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基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究

孔凡哲  
【摘要】: 数字高程模型(DEM)已在分布式流域水文模型中得到了越来越广泛的应用,但 DEM中的闭合洼地和平坦区域影响着流域河网的自动提取。目前已提出好多方法 来处理这两种地形,但均针对已经形成的DEM单元网格进行处理,结果往往生成 伪河道及平行河道。DEM中的闭合洼地和平坦区域是由于低质量的资料输入、生 成DEM时的内插误差等引起的。通过增加输入地形高程信息,可避免DEM中平 坦区域和闭合洼地的生成,使模拟的河网与实际河网能够精确拟合。实例分析表 明,该方法效果明显。 O'callaghan和Mark方法是广泛应用的提取流域河网的方法。为了得到连续的 河网,方法中引入了汇水面积阈值的概念,但对于同一流域,利用不同的汇水面 积阈值将得到不同的河网。提出了一种方法,利用河源密度(或河网密度)与汇 水面积阈值的关系,确定汇水面积阈值,当河源密度(或河网密度)趋于稳定时 对应合理的面积阈值。将该方法应用于沿渡河流域,得到了理想的结果。 地貌单位线被看作是流域上各水质点在弱相互作用下,到达流域出口汇流时 间的频率分布。对于一个典型的山坡型网格单元,汇流路径由两部分组成,即坡 地部分和河道部分,为了得到汇流时间,必须首先确定汇流速度。坡地和河道的 汇流速度随着区域位置而变,并且必然与坡度有关,因此,可首先计算流速的空 间分布,进而得到汇流时间的空间分布。现行地貌单位线计算方法忽略了与坡地 漫流有关的滞留时间。 提出了一种汇流时间计算方法,汇流时间中包括坡地漫流时间和河道汇流时 间。方法中坡地单元的汇流速度与河道单元的汇流速度采用不同的计算公式,同 时考虑流速沿河道向下游的变化。流域中每一个网格单元的汇流时间得到后,将 其看作随机变量,进行统计分析后,得到汇流时间的频率分布—GIUH。 地形指数ln(α/tan β)是一些以物理概念为基础的水文模型的重要参数。 TOPMODEL是以计算ln(α/tan β)指数及其分布为基础的。对于栅格DEM,α为上 坡区域通过单位等高线长汇集到单元网格内的面积,反映径流在流域中任一点的 累积趋势,tan β为单元网格的坡度,反映重力使径流顺坡移动的趋势。目前普遍 使用的计算该地形指数的方法为多流向法。方法中计算α和tan β用的均是与流出 单元网格流向垂直的等高线长。另外计算下坡单元网格累积汇流面积时没有考虑 欲计算ln(α/tan β)值的单元网格的面积,这些是不合理的。计算α值应该用与流入 单元网格流向垂直的等高线长,据此提出了改进后的ln(α/tan β)的计算公式。方法 摘要 中计算下坡单元累积汇流面积时包括了欲计算hi(a八anp)的单元网格的面积。分析 了两种方法计算结果间的差值。 多流向地形指数计算方法在实际应用时比较复杂。提出一种简单的地形指数 in(a/t anp)计算方法,该方法分别计算DEM网格单元的a和tanp,对坡度为。的 网格单元进行专门处理,然后计算每一个网格单元的ln(a/tanp)。以长江上游沿渡 河流域为例,将计算的地形指数用于TOPMODEL进行洪水径流模拟计算,得到了 比较满意的结果。 流域地形控制着地表径流的路径和累积水量的空间分布,流域地形可以用地 形指数的空间分布来表示。地形指数可用来作为水文相似性指数,即具有相同地 形指数的各点对降雨具有相同的水文响应。TOPMODEL利用地形指数频率分布计 算流域径流过程。因此可以认为:具有相同地形指数频率分布的流域具有水文相 似性。分析认为长江流域上游的沿渡河流域与兴山流域具有水文相似性,利用兴 山流域率定的模型参数和地形指数频率分布计算的沿渡河流域径流过程,与实测 过程拟合较好。


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