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数字流域模型框架研究及应用

刘家宏  
【摘要】:数字流域模型能够模拟全流域的降雨-径流及产沙输沙等过程,在流域防汛减灾、水量调度、水土保持等方面有重要应用。目前该研究还处于起步阶段,研究区域的范围大多局限于小流域,离全流域的综合模型尚有一段距离。本文的研究目标就是建立全流域的数字流域模型框架。 数字流域模型框架综合应用分布式流域模型的构建思路和模型库技术,将全流域整体模型分成三层,即全流域整体模型、区域分模型和单元流域模型。模型之间的横向联系和纵向联系均通过公用数据库,模型之间没有直接的数据传递。这种联系机制使各个模型之间相对独立,单个模型的变动不会影响其他模型,便于模型的修改和升级。模型构建采用面向对象的思想,将流域的物质运动过程抽象成四种基本模型:单元流域模型、河道传输模型、水库演进模型和灌区取水模型。以这四种基本模型为基础,经过模型组合,构成四种组合模型:支流区域集水模型、河道集水传输模型、水库区域汇流模型和灌区取水汇流模型。全流域整体模型即是由四种组合模型按照一定的顺序排列组合而成。本文讨论了基础模型的定义和构建方法、组合模型的组合方式和计算机制以及数据库设计等方面的问题,重点研究并建立了坡面产流产沙模型。最后,以黄河小花间流域为例,在数字流域模型框架下建立了小花间的降雨-径流模型。 小花间降雨-径流模型的率定采用洛河流域 1980 年 7 月 20 日至 1980 年 8月 20 日的实测数据进行。经过率定的模型用不同的时间步长再现了伊洛河“82.8”洪水(?t=6min/1h)和 1983 年黄河小花间的汛期径流过程(?t=1h),模拟结果和实测结果符合得较好。应用说明:增加降雨预报模块后,小花间降雨-径流模型可用于洪水预报。数字流域模型框架不仅适用于大流域,还可用于小流域水沙模拟。在小流域的应用可以在空间分辨率上大大提高模型的精度,用于黄土高原等地形破碎区的产流产沙计算。模型在岔巴沟小流域进行了应用实践,结果表明模型可以较好地模拟黄土高原多沙粗沙区小流域的产水产沙量和产水产沙过程,为黄土高原多沙粗沙区的淤地坝规划提供科学依据。


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