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基于GIS的小流域产流计算方法研究
华中科技大学 硕士学位论文 基于GIS的小流域产流计算方法研究 姓名：郭艺歌 申请学位级别：硕士 专业：水文与水资源 指导教师：康玲
摘分布式水文模型利用地理信息系统 地形等下垫面因素要遥感等技术 考虑了流域的土壤 植被现已成为流域水文模型新的发展方向 并应用于桑园流
域本文构建了一个适用于 设计和实现了降雨量空间小流域的分布式水文模型系统框架 插值和 SCS 模型产流计算本文的主要研究成果反映在以下两个方面 1 本文通过分析桑园流域时段降雨与经度 纬度 高度等因子的内在关系 回归距 梯度距离平 并对插结合空间信息技术 离平方反比法提出了一种适用于小流域的时段降雨空间插值方法 选取泰森多边形法 距离平方反比法在试验过程中方反比法与回归距离平方反比法进行了桑园流域降雨量空间插值对比计算 值结果了进行分析 度对降雨的影响表明回归距离平方反比法比距离平方反比法能更好地反映经纬 与梯度距离平方反比法相比 因此 它保留了经纬度因子 同时剔除了代表性差的高度因子 度代表性差带来的误差既反映了经纬度对降雨的影响又减小了由于站点高2 在完成降雨量空间插值之后 作者根据小流域缺少实测资料的特点 采用 SCS 模型进行了产流计算 作者使用 GIS 技术将流域进行矢量化 得到了土地利用分布图 流域边界图等数字地图 并进行叠加 将叠加的地图转化为 GRD 得到 CN 值矩阵 传统的 CN 值提供的是一个空间均一化的下垫面空间 CN 值矩阵比 CN 值 提供了更详尽的下垫面描述 更好地反映了流域下垫面的不同 最后 作者成功的实现了基于网格的少资料地区小流域分布式水文模型的产流计算关键词产流GIS空间插值 SCS 方法II AbstractThe distributed hydrological model uses the technology of geographic information system (GIS), remote sensing (RS), at the same time it takes account of the character of the soil, vegetation, topography. Taking Sangyuan Basin as a study area, a rainfall-runoff distributed hydrological model is constructed, which can be used small catchments. The author designs and implements the computing of spatial interpolation of precipitation and the runoff production based on Soil Conservation Services SCS method.The author studies the content from two aspects as followed mostly. (1) The author analyzes the relations between hourly precipitation and longitude latitude altitude , takes Sangyuan Basin as a sample , uses the technology of spatialinformation , and raise a developed method, regressive-inverse-distance- squared (RIDS) . The author interpolates the precipitation of Sangyuan Basin using the “Thiessen polygons” method, the inverse-distance-squared (IDS)method, the gradient-plus-inversedistance-squared (GIDS) method and the RIDS method. The results indicate that the RIDS method is available. (2)After the completion of the spatial interpolation of precipitation, the author computes the effective rainfall using the SCS method. The author got the matrix of curve numbers (CN) using the technology of GIS. The matrix describes the character of the soil more elaborate than the number of “CN”. The author computes the effective rainfall of the distributed hydrological model based on grid in the small basin lacking data successfully. Keywords: runoff production, GIS, spatial interpolation, SCS methodIII 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 近我所知 除文中已标明引用的内容外 本论 文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研 究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 郭艺歌 日期 2005 年 5 月 9 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允 许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文 保密 在______年解密后适用本授权数本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 日期 郭艺歌 指导教师签名 康玲 日期 2005 年 5 月 9 日2005 年 5 月 9 日I 1 绪 论1.1 引言随着世界范围内的洪涝灾害的不断加重 国家都开展了不同程度的相关研究 一般而言 洪涝灾害日益受到各国的重视 发达国家经济发展早 许多洪涝灾害受 风险特性 演人类活动影响而发生变化的现象出现较早在洪涝灾害的成灾机制变规律的研究等方面起步较早 已取得了许多有益的进展 洪灾也是我国主要的自然灾害之一 约有 2/3 的国土面积受到洪水灾害的威胁 随着国家经济的发展 洪灾所带来洪灾的发生给国家和人们带来巨大的经济损失 的损失也逐渐增加 相结合的办法 为防止和减少洪涝灾害我国积极采取工程措施和非工程措施 洪水预报的目的是为防 尽可洪水预报是防洪最重要的非工程措施之一汛等重大决策提供依据 能地避免和减少损失使防汛部门能够根据预报及时采取相应的对策措施及时准确的洪水预报可使我们采用最有效的防洪对策措施去减小洪水损失 可靠的洪水预报可最大限度地防御或减轻洪水灾害[1] 要及时准确地 预报洪水 好的方法是至关重要的 因此 众多水文方面的学者长期致力建立更为 很多学者努力寻找水文要素变化 学者们建立了流域水文模型来 这种方法在上个世精确的预报方法 及其演变规律水文预报方法的探讨由来已久 以建立更为精确的预报方法 为此模拟降雨径流的物理过程用以根据降雨预报控制断面的流量纪 50 年代以后逐步发展起来1.2 研究背景和意义自然界的水文现象 是一个非常复杂的过程 许多因素相互作用 以探求其规律 为此 学者们通过建立水文模型近似地去模拟这些复杂现象 计算大多是针对某一个水文环节(如产流过去的水文分析 从汇流等)进行的由于计算机的出现50 年代中期起 开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究 并在 50 年 代后期提出了 流域模型 的概念 流域水文模型是一种由一系列函数关系 