基于gls与ca的分布式水文模型研究

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1、■科磅与自主戗新基于GIS与CA的分布式水文模型研究汤富平，李满春1秦奋：1南京大学地理与海洋科学学院2河南大学环境与规划学院【摘要】从元胞状态、转换规则与时间步长三个方面扩展普通CA模型，构建了基于CA的分布式水文模型，并实现模型与GIS的集成，模拟流域水文过程。以黄土高原岔巴沟流域为试验区，对模型的应用效果进行了分析与验证。初步的试验结果表明：①径流过程具有明显的非线性特征，CA可以有效地模拟这一过程；②模型参数少，减轻了参数率定的工作量，降低了模型设计与实现的难度；③模型可以显示径流的时空变化过程，通过模型的循环运算可以模拟

2、出较满意结果。【关键词】地理信息系统；元胞自动机；分布式水文模型；黄土高原1、引言流域水文过程变化取决于流域的地形地貌、土壤、植被、气象、气候以及人类活动等因素。由于流域下垫面的自然因素的空间分布的不均一性以及人类活动的不确定性，因此这是一个复杂的非线性过程。分布式水文模型(DistributedHydrologicalModel)将流域划分为很多个小单元，能模拟和预测流域水文现象的时空变化过程，是模拟水文过程的较为理想的模型。这多个小单元可以被理解成流域内的元胞，元胞自动机(CellularAutomata．CA)模型作为研究空

3、间复杂性现象的一个工具，应用范围非常广泛，从物理、生物现象等的微观模拟到地理、社会进程等的宏观模拟都有CA模型的身影。由于CA模型“自下而上”的研究思路、强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力和鲜明的时空耦合特征使得它特别适合于地理空间系统的动态模拟研究川。目前已在水蚀过程模拟、径流模拟、水系自组织过程等方面有了一定的应用【2—8】CA是构建分布式水文模型是一种新的方法，将CA模型引入水文模型，模拟黄土高原区的产汇流过程是一种有益的尝试。分布式水文模型中的小单元与CA模型具有高度的相似性，且分布式水文模型逐渐加入了GIS的强大功能

4、【9—11】，因此本文利用CA模型和GIS技术来构建一个次降雨分布式水文模型。模拟计算流域水文过程。2、模型构建在一般的CA模型中，元胞状态的演化是由简单的布尔规则来定义的。然而在模拟流域产汇流的研究中，仅依靠简单的规则无法定量计算出产流量，因此必须将一般的CA模型进行扩展。本模型从元胞状态、时间步长与转换规则三个方面对常规CA模型进行了扩展，定义如下CA模型：CA=【1)式中月为元胞空间，X为邻域关系．S为元胞状态集，户为元胞系数集，7_为转换规则。2．1元胞空问元胞空间表示覆盖整个研究区域的规则网格空间。

5、组成网格空间的基本单位称为元胞。元胞空问可以是一维、二维或多维的。是对实体空间进行抽象并经过映射转换为计算机能够表达的元胞数组空间。为了处理方便，以及便于与GIS集成，本模型采用二维的四方网格作为元胞空间，在空间划分上与规则格网DEM具有一致性。wⅥ哪噍m似mr。cGF规范s暇务·2008高校GIs论坛论文集2-2邻域关系一个元胞的邻域关系通常包含元胞本身，以及在几何上或概念上与它“相邻”的元胞集合。元胞的状态不仅取决于本身的状态值，也依赖于邻域元胞的状态值，如元胞的水深状态是元胞自身的降雨量、下渗量、上游元胞水深与下游元胞水深等

6、状态共同作用的结果。本模型定义与元胞相邻的八个元胞为邻域元胞集合，即Moore邻域(图1)。(i_ij一1)(i·1，j)(i-1，j+1)(蚺1)网(i，j+1)龟。‰。o。；。‰盛[i+Ij·i)(i+1，j)(i．．eIj+1)图IMoore邻域2．3元胞状态集元胞状态表示元胞所能选取的非空的属性集合。在地理元胞自动机中，相当于地物的属性，如元胞的土壤含水量。在模型的构建中。元胞状态变量应以能够模拟元胞所属单元在产汇流过程中的基本特征为准则，涉及到的元胞状态较多，因此将元胞的状态变量从常规变量扩展为一维向量，称这些一维向量中

7、的各分量为子状态变量，各个子状态变量分别用来描述水文过程中涉及的各个值的特征及其变化。该一维向量S就是元胞状态集：S=S×踮X航×鼬×如I2)式中Sr为降雨量，S一为土壤含水量，SrD为产流量，S删水深，S编为水流交换量。2．4元胞系数集元胞的状态是随着CA模型的每一次运算而不断变化的。但是元胞的有些属性是恒定不变的，如高程等。为了区分这两者，模型还引入了元胞系数的概复o＼一嗵础raJm念，与元胞状态不同的是，元胞系数在元胞初始化后．系数值将不会被改变，但是会作用于转换规则，影响元胞的每一次运行，该模型有高程、坡度、流向等五个系数

8、，用一个系数集表示：P={如，只，，鼢，R一，凡)(3)式中尸a沩高程，岛伪坡度。尸晰为流向．尸‰为糙率，尸＆为元胞大小。2．5转换规则转换规则是CA模型的核心。本研究将流域水文过程简化分解为产流与汇流两个基本过程，对每一个基本过程建立状态转换规则