关于topmodel在伊河上游洪水模拟中的应用研究

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1、第1卷第5期中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE3512006年12月TOPMODEL在伊河上游洪水模拟中的应用研究叶亚琦，梁忠民，贾立娟（水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，河海大学，南京210098）摘要：本文采用引入超渗产流机制的综合TOPMODEL模拟伊河上游东湾以上流域的洪水过程。其中，利用Green-Ampt模型计算超渗产流，TOPMODEL被用来模拟动态饱和面积上的产流和基流。实际应用中，将整个流域划分为11个子流域，利用该综合模型模拟各子流域控制断面的流量，采用马斯京根法

2、经河道演算至流域出口。将划分子流域并考虑超渗产流机制的综合TOPMODEL与不划分子流域的一般TOPMODEL进行了对比分析，结果表明，划分子流域的综合TOPMODEL计算结果相对更为合理。关键词：TOPMODEL；Green-Ampt模型；DEM；马斯京根法中图分类号：TV122+.5文献标识码：A文章编号：1673－7180(2006)05－0351－50引言指数和新安江模型的蓄水容量曲线指数B结合，从[1][8]1979年Beven和Kirkby基于变动产流面积的而使其成为一个有明确物理意义的参数。邓

3、慧平等概念提出了TOPMODEL（Topographybased介绍地形指数的物理基础及其与土壤水分的关系，分hydrologicalModel）。近二十多年来，国内外众多水析了地形指数空间变化与汇流面积及局地地面坡度文研究者对其进行了修正以更贴切地反映水文过程,的变化关系，提出一种确定汇流面积上限值的方法。[2][9]并将其应用于多个研究领域。WeihuaZhang等检验孔凡哲等针对现有的地形指数计算方法提出一种了数字高程模型DEM栅格边长对陆面的描绘和水改进的地形指数计算方法，分析了两种方法计算结果文过

4、程模拟的影响，研究表明只有采用比山坡长度间的差值，并应用在TOPMODEL的洪水模拟中。小的DEM栅格边长才能很好的模拟陆面过程。本文针对伊河流域干旱半干旱的特征，采用将[3]DavidM.Wolock提出了单流向算法和多流向算法超渗产流机制引入到TOPMODEL中的做法进行降两种计算地形指数的方法，并进行了分析比较。雨径流模拟计算。先用Green-Ampt模型计算超渗产[4]MarcoFranchini为了更加深入理解模型内部的支流量，降雨量与超渗产流量之差作为TOPMODEL撑模型物理基础的相应的假设，

5、对TOPMODEL进模型的降雨输入，模拟饱和面积上的产流及基流。[5]行了详细的分析。Ambrose对传统的TOPMODEL以伊河上游东湾以上流域为例，利用基于ARCVIEW中土壤传导率与土壤饱和缺水量之间的指数关系提的水文模块，提取流域及河道信息，划分子流域。出一些疑问，并与线性、抛物线、双曲线三种函数采用该综合模型模拟各子流域控制断面的流量过关系进行了比较，运用GLUE进行模拟过程和结果程，汇入河道后，经马斯京根法演算至流域出口。[6]的不确定性分析。Beven对TOPMODEL的优缺点、此外，作为比较

6、，对不划分子流域的情况（即将东模型假设、模型参数、地形指数的推导等方面进行湾以上控制面积作为一个流域）也进行了计算。结了系统的评价。果表明，考虑超渗产流且分流域计算的TOPMODEL国内TOPMODEL的研究和发展起步较晚，但模拟结果较为合理。[7]是近几年也引起众多水文学者的关注。郭方把地形1模型基本理论作者简介：叶亚琦（1982－），女，山西运城人，硕士研究生，主要从事水文水资源研究。第1卷第5期352TOPMODEL在伊河上游洪水模拟中的应用研究2006年12月1.1Green-Ampt产流机理布式水

7、文模型，在整个水文过程主要用水量平衡和本次研究中，考虑到伊河流域为干旱半干旱地达西定律来描述，其径流形成机制类似于我国的蓄区，模型中引入超渗产流机制。Green-Ampt超渗产满产流机制。[10]流模型是一种根据Darcy定律建立的近似模型。TOPMODEL中有三个不同的含水层：植被根系其假定水流以活塞流形式进入土壤，在湿润和未湿层、土壤非饱和层以及饱和地下水层。其物理概念润区之间，形成一个巨变的湿润锋面。土壤含水量θ示意图如图1所示。呈阶梯状分布，湿润区为饱和含水量θs，湿润锋前为初始含水量θi，当锋面到

8、达地面时，即产流。忽略地面积水深度的Green-Ampt入渗率公式为：f=K⎡1+(φ−θi)Sf⎤（1）⎢⎥⎣F⎦其积分形式为：⎡⎤FKFStf=−()φθ−iln⎢⎥1+（2）图1TOPMODEL物理概念示意图⎢⎥⎣⎦()φθ−ifS式中，K为有效水力传导度；Sf为湿润锋面处的有模型具体的推导过程已在许多文献中有详细的[1,11]效吸力；φ是土壤孔隙率；θi是初始含水量；F为描述，此处不再赘述。这里给出模型三