按流域降雨径流形成的物理过程组合起来的模拟结构1用以根据流域的降雨输入确定流 域出口断面流量过程线[2]在 1959 年出现了 Stanford 模型这时流域水文模型开始定量地分析流域出口断面流量过程线形成的全部过程 流域水文模型与常规的经验相关法比较 它们虽有共同点 但模型方法具有模拟与计算速度高的特点 它不但能提高计算精度 而且通过模型参数外延地理规律 能解决经验相关法原则上无法解决的高水外延和无资料地区的洪水计算问题 也模拟触及了水文现象的本身 域水文模型在水文计算 通过计算又对所模拟的效果进行了检验 人类活动影响的估计 同时 流因此水文预报模型的区域化和水文生态效益的评价等方面的应用十分广泛1 水文计算 径流模拟可以生成日平均流量 月径流量和年径流量 洪峰流量 及详细的洪水过程线 因此 应用流域水文模型可以展延短期河川径流系列 其效果远远优于一般常用的相关分析方法 2 水文预报 流域水文模型的应用有助于提高预报精度 计算机模拟为预报提 供了高的速度 并可进行实时预报 3 估计人类活动的影响 用流域水文模型估算流域变化后的径流情况是很有效 的 土地利用的作用可以通过适当改变模型参数将长期变化的效应模拟出来 4 模型区域化 模型参数的地区综合 模型区域化是指无资料流域根据其流 科学地研制出预示其模型参数的方法 例如综合单位线域的水文和自然地理特性法就是线性汇流模型的一种区域化方法 美国农业部水土保持局的 SCS 模型就是一 种典型的区域化的小流域设计洪水模型 5 水文生态效益的评价 水文预报 水文计算及人类活动对水文影响等流域水文模型在流量资料生成 研究中已逐步成为一个重要的研究工具流域水文模型发展到今天已有 50 多年的历史 今天 水文模型发展到了分布式 水文模型阶段 分布式水文模型与地理信息系统 遥感技术等高科技相结合是当今水文模型研究的方向 我国学者对分布式水文模型的研究起步较晚 也有 10 多年的 历史 学者们对不同尺度的水文模型进行了研究 但是研究以大尺度的流域居多小流域 顾名思义 面积比较小 通常小流域具有缺少实测资料的特点[2] 本文根据2 小流域的特点 构建了基于 GIS 的分布式水文模型系统框架 空间插值计算和净雨量计算 为进行汇流计算做好了铺垫并深入研究了降雨量 期望通过本文的研究得到一种适用于小流域的由降雨量推求净雨量的方法 特点 的精度 同时反映地形 坡度该方法能够根据时段降雨的 从而提高洪水预报植被等下垫面要素对降水的影响1.3 分布式水文模型的发展及国内外研究现状流域水文模型把流域看成为一个完整的系统 分析 根据水文要素相互联系与制约的物理规律 径流这一特殊的水文过程进行模拟 域出口断面的流量过程 目前 对系统中的水文动态作出全面的 用数学方法对流域内发生的降雨 模拟计算出流 其中有代即通过流域上的降雨过程国内外研制与应用的流域水文模型众多表性的有:世界上出现最早的流域水文模型 Stanford 模型美国国家大气海洋局河流预报中心的萨克拉门托流域预报中心水文模型(SRFCH) 日本国家防灾研究中心的水 箱模型(TANK-1, TANK-11) 美国农业部水土保持局的 SCS 模型 意大利帕维亚大 学的约束性系统模型(CLS)和我国的新安江系列模型等 由于受科学技术发展水平的制约 水文学最初只能将流域作为一个整体 由流域的平均降雨量过程和平均状态参数来推求流域出口断面的流量过程 流域水文模型虽然对水文学的发展起到了历史性的作用 相符 貌这种集总式但与实际流域的情况并不因为不仅暴雨具有随时变化的空间分布特点 流域的土壤 植被 地形 地 地质 水文地质等条件在空间上也呈不均匀分布 因此 人类活动的影响一般也是时空变化的 体来处理将这种下垫面条件本不均匀的流域硬性地作为一个空间均化的整 因此 集总式流域水文显然只能提供流域产汇流过程空间均化的结果模型的使用精度往往不能令人满意 程过于简化 概念的引入 水文模型这种集总式水文模型结构对流域产汇流物理过 随着 系统不能反映输入的分散性与输出的集中性这一实际情况 电子计算机的应用和日益增加的水资源的利用为了寻找精度较高的 分布式水学者们又在集总式水文模型的基础上建立了分布式水文模型文模型是指模型结构中各水文要素具有空间的分布特性和随时间变化的动态特性3 它具有以下特色具有物理基础描述水文循环的时空变化过程由于其分布 将流域式特点 能够与 GCM 嵌套 研究自然变化和气候变化对水文循环的影响 按照下垫面要素进行分类 程的影响[3] 分布式水文模型的研究起始于 1969 年 Freeze 和 Harmar 发表的较好地模拟出人类活动影响或下垫面因子对降雨径流过一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图 的文章[4] 继 Freeze 之后 Hewlett 和 Troenale 在 1975 年根据流域中河道径流的来源 河流两旁饱和区域中的壤中流 直接降落在 流域饱和区域上的降水以及在不透水面积上的霍顿坡面流 面积模拟模型(VSAS) 在该模型中 提出了森林流域的变源 而坡面上的地表径对地下径流进行分层模拟流则分块模拟[5] 之后 水文学家和地貌学家发现 流域的产汇流过程除了受控于降 雨特性外 与流域下垫面特性也有明显的因果关系 80 年代之后 分布式流域水文模型开始有了很大发展 80 年代开始学者们逐渐重视地理要素的空间异质性对水文过程的影响 90 年代以后 计算机技术 GIS 技术 RS 技术 信息技术和通讯技 术开始迅猛发展 地理信息系统能够分析 处理大量地理数据 功能十分强大 具有采集 处理 传输 存储 管理 查询检索 分析 表达和应用地理信息等功能 所以 人们很自然地将地理信息系统(GIS)与分布式水文模型相结合 希望能够尽可能真实地反映流域产汇流过程的空间变化[6] 这时 分布式水文模型被称作数字水文 模型 国外方面 1995 年 Grayson 等提出了 THAIES 模型 它是一个基于矢量高程数据的分布式参数模型 Huaxia Yao 等(1998 年 1999 年 2001 年) 提出了基于网 格的集降雨空间输入估计 降雨 蒸发 径流过程模拟 河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型[7] Dawen Yang 等(2000 年 2002 年)提出了基于山坡 的和基于 10km 网格的大尺度分布式水文模型[8] 在国内方面 分布式水文模型发展相对比较缓慢 2001 年 穆宏强等建立了分布式流域水文生态模型的理论框架[9]2002 年 俞鑫颖,刘新仁提出了分布式冰雪融水雨水混合水文模型[10] 吕爱锋等对基于 DEM 的流域水系的分维估算方法进行了研 究[11] 2003 年 夏军等建立了分布式时变增益水循环模型[12] 郝芳华等对分布式水4 文模型亚流域合理划分水平进行研究 并初步得出了 存在一定的亚流域划分水平 当超过此水平时模型模拟结果对亚流域划分变化的敏感性较低 的结论[13]1.4 本文的主要内容分布式流域水文模型有望尽可能真实地模拟流域产汇流过程的空间变化 成为当今全球水文研究的前沿课题 究 但研究以大流域居多 故已目前国内对于分布式水文模型有一定程度的研 因此本文这次研究的重点是小对于小流域的研究较少流域降雨径流分布式水文模型的构建 本文基于 GIS 技术研究了适用于小流域的分布式水文模型具有重要的理论意义 和应用价值 本文共分五章 第一章 介绍了课题的研究背景 意义 第二章 介绍了典型流域概况 选用划分为网格的流域离散化方法 国内外研究概况和本文的主要内容然后构建了典型流域分布式水文模型实现方案 在网格内采用概念性模型来推求净雨第三章 分析时段降雨与经度 纬度 高度等因子的内在关系 结合空间信息技 术 提出了一种适用于小流域的时段降雨空间插值方法 回归距离平方反比法并与泰森多边形法距离平方反比法 梯度距离平方反比法进行了对比分析第四章 根据小流域缺少实测资料的特点 采用 SCS 模型进行了产流计算 在计 算过程中 使用 GIS 技术得到 CN 值矩阵 实现了基于网格的少资料地区小流域分 布式水文模型的产流计算 第五章 全文总结5 2 分布式水文模型的构建2.1 典型流域介绍２．１．１ 流域概况 本文选取桑园流域为典型流域 于太姥山柘荣县 流域内多山 速大 流经柘荣 福鼎 流域内主要河流赤溪是独立出海的河流 霞浦三县 于牙城乡流入牙城湾 发源汇入东海 水流属亚热带海洋性气候气候温和湿润河道上游部分坡度较陡 水面也逐渐变宽下游流经福鼎九鲤村后河道坡度逐渐降低河流流速变慢 河道平均比降 8.1 以上流域面积为 382km2 流域植被保存较好 森林覆盖率 30%具有较好的水土保持条件 桑园水库位于潘溪镇桑园村下游约 5 公里处 坝址以上流域面积 142 km2 河道比降 20.6河道长度 20.6 公里 桑园流域最低点高程 250 米 最高点高程 1200 米图 2-1 ２．