（水利水电工程专业论文）滦河流域分布式降雨径流模拟研究.pdf

摘要 本文对集总式水文模型和分布式水文模型进行了对比，指出集总式水文模型 一般是将流域作为一个整体，由流域的平均降雨过程推求流域出口断面的流量过 程，而分布式水文模型能充分考虑降雨和流域下垫面的分布不均匀性，能揭示水 文循环的物理机制。阐述了集总式水文模型和分布式水文模型在建模思路与水文 循环模拟过程的不同之处。强调了分布式水文模型在模拟降雨径流过程中的优越 性。主要内容如下： ( 1 ) 基于滦河流域栅格d e m 数据，采用地理信息系统软件，根据地形提取 水系信息，提取出的信息可以直接被水文模型所调用，不仅可以大大提高水文模 拟的效率，而且还可以方便的利用遥感等数据源，丰富建模信息，并为分布式水 文模型的研制提供了平台。经过对d e m 的预处理、采用最陡坡度法确定水流方向、 计算集水面积等步骤，自动提取出了滦河流域的水系。提取出的水系和原水系基 本一致，能够达到令人满意的程度。 ( 2 ) 在提取的流域水系的基础上，通过对流域模型部分参数的率定，计算 各子流域蒸发量、下渗量，将t o p m o d e l 模型应用到滦河流域，模拟计算结果能 控制在一定的误差范围内，说明模型结构合理，模拟原理基本符合实际情况。影 响模型实际效果的主要因素是流域内降水，经过分布的降水量并不能代表实际降 水量，尤其是涉及流域面积较大，降雨观测站少。建立分布式水文模型的目的就 是要从降雨的空间不均匀性和不同下垫面角度探讨水文循环过程和水文循环机 理。 计算机、g i s 和r s 的不断发展，必然会推动分布式水文模型，特别是基于 d e m 网格的分布式水文模型更快速地发展。基于d e m 网格的水文模型将是未来流 域水文模型发展的主方向。 关键词：流域；分靠式水文模型；地理信息系统；数字高程模型；径流模拟 a b s t r a c t l u m p e dh y d r o l o g i cm o d e li sc o m p a r e dw i t hd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e li nt h i s t h e s i s d i f f e r e n c e sa r ep r e s e n t e db e t w e e nt h e s et w ok i n d so fm o d e l si nm o d e l l i n g m e t h o d sa n di nr u n o f fg e n e r a t i o nm e c h a n i s m t h ew a t e r s h e di su s u a l l yc o n s i d e r e da s aw h o l ei nl u m p e dh y d r o l o g i cm o d e l ，w h i l ei nd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e lt h e w a t e r s h e di sd i v i d e di n t om a n yg r i d so rs u b c a t c h m e n t s t h ep r i o r i t yo fd i s t r i b u t e d h y d r o l o g i cm o d e li se m p h e r s i z e d t h ef o l l o w i n go u t c o m e sa n dc o n c l u s i o n s a r c o b t a i n e d ( 1 ) b a s e do ng r i dd e m d a t ao fl u a n h er i v e rb a s i n ，t h es t r e a n ln e t w o r k sa r ee x t r a c t e d b yg i sw h i c hc a l lb eu s e di nh y d r o l o g i cm o d e ld i r e c t l y t h u s ，t h em o d e l l i n g e f f e c i e c yi sd e v e l o p e do b v i o u s l ya n dr sd a t ac a nb eo f f e r e di n t h e m o d e l l i n g t h r o u g ht h ep r o c e d u r eo fp r e t r e a t m e n to fd e m ，d e c i d i n gt h ef l o wd i r e c t i o na n d c a l c u l a t i n gt h ec o n t r i b u t i n ga r e a ，t h es t r e a mn e t w o r k si se x t r a c t e d ，w h i c hi si ng o o d a g r e e m e n t t ot h er e a l i t y ( 2 ) a f t e ro p t i m i z i