專利名稱：一種以柵格為模擬單元的分布式水文模型設(shè)計(jì)方法
一種以柵格為模擬單元的分布式水文模型設(shè)計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明以涉及一種水文模型的設(shè)計(jì)方法，更具體的說是一種以柵格為模擬單元的 分布式水文模型(簡稱ESSI)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
分布式水文模型作為一種探索水文循環(huán)機(jī)制、定量評(píng)估水資源動(dòng)態(tài)變化的有力工 具，不僅要在理論上向人們合理解釋水文循環(huán)的物理基礎(chǔ)，說明水是如何在SVAT系統(tǒng)中運(yùn) 動(dòng)并驅(qū)動(dòng)物質(zhì)和能量的循環(huán)；而且更要有實(shí)用性和可操作性，因?yàn)橹挥芯哂辛己脤?shí)用性和 可操作性的模型系統(tǒng)，才能作為一個(gè)有效的水文過程模擬平臺(tái)，在對實(shí)際水問題的分析和 模擬過程中為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供正確、合理的分析結(jié)果和建議。所以盡管當(dāng)前分布式水 文模型發(fā)展很快，也取得了一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，但分布式水文模型還存在進(jìn)一步發(fā)展的 空間。從以下五個(gè)方面來看
首先，基于水力學(xué)計(jì)算的分布式水文模型雖然物理機(jī)制突出，但是輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn) 備工作繁瑣，專業(yè)性強(qiáng)，而且對模型的模擬單元尺度有一定的限制，原因在于當(dāng)模型運(yùn)用到 一個(gè)較大的流域時(shí)，計(jì)算開銷量與模擬單元尺度的大小呈指數(shù)關(guān)系增長，因此模型不太適 用于較大流域的水文過程模擬，而實(shí)際上目前中、大尺度流域甚至是全球尺度的水文過程 模擬分析更有實(shí)用價(jià)值。這一類模型目前需要解決的主要問題在于協(xié)調(diào)網(wǎng)格單元的尺度與 計(jì)算量以及模擬精度之間的平衡關(guān)系網(wǎng)格精度越高，在一定程度上模型模擬越精確，但同 時(shí)對分布式的輸入數(shù)據(jù)要求以及計(jì)算機(jī)開銷要求也越高；反之，網(wǎng)格精度降低，網(wǎng)格與網(wǎng)格 之間的水力學(xué)關(guān)聯(lián)就不那么緊密，相應(yīng)地削弱了模型的水力學(xué)物理基礎(chǔ)。因此除了模擬流 域具備完整的模擬資料，而且計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)技術(shù)有很大改進(jìn)，那么具有水力學(xué)物理 基礎(chǔ)的分布式水文模型由于尺度效應(yīng)問題將很難在短期內(nèi)運(yùn)用到較大尺度的流域上。從當(dāng) 前的研究成果來看，具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型和概念性分布式水文模型在模擬精度 上并沒有明顯的區(qū)別，因此，將RS、GIS、DEM技術(shù)和概念性水文模型結(jié)合，在自然流域或相 對較大尺度的柵格上進(jìn)行分布式水文過程模擬，對水資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和評(píng)估，具有良好 的應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)前分布式水文模型發(fā)展的一個(gè)重要方向。
其次，在分布式模擬技術(shù)和概念性水文模型結(jié)合的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外在RS、GIS、 DEM等先進(jìn)技術(shù)和概念性水文模型的耦合應(yīng)用方面所采取的技術(shù)路線比較類似，但是，耦合 應(yīng)用在以下方面還可以進(jìn)一步發(fā)展和提高1)有效解決遙感數(shù)據(jù)的瞬時(shí)性和水文模擬的 時(shí)序性之間的關(guān)系；2)充分利用遙感影像數(shù)據(jù)源，盡可能多地反演水文模型參數(shù)，如初始 的土壤濕度場、地表反照率、地表粗糙度、NDVI, LAI等，并有效提高參數(shù)反演的精度；3)解 決遙感數(shù)據(jù)尺度和水文模型的模擬單元尺度之間的匹配，提出水文模擬單元分辨率取值的 合理建議方案；4)利用GIS技術(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)手段，在模型參數(shù)的空間離散化方面發(fā)揮更大的 作用，使模型參數(shù)更加符合流域?qū)嶋H的氣象、水文空間分布特征；5)GIS技術(shù)強(qiáng)大的可視化 表達(dá)和結(jié)果分析功能可以使水文模型更好地分析和顯示水文模擬結(jié)果。
