数字流域论文

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1、数字流域基础读书报告18世纪“工业革命”以来，人类文明加速发展、人口急剧增产生了资源短缺、环境恶化和生态破坏等严重问题。而当前我国水资源研究领域则而临以卜•六个重要科学问题，影响着我国水资源可持续开发利用目标的实现：下埜面变化影响流域产汇流和水资源演变的量化方法；全球气候变化对我国水资源开发利用的影响；生态需水量的计算方法；平原区地下水超采问题；城市洪水与资源环境问题和水循环系统的改善对策；人类活动影响下的水资源动态评价方法。以上六大水资源科学问题均与流域水循环密切相关，流域水循环研究是解决这些科学问题的基础和前提条件。目前，分布式计算

2、机模拟系统开发是我们需耍在流域水循环研究应加强的其中一个方面。1.分布式物理模型的模拟方法分布式物理模型或称基于物理机制的分布式流域水文模型，从水循环的动力学机制来描述流域水文问题，可根据水移动介质的物理性质推定模型参数，能够分析流域下垫面变化后的产汇流变化规律，并为其他专业应用模型提供水的流场情报，具有重要应用前景。数字流域、地理信息系统（GIS）及遥感（RS）技术为分布式物理模型的应用创造了条件。地理信息系统将图形显示、空间分析与数据库管理技术相结合，为分布式水文模拟的大量空间信息数据处理及管理提供了强有力的工具。遥感技术不但能够提

3、供土地覆盖及地形等基木空间数据，也为模型参数如叶面指数（LAI）等的估算提供信息，同时还能对蒸发量、土壤含水率及地表温度等进行演算，为模型的验证创造了条件。2.代表性模型——SWMM模型SWMM（StormWaterManagementModel,暴雨洪水管理模型）最早是在美国EPA（EnvironmentProtectionAgency,环境保护署）的资助卜,由Metcalf&Eddy,Inc.、WaterResourcesEngineers,Inc.、UniversityofFlorida等单个单位组成的联合体经过两年的工作开发处理

4、的。SWMM是一个动态的降雨■径流模拟模型，可以进行城市地区某一单一的事件或者长期的水质和水量的模拟。其径流部分汇集处理各个了流域降西所产生的径流和污染负荷；汇流部分则通过管网、河道、諮水和处理设施、水泵、调节闸等进行径流的传输。通过计算，SWMM可以得到任一时刻每一个子流域所产生径流的水质和水量；毎一管道、河道中水的流量、水深以及水质等情况。SWMM模型一般把对象区域划分为若干了流域，每个了流域都有门己的透水区和不透水区域，坡面水流口J以在这些不同区域之间、子流域之间或者排水系统的入口之间汇集流动。SWMM可以进行城市地区产流相关的各

5、种水文过程的计算。SWMM同时包含了一套设置灵活的水力学模型，来描述计算径流和外来水流在管道、渠道、蓄水和处理单元以及分水建筑物等排水管网中的流动。除了模拟径流的产生与流动外，SWMM还能够估算伴随径流而产生的污染负荷量。3・数字流域分布式水文模型的应用需要流域内部详细的地形地貌、河网水系、了流域边界、十•地利用、土壤、地质、水文气象及社会经济等各类空间信息。数字流域技术是对流域各类空间信息的数字化技术，是分布式水文模型的应用基础。下面仅为河网水系主产和流域划分技术。3.1基于DEM的河网水系生产和流域划分OTallaghanandM如

6、k首先提出了利用网格型DEM并按最陡坡度方向决定地表汇流方向、生成河道网的方法，成为D8方法。运用D8方法需要考虑流向与河网Z间的紧密联系，并月.子流域和河网的各河段也要联系在一起。目丽已有许多种算法，这些算法在概念上都很相似，主要区别在于它们对待平坦区及洼地上流向的不同处理方法。D8方法无法做到模拟河网和实际河网之间的精确符合。除了基木假定误差外，还有三个误差来源可以解释两种河网之间的差异：①D8方法本身内在的问题；②平坦区威与洼地的出现；③缺乏湖泊位置信息。①仅仅用8个可能的方向來表示流向意味着在模拟连续流量场时，仅能使用这8个方向

7、，这导致了地形中实际流路信息的丢失。①由于在DEM屮，缺乏在平坦区域和洼地屮的流路数据，在这些区域确定流向时需要人为确定流路，具有任意性。因此，在这些区域建立精确的河网是不口J能的。这种情况在冇缓坡存在的人山谷小尤其突出，特别是无法跟踪河流的弯道。②在河道比一个单元宽的情况下，用D8方法不能将一个单元的上游区与它相邻的单元分开。此外，D8方法不能估算一个河道的宽度是否大于一个单元。以上提到的误差來自于D8的局限性，D8方法自身无法确定湖泊。为了避开这些主要误差的来源，就必须用一种不同的方法。一些作者试图冋避D8方法的局限性。Fairfi

8、eld和Leymarie(1991)致力于对平行流线问题的研究。他们在确定流向的程序屮插入一个随机的变更程序，这种方法得到的某些方面具有和实际情况相符的外观，但是得出的结杲值却与实际地形特征不符。另一些作者