n gs o m ev a r i a b l e so ft h em o d e l ，e v a p o r a t i o na n di n f i l t l a t i o ni nt h e w a t e r s h e dc a nb ec a l c u l a t e d t o p m o d e li sa p p l i e dt ol u a n h ew a t e r s h e d ，a n dt h e r e s u l t sc a l lb ec o n t r o l e di nac e r t a i ne l l o r s ow ec a ns a yt h em o d e ls t r u c t u r ei s r e a s o n a b l ea n dt h ep r i n c i p l ei sc o n s i s t e n tw i t ht h er e a l i t y t h em a i nf a c t o rw h i c h i n f l u e n c e st h em o d e l l i n gp r e c i s i o ni sr a i n f a l l ，b e c a u s eo ft h ed i s t r i b u t e dr a i n f a l l a r t i f i c i a l l y , e s p e c i a l l yi ns u c hal a r g ew a t e r s h e d t h ep u r p o s eo fb u i l d i n gd i s t r i b u t e d h y d r o l o g i cm o d e li s t os e a r c ht h em e c h a n i s ma n dt h ep r o c e s so fw a t e rc y c l eb y c o n s i d e r i n gt h es p a c i a la s y m m e t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e ma n d r e m o t es e n s i n g ，d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l ，e s p e c i a l l yt h eo n eb a s e do nd e m ，m u s t b ed e v e l o p e dq u i c k l y w eb e l i e v et h a td i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l sb a s e do nd e m w i l lb et h em a i ud i r e c t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w a t e r s h e d ；d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l ；g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ；d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ；r a i n f a l l r u n o f fm o d e l l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：劣速莉签字日期：枷，年月“曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：墨洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 李连枕 导师签名： 汤勿 签字同期：p 。j 一年f 月“同签字日期：伽x 年月l 苫同 1 i 选题的目的和意义 第一章绪论 第一章绪论 传统的降雨径流计算方法一般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。这种集总式流域水文模 型虽然对水文学的发展起到了历史性的作用，但与实际流域的情况并不相符。因 为不仅暴雨具有随时变化的空问分布，流域的土壤、植被、地形、地貌、地质、 水文地质等条件在空间上也呈不均匀分布，人类活动的影响一般也是时空变化 的，因此，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体来 处理，显然只能提供流域产汇流过程空间均化的结果，因此，集总式流域水文模 型的使用精度往往不能令人满意。为了提高降雨径流模拟的精度，必须考虑降雨 和流域下垫面的不均匀性，而基于物理基础的分布式水文模型，通过使用有物理 意义的参数和描述这些参数的空间变化可以从本质上克服集总式模型的很多不 足。 随着遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 和计算机技术的发展，分布式水文 模型在降雨径流模拟和水文预报方面变的非常有吸引力。