１．２ 流域观测站的介绍 桑园流域内有三个雨量站桑园流域三维地形图石山仙蒲6坝头三个站点在流域内的分布情况 如图 2-2 所示 雨量站站点高程分别为 451.4 米 425 米 260 米 三个站点高程分 布偏低图 2-2桑园流域站点水系图 降雨有以下特点 日最大暴雨量达 409.9mm 9 月降雨量约占由于流域属亚热带海洋性气候 1 雨量充沛多年平均降雨量达 1900mm2 暴雨年内变化比较大 显著的特点是冬春少 夏秋多 4 全年降雨量的 74 3 大雨 暴雨多 而且比较集中 4 暴雨 ,极端最高气温 38.9 相对湿度 79 极端最低气温-4.3 9 月降雨比较多同时以 78 月份降雨为最 8 月份常出现大雨 流域年平均气温 18.5 1.6m/s 最大风俗 34m/s年平均风俗水面蒸发量 1270mm 土地利用方式在流域内存在桑园流域实测资料缺乏降雨量时空分布不均匀较大差异 如果采用传统的概念性水文模型 由于实测资料不足模型参数难以辨识7 而分布式水文模型可以对上述弊端进行弥补 因此 文模型进行产汇流计算决定采用基于 GIS 的分布式水2.2 构建分布式水文模型的核心技术构建分布式水文模型的核心技术主要包括流域的离散化 流机制确定和应用于实际流域的有效模拟算法实现[14] ２．２．１ 流域的离散 流域的下垫面特性在全流域内可能会有很大变化 性 为了尽可能真实地模拟流域的产汇流过程 同时气象因素具有空间变异 空间参数确定 产汇分布式水文模型通常按照将流域离 基于 DEM 的流域离散散成若干子单元(子单元也可进一步细分)的方式进行 目前 化方法主要有 3 种 １ 网格 山坡和子流域基于网格的划分 是分布式水基于栅格 DEM 将研究区域(或流域)划分为若干个大小相同的矩形网格 文模型比较常见的做法 网格尺度的大小由以下两个条件决定:1 必须能够反映或表达流域内降雨 土壤类型和土地利用等特性的空间差异 分布式水文模型的一个优势就是将流域按照下垫面要素进行分类 降雨径流过程 因此利用分布式水文模型进行径流模拟 较好地模拟网格的尺寸必须能够反映下垫面特性的空间差异 2 模型计算具有一定的可操作性[15] 网格尺度取得越小模拟地越精确 网格越小 越能够精确地表达下理论上讲垫面地形 土地利用等特性 但实际上做不到 因为网格取得越小 信息量就越大 使得模型的计算量迅速增大 来很大不便 网格取得越小 误差可能出现几何级数的递增 下垫面特性就越复杂 因此 同时给模型的计算带 最终可资料情况也越难获取能导致模型因为缺乏足够参数而无法操作 性在网格的划分上带有一定的经验应该结合模型的尺度和建模的目的来进行划分 划分方法视研究区的不同 又可细分为两类 一类是对于较小的实验场或小流域(如 几百平方公里以内) 直接用 DEM 网格划分 每个网格的大小一般为 30m8 30m 50m50m 等 另一类是针对几十万到几百万平方公里的大流域 如一些大尺 1km 或更大的网格度的分布式水文模型 通常将研究区划分为 1km ２ 基于山坡的划分 这种划分方法的最小计算单元是一个矩形坡面是分布式水文模型中又一种常用方法 要进行基于山坡的划分 首先需要根据 DEM 进行河网和子流域的提取 可 以使用 RiverTools 等软件实现 也可以编程序提取 然后 基于等流时线的概念 围绕河道划分出若干个 之后 以矩形坡面为将每个子流域分为若干条汇流网带 矩形坡面 至此在每一个汇流网带上就将流域划分为基于山坡的若干矩形坡面 进行计算单元 根据山坡水文学原理建立单元水文模型 ３ 基于子流域的划分 子流域划分主要有三种方法 单元法和水文相似单元法代表性单元面积法分组响应单元法聚集模拟基于 DEM 能够自动 快速地进行河网的提取和子流域的划分 将研究流域按自 然子流域的形状进行分块 干流河道相联结 划分为下垫面特征相对均匀的子流域 这些子流域再与把子流域作为分布式水文模型的计算单元其最大好处是单元内 从和单元之间的水文过程十分清晰而且单元水文模型很容易引进传统水文模型而简化计算 缩短模型开发时间 当然子流域还可以根据需要进行第二级的划分 水文单元划分不局限上述 3 种情况 结合等[14] 无论采用何种划分方式 空间均匀分布[16] 本文采用基于网格的划分方法 ２．２．２ 空间参数的确定 分布式流域水文模型中所包含的参数在空间分布上一般是不均匀的 每一个单元面积的产汇流参数一般是不相同的 也就是说 网格大小为 20m 20m 均认为 任一单元面积的降雨输入和下垫面条件都呈 也可以是它们的组合 如子流域和网格相传统集总式水文模型的参数一般是 与传统集总式水通过实测资料或者经验确定或者是对历史系列数据进行优化率定9 文模型不同 数集 限制分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面和气象要素空间变化的 而且 受测量技术的 例如 传统由于每一个单元面积不可能都具有实测水文气象资料所需的足够历史系列数据也难以满足分布式水文模型的要求的降雨数据为雨量站点的观测数据 数据而分布式水文模型要求得到降雨量的空间分布 这样 单元面积上的产汇流问题就转 同时 分布式水文模型的传统的数据是无法满足这个要求的变成缺乏水文气象资料情况下如何推求模型参数的问题 参数应尽量具有明确的物理含义 和计算[14] 分布式水文模型的空间参数包括 等的空间分布数据和地形指数等 输入数据 气温 降雨量以便利用容易得到的流域空间分布信息进行确定气温辐射土壤特性降雨量辐射等气象要素可以通过构建空间插值模型得到 土壤 植被等空间分布数据可以通过遥感资料或者数字地图得到 本文中分布式水文模型参数值随空间变化 类计算 ２．２．３ 流域的产流机制 SCS 模型由美国农业部水土保持局 Soil Conservation Services 提出 具有所需 资料简单易取 能反映不同土壤类型 不同土地利用方式及前期土壤含水量对降雨 尤其适用于缺乏资料的小流域净雨量计 参数值的大小根据空间信息进行分径流的影响的特点[17]由于所需资料较少算 该部分将在第四章详细介绍 ２．２．４ 流域的汇流机制 流域汇流是指降落在流域上的雨水 从各处向流域出口断面汇集的过程[2] 本模 型采用的方法是等流时线法 确定流域等流时线的传统方法是在地图上进行人工勾绘 一般仅取流域的平均流速 这就意味着假设流速在整个流域上均匀分布 然而 对于实际的降雨 径流过程 流速在整个流域上的分布是不均匀的 流速通常随流量的大小沿程发生变化 着十分重要的作用 近年来流域地形坡度和降雨的时空分布对汇流速度的变化都起 遥感和 GIS 技术的发展为流域分布式模拟的研究提供了有效的技术手段 而从当前应用数字地形分析技术获取流域等流时线的研究来看10 大多只考虑了地形地貌因素对径流流速的影响而综合考虑降雨和地形因素的研究相对较少 本模型利用数字地形分析技术从 DEM 数据中提取流域数字河网以及地形 地貌等空间特征 机制 综合考虑地形和降雨因素 推求流域等流时线 以反映流域汇流2.3 分布式水文模型的构建方案分布式水文模型结构与参数的确定 一方面取决于建模目的或模型的用途 面向洪水预报和面向水资源管理的模型在结构与参数上 异性 另一方面取决于建模方式与流域离散化方法[14] 分布式水文模型虽然有不同的建模目的和方式在时空尺度上具有很大的差可以采用不同的流域离散化方法 但模型的基本结构却大同小异 基于 DEM 的分布式水文模型在结构上一般分为 三大部分 1 分布式输入模块 该模块用于处理流域空间分布信息 为水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息 也是同 RS 和 GIS 相连的接口部分 一般地 降水 气温和辐射等分布 信息主要通过空间插值模型来获得 有关土壤和植被的分布数据采用遥感技术和 GIS 技术获得 由于桑园流域是一个少资料的小流域 缺少气温 降水 辐射等资料 植被 因此桑园流域分布式水文模型的分布式输入数据主要包括 入 目前 降水信息采用空间插值模型来获得 同时土壤数据的输 有关土由于缺少遥感资料壤和植被的分布数据采用 GIS 技术通过 ArcInfo 软件矢量化获得 2 单元水文模型 是坡面产汇流计算的核心部分 通常 有两种途径 第一种 是数学方法 