 许月卿;邵晓梅;;基于GIS和RUSLE的土壤侵蚀量计算——以贵州省猫跳河流域为例[J];北京林业大学学报;2006年04期
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6 王志强;方伟华;史培军;邓运员;;EPIC农作物生长模型应用研究进展[J];北京师范大学学报(自然科学版);2008年05期
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10 黄海峰;珠三角地区环境与经济协调发展研究及GIS技术应用[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2006年
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1 林国庆;大沽河地下水库水资源可持续利用研究[D];中国海洋大学;2003年
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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7 周立;焦明连;;现代空间信息科学的崛起与数字城市[A];'2005数字江苏论坛——电子政务与地理信息技术论文专辑[C];2005年
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5 本报记者 许泳;“数字下仓”下乡[N];计算机世界;2009年
6 西安 赵德君;遥感(RS)在农业上的应用(二)[N];电子报;2009年
7 张红平 李登科;陕西遥感中心与校所合作进展快[N];中国气象报;2003年
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10 记者 冀卫平;省遥感中心跻身全国一流[N];山西日报;2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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7 史志华;基于GIS和RS的小流域景观格局变化及其土壤侵蚀响应[D];华中农业大学;2004年
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9 张荔;分布式水文模型构建及在渭河流域水环境解析中的应用研究[D];西安建筑科技大学;2010年
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3 刘敏;一种基于OpenGL三维GIS算法及研究[D];武汉理工大学;2005年
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7 赵鲁燕;基于RS和GIS的土地污染评价研究[D];河北农业大学;2005年
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