通过地理信息系统把分 布式水文模型和数字高程模型联系起来，将流域划分为陶格，自然地理特性在单 个网格上是均匀的，但在相邻网格间有变化，以此解决流域中降雨和下垫面分布 不均的问题。 1 2 分布式水文模型简介 1 2 1 水文模型概述 流域水文模型是水文科学中的个重要分支，足研究水文自然规律和解决水 文实践问题的主要工具。水文模型将流域概化成一个系统，暖系统根据输入条件 求解输出结果，其实质是对流域上发，+ 的水文过稗进行模拟计算。在水文模型中， 系统输入一般为降雨、融雪及流域的燕散发能力，系统的输出是流域山j 断面的 系统输入一般为降雨、融雪及流域的燕散发能力，系统的输出是流域出j 断面的 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 传统的降雨径流计算方法一般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。这种集总式流域水文模 型虽然对水文学的发展起到了历史性的作用，但与实际流域的情况并不相符。因 为不仅暴雨具有随时变化的空问分布，流域的土壤、植被、地形、地貌、地质、 水文地质等条件在空间上也呈不均匀分布，人类活动的影响一般也是时空变化 的，因此，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体来 处理，显然只能提供流域产汇流过程空间均化的结果，因此，集总式流域水文模 型的使用精度往往不能令人满意。为了提高降雨径流模拟的精度，必须考虑降雨 和流域下垫面的不均匀性，而基于物理基础的分布式水文模型，通过使用有物理 意义的参数和描述这些参数的空问变化可以从本质上克服集总式模型的很多不 足。 随着遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 和计算机技术的发展，分布式水文 模型在降雨径流模拟和水文预报方面变的非常有吸引力。通过地理信息系统把分 布式水文模型和数字高程模型联系起来，将流域划分为网格，自然地理特性在单 个网格上是均匀的，但在相邻网格间有变化，以此解决流域中降雨和下垫面分布 不均的问题。 1 2 分布式水文模型简介 1 , 2 1 水文模型概述 流域水文模型是水文科学中的一个重要分支，是研究水文自然规律和解决水 文实践问题的主要工具。水文模型将流域概化成个系统该系统根掘输入条件 求解输出结果，其实质是对流域上发生的水文过程进行模拟计算。在水文模型中， 系统输入一般为降雨、融雪及流域的蒸散发能力，系统的输出是流域出j 断面的 第一章绪论 流量过程。流域水文模型在流量资料生成、水文预报、水文计算及人类活动对水 文影响等研究中，己逐步成为一个重要的研究工具。 流域水文模型一般分为确定性模型和随机模型【1 】，在实际应用中，一般是指 确定性模型。一个流域水文模型，如果对相同的输入总是产生不变的模型输出， 则称为确定性模型；如果对相同的模型输入产生随机的模型输出，或者模型输入 本身就是随机过程，则称为随机模型。 从反映水流运动物理规律的科学性和复杂性，水文模型通常被分为概念模型 和物理模型。概念模型是指结合流域观测与试验数据，以简单的物理过程为基础 而建立的模型，如新安江模型【“。物理模型则依据水流的连续方程、动量方程和 能量方程来求解水流在流域的时问和空间变化规律，如s h e 模型【3 1 。 从反映水流运动空间变化的能力，水文模型可分为集总式水文模型和分布式 水文模型。集总式模型将整个流域看作一个整体进行研究，模型中的变量和参数 通常采用平均值，这样整个流域就可简化为一个对象来处理。丽分布式模型充分 考虑了流域变量和参数的空间变异性。一般来说，概念模型属于集总式模型，物 理模型属于分布式模型。由于集总式水文模型不能反映实际暴雨洪水产汇流的空 间分布特性，无法模拟变化环境下的陆地表面过程，因此，为了研究和解决人类 活动和气候变化对水文模拟结果的影响，为了评估和监测流域的径流过程的动态 变化规律，必须开发研制具有物理基础的分布式流域水文模型。 1 2 2 基干地理信息系统的分布式水文模型 大部分水文学问题具有明显的三维空间性质，因此水文模拟比较强调复杂的 空间分配模型的运用。g i s 应用于水文模拟，可用来获取、操作、显示与这些分 配模型有关的空间数据和所得的成果，使水文模型进一步细化，从而深入认识水 文现象的物理本质。然而g i $ 与水文模拟系统是两个分离的实体，需要耦合起来 才能更有效地利用有关的地理信息，促进两个实体间的交流以改善水文模拟。近 年来，g i s 与统计分析技术及最新数学方法结合应用于水文模拟取得了较大进 展，具体应用有水污染预测评估、洪水预报和水文分析计算等l 。 地理信息系统( g i s ) 是综合处理和分析空间数据的技术。它的发展，为科研 和管理决策人员提供了有关区域综合、方案优选和战略决策等力面可靠的地理和 第一章绪论 空间信息。这项高新技术在各行各业，也包括水文水资源领域中有非常广泛的应 用，在分布式流域水文模型的研制中也同样如此【5 1 。 地理信息系统与流域水文模拟技术有很强的互补性在技术途径上也有类似 之处。分布式流域水文模型的数据与g i s 中的矢量或栅格式数据模式有类似性， 且都以一定的空间分辨率划分研究区以减少数据量和简化计算。