基于数字地形分析的流域汇流方法-研究

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1、1绪论1.1立题背景水的运动分布及变化规律与气象地理和生态环境有着密切的联系而进入20世纪以来全球气候的变化人口的增加工业的发展和人类活动等这些自然人为的因素对水循环运动的影响日益显著水资源危机日益突出水资源研究面临着许多新的问题和挑战为了适应气候变化和人类活动影响下的水资源研究之需人们迫切需要在流域模拟中考虑水文要素的空间变化环境生态等问题而传统的集总式流域模拟由于本身的局限性[1,2]很难处理这些问题人们需要新的技术新的方法来解决流域模拟中面临的这些问题分布式降雨径流模拟作为当前流域模拟研究的前沿和热点

2、[3]不但考虑了单元水文物理机制而且可以考虑水文要素在空间分布上的不均匀性对径流的影响但是需要获得大量的流域空间分布数据信息和相关技术的支持近几十年来随着计算机技术的快速发展出现了地理信息系统(GeographicInformationSystem简记为GIS)遥感RemoteSensing简记为RS技术全球定位系统(GlobalPositioningSystem简记为GPS)人们习惯上称之为3S技术这些技术以计算机为工具可以从不同的方面对地理要素进行深入的研究和表现目前随着这些技术的发展应用和成熟它们已经

3、渗透到社会生活的各个方面在3S技术的发展过程中地形分析从基于纸质地图的人工分析转向了基于数字高程模型DigitalElevationModel简记为DEM的利用计算机进行的数字地形分析[4]利用数字地形分析技术可以从表达实际地形的DEM数据中提取大量的空间分布数据信息[5]当前在3S技术和利用数字地形分析提取出的大量的流域空间属性信息的支持下流域模拟趋向于将流域模型包括数学物理模型概念性模型或系统理论模型与数字高程模型DigitalElevationModel简记为DEM相结合同地理信息系统GIS与遥感RS

4、相集成[6]将流域模拟从对集总式模型1的研究扩展到了对分布式模型的研究作为当前流域模拟研究的前沿和热点分布式降雨径流模拟不但考虑了单元水文物理机制而且获得了大量的流域空间分布数据信息克服了集总式模拟不能考虑水文要素空间分布不均匀性的局限人们对流域进行分布式模拟的研究主要是为了解决四种不同类型的问题[7]即径流模拟人类活动如森林砍伐抽取地下水和灌溉对径流的影响水质和土壤侵蚀的模拟水文过程物理机制的研究在这四个问题中径流模拟是其中最基本的一环其它都建立在径流模拟的基础之上如果流域分布式模拟不能准确模拟的流域径流

5、运动变化那么以此为基础的其他三个目标就不可能实现尽管目前许多概念性模型已经比较成熟但流域分布式模拟所揭示的水文物理过程越来越接近于客观世界因此分布式流域模拟的研究和发展将进一步提高流域模拟的水平1.1数字地形分析对流域模拟的支持数字高程模型的发展使人们获得了一种利用计算机表达地形的有效手段并且在数字高程模型的基础上可以利用计算机强大的计算能力对地形进行数字化的分析数字地形分析可以获得坡度坡向等简单的地形因子也可以获得对于描述地形有着特别意义的点线面等空间特征例如分水线汇水面积以及流域水系等大量的地形空间属性

6、而这在过去仅凭人力从纸质地图上是很难准确得到的分布式流域模拟要求详细地了解流域地形并能够获得对流域水系构成的数字化表达在这最基本的一点上基于数字高程模型的数字地形分析技术为流域模拟提供了强大的支持由于数字地形分析技术能够提供流域河网等大量的空间信息从数字高程模型数据中提取地形特征和流域水系特征的数字地形分析技术就成为了解决GIS和流域模型之间接口的关键技术以地学数据库为基础集成GIS和流域模型也成为了当前研究的热点[8]目前数字地形分析技术可以从栅格DEM数据中提取出流域水系的空间属性信息包括水沙的流向河网

7、的拓扑结构子流域的连接关系河道特征参数流域边界等数字特征而且由于栅格型DEM的格式很简单能够和遥感数据在结构上容易地进行匹配所以能够很方便地利用GIS对这些基础数据进行管理2并将其作为流域模拟的输入进一步地借助GIS强大的空间表达手段可以进一步将流域模拟的结果通过图表三维显示虚拟景观等形式表现出来,有助于更好地理解和分析流域模拟的过程1.1流域模拟的国内外概况流域水文过程受气候下垫面等多种因素的影响在空间上表现出相当大的差异性传统的流域模拟将流域下垫面特征看作是均匀变化的又不考虑降雨空间分布的不均匀对全流域

8、进行整体模拟虽然能从逻辑上反映流域降雨径流形成的基本物理条件但是对流域降雨径流形成的物理机制揭示的还不完善流域的分布式模拟按流域各处地形土壤植被土地利用和降水等的不同将流域划分为若干个水文响应单元在每一个单元上用一组参数反映该部分的流域特性因此流域的分布式模拟比传统的集总式模拟更能揭示流域的水文物理过程的内在机制对流域的描述更接近于客观世界虽然早在1969年Freeze和Harlan就发表了一个具有物理基础数值模