基于矢量糙率的栅格单元流量分配模型VIP专享VIP免费

2005年11月水利学报SHUILIXUEBAO第36卷第11期文章编号：0559．9350(2005)11-1326—05基于矢量糙率的栅格单元流量分配模型张升堂，康绍忠(1．西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100；2．山东科技大学，山东青岛266510；3．中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京100083)摘要：本文认为地表径流在汇流过程中由于流域坡面上地质层理走向、人类耕作活动、天然植被分布等一系列影响使坡面不同方向上具有不同的曼宁糙率系数取值，从而对栅格单元内地表径流向下游各栅格单元的流量分配产生影响，基于这一认识本文提出矢量糙率的概念，并在分析以往模型的基础上，利用一维圣维南运动波方程结合曼宁方程建立了考虑糙率因素的栅格单元间地表径流流向及流量分配模型。经试验流域应用检验，该模型能更精确地模拟降雨径流过程。关键词：糙率；分布式水文模型；地表径流中图分类号：1：'334文献标识码：A1研究背景随着计算机技术、空间技术、遥感技术的应用，流域水文模型的研究更趋向于与地理信息系统(GIS)的集成，利用数字高程模型(DEM)提取流域的水文特征参数，在此基础上分布式水文模型被广泛提出。在基于DEM的分布式水文模型汇流计算中一个关键的问题是坡面栅格单元内地表径流方向的确定及栅格单元问流量的分配。目前，关于确定地表径流方向及流量分配的方法有6种⋯，其中应用比较广泛的有单流向法和多流向法。单流向法假定栅格单元之间的地表径流总是沿着最陡的坡度方向流动，即栅格单元内地表径流只流向8个相邻栅格单元中距离权落差最大的一个。水流方向就是其坡度最陡的方向，故此法又称D8最陡流向法(，rheD8steepestflowdirectionalgorithm)，由于计算简单，在实际中应用较多口。计算方法如下：arctan()；：一(：l’2’23⋯8)(1)式中：是以角度计的地面方向坡度；h是当前栅格单元高程；hj是相邻栅格单元高程；D为两个栅格单元中心之间的距离，若为水平或垂直方向的相邻栅格单元，D为栅格长度，若为对角线方向，D为^倍的栅格长度。多流向法按梯度比分配从较高栅格单元到相邻较低栅格单元的流量哺J，常见计算公式如下一c尸=(2)。厶㈦收稿日期：20041209基金项目：国家自然科学基金重点项目(50339030)作者简介：张升堂(1970一)，男，陕西凤翔人，讲师，博士，从事水资源及农业水土工程方面的教学与研究。E，mail：zst0077@163．com—l326—维普资讯http://www.cqvip.com式中：为从栅格单元i分配给栅格单元的流量部分；P为无量纲常数；Siy为从栅格单元到栅格单元．的坡面坡度；，Y为栅格单元的平面直角坐标；Z为格网单元的高程。TOPMODEL模型利用地形指数Ln(altanf1)反映径流在任一位置上的累积趋势和重力使径流顺坡移动的趋势，在模拟流域面超饱和径流汇流过程时，目前常用下式计算参数a，tarif。。：a¨a(4)式中：A为进入一个栅格单元的总上游坡面面积；L为与流向垂直的有效等高线长度；Z为栅格单元中点到栅格单元中点的距离。可以看出，多流向法中的s，式(4)计算方法中TOPMODEL模型的地形指数Ln(a／tan／3)，以及单流向法中坡度最陡原理，都是利用坡度单因子决定地表径流的流向及流量分配，是一种坡度决定论观点。这种方法在确定径流汇流方向时具有一定科学性，但由于这些方法均没有考虑流域坡面糙率因素对地表径流汇流的影响，用于计算相邻栅格单元间流量分配则有不合理之处。2模型建立与比较2．1模型建立流域坡面相邻栅格单元间的地表径流运动可用一维圣维南方程(Saint．Venantequation)运动波微分方程组近似模拟n卜”]：+u+h：，(f)(5)++LL)：。5(6qtort)：．)，式中：h为坡面径流深度；q为单宽流量；r(t)为净雨通量；为地表坡长；t为时间；s，为能坡或摩阻坡度；为坡面径流流速；n为坡面曼宁糙率系数。式(6)直接使用了水力学中的Chezy公式和Manning公式，根据此式单宽流量q与坡面径流平均深度h有如下关系()(7)采用运动波只传播不扩散的近似假定n，坡面水流的重力作用与阻力作用平衡，因此坡面径流摩阻坡度s，近似等于坡面坡度s，则有下式(8)对于流域坡面栅格单元某一时刻其地表径流深hj是唯一确定的，则向下游相邻栅格单元分配的流量满足)3，5=()3，5...