另外，流域的水 文过程通常以描述地表、壤中和地下水流的非线性偏微分方程为基础来模拟的。 但由于三维描述在连续计算上的困难，通常用准三维的空间离散化来处理以得出 近似解。方式上有规则的有限差栅形网格，不规则的有限元网格和不规则三角形 网格。在g i s 中通常都有处理这些不同类型的数据的能力，在实施中带来了很大 的方便。g i s 的一个很大的优点是它能在原有信息的基础上通过对空间数据和属 性数据的分析计算得到新的信息，四维的g i s 有空间数据( 包括状态变量) 的时间 系列资料，再加上g i s j n 强的图形显示功能，能大大有利于研究流域特征的空间 分布和对产汇流的影响并有助于了解降雨、土壤含水量以及产流面积在空间和 时间上的变化，从而加深对产汇流等水文物理过程的认识，促进在新信息支持下 水文科学自身的发展。 1 2 3 国内外分布式水文模型研究动态 早在2 0 世纪7 0 年代，国外就开始了分布式水文数学模型研究。1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表了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， 建议用水力学方法来研究降水在流域内部的运动规律，既要考虑流域内部垂直方 向的水量交换，也要考虑流域内部水平方向的水量交换。 1 9 7 9 年，b e v e n 和k i r k b y 提出了t o p m o d e l 6 j 模型，该模型利用湿度指数 来反映流域水文现象，认为湿度指数相等的任何两点具有水文相似性。 t o p m o d e l 结构简单，优选参数少，物理概念明确，在水文领域获得了广泛的 应用。 1 9 8 6 年，由英国、法国和丹麦科学家联合研制出一个具有代表性的分布式 水文物理模型- - s h e 模型i3 1 。浚模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、 土壤非饱和流和饱和流、融雪径流、地表和地下水交换等水文过程，模型参数都 有一定的物理意义。流域在平面 i 被划分为许多矩形网格，在垂赢方向卜划分成 第一章绪论 几个水平层，以便处理不同层次的土壤水运动问题。 1 9 9 4 年，w i g m o s t a 等提出了d h s v m 模型m ，该模型能够模拟山区森林地 带土壤水分的空间分布、积雪覆盖、蒸散发及产流，采用双层冠层截留与蒸发模 型、融雪能量平衡模型、非饱和壤中流和饱和壤中流模型，能够较好的模拟流量 过程。 1 9 9 5 年，a r n o l d 等提出了s w a t 模型吼该模型是一个具有很强物理机制 的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用g i s 和r s 提供的空间数据信息， 模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙、化学物质和杀虫剂的 输移与转化过程，适用于不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的 复杂大流域，并能在资料缺乏的地区建模。 1 9 9 6 年，d e n n i s 等提出了t h m ( t e r r e s t r i a ih y d r o l o g i cm o d e l ) 模型i ，该 模型利用栅格d e m ，考虑了土地利用、土壤类型，建立水动力学方程模拟坡面 流，采用改进的马斯京根法模拟河道水流，并取得了较好的效果。 2 0 0 0 年，d er o o 等提出了l i s f l o o d 模型，该模型是一个具有物理基础的 分布式水文模型，考虑了地形因素、降雨量和雨强、初始土壤含水量以及土地利 用类型和土壤类型对洪水的影响，能够模拟大尺度流域的径流过程【1 0 1 。 在我国分布式水文模型起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以来，我国一些学者进行 了探索性的研究工作，取得了较大进展。1 9 9 7 年，黄平等 1 l 】对国外具有物理基 础的分布式水文数学模型的研究进展进行了回顾与评述，分析了国外一些模型中 存在的缺点，并在此基础上提出了流域三维动态水文数值模型。任立良和刘新仁 l l2 j 在数字高程模型的基础上，进行子流域集水单元勾画、河网生成、河网与子 流域编码及河网结构拓补关系的建立，然后在每一集水单元上建立数字产流模型 ( 新安江模型) ；再根据河网结构拓补关系建立数字河网汇流模型( 马斯京根法) ， 从而形成数字水文模型( 属于松散耦合分布式模型) 。 2 0 0 0 年，郭生练、熊立华等【1 3 1 提出了一个基于d e m 的分布式流域水文物理 模型，该模型详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、 融雪等水文物理过程，在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。 其中引入植物截留能力的物理参数植物蓄积容量来描述植物截留过程：用一 维圣维南方程的运动波近似法模拟坡面水流运动，用运动波模拟地下径流。该模 第一章绪论 型仅需优化调整一个参数，即下渗能力校正系数，其他参数均可从基础资料中分 析得到。 