第三，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可以為分布式水文模型帶來方法和手段上的更新，但并不能代表模型本身的高效性，需要通過分布式模擬技術(shù)加上先進(jìn)的產(chǎn)匯流機(jī)理，才能構(gòu)建出 一個(gè)好的實(shí)用的分布式水文模型，因此在模型核心的產(chǎn)匯流機(jī)理研究方面還有很大的發(fā)展 空間。
產(chǎn)流過程應(yīng)該是超滲和蓄滿產(chǎn)流機(jī)制之間的有機(jī)結(jié)合和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，只不過何時(shí)采 用何種產(chǎn)流機(jī)制，兩者之間的比例如何分配，起決定性作用的應(yīng)該是流域的降雨量特征和 下墊面土壤含水量特征的對比，而不是根據(jù)氣候條件的干旱和濕潤與否，在模型建模前決 定采用那種產(chǎn)流機(jī)制。那么，采用何種方式來平衡兩種已知的而且經(jīng)過充分驗(yàn)證的產(chǎn)流機(jī) 制，解決模型的產(chǎn)流問題，使模型能夠適用于各種氣候、植被、土壤狀況下的水文過程模擬， 就對我們提出以下的問題
超滲產(chǎn)流通過雨強(qiáng)來判斷是否產(chǎn)流，需要對降雨過程采用數(shù)分鐘至半小時(shí)的時(shí)間 步長進(jìn)行雨量觀測，這些數(shù)據(jù)可用于暴雨過程的模擬，而對日步長以上的長時(shí)段水文過程 模擬來說，輸入的觀測數(shù)據(jù)為日降雨數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只能反映降雨量的數(shù)值大小，而不能反 映雨強(qiáng)，那么如何利用這些日降雨量數(shù)據(jù)來恰當(dāng)?shù)毓浪阌陱?qiáng)，從而在長時(shí)段水文過程模擬 中考慮超滲產(chǎn)流的影響？或者干脆不能計(jì)算？同時(shí)降雨量觀測的時(shí)間步長對超滲產(chǎn)流機(jī) 制的影響到底有多大？
從空間上來講，濕潤地區(qū)可通過蓄滿產(chǎn)流來模擬，干旱地區(qū)可通過超滲產(chǎn)流來模 擬，那么，半干旱、半濕潤地區(qū)用哪種產(chǎn)流機(jī)制來模擬？隨著氣候條件和下墊面條件的變 化，處于蓄滿和超滲產(chǎn)流過程中間的產(chǎn)流如何計(jì)算？兩者的比例如何劃分？從時(shí)間上來 講，流域的產(chǎn)流是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，那么如何來表達(dá)產(chǎn)流的這種動(dòng)態(tài)變化？
如何考慮地形對產(chǎn)流過程的影響，使產(chǎn)流更加符合實(shí)際情況？這些問題都對我們 研制分布式水文模型的通用性產(chǎn)流機(jī)制研究提出了很高的要求。
從匯流機(jī)制來看，概念性水文模型如何與DEM技術(shù)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流域分布式水 文過程模擬，不僅得到流域出口的流量模擬結(jié)果，而且得到流域內(nèi)各模擬單元的水文過程 分量，值得深入研究。從目前大多數(shù)模型的匯流方案來看，不同的模型有的采用簡單的單位 線法、線性水庫法、馬斯京根法，有的采用較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)波、擴(kuò)散波和動(dòng)力波模型，將流域的 出流匯集到流域出口不同的匯流方案有各自的適應(yīng)性，會(huì)產(chǎn)生不同的模擬結(jié)果，對出口流 量的過程描述差別也較大。
第四，在模型的開發(fā)和集成，作為一個(gè)優(yōu)秀的模型系統(tǒng)，應(yīng)該有好的用戶界面、簡 單方便的操作性能和良好的系統(tǒng)強(qiáng)壯性。現(xiàn)有模型顯得規(guī)模比較小，功能不夠完善，而且系 統(tǒng)的集成度低，難以滿足不同用戶的實(shí)際需求。