基于网格单元建立水力学模型 采用简化的圣维南方程组进行网格单元汇流计算 第二种分布式水文模型在单元网格内采用水文学方法建立概念性模型 产流计算可以采用经验方法或下渗公式 貌学方法[18] 汇流计算一般采用等流时线 蒸发等资料 单位线或地由于桑园流域缺少实测流量资料因此采用了所需参数较少的 SCS 模型进行净雨量计算 在单元网格内采用 SCS 模型进行净雨量计算 汇 流计算采用等流时线法11 3 河网汇流模型 传统的河道洪水演算以马斯京根方法为代表 其计算过程比 较简便 精度较高 在实际洪水演算中应用得最为广泛 芮孝芳等利用运动波数值 由于桑园扩散模拟扩散波物理扩散的概念 流域缺少实测流量资料导出了具有预见期的洪水演算方法[14]因此该流域的分布式水文模型忽略了该部分 2-1 所示桑园流域分布式水文模型结构框图如图图 2-1 桑园流域分布式水文模型结构框图12 3 降水分布模型的设计与实现在水文模型研究中 降雨量作为模型的主要输入数据 直接影响径流量的大小 为了反映降水的空间分布对流域径流的影响 程 原因 利用分布式水文模型模拟降雨径流过 然而 由于各种采用网格化的降雨数据来更好表达降雨连续分布的空间特征 我国目前雨量站点的数量相对较少且分布不均匀 网格点 的数据 因此需要利用有限的雨量站数据通过空间插值计算未知点3.1 空间插值及其研究现状需要进行空间插值的各种气象要素离散地分布于地理空间中 特性是反映要素的空间分布规律 特性 它是空间插值研究的理论基础 也称空间变异性 地理空间的一般 地理空间的一般 空间相关目前已经知道的有空间异质性与空间相关性性是指气象要素在空间分布上彼此之间存在一定的联系 它是空间插值研究的基础 缺乏这种相关性 然结果 空间插值就失去了意义 地理空间的相关性是空间相互作用的必 空间异相关与空间综合起来它包括 3 个方面即气象要素的空间自相关秩相关[19] 空间自相关指气象要素与自身空间分布上的相关性 Tobler 定理 Tobler's Law of Geography 间分布上的相关 所揭示的就是空间自相关 空间异相关是指不同气象要素在空 指气象要素间在空而空间秩相关可看成空间异相关的一种特例间分布上表现为序列相关[19] 它是空间插值研究的隐含前提空间异质性是指气象要素在空间分布上是不均匀的空间相关性是现有空间插值研究的基本假设前提根据空间相关性的不同可以将空间插值模型大致分为空间自相关前提下的空间自相关模型与空间异相关前提 下的空间异相关模型 空间自相关模型可以通过引入协变量来兼顾到空间异相关性 空间异相关模型同样也不能完全抛开空间自相关性 研究 空间自相关模型的假设前提服从于 Tobler 定理 点比距离较远的点其特征值具有更大的相似性13[20,21]空间秩相关性目前学者们较少该定理认为空间上距离较近的 现有插值方法中的距离平方反 比法克里格方法等都可以看成这类模型方法其特点是只根据插值要素自身的空 而不包含间分布特征拟合生成函数方程 其它地理要素方程中只包含自身的特征值和地理位置而空间异相关模型则在空间自相关假设基础上进一步假设多种地理要素的空间分布具有内在关联性 间分布由一种要素的空间分布可以推测其它要素的空空间异相关模型多采用多元回归的形式[22] 本质上是通过空间建模生成充分逼近要素空间 其插值精度取决于对要素空自然地理要素的空间插值研究 分布特征的函数方程该函数方程可有多种模型形式间变异性与空间相关性的反映 现在 插值方法有很多 诸如 泰森多边形法 线性空间插值法[23] 距离平方反比法 克里金法 梯度距离反比平方法 Gradient plus inverse distance squared ,GIDS[24]PRISM 法(Parameter-elevation Regression on Indepent Slopes Model) [25]等 泰森多 但容易生成专题与专题之间明显的边界 线性空间插值法精度较边形法最为简单 低模型与实际降水空间分布差别较大克里格法由南非地质学家 Krige 提出,其实质是最佳线性无偏估计,应用广泛 但该方法无论是变程的确定 半变异模型的拟合, 还是邻域的选取,均耗时费力,且有较强的主观性 距离平方反比法由美国国家气象局 于 1972 年提出 其算法较为简单,应用也很广泛 结果优于克里格法 当数据不存在各向异性时,其插值 算法简单 反之 应用广泛 则较低[26] 不可能有 将多 当梯度距离反比平方法物理意义明确气象要素与海拔高程和经纬度相关性较强时 其插值精度较高 众多学者研究表明由于地理空间的异质特性以及尺度效应的存在一个唯一确定的通用性的满足精度要求的空间插值模型 种方法 不包括引入高程变量的多元回归方法Roberson 研究发现应用于全球温度的插值时交叉检验所反映的结果精度几乎相同 的影响[27]说明空间尺度越大越会弱化模型算法对插值精度空间插值模型的理论基础影响空间插值结果的精度 在空间分布上的关联性 当由于考虑了地理要素之间 回归要素选择得同时兼顾到要素分布自身的自相关特性空间异相关模型可以很好地反映空间变异性与相关性一般能够得到精度较高的插值结果14 就空间自相关模型而言如果其算法中引入其它地理要素作为协变量 如果不引入协变量其插值 则插值精度上的优势依赖于该要素与插值要素间的相关程度结果精度与模型算法中是否考虑要素分布的各向同性或各向异性有关 性与自相关特性考虑越全面 插值结果的精度越高对空间变异时空尺度通过影响空间分布的变异性与相关性以及站点数据属性影响插值精 度 站点数据的特性 的精度 空间变异性 包括站点样本容量 站点样本的位置 空间密度 测量数据样本的取值范围等都会影响插值结果的精度在进行地理要 在此基础上选择素空间插值之前需对站点数据的空间变异性与相关性进行分析合适的空间插值模型 根据己知点的实测值来推求采样空白区的元素含量的空间插值运算 是这样一个过程 从已知样点的实测数据出发 按照一定的数学准测 实质上就 选用特定的数学曲面来最大限度地拟合逼近并代替元素的实际空间分布曲面 曲面可以求得研究区域中任意一点的元素含量值 作者对泰森多边形法 验证 反比法根据拟合的数学距离平方反比法和梯度距离平方反比法 3 种方法进行了 回归距离平方并结合小流域和时段降雨的特点提出了一种新的插值方法3.2 数据预处理进行降雨量空间插值 选用多大的尺度比较合适呢 首先就需要把降雨量离散到每个网格 其次 首先 网格划分采用何种形状的网格比较方便进行降雨量空间计算 作者就上述问题进行了研究 ３．２．１ 尺度与降雨量空间插值的关系 尺度是研究客体或过程的空间维与时间维 常用分辨率与空间范围来描述 标志着对研究对象的解析水平或细节了解的程度[28] 时在研究自然地理要素的空间分布 时间尺度是指插值空间尺度是指研究区域的空间范围以及空间分辨率的高低要素特征值所表达的时间范围任何关于地理空间现象的研究必须定位在特定的时15 间与空间尺度水平上[28] 时空尺度不同 而产生尺度效应 地理要素所呈现出的空间规律性不同 尺度越大 涉及的时间空间范围越广 空间变异程度不同 分辨率通常随之下降 尺度越小 从 往往忽略了较小尺度的空间变异 范围相应减小表现其整合特征与总体趋势时间空间凸现出要素分布的局域特征与时空变异 月平均到日 逐时段变量的不同时间尺度情况下 降水特征值当由多年平均 的变异性增加 时与回归变量间的相关性起伏变化大 误差逐渐增大[29]直接导致当使用同种插值方法随着时间尺度的逐渐减小 根据前述此次降雨量的时间尺度为一个小时 决定也选用较小的尺度这个时间尺度比较小 在格网的形状上因此 为了在空间尺度上 方便计算网格尺寸为 20m决定选用矩形网格３．２．