目前，我国还没有比较成熟或者得到国际上普遍认可的分布式水文模型，许 多模型在具体引用时还存在很多问题，因此需要将国外先进模型改进。 1 3 基于d e m 提取流域水系研究概述 1 3 1d e m 在水文分析中的作用 在基于地理信息系统的分布式水文模型中，流域地貌信息和降雨、蒸发、流 量等基本水文资料一样成了必不可少的模型输入。广义上的流域地貌信息可以指 流域表面上所有的地理信息，如高程、植被分布、土壤性质等。狭义上的流域地 貌信息主要是指流域表面高程分布，一般存储在数字高程模型中。作为研究分布 式水文物理模型和进行水文状态变量空间分布模拟的基础数据，d e m 重要的用 途就是提取地貌指数和流域水系，然后通过地貌指数来研究流域的产流和汇流机 制。通过d e m 信息可以计算出流域地表上每点的地表坡度、流量分配系数、单 宽集水面积、集水面积、湿度指数等地貌指数。正是d e m 这些优点使得它成为 分布式水文模型中必不可少的一部分i “l 。 1 3 2 水流方向的确定 水流方向分析是分布式水文模型中重要的一部分。近年来，数字高程模型的 发展推动了基于地理信息系统的分布式水文模型的研究进程，并提出了各种水流 方向确定的算法，主要分为单流向法和多向流量分配法。 ( 1 ) 单流向法 单流向法是由o c a l l a g h a l l 和m a r k 于1 9 8 4 年提出1 1 5 】，认为水流将流向相邻 8 个网格中坡度最陡的那个方向。目前应用最多的是d 8 法，此外还有r h 0 8 方 法1 1 6 】和d e m o n 法【”。 d 8 法假设单个网格中的水流只有8 种可能的流向，即流入与之相邻的8 个 网格中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，即在3 x 3 的d e m 网格上，计算中 心网格与各相邻网格问的坡度( 即网格中心点落差除以网格中心点之间的距离1 ， 第一章绪论 取坡度最大的网格为中心网格的流出网格，该方向即为中心网格的流向。该方法 对自然状态的水流方向进行了极大的概括，认为网格的产流是点源( 即网格中心 点) ，河道则用维的线来描述，也忽略了水流方向的无穷多种可能性，概括为8 种可能流向，所以称之为d 8 法。但由于该法对dem 的处理和应用简单，故丽 实用性强，应用范围也很广。为了解决该法对流向的可能性的限制，1 9 9 1 年 f a i r e f i e l d 等提出了r h 0 8 方法来解决这一问题。 r h 0 8 法根据网格所在表面的坡向来确定流向，从而解决了d 8 法中8 个流 向的限制，以及由可能流向的限制引起的流向错误。但该方法除了这一点外并不 能够解决其它的问题( 如点源、一维水流路径等) ，而且还引出了新的问题，如： 它的随机性不能确保所产生结果的再生性( 即所产生的结果不一定能用来进行进 一步的提取和计算工作) ；在应该有平行水流产生的地方，相邻的水流并非一直 平行，而是随机地摆动着，因此常常会彼此相交；在水流应该平行的平原地区， 上游水流往往会在某些网格不断相交，一旦2 条水流路径因为它们的随机摆动而 相交，就没有其它的方法使它们分离，于是下游就会因为越来越多的积聚而不断 出错。 1 9 9 4 年c o s t a c a b r a l 等提出了d e m o n ( d i g i t a l e l e v a t i o n m o d e l n e t w o r k s ) 法。 该方法中充分考虑了这样一个现实：水流是二维地均一地起源于某个网格表面， 而不是从水流中心开始，水流路径的宽度也是可变的，并非单网格宽。它用高程 张量来表示流向，进而计算水流路径的宽度。但是该方法的假设仍然基于一个合 适平面的选择，选择该平面必须考虑4 个点( 即3 3 窗口的4 个角) 。而事实上3 个点就可以确定一个平面，故而所选择的最合适的平面也不一定能经过4 个角的 高程，这种不一致的平面有可能导致不一致的甚至相反的流向。 ( 2 ) 多向流量分配法 多向流量分配法是由q u i r m 等于1 9 9 1 年提出【1 8 l ，认为水流按坡度的比例分 配给高程较低的相邻网格。同时f r e e m a n 提出将水流按指数方法分配。 1 3 3 由d e m 提取流域水系的方法 提取流域水系是d e m 又一广泛用途。过去几十年，水文学家曾提出了多种 方法来提取流域水系，介绍如下： 第一章绪论 第一种是在一小窗口内对高程进行局部计算，然后在d e m 上移动该窗口来 确定上凹面( 或v 型面) 。在这些面的底部的格网单元被视为水道或河网的组成 部分，b a n d 应用该方法分析流域的地形地貌，继而勾画出排水网。上述方法最 严重的缺陷在于生成的水系不连续，然后需要重新连接和修整【1 5 】，以产生较合 理的河网。对于地形起伏较小或地形复杂处，上述缺陷更为突出，所有这些都限 制了这一技术的应用。 由栅格d e m 勾画河网的另一种途径是o c a l l a g h a n 和m a r k 于1 9 8 4 年提出 的坡面流模拟方法1 1 5 】，该方法涉及到每一栅格单元与相邻单元之间最陡坡度识 别和沿水流路径集水面积累计问题，再选择合适的河道临界支撑面积来确定河 网。该方法简单易行，可直接生成相互连接的河网。