第五，在模型的實(shí)用性?，F(xiàn)有分布式模型由于起步比較晚，雖然繼承了先前模型的 開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但是由于開發(fā)周期短，普遍存在模型測試不夠的問題，所以雖然出現(xiàn)了很多的分 布式水文模型，但是到目前為止，基本上還沒有比較成熟的或者得到國際上普遍認(rèn)可的分 布式水文模型。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是有效結(jié)合遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、數(shù)字高程模型(DEM)技 術(shù)，建立一種具有一定物理機(jī)制的通用產(chǎn)匯流方案，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一種以柵格為模擬 單元的分布式水文模型設(shè)計(jì)方法，通過本發(fā)明得到的模型能夠廣泛適應(yīng)不同氣候條件、不同下墊面條件下的流域生態(tài)-水文過程模擬，在不同的時(shí)空尺度上(時(shí)間尺度分鐘/小時(shí) /日/月/年，空間尺度30m 1000m)真實(shí)模擬和刻畫流域生態(tài)水文循環(huán)過程。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
一種以柵格為模擬單元的分布式水文模型設(shè)計(jì)方法，主要包括以下步驟
A)分布式參數(shù)獲??；
B)流域水文過程概化；
C)產(chǎn)流過程設(shè)計(jì)；
D)匯流過程設(shè)計(jì)；
E)模型開發(fā)集成。
步驟A)中，分布式參數(shù)獲取包括氣象、土壤、植被和水系參數(shù)獲取。在傳統(tǒng)觀測技 術(shù)和先進(jìn)的空間技術(shù)支持下，我們將模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)分為兩種類型，一種是單點(diǎn)數(shù)據(jù)，另外一 種是空間數(shù)據(jù)，具體如表1所示
表1 模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種以柵格為模擬單元的分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，主要包括以下步驟A)分布式參數(shù)獲??；B)流域水文過程概化；C)產(chǎn)流過程設(shè)計(jì)；D)匯流過程設(shè)計(jì)；E)模型開發(fā)集成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以柵格為模擬單元的分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在 于步驟A)中，分布式參數(shù)有降雨量、氣溫、太陽輻射、相對濕度、平均風(fēng)速和潛在蒸散發(fā)， 它們的獲取是直接采用流域附近水文和氣象站點(diǎn)的長期氣象觀測參數(shù)、利用氣象發(fā)生器模 擬所需的氣象參數(shù)或通過氣候?qū)W計(jì)算的方法，結(jié)合氣候的季節(jié)性變化規(guī)律得到時(shí)序的氣象 參數(shù)；模擬的水文單元為柵格，對土壤參數(shù)的描述分為兩個(gè)方向水平方向按土壤類型劃 分；植被參數(shù)分為植被類型參數(shù)和植被生態(tài)參數(shù)兩類。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟B)中根據(jù)霍頓 下滲理論、蓄滿產(chǎn)流理論和山坡水文學(xué)原理，建立柵格通用產(chǎn)流類型，如果前期土壤水已經(jīng) 蓄滿，則在計(jì)算時(shí)段內(nèi)采用土壤穩(wěn)定下滲率來和雨強(qiáng)作對比，否則采用土壤時(shí)段下滲率來 和雨強(qiáng)作對比，以決定是否發(fā)生超滲產(chǎn)流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟C)中確定前期 土壤水已蓄滿條件下的地表徑流計(jì)算、前期土壤水未蓄滿條件下的地表徑流計(jì)算、壤中徑 流和地下徑流計(jì)算取柵格為水文模擬單元，在高空間分辨率條件下，近似認(rèn)為柵格內(nèi)的土 壤、植被特征是均一的，根據(jù)水量平衡理論，按不同的前期土壤水狀態(tài)，可以分別計(jì)算出各 部分的水量分配情況，計(jì)算過程中的變量定義如下 -總產(chǎn)流Asi-超滲地表徑流As2-蓄 