２ 矢量数据到栅格数据的转换 模拟地理信息有两种不同的方法 矢量数据结构的特点是 矢量结构和栅格结构[30] 属性隐含 它的优点是 数据表达精度较位置隐含高 数据存储量小 输出图形美观而且工作效率较高 缺点是 操作起来比较复杂 许多分析操作 置隐含 析 如叠置分析等 易于实现 难以实现 操作简单 栅格数据结构的特点是 属性明显 位它的优点是有利于基于栅格的空间信息模型的分 缺点数据格式没有经过压缩编码 工作效率低因此非常方便程序设计人员进行编程计算 另外 遥感影像本身为栅格结构是数据存储量大可以直接把遥感影像应用于栅格结构的地理信息系统 基于栅格结构和矢量结构的特点 决定采用栅格结构进行空间插值计算 目前 流域的边界文件通常采用矢量化的方式得到 的数据结构为矢量结构 程中采用下述步骤 1 使用 GIS 类软件进行矢量化 得到流域的边界文件 矢量结构 在转 这样 文件格式为 shp 文件格式 即 图形就需要把矢量文件转化为栅格文件在具体计算过2 将边界文件使用 GIS 类软件转变为栅格格式并导出为 ASCII Raster化为栅格时 选择合适的格网尺寸 20 米 并选择属性 ID 的值作为流域内的点的值16 为了计算简便 采用相对坐标的形式 第 y 行第 x 列的格点 k 相对纵坐标为 y 站点的相对坐标计算公式如下 X (i ) = X i ? xllcorner +1 CellSize Yi ? yllcorner CellSize相对横坐标为 x3-1 3-2Y (i ) = 式中 X (i ) Xi Yi Y (i )站点 i 的相对横坐标和相对纵坐标 站点 i 的绝对横坐标和绝对纵坐标 yllcorner 格网的左下角点的绝对横坐标和绝对纵坐标xllcorner CellSize格网间距 1 2 n n 为站点个数i 取值3.3 传统的计算降雨量的方法传统的降雨量计算方法有很多 等等 算快捷 算中 性较大 加权平均法 如 加权平均法 等雨量线法 泰森多边形法 计是一种古老的算法它最具有代表性的特点是方法简单适用于流域内地形起伏不大雨量站网分布均匀且稠密的地区在实际计我国的雨量站网分布情况依地区情况有所不同 当雨量站网分布不均匀时因而这种方法在实际中局限 虽然技术人员曾 与技术人员的经这种方法产生的误差也较大给不同雨量站赋予不同的权重但这种权重值的选取具有随机性验也有很大关系 不够合理和科学 因此产生的误差常常较大 等雨量线法 以相邻等降水量线间的面积与流域总面积的比值做为权重 依我国现状 适用于有足够雨量站的地区 站网稠密情况各不相同 间分布的等雨量线 而 此时许多流域的雨量站分布并不均匀而且雨量 不能绘出反映实际降水空在雨量站分布较稀疏的情况下 该方法失效泰森多边形法以单个多边形的面积与流域总面积的比值做为权重 与 加权平均法 相比 泰森多边形法适用于雨量站点分布不均匀的流域的权重17 更合理更科学在雨量站点分布稀疏的流域 而 泰森多边形法 仍然适用加权平均法 因此和等雨量线法 以 泰或误差较大或失效 森多边形法 优于在上述方法中 和适用条件最广在计算精度上等雨量线法泰森多边形法加权平均法 传统方法中 泰森多边形法 是计算面降雨量的首选方法 此方法是将相邻雨量站用直线连接而成若干 连接这些垂直线的交点 得若干泰森多边形方法称为垂直平分法 个三角形 个多边形然后对每个三角形各边作垂直平分线 每个多边形内各有一个雨量站即以此多边形面积作为该雨量站所控制的面积[2] 每个多边形内部格点的降雨量为多边形内部雨量站点的雨量 流域的平均 降雨量按公式 3-3 计算 P= 式中 P A ai n a a1 a p1 + 2 p 2 + KK + n p n A A A 3-3流域平均降水量 流域的总面积 流域内各测站的控制面积 多边形个数 得到泰森多边形的方法是采用通过上述方法得到的降雨量为流域的面平均值 手工作图的方法 工得到计算流域的总面积以及各测站的控制面积常利用求积仪等工具手整个过程较为繁琐3.4 基于 GIS 技术的泰森多边形法目前 人们可以利用计算机软件快速生成泰森多边形 同时得到多边形的面积 这一难点的解决大大简化了 泰森多边形法 的计算现在 利用 ARCGIS”中的 ARCTOOL BOX”可以快速生成泰森多边形 步骤 简述如下 1 用各种地理信息系统软件 以 ARCGIS 为例 得到流域分层矢量化后的文 件 *.mdb 其中流域的轮廓线以面状要素进行矢量化 雨量站以点状要素进行矢18 量化 2 将雨量站层文件利用 CATALOG 导出为 COVERAGE 然后利用 ARCTOOL BOX 中的 Analysis Tools 工具中的 Create Thiessen Polygon 工具 输入雨量站层 是的 COVERAGE 确定输出的泰森多边形文件的位置 即可生成 泰森多边形 个 COVERAGE 域的轮廓线为边界 3但此时生成的多边形并不是我们最终需要的多边形 并没有以流 需要进行裁切 COVERAGE 导出为 geodatabase在 CATALOG 下将生成的泰森多边形(thiessen.mdb) 4 打开 ArcMap 向视图中添加流域的轮廓线层 .mdb 和泰森多边形层 选择 Clip Clipthiessen.mdb进行空间数据裁剪 在 ArcMap 下打开 Tools 下拉菜单GeoProcenssing Wizard 选项 在弹出的 GeoProcenssing Wizard 对话框中选择 one layer based on another layer 层 选泰森多边形层为 Input layer 选轮廓线层为确定输出文件目录与名称 点击 完成 该图层以流域轮廓线为外边界这时在 ArcMap 中可看到新的图内部有泰森多边形组成 多边形以雨 就是多5 在新图层的属性表中可以看到每个多边形有 NAME 属性 量站的名字命名 边形的控制面积 在属性表中 SHAPE_AREA 在 ArcMap 中可看到新的图层列代表了多边形的面积该图层以流域轮廓线为外边界内部有泰森多边形组成 通过前述方法可以轻松得到流域的泰森多边形及其面积 精度高 图 3-1 为桑园流域 2002 年 9 月 19 日 19 时使用泰森多边形法得到的降雨量栅 格影像图 耗时短 面积计算的19 图 3-1桑园流域的泰森多边形由图3-1 可发现 这与实际降雨空间分布具有随机性不1 在泰森多边形的边界处 降雨量出现明显的线状突变 这种变化是因为采 用雨量站的雨量作为多边形内部各点的雨量 符 2 在每次降雨过程中 每个雨量站的控制面积固定不变 实事上 雨量站的 控制面积在每次降雨过程中会发生变化 这与实际情况不符3.5 距离平方反比法距离平方反比法由美国国家气象局于 1972 年提出,其算法较为简单,应用也很广 泛 计算公式如下pk =∑wi =1 n i =1nikpi 3-4ik∑w式中pi wik为雨量站点雨量 为站点 i 相对于格点 k 的距离 d i 的权重 取值为 1 / d i220 di n pk为站点 i 和格点 k 之间的距离 为相关雨量站的数目 格点的插值数据值 应用广泛 可包含无限多种算法变化[31] 变化的方 可以距离平方反比法形式简单 面可以为 距离函数的变化距离函数中指数幂的变化样点数目的变化采用所有样点都采用的方法或者是采用一定范围内的样点 的变化等 该方法的插值估计特定方向上样点数目 空间半径或样点通常要对所用样本点的空间范围 通常 幂指数取值为 2数量 以及距离的幂进行选择当幂指数太小接近于 0 时估计点的插值结果接近于样本平均值 当幂指数太大如大于 10 以上时 估计点的插 值结果接近于距离最近的样本点的值 即接近于泰森多边形法的估计结果[25] 泰森多边形方法可看成反距离加权平方法的一个特例图 3-2 IDS 法空间插值栅格图图 3-2 为桑园流域某时段降雨的插值结果栅格图 由图 3-2 可以看到 IDS 法确实反映了距离对降雨的影响 值公式仅考虑了距离的影响 随着距离的增加 降雨量逐渐减小 同时由于插 因在与暴雨中心同样距离的地方降雨量大致相等21 此图像的同心圆现象比较明显还可以看到与暴雨中心同样距离的地方虽然经纬度 高度不同 但降雨量并没有不同 这也说明 由于插值公式没有考虑经纬度 高度对降雨的影响 另外 在距离暴雨中心很近的地方 受极值的影响 容易产生牛眼现象[26] 我国有学者对该方法进行过优化研究 在公式 3-4 中 幂指数 封志明等人采用逐步迭代的方法 以均方根误差最小为原则d i2 中的 2 为 对幂指数进 4行优化选择 研究表明受时间等因素的影响 幂指数的最优值介于 23.6 梯度距离平方反比法近年来 很多学者的研究都表明 降雨 气温等气象要素与经度 纬度和海拔高度有比较显著的相关关系 Nalder 等人于 1998 年提出梯度距离平方反比法 在距 离平方反比法的基础上 其插值公式为 考虑了气象要素随经度 纬度和海拔高度的变化情况[24]pk =∑ w [pn i =1 iki+ C x ( xi ? x k ) + C y ( y i ? y k ) + C z ( z i ? z k )]3-5∑wi =1nik式中xi yi zi Cxxk yk zk Cy为站点 i 和格点 k 的经度 为站点 i 和格点 k 的纬度 站点 i 和格点 k 的海拔高度 Cz 雨量与经度 纬度和高度的回归系数22 图 3-3 桑园流域 DEM 栅格图图 3-4 桑园流域 GIDS 法空间插值栅格图 图 3-4 为桑园流域某次降雨的 GIDS 法的空间插值栅格影像图23对比桑园流 域的 