由于它依据水文学汇流概念 判别水流路径，所以被认为是一种较好的方法。但是该方法也存在一个主要问题， 就是d e m 存在局部凹陷和平坦的栅格单元，致使水流方向无法确定。 j c l l s o n 和d o m i n i q u e 、m a r t z 和d ej o n g 给出了有效的处理d e m 洼地的方法 2 0 1 2 ”，该方法可处理嵌套式凹陷、平地内部凹陷和d e m 边缘由于裁剪产生的凹 陷等复杂地形情况，他们采用垫高填平的方法，将凹陷处垫高至其周边最低的栅 格单元高程。对d e m 原先存在的或经过垫高产生的平坦区域，j o n s o n 和 d o m i n i q u e 重新设置了水流流向，即从平地栅格单元指向平地周边最近的出流单 元，然后沿设定的水流路径计算任意单元格点的汇水面积。而m a r t z 和d ej o n g 在垫高凹陷处之前按最陡坡度法确定的水流路径计算任意格点的汇水面积，然后 再垫高凹陷处，并按最陡水流路径规则将平坦处面积分配给平坦处下游某一单元 格点，从而达到修正汇水面积的目的，由于采用单一水流路径规则，所以在确定 平坦处水流路径时会带有任意性。 1 4 主要研究内容 1 4 1 基于d e m 提取流域水系 d e m 数据由于分辨率和精度的问题，往往会形成洼地和平坦区域，致使生 成的流域水系不连续。因此，要生成与实际情况一致的水系，在提取水系之前必 须对原始数据进行预处理。本论文利用滦河流域的d e m 数掘，经过填洼、确定 第一章绪论 水流方向、计算集水面积等步骤，最后自动提取出滦河流域的自然水系。 1 a 2t o p m o i ) e l 在滦河流域的应用 采用集总式模型模拟滦河流域径流，对降雨和流域下墼面参数均化，模拟的 精度较低。本文考虑降雨的空间分布以及流域下垫面不均匀特性，在提取的流域 水系信息的基础上，利用t o p m o d e l 模型，通过对流域模型部分参数的率定优 化参数，计算流域蒸发量、下渗量，从而计算出滦河流域的产汇流。 第二章滦河流域基本概况 第二章滦河流域基本概况 滦河流域发源于河北省丰宁县坝上骆驼沟乡小梁山南坡大古道沟，流经内蒙 古、辽宁、河北三省、自治区的2 7 个县、旗、区，于河北省乐亭县兜网铺注入渤 海，全长8 8 8 公里。流域面积4 4 7 5 0 平方公里，其中山区占9 8 ，平原占2 。 滦河流域位于华北平原东北部，地理坐标为北纬3 9 。1 07 4 2 03 5 ，东经 1 1 5 0 4 0 1 1 9 0 2 0 ，北部、东部以苏克斜鲁山、七老图山、努鲁尔虎山及松岭 为界，与西拉木伦河、老啥河、大凌河、小凌河、洋河相邻，西南以燕山山脉为 界，与潮白河、蓟运河相邻，南临渤海。流域自西北至东南长4 3 5 公里，平均宽 度1 0 3 公里( 图2 - 1 ) 。 滦河水量比较丰沛，多年平均年径流量4 6 9 4 亿立方米，但年内分配集中， 年际丰、枯变化悬殊，而且常出现连丰连枯现象。滦河上中游穿行山谷中，一般 洪水灾害不严重，但滦县以下进入平原，坍岸改道常有发生。 2 1 地质地貌 2 1 1 地质 滦河流域属华北地台的一部分，地层发育和大地构造都经历了悠久的历史。 在太古代末期，冀东古陆已经形成，出现稳定的构造区，构成华北地台的重要组 成部分。早元古代发生吕梁运动，该区地层普遍变质，使地台的褶皱基底形成。 在中晚元古代，该区大规模下降形成沉降带，到晋宁运动时期形成了近万米厚覆 盖层，至此华北地台形成。 该区在经历古生代地台演亿之后，在中生代发生强烈的燕山运动，形成燕山 山地和河北拗陷，为地貌发育奠定了基础。进入新生代又经历第三纪的喜马拉雅 运动，北部( 张北、围场北部) 沿断裂发生大规模玄武岩溢出，形成玄武岩高原， 南部冀东继续下陷，接受第三纪、第四纪沉积，形成冀东平原。该区构造单元包 括内蒙古斜背、燕山沉积带和河北拗陷的冀东部分。 篁三童鎏塑鎏堕茎奎塑翌 幽2 1 滦河及冀尔沿海水系幽 第二章滦河流域基本概况 2 i 2 地貌 按地表形态可分为高原、山地、平原三大地貌类型。高原地貌分布于流域北 部，海拔在1 4 0 0 1 6 0 0 米，相对高度平均为2 0 0 米。山地地貌( 包括丘陵和山间 盆地) 分布在高原以南，平原以北。坡度一般在2 0 。4 0 。之间，按海拔高度又可 分为高山、中山、低山和丘陵四种类型。平原地貌分布在流域南部，属山前倾斜 平原，纵坡1 3 0 0 i 1 0 0 0 ，地表以黄土、亚沙土和沙土为主。该区地貌划分为4 个一级地貌区和1 2 个二级地貌区。 2 2 水文气象 滦河流域位于中纬度欧亚太陆东岸，南部为暖温带，向北到坝上逐渐过渡到 冷温带，由东南向西北依次为湿润、较湿润、半湿润、半干旱的大陆性季风气候 类型。主要特征如下： ( 1 ) 季风显著，四季分明。冬季受强大的蒙古高压控制，盛行由大陆吹向海 洋干冷的偏北风；夏季受西北太平洋副热带高压控制，盛行自海洋欧向大陆湿热 的偏南风；春秋两季是干冷与湿热两种气团的交替时期。因两种气流的物理性质 截然不同，导致一年四季的天气有明显的不同。冬季天气寒冷、干燥、晴朗而少 雨雪。坝上受西伯利亚冷空气的影响，多寒潮天气，有剧烈的降温和大风。夏季 天气温热，湿润多雨，山区雷雨、冰雹较多。春季降雨少，空气干燥、多大风， 形成风沙天气，坝上地区尤为严重。秋季天气晴朗少云，降雨减少，风力微弱。 ( 2 ) 雨量集中，雨热同期。降水量年内分配不均，冬季仅占全年的1 2 ，春季占9 ，夏季占6 7 7 6 ，秋季占1 1 1 9 。雨热同期。降水量 年际变化也很大，年降水变率在1 4 2 6 之间。 ( 3 ) 地形多样，气候复杂。流域内地形差异很大，高原、山地、丘陵、平原 以及河谷、盆地等各自形成小气候区。坝上、坝下因地势跌落明显，气候截然不 同。坝上为高原气候，坝下山地、丘陵、河谷、瓮地又各具特色。山地中迎风坡 降雨多，背风坡降雨少。 第二二章滦河流域基本概况 2 2 1 水文 2 2 1 l 降水 流域内年降水量的时空分布，是在大气环流和地形的共同作用下形成的。夏 季东南季风从渤海吹向陆地，带来大量水汽与大陆上冷空气相遇，形成锋面降水， 此种类型降水所占比重较大，当东南季风越过沿海平原，首先遇到燕山山脉的阻 挡，迎风坡气流被抬升，形成地形雨。气流爬升越高，降水越大，到一定高度， 因锋面被山阻挡而停滞，增长雨时，加大雨势，降水量最大。全流域平均年降水 量在3 9 0 8 0 0 毫米。 降水量年际变化大，差异悬殊。最丰年降水量是最枯年降水量的1 7 3 5 倍。 降水量的季节分配极不均匀，年内各月差异明显，夏季降水量集中，降水量 在2 0 0 5 6 0 毫米，占全年降水量的6 7 7 6 。又以7 月和8 月最为集中，这 两个月可占全年降水量的5 0 6 5 。 2 2 1 2 暴雨 该流域暴雨日数的地理分布是东南多、西北少。兴隆、宽城、青龙一线以南， 年均2 3 次，此线以北到承德、平泉一线，年均1 次，丰宁及西北地区无大暴雨 出现。暴雨出现的时间一般是4 l o 月份，大暴雨在6 9 月份。7 、8 月暴雨最 多。 2 2 1 3 洪水 该流域洪水由暴雨形成，一般发生在7 、8 两月，最大洪峰流量多出现在7 月下旬至8 月上旬。由于流域暴雨历时短、强度大，以及地面坡度陡，汇流快， 因此洪峰具有峰高、量大、势猛等特点。一次洪水历时一般为3 6 天。洪水的年 际变化悬殊。年际之间大洪水有时也连续发生。 2 2 2 气象 2 2 2 1r 照与太阳辐射 滦河流域年月照时数除燕山南部迁西县一带小于2 8 0 0 小时，年r 照百分率小 于6 3 外，其他地区大于2 8 0 0 小时，年h 照百分率在6 4 以上。 太刚辐射坝上地区最多，向东南逐渐减少，最大值出现存沽源县，年辐射 1 2 第二章滦河流域基本概况 1 3 8 2 千卡平方厘米，滦河中游地区多在1 3 0 千卡平方厘米以上，滦河下游沿 海地区多在1 3 0 千卡平方厘米以下，为该流域最小值区。 2 2 2 2 气温 该流域年平均气温介于一o 3 1 l ，一般由东南向西北逐渐降低。坝上最 低年平均气温在0 4 。流域南北年平均气温相差l l ，5 c 。纬度增高1 度，年 均气温降低3 。 2 2 2 3 无霜期 该流域的无霜期北短南长，由北向南递增。西北部坝上的御道口不足8 0 天， 而滦河下游平原可达1 8 0 2 0 0 天。 2 2 2 4 蒸发 流域多年平均水面蒸发量为9 5 0 1 1 5 0 毫米。承德到平泉一线约1 1 5 0 毫米， 燕山迎风坡的迁安、迁西一带约9 6 0 毫米，高值区的承德地区，年蒸发量达1 4 3 0 1 8 0 1 毫米，低值区的御道口，年蒸发量只有9 2 6 毫米。 陆面蒸发量，年均最大值出现在迁安、迁西一带，一般大于6 0 0 毫米，向南 略减；向北减少较大，最小值出现在坝上地区，约为4 0 0 毫米。 2 2 2 5 湿度 绝对湿度：流域年平均值在5 7 11 1 毫巴，坝上在6 毫巴以下，燕山地区 6 l o 毫巴，长城以南均在1 0 毫巴以上。冬季湿度最小，全流域均在3 毫巴以下， 夏季湿度最大，7 月份均在1 4 毫巴以上，长城以南在2 5 毫巴以上。 相对湿度：兴隆、青龙一线以南到沿海地区年平均相对湿度在6 0 7 0 ， 其中乐亭县最大达6 7 ；坝上地区多在6 0 以上。承德、平泉一线为低值区，在 5 0 6 0 之间。 2 3 土壤植被 2 3 1 土壤 根据流域土壤的地带性规律，以地貌单元为基础，分为6 大土壤区： ( 1 ) 坝上高原灰色森林土、栗钙土区 该区位于滦河上游坝上高原，土壤类型有灰色森林土、黑土、栗钙t 、风沙 第二二章滦河流域基本概况 土、草甸土、沼泽土。 ( 2 ) 中、上游中低山棕壤、褐土区 该区范围是丰宁、围场两县的坝下地区和隆化县全部。地势自西北向东南倾 斜。土壤多为棕壤、褐土、潮土、风沙土。 ( 3 ) 中游中低山丘陵褐土、棕壤区 该区包括滦平、平泉、承德3 县的大部和承德市的全部。士壤类型有褐土、 棕壤、潮土等。 ( 4 ) 中、下游低山丘陵棕壤、褐土区 该区范围包括兴隆、宽城、青龙、迁西、迁安等。土壤类型主要是褐土、棕 壤、潮土等。 ( 5 ) 下游山前平原潮褐土、潮土区 该区范围包括滦县、滦南、乐亭、昌黎等县。主要土壤类型有淋溶褐土、潮 褐土、潮土、沼泽土、水稻土、风沙土。 ( 6 ) 滨海平原潮土、滨海盐土区 该区位于海拔5 米以下的滨海低平原。主要土壤类型有滨海盐土、草甸盐土、 沼泽化盐土、沼泽土、水稻土。土壤含盐量高，淡水资源缺乏。 2 3 2 植被 该流域地跨温带和暖温带，自北向南分布有温带草原和暖温带落叶阔叶林两 个植被带。因为地形起伏高差悬殊、水热条件垂直分异明显，所以山地植被垂直 分布成带，自下而上分布有灌草丛植被、落叶阔叶林植被、针叶林植被、高山草 甸植被。 