滿地表徑流氓-壤中徑流；Re-地下徑流；PE = P-E ；IFc = I-Fc ；IFp = I-Fp ； Aw-土壤含水 量的變化量；1)前期土壤水已蓄滿條件下的地表徑流計(jì)算產(chǎn)流類型①——不產(chǎn)流在產(chǎn)流類型①的條件下，雨強(qiáng)小于土壤穩(wěn)定下滲率，同時(shí)降雨量不夠土壤和植被蒸發(fā)， 不足部分水量從土壤前期含水量中補(bǔ)充，因此，不會(huì)發(fā)生產(chǎn)流事件，土壤含水量變化為 負(fù)，各部分產(chǎn)流關(guān)系如下Rt = 0, Δ w = PE < 0RS1 = RS2 = 0Rl = RG = 0產(chǎn)流類型②一超滲產(chǎn)流產(chǎn)流類型②的雨強(qiáng)大于土壤穩(wěn)定下滲率，滿足超滲產(chǎn)流條件，所以雖然總的降雨量不 夠土壤和植被蒸發(fā)，但是凈雨首先產(chǎn)生超滲地表徑流，然后不夠蒸發(fā)的部分再從土壤水中 補(bǔ)充；各部分產(chǎn)流關(guān)系如下Rt = Rs, Aw = PE-RtRsi = IFc- AtRs2 = ORl = Rg = 0產(chǎn)流類型③——蓄滿產(chǎn)流在雨強(qiáng)小于土壤穩(wěn)定下滲率的條件下，前期土壤水蓄滿后，外部供水除了滿足土壤和 植被蒸發(fā)，還有多余的水分下滲，滿足蓄滿產(chǎn)流的條件，此時(shí)的產(chǎn)流為蓄滿產(chǎn)流；由于土壤 水始終處于飽和狀態(tài)，所以土壤含水量變化為0 ；各部分產(chǎn)流關(guān)系如下 Rt = PE, Aw = O Rsi = ORg+Rl = Fc · AtRs2 = RT- (RG+RL) 如果I S2 < 0，則取 R = R · HlvS 2 lvT uSurf式中dSurf為地表徑流I S2與地表以下徑流的分流比(0 ( dsurf ( 1)；設(shè)置該變量 的目的在于如果Δ t取得不合適而導(dǎo)致I S2小于0時(shí)，可以通過dsurf對I S2進(jìn)行調(diào)整如果 模擬流域地表徑流影響比較大，則dsurf取較大值；如果模擬流域的徑流補(bǔ)給以地下水為主， 則dsurf取較小值；此時(shí)，壤中流和地下徑流的關(guān)系調(diào)整如下 Rg+RL = RT · (Hsurf) 產(chǎn)流類型④——超滲產(chǎn)流+蓄滿產(chǎn)流前期土壤水蓄滿后，雨強(qiáng)大于土壤穩(wěn)定下滲率，同時(shí)外部供水能夠滿足土壤和植被的 蒸發(fā)以及土壤水的下滲，此時(shí)，將會(huì)發(fā)生超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流同時(shí)存咱的狀況；在這種情況 下，在控制總水量平衡時(shí)，首先滿足地表產(chǎn)流，然后計(jì)算地下徑流和壤中流；各部分產(chǎn)流關(guān) 系如下Rt = PE, Aw = ORsi = IFc- AtRg+RL = Fc · At如果 Rsi+Rg+Rl > RT，則有RG+RL = RT-RsiRs2 = O否則，有Rs2 = Rt-Rsi-FC ·八 t如果0，則取 R = R · HlvSl lvT uSurfRg+RL = RT · (Hsurf)2)前期土壤水未蓄滿條件下的地表徑流計(jì)算 產(chǎn)流類型⑤——不產(chǎn)流在產(chǎn)流類型⑤的條件下，雨強(qiáng)小于土壤時(shí)段下滲率，降雨量不夠土壤和植被蒸發(fā)，不足 部分水量從土壤前期含水量中補(bǔ)充，因此，在該條件下，不產(chǎn)生地表徑流；由于前期土壤水 未蓄滿，所以計(jì)算不足部分水量的時(shí)候，需要計(jì)算該水量是否超過土壤前期含水量與枯萎 點(diǎn)水量之差；如果超過，則取此時(shí)土壤能夠提供的自由水量來代替不足水量；各部分產(chǎn)流 關(guān)系如下Rt = 0, Aw = PE
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟D)中在模型中 分別設(shè)計(jì)馬斯京根-康吉法、滯時(shí)演算法和河道分段馬斯京根法，用于不同條件下模型的 匯流過程演算。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟E)中 對模型的體系架構(gòu)和開發(fā)集成技術(shù)如下1)模型的開發(fā)框架為以C++為模型主要算法的開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)柵格水文模擬總控部分動(dòng)態(tài)庫的開發(fā)和銜接；通過MapObjects 2. 