DEM 栅格图 明显受地形的影响3-3和图3-4可以发现应用 GIDS 法进行空间插值结果同时可以看到随着距离暴雨中心距离的增加降雨量逐渐减 该方法小 这说明了该算法考虑了距离变化引起降雨空间的变化 避免了同心圆现象和极值点现象 该方法时 降雨量与经度 另外与 IDS 法相比由于该方法中使用了相关系数要求采用纬度和高度有强相关性3.7 回归距离平方反比法关于 IDS 法和 GIDS 法 已经有很多学者对其进行了改进 我国的潘耀忠等人在温度方面综合考虑了周围已知点的海拔高度对被估算点的影响以及整个研究区域 的温度与经度 纬度和海拔高度之间的显著相关关系 对 GIDS 法进行了改进 提出 了基于 DEM 和智能搜索距离的温度空间插值方法[32] 赵登忠等人基于 DEM 综合考 虑了海拔高度 坡度 坡向和地表分类因素建立了 PRISM 空间内插模型[25] 这些方 法的精度都比较高 但都要求气象要素与海拔高度有较强的相关性 发现桑园流域的站点高程分布偏低 作者通过分析 不具有代表桑园流域时段降雨与高度的关系 性 与高度的相关性不显著考虑到经纬度对时段降雨量的强相关性以及高程对时 提出回归距离平方反比法 Regressive inverse distance段降雨量相关性较弱的情况 squared RIDS其公式表达如下pk =∑ w [pn i =1 iki+ C x ( xi ? x k ) + C y ( y i ? y k )]3-6∑wi =1nik式中xi yi Cxxk yk站点 i 和格点 k 的经度 站点 i 和格点 k 的纬度 纬度的回归系数C y 为雨量与经度24 图 3-5 RIDS 法的降雨量空间插值栅格图 图 3-5 为桑园流域某次降雨的 RIDS 法的栅格图 考虑到桑园流域的降雨量与高度的相关性不强 因此该方法与 GIDS 法相比 剔除了 GIDS 法中与高度有关的 因子 同时保留了与经纬度相关的因子 图 3-5 与图 3-4 相比就没有很强的反 映高度的变化对降雨的影响 图 3-5 与图 3-2 相比 由于考虑了经纬度对降雨 的影响 因此在同一纬度的地方 经度不同降雨量也不同 在同一经度的地方 纬度不同降雨量也不同 法有明显的增大还可以看到该方法暴雨中心明显但暴雨中心的范围比 IDS 因此不能采用基本消除了极值点现象由于桑园流域站点较少常见的交叉验证法来检验该方法误差的大小25 4 产流模型的设计与实现4.1 霍顿产流机制所谓产流 是指流域中各种径流成分的生成过程 它实质上是水分在下垫面运行中 在各种因素综合作用下的发展过程 也是流域下垫面(地面及包气带)对降雨的 再分配过程 早在 1935 年 面下渗容量 f p (1)当 i ≤ f p (2)当 i & f p (3)当 i ≤ f p (4)当 i & f p 霍顿就提出降雨径流的产生取决于以下四个因素:降雨强度 i 地包气带的土壤含水量 ( I ? E ) 以及田间持水量( D ) 霍顿认为: I ?E ≤ D时 I ?E ≤ D时 无径流产生 只产生地面径流 不产生地下径流 不产生地面径流I ? E ≥ D 时 只产生地下径流 I ?E ≥ D时 这时 地面地下两种径流成分均会生成 之后 学者们在此基础上建立了自然界上述理论垫定了产流模型的理论基础 两种基本的产流方式 这就是:(1)超蓄产流或蓄满产流 (2)超渗产流包气带达到田间持水量产生了地下径流 只包括降雨强度超过地面降雨结束时包气带未达到田间持水量下渗容量而产生的地表径流 我国的学者通过对大量实测资料进行研究发现 年降雨量在 800mm 以上 植被 良好的地区包气带常年潮湿 以超蓄产流为主 年降雨量低于 200mm 的地区 包气 带缺水量大 以超渗产流为主[2] 经典霍顿产流理论阐明了均质包气带情况下的地面径流和地下径流产生的物理 过程 然而 自然界的下垫面情况是复杂多样的 很多包气带为非均质的 另外由于包气带结构的复杂性和降雨特性时空变化的多样性 的包气带的产流既有自然界常见到一个流域内超渗 产流又有 蓄满 产流方式的 诸多情况表明 霍顿 这时 山坡水文学应运而生 山坡水文学最产流理论对客观产流的概括过于简单26 重要的研究成果有两个方面 动面积上产流[15]一是揭示出降雨径流过程中的壤中流的存在二是变所谓变动面积上产流也就是指在一次降雨过程中局部面积产流而不再假定全流域上的蓄满产流或超渗产流 流域水文模型法基于 Horton 产流的基本理论 并借鉴了山坡水文学的产流理论 但由于山坡水文学所揭示的现象较复杂 径流划分较多 在流域水文模型用于产流计算时 往往只借鉴它的部分面积产流概念和三种径流成分的划分 即超渗坡面流 壤中流及地下径流 域蒸散发的计算 在较长时间尺度上计算产流时 流域水文模型方法还引入了流分布式水文模型在处理局部面积产流方面具有极大的优势4.2 SCS 模型４．２．１ ＳＣＳ 模型基本原理 SCS 模型由美国农业部水土保持局 Soil Conservation Services 提出 具有所需 资料简单易取 能反映不同土壤类型 不同土地利用方式及前期土壤含水量对降雨 尤其适用于小流域或少资料地区净雨量径流的影响的特点[17] 计算[33 34]由于所需资料较少介绍 SCS 模型如下 流域的水量平衡方程可以表示为 P = Ia + F + Q 4-1一次降雨过后式中 P Ia 次降雨量 初损 下渗等 F Q 后损 径流开始之后的损失量 主要指径流开始之后的下渗量 径流开始之前的损失量 包括 蒸发 植物截留 填洼实际径流量 4-1 所示上述各参数的意义如图27 图 4-1 SCS 模型各参数示意图 模型首先假定基于流域的后损与实际径流量之比等于流域该场降雨前的最大 可能入渗量(或潜在入渗量 S )与最大可能径流量(或潜在径流量 Qm )之比,即: F S = Q Qm 式中假定 最大可能径流量 Qm 为降雨量 和填洼蓄水构成流域初损 I a 的差值 即 Qm = P ? I a 由 4-1 4-2 4-3 式可以得出 Q= 由公式 (P ? I a ) 2 S + P ? Ia 4-3 P 4-2 与由径流产生前植物截留 初渗4-44-4 可以看出流域的径流量 Q 有降雨量 P 和该场降雨前降雨区的潜在入渗量 S 以及该场降雨的初损 I a 决定 初损 I a 与土壤前期降水水分条件 土地利用 方式 填洼 植物截留 下渗等有关 计算非常复杂 为简化计算并结合大量实际观测资料 该方法假定流域该场降雨的初损 I a 为该场降雨前潜在入渗量的 0.2 倍[35] 即 I a = 0.2 S284-5 将4-5 式代入4-4中可以得到[36] P & Ia 4-6 P ≤ Ia? ( P ? 0.2 S ) 2 ? ? P + 0.8S Q=? ? 0 ? ? 由公式4-6 可以看出 计算流域的径流量 Q 的关键为确定该场降雨前降雨区的潜在入渗量 S (降雨量 P 已知) 而潜在入渗量 S 又有流域的土壤质地 土地利用 方式和土壤的前期降水水分条件等因素决定 SCS 模型引入一个经验性的综合反映 土地利用和前上述因素的无因次参数 CN 值来求 S 值[37] 它是土壤类型及其分布 期土壤湿度的函数 S= ４－７ 实际的计算过程中 重点就是确定 CN 值 美国水土保持局 划分为 A B C Soil Conservation Service, SCS 25400 ? 