根据植被的结构、外貌、种类及演替方向将本流域分成4 大植被区：( 1 ) 坝 上草原区。( 2 ) 山地丘陵落叶阔叶林区。( 3 ) 平原落叶阀叶林和栽培作物区。( 4 ) 滨海平原盐生植被栽培区。 2 4 滦河水系 滦河自坝上高原汇集燕山、七老图山、阴山东端水流，支流众多，水量丰 沛。沿途汇入的常年有水支流约5 0 0 条，其中河长2 0 k i n 以卜的一级支流3 3 条， 总长2 4 0 2 k m ：= _ 2 ：绒支流4 8 条，总长j5 2 2 k m 。在1 级支流中，流域而积大于1 0 0 0 k m ! 滦河流域基本概况 的河流有1 0 条，即闪电河、小滦河、兴洲河、伊逊河、武烈河、老牛河、柳河、 瀑河、洒河和青龙河( 表2 1 、2 2 ) 。 表2 - l 滦河水系主要支流表 河名流域面积( k i n )河长( k m )发源地河流入河地点 河北围场县西北塞由隆化县郭家屯河北汇入 小滦河 2 0 5 0 1 3 3 罕坝上老岭西麓滦河 河北丰宁县化吉营乡冰 兴洲河 1 9 7 01 0 9 由滦平县张百湾汇入滦河 郎山南北两侧 伊逊河 6 7 5 02 0 3 河北围场县哈里哈老蛉由承德市滦河镇汇入滦河 河北围场县燕格百桃由隆化县城附近山嘴村入 蚁蚂吐河 2 4 3 41 7 4 山、石桌子伊逊河 河北隆化县英武川娘家由承德市郊雹神庙村南汇 武烈河 2 5 8 09 6 庙北分水岭入滦河 老牛河 1 6 8 05 7 河北承德县獾子岭由承德县下板城汇入滦河 河北兴隆县南双洞乡八 柳河 1 9 2 0 8 6 由兴隆县柳河口汇入滦词 拨子岭西北麓 河北平泉县石拉哈沟乡 瀑河 1 9 9 0i 1 4 由宽城县瀑河口汇入滦河 安杖子村七老图山南麓 河北兴隆县石庙予乡西 洒河 1 1 6 08 9 由迁珏县洒河桥汇入滦河 部西八品叶 河北宽城县大汉沟东南由迁西县九山村南汇入滦 长河6 8 4 1 1 4 地都山西北麓河 青龙河 6 3 4 02 4 6 辽宁省凌源县台头山由滦县石梯子汇入滦河 河北青龙县龙王庙北相由青龙县大会河南注入青 起河 6 7 57 5 村龙河 河北青龙县王厂骆驼岭由卢龙县卸甲庄西北注入 沙河4 4 3 7 3 分水岭 青龙河 滦河流域基本概况 表2 - 2 滦河水系表 千流一级支流二级支流 闪电河 黑风河 吐力根河 小滦河 兴洲河粘牛河 滦河 伊逊河 伊逊洞 蚊蚂吐河 鹰窝川 武烈河 茅沟川 韦带河 老牛河 拗河 瀑河 洒河 长河 青龙河 青龙河 起河 涉河 1 6 第三章基于数字高程模型提取滦河流域水系 第三章基于数字高程模型提取滦河流域水系 3 1 数字高程模型( d e m ) 概述 3 1 1 数宇高程模型的含义 3 i 1 1 数字地形模型 2 0 世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学的发展，各种数 字的地形表达方式得到迅猛的发展。1 9 5 8 年m i l l e r 和l a f l a m l r l e 提出了数字地形 模型o t m ( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ) 的概念，并给出了以下的定义【冽： 数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知x 、y 、z 的坐标点 对连续地面的一个简单的统计表示。 实际上，数字地形模型是通过地表点集的空间直角坐标( x ，y ，z ) 并视需要进一 步伴随若干专题特征数据来表示地形表面的。它的更通用的定义是描述地球表面 形态多种信息空间分布的有序数值阵列。从数学的角度，可以用以下二维函数系 列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式： k p = p ，”p ) ( k 一1 ，2 ，3 ，m ；p = 1 , 2 , 3 ，n ) ( 3 1 ) 式中：k 。为第p 号地面点( 可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划 定的一个地表单元) 上的第k 类地面特性信息的取值； u ，v p 为第p 号地面点 的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列 号等；m 为地面特性信息类型的数目( m 1 ) ；n 为地面点的个数。 3 1 1 2 数字高程模型 d e m 是构成d t m 的基础，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表 示。实际上，在式( 3 - 1 ) 中，当m = 1 且，1 为地面高程的映射，( “p ，v p ) 为矩阵 行列号时，式( 3 - 1 ) 表达的数字地面模型即为所谓的数字高程模型d e m 。显然， d e m 是d t m 的一个子集，用函数的形式描述为： 一( 丑f ，z 。) ( i = 1 , 2 ，3 h ) ( 3 - 2 ) 第三章基于数字高程模型提取滦河流域水系 式中：墨，x 是平面坐标，互是( x ，x ) 对应的高程。当该序列中各平面向量的 平面位置呈规则格网排列时，其平面坐标可以