0組件提供模型對矢量數(shù)據(jù)的顯示、分析和處理；利用ODBC方式實(shí)現(xiàn)屬性參數(shù)和驅(qū)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫訪問；由Visual C++進(jìn)行系統(tǒng)總集成，開發(fā)出系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、水 文過程模擬、模擬結(jié)果精度分析和評(píng)價(jià)等一系列功能的緊密耦合，成為一個(gè)完整的分布式 水文模型系統(tǒng)；2)模型分為三個(gè)部分輸入部分提供ArcView Shp格式的矢量數(shù)據(jù)支持和hri ASCII文本格式的柵格數(shù)據(jù) 支持，采用多線程同步訪問技術(shù)對柵格進(jìn)行分塊處理，實(shí)現(xiàn)大文本柵格數(shù)據(jù)的快速訪問；柵格水文模擬總控部分由一系列動(dòng)態(tài)庫組成，包括氣象參數(shù)模擬及空間離散動(dòng)態(tài)庫、 柵格河道信息提取動(dòng)態(tài)庫、柵格水文子過程模擬動(dòng)態(tài)庫、柵格水量平衡計(jì)算動(dòng)態(tài)庫和柵格 河道匯流處理動(dòng)態(tài)庫；輸出部分不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的精度自動(dòng)分析和評(píng)價(jià)，而且可以通過圖表的形式直 觀顯示不同水文過程參量的二維空間分布和流量過程的一維時(shí)序變化；3)圍繞模型的柵格水文模擬總控需求，定義了六個(gè)主體類主體類分別為氣象參數(shù)模擬類，柵格參數(shù)處理類，下墊面特征參數(shù)類，柵格產(chǎn)流計(jì)算 類，水文模擬總控制類和模型運(yùn)行參數(shù)類；主體類之間的邏輯處理順序如下首先，下墊面特征參數(shù)類提供流域土壤物理參數(shù)和 植被生態(tài)參數(shù)信息，氣象參數(shù)模擬類提供實(shí)測或模擬得到的站點(diǎn)時(shí)序氣象參數(shù)信息，柵格 參數(shù)處理類實(shí)現(xiàn)氣象參數(shù)的空間離散以及基于DEM的河道信息提取和匯流參數(shù)結(jié)構(gòu)填充； 然后，在這三個(gè)類的支持下，通過模型運(yùn)行參數(shù)類設(shè)定合適的模型運(yùn)行方案和運(yùn)行參數(shù)，水 文模擬總控制類開始控制模型的水文過程運(yùn)行，利用柵格產(chǎn)流計(jì)算類計(jì)算柵格的水量分 配，調(diào)用匯流方案進(jìn)行柵格間的匯流處理，最終得到流域出口柵格的流量過程；4)模型采用面向?qū)ο蠓绞竭M(jìn)行開發(fā)，對所有的水文子過程進(jìn)行封裝和模塊化處理，通 過界面定制的方法，人為選擇模擬區(qū)域最佳的水文處理模塊組合；5)模型的開發(fā)集成模式采用了以水文模型為主，將GIS功能嵌入水文模型中緊密集成 開發(fā)的模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以柵格為模擬單元的分布式水文模型設(shè)計(jì)方法，簡稱ESSI。其步驟為分布式參數(shù)獲取，矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)；流域水文過程概化，建立柵格通用產(chǎn)流類型；產(chǎn)流過程設(shè)計(jì)，按不同的前期土壤水狀態(tài)，可以分別計(jì)算出各部分的水量分配情況；匯流過程設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)馬斯京根－康吉法、滯時(shí)演算法和河道分段馬斯京根法，用于不同條件下模型的匯流過程演算；模型開發(fā)集成。本發(fā)明提以模塊化、集成化思想為手段，不僅實(shí)現(xiàn)可以完成干旱區(qū)和濕潤區(qū)的流域水文過程模擬，而且可以實(shí)現(xiàn)流域的短期洪水預(yù)報(bào)和長期降雨～徑流過程模擬和預(yù)測，從而為人類深入了解水循環(huán)的物理機(jī)理，減少旱澇災(zāi)害，合理開發(fā)和利用水資源提供科學(xué)的參考依據(jù)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102034001SQ201010590169
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者張萬昌, 張東 申請人:南京大學(xué)