254 CN因为降雨量 P 为已知量因此利用 SCS 方法推求净雨量的根据土壤特性不同,可将土壤D 四大类型,其主要特征为[38]A 类 为潜在径流量很低 渗透性很强的一类土壤, 土壤在水分完全饱和的情况 下仍然具有很高入渗速率和导水率 主要是一些具有良好透水性能的沙土或砾石土, B 类 为中等渗透性 排水性的土壤, 当土壤在水分完全饱和的情况下仍然具有 中等的入渗速率 C 类 主要是一些砂壤土为较低的渗透性 排水性土壤,或者土壤在水分完全饱和的情况下保持较 主要为壤土低的入渗速率,或土壤有一不透水层 D类为接近不透水性土壤,主要为黏土等 II 类 平均SCS 根据前期降雨量将土壤前期降水水分条件划分为 I 类 干旱 III 类 接近饱和 3 种类型 具体分类标准见表 4-129 表状况 Ｉ ＩＩ ＩＩＩ 4-1土壤前期降水水分条件划分ｍｍ 非植物生长季节 １３ １３ ２８ ２８ ３６ 植物生长季节 ３６ ５３ ５３ 前 ５ 天的降雨量 土壤湿润程度描述 干旱 在枯萎点以上 平均 接近饱和 SCS 按照土地利用方式对土地进行分类 并确定了平均湿润水分条件下不同土 壤特性 不同土地利用方式的 CN 值[3940]表 4-2 为降雨前流域土壤在中等湿润状态下的不同土壤类型和土地利用方式下 的 CN 表 4-2 降雨前流域土壤在中等湿润状态下的 CN 值查算表土地处理情况 铺面并有路缘 街道与道路 露天地区 草坪 公 园 高尔夫球场 水 泥地等 商业区 工业区 休耕地 草地草甸 林地 泥路 雨沟 水文条件 A 98 76 72 良好 一般 39 49 89 81 77 好 差 中 好 农庄 直形种植 差 好 差 好 阶状等高种植30土地利用方式土壤类别 B C 98 85 82 61 69 92 88 86 58 66 60 55 74 81 78 79 75 74 71 98 89 87 74 79 94 91 91 71 77 73 70 82 88 85 84 82 80 78D 98 91 89 80 84 95 93 94 78 83 79 77 86 91 91 88 86 82 81卵石或砾石路 天然土路草地覆盖率 75 草地覆盖率 50 70不透水面积占 85 不透水面积占 72 直行形30 45 36 25 59 72 67 70 65 66 62行属作物地等高种植差 好 续表差 直形种植 好 密种作物地 豆科作物或轮种 等高种植 性草地 好 差 阶状等高种植 好 差 散播 中 好 草原或牧场 差 等高条播 中 好 47 25 6 67 59 35 81 75 70 51 68 49 39 67 79 69 61 76 86 79 74 55 63 69 73 78 80 差 58 64 72 75 81 83 66 77 854-289 85 85 83 83 80 89 84 80 88 83 79在具体计算中需要根据前期土壤水分条件类型对 CN 值进行修正 前期土壤 和 III 类 接近饱和 条件下的 CN 值按表 4-3 进水分条件类型前期为 I 类 干旱 行修正31 表 4-3不同前期土壤水分条件类型下 CN 值的修正中等 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 77 80 85 90 95 100 干燥 2 4 6 9 12 15 19 22 26 31 35 40 45 50 59 63 70 78 88 100 湿润 13 22 30 37 43 50 55 60 65 70 74 78 82 85 89 91 94 96 98 100图 4-2 前期干旱和湿润条件下 CN 值的修正 至此 确定了 CN 值 就可以根据公式 4-6 计算流量 Q 了32 ４．２．２ ＳＣＳ 模型流程图 使用 SCS 模型进行产流计算的流程图如图 4-3 所示图 4-3SCS 模型流程图33 4.3 对 SCS 模型的思考４．３．１ 传统方法的不足之处 SCS 模型的特点是结构计算简单 所需要的参数较少 并且具有一定的物理基础 但是经过作者在桑园流域的应用计算分析 发现 SCS 模型还存在下列不足之处 1 在传统的 SCS 模型计算中 如果流域内有多种土地利用类型 流域的 CN 值为以各种土地利用类型的面积为权重的加权 CN 值 利用加权后的 CN 值进行计算 得到流域一次降雨的净雨量 在 SCS 模型中 CN 值代表了下垫面的特征 下垫面的特征的不同对径流也将产生不同的影响 然而加权了的 CN 值就把流域内不同的 下垫面进行了平均 抹煞了由于下垫面的不同造成的产流过程的差异 这就使得模型提供了一个产流过程空间平均化的结果 没有真实反映实际的下垫面条件 2 SCS 模型中对于前期水分条件划分仅从植物生长季节和非植物生长季节来 划分 这样的划分对于桑园流域的气候条件而言 太过笼统 前期水分条件的变化主要是流域蒸散发的影响 而流域蒸散发量的大小很大程度取决于流域的气候条件 桑园流域年平均气温 18.5 极端最高气温 38.9 极端最低气温-4.3 流域的气温在每年的 12 月 1 月最低 7 月 8 月最高 中间月份逐渐变化 流域的植物生长 季节为 4 月至 9 月 以 3 月 31 日和 4 月 1 日为例进行说明 3 月 31 日和 4 月 1 日的 蒸散发量不会有很大变化 如果前 5 天降雨量为 29mm 在 3 月 31 日 SCS 模型认为 土壤处于饱和状态 而 4 月 1 日 同样的前期降雨量 SCS 模型认为土壤处于干旱状 SCS 模型给出了完全不同的状态的结论 而实际上土壤的态 同样的前期降雨量水分状况并不会发生跳跃性的变化 分条件的划分太过单一 大误差上面的这个例子说明 SCS 模型对于前期土壤水 导致计算过程中将产生较与实际土壤水分状况不太符合3 在前期土壤水分划分时 采用前 5 天的降雨量作为标准进行划分 的标准太过死板[41] 天可能出现大雨 时间 如 2 例如5天桑园流域在 9 月份会出现持续降雨天气 降雨过程中某 这次大雨结束较短 2 天后又降这次降雨使得流域的土壤水分呈现饱和状态 后 又开始降小雨 经过两天降雨后3 天降雨结束34 雨时这时 SCS 模型判断土壤水分状况为干旱 然而实际上这时的土壤水分为湿润状态 即这时土壤水分状态的判断应该结合 5 天之前流域降大雨的情况综合考虑 而不能只单纯考虑 5 天之内的降雨 上边的事例说明 5 天 的标准太短 实际应用 过程中 5天 标准可能太长也可能太短 所以需要根据实际流域的情况确定４．３．２ ＳＣＳ 模型中参数含义的思考 SCS 模型中一些参数的含义虽然有简单的定义 但不是十分明确 对其中参数的含义也有不同的见解 1 流量 Q 的定义 Q 是直接径流 包括地面径流和壤中径流 壤中径流 国内学者沈建聪认 国内外学者国外学者认为 为Q 是次降雨的总径流量由地面径流地下径流组成 为了更准确理解流量 Q 的含义 从公式作者进行了如下分析P = I a + F + Q 开始考虑 Q = P ? Ia ? F 4-8由公式 4-8 可知 Q 为降雨量扣除了由蒸发 植物截留 填洼 下渗等引起的初 损 I a 和径流开始之后的下渗量 F 之后的雨量 对于湿润地区 包气带常年潮湿 降雨量通常比较充沛 缺水量小 地下水位比较高 包气带比较薄 并且一般容易在一次降雨过程中得到满足当降雨强度超过下渗强度 超过部分会全部产生地面径流 下渗部分的水量在土壤中进行再分配 一部分水量到达相对不透水层 在包气带饱和后 在不透水层面上形成壤中径流 形成地下径流 这就是 另外一部分水量 超蓄产流 方式 这 地从包气带中排出种方式的产流过程线呈涨陡落缓明显不对称分布 下径流Q 包括地面径流壤中径流对于干旱半干旱地区 由于年降水量较少 包气带缺水量很大 地下水位较低 几乎没有可能在一次降雨过程中得到满足 下渗水量全部蓄于包气带中 不会产生地下径流 这就是 超渗产流 方式 当土壤中存在不透水面时 会有壤中流产生 这种产流方式由于没有地下水流作补充 产流过程线呈陡涨陡落的近似对称性分布35 Q 包括地面径流 2 Ia 初损 I a壤中径流径流开始之前的损失量包括蒸发植物截留填洼下渗等I a 的计算是个十分复杂的过程 在 SCS 模型中 将 I a 的计算通过经验公式I a = 0.2 S 进行计算 使得计算过程变得极为简单 极大程度地简化了计算 我国有学者对 I a 和 S 的 关系进行了进一步的研究 发现通过修正 I a 和 S 的关系可以提高计算的精度 贺宝 根等人发现 减少前期损失量 I a 占饱和储水量 S 的关系 可以缩小应用 SCS 方法产 生的误差[42] 沈建聪等利用流域的期间总蒸发量 E a 蒸发量 与 I a 建立经验关系 利用 E a 估算 I a 度 作者认为 0.2 在具体的计算过程中 前一次降雨至本次降雨中间的进行产流计算 提高了模型的计算精 但对其中的系数可以保留 I a = 0.2 S 的形式进行修正4.4 基于 GIS 技术改进 SCS 模型４．４．１ ＣＮ 值的确定 目前 首先 GIS 技术和遥感技术有了很大发展 GIS 能提高空间子单元的定义能力 其次可对计算域进行更好的离散,使计算域的空间变化能得到更好的表达GIS 可为水文模型提供详尽的背景环境描述(如 DEM 土地利用类型等) 自然地 我们可以把这些新技术应用在 SCS 模型构建中 目前 布 人们可以利用 GIS 技术通过将流域矢量化的方式得到流域土壤类型及分 将这些矢量图进行叠加 叠加后可以得到新的面状矢土地利用的面状矢量图量图层 这个矢量图层中每个多边形内仅有一种土地类型和土地利用方式[34] 该 CN 值是在中等湿润条件下的 CN 值 感技术对遥感影像进行提取分类 图 还未经前期影响雨量的调节 我们还可以通过遥 最终得到分块的土地类型和土地利用方式的影像 可以方便通过上述两种方式可以得到流域的 CN 值分布图 使用 GIS 类软件的将其转变为 CN 值矩阵 CN 值矩阵比 CN 值更好地反映了流域下垫面的不同 将 CN 值矩阵代入计算可36 以得到矩阵形式的流量 Q 文模型的一个中间结果 算结果实现了产流过程的离散可以将这个结果作为分布式水 从而提高最终的计在每个网格或子流域内进行汇流计算４．４．２ 基于 ＧＩＳ 技术的 ＳＣＳ 模型构建 基于 GIS 技术的 SCS 模型与传统的 SCS 模型有了质的改变 中参数为单个数值的形式 传统的 SCS 模型基于 GIS 技术的 SCS 模型中的参数转变为矩阵的形式基于 GIS 技术构建 SCS 模型的步骤如下所述 1 应用 GIS 技术获取土壤类型及分布 流域的子流域边界及土地利用等数字 地图 并将它们进行叠加 2 方式 确定每个多边形的 CN 值 每个多边形内仅有一种土地类型和土地利用 还未经前期影响雨量的调节该 CN 值是在中等条件下的 CN 值 3 4 5 6 将其转化为 CN 值的矩阵 读入降雨量矩阵数据根据前期降雨量对 CN 矩阵进行修正 计算 S S= 25400 ? 254 CN ? ( P ? 0.2S ) 2 ? ? P + 0.8S Q=? ? 0 ? ? P & Ia P ≤ Ia7计算净雨量 Q具体计算过程通过计算机编程解决 CN 值矩阵定义为二维数组 因此计算得到 的S Q 也为二维数组形式4.5 SCS 模型在桑园流域的应用情况应用 SCS 模型 首先需要获取土壤类型及分布 流域的子流域边界及土地利用等数字地图 部分参数确定情况如下 1 由于缺少土壤类型的资料 在具体计算过程中 将整个流域的土壤类型概37 括为 C 类 2 季节 图 4-4 为桑园流域下垫面分布图 对于桑园流域选取 4 月 9 月为植物生长季节 其它月份为非植物生长图 4-4 图桑园流域下垫面分布图4-5 为应用 SCS 模型进行净雨量计算的栅格影像图图 4-5 应用 SCS 模型进行净雨量计算的栅格影像图38 4.6 结论应用 SCS 模型成功的实现了小流域 桑园流域 的净雨量计算 在计算过程中 结合 GIS 技术 获得流域的净雨量分布情况 具有以下优点基于 GIS 技术的 SCS 模型与传统的 SCS 模型相比 1 2 充分利用了地理信息系统 GIS和遥感技术提供的信息更好地反映了由于流域下垫面的不同造成产流过程的不同3 当土地利用方式发生变化时 利用 GIS 技术只需对变动部分进行修改即可 极大程度的节省了人力 另外 物力 反映出人类活动对径流的影响基于 GIS 技术的 SCS 模型虽然与传统的 SCS 模型相比具有了上述优点 需要做进一步的研究和修正 在本次 SCS 模型计算中 没有考但是仍存在其不足虑坡度 降雨强度对径流的影响 今天 GIS 技术已经有了很大发展 模型可以进一步与 GIS 技术融合 SCS 模型研究的主导趋势 状况进行细分 根据 DEM 计算坡度已可实现 今后 SCS在计算过程中考虑坡度对产流的影响 这将成为 可以对土壤水分根据流域的气候状况结合蒸散发资料上述方面将有望提高 SCS 模型的精度 并促进 SCS 模型的发展39 5 本文总结与展望随着水文学和 GIS RS 等技术的发展 分布式水文模型成为水文模型发展的必 比以往的水文模型更好地 而且可以进然趋势 分布式水文模型与 GIS 等空间信息技术结合后 反映了流域下垫面因子对径流的影响 行径流成分分析 良好的背景 为揭示新的水文规律 因此提高了水文模拟的精度建立更加符合水文本质的水文模型提供了 通过研究桑园流域水文 本文的主要研究成果如下: 气象资料作者在阅读大量文献的基础上提出了一个适用于小流域的分布式水文模型1 通过分析时段降雨与年 月 降雨量的不同特点 结合空间信息技术 通过 分析桑园流域时段降雨与经度 小流域的时段降雨空间插值方法 方反比法 IDS 法 纬度 高度等因子的内在关系 提出了一种适用于 并与距离平 RIDS回归距离平方反比法 RIDS 法和梯度距离平方反比法(GIDS)作了分析对比结果表明法比 IDS 法能更好地反映经纬度对降雨的影响 RIDS 法与 GIDS 法相比 剔除了代 表性差的高度因子 同时保留了经纬度因子 因此 RIDS 法既有经纬度对降雨的影 响的优点 又减小了高度带来的误差2 在完成降雨量空间插值之后 作者根据小流域缺少实测资料的特点 采用 SCS 模型进行了产流计算 在计算过程中 使用 GIS 技术得到 CN 值矩阵 核心的技术工作 成功的实现了小流域分布式水文模型的产流计算1 将流域进行矢量化 得到了土地利用分布图 流域边界等数字地图 并进 行叠加 2 3 将叠加的地图转化为 GRD 得到 CN 值矩阵 利用 CN 值矩阵代替传统的 CN 值 根据公式进行产流计算 提出了一种新的空间插值方法 但是由于作者受时间与能力所限 可以从以下几个方面进行深入研本文在小流域分布式水文模型的研究过程中 并且成功的实现了 GIS 技术与 SCS 模型的结合 所完成的工作仍然有许多欠缺 究 在今后的研究中1 对输入数据空间插值方法的改进 可以考虑将卫星云图等资料引入插值方40 法中提高插值的精度 2 应用 SCS 模型可以方便地进行小流域产流的计算 但 SCS 模型没有考虑 在今后的计算中 可以考虑将坡度 降雨强度引入坡度降雨强度对产流的影响SCS 模型中 具体的引入方式需要进一步研究 另外 划分太过粗糙 可以进一步细分SCS 模型对土壤水分状况的41 致谢本文的研究工作自始至终都是在导师康玲副教授的直接指导下进行和完成的 康玲老师在学术上的高深造诣 要求和不断鼓励都使我终身受益 对我耐心细致指导 对科学发展前沿的敏锐的洞察力 康老师知识渊博 以及对我的严格 严谨求实学术上一丝不苟使我的研究工作能够顺利完成 教诲和帮助感谢姜铁兵教授三年来在学习上给予我的关心 感谢曾致远教授 指导和不可多得的启发 感谢王学立 凌斌 曹波 徐学军副教授黄正军副教授在课题进行中给予我的帮助赵颖辉等同学对我的帮助 悉心解答问题 谨将此文献给我的家人感谢我的家人对我学习的支持和生活的关心感谢所有在我攻读硕士学位期间对我提供过各方面帮助和关心的人们郭艺歌 2005 年 5 月于华中科技大学42 参 考 文 献[1] [2] [3] 毛维新 .水文预报的效益与精度. 广东水利水电,
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第七章 流域产汇流计算 本章学习的内容和意义: 本章学习的内容和意义:本章从定量上研究降雨形成径流的原理和计算方法,包括流域的产流计算和 汇流计算。产流...小流域流量计算_建筑/土木_工程科技_专业资料。暴雨法,小流域流量计算,山区洪水...而决 定小流域洪峰流量大小(即影响产流与汇流)的主要因素,一般有降 雨量、...0.18 0.2 0.28 0.28 0.2 0.09 0.02 0.02 PE A W R 119.88 4 采用菲利普下渗公式用试算法计算某小流域 1964 年 8 月的一场降雨的超渗产流量...第四章 流域产流与汇流计算第一节 概述 根据第二章的论述, 由降雨形成流域出口断面径流的过程是非常复杂的,为 了进行定量阐述,将这一过程概化为产流和汇流两...小流域的情况普遍存在, 而针对特小 流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有...降雨,径流,蒸发 流域产汇流计算 2. 地面径流量,地下径流量,场次洪水总量 3....(或前期影响雨量 Pa ), W0 大,流域湿润,初损 I 0 小;反之 I 0 大; ...小流域水文流量计算方法探讨_专业资料。小流域水文流量计算方法探讨 摘要:随着社会的发展与进步,我们越来越重视小流域水文流 量计算,小流域水文流量计算对于现实生活中...小流域洪峰流量计算的公式_建筑/土木_工程科技_专业...――产流历时内流域内的平均入渗率(mm/h) tc ...公路科学研究所 Q m = kF n 指数 n 为面积指数...福建省小流域洪水计算方法介绍_电力/水利_工程科技_...(1)查设计流域地点的所在产流分区,确定降雨径流相关...本文应用 GIS 二次开发 技术,采用 SCS 模型计算西山小流域的径流量。首先剖析...领域研究的热 点, 如何采取有效的方法揭示土地利用变化对流域径流变化及产汇流...
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