基于栅格的分布式超渗产流水文模型构建及比较VIP免费

©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netDOI:10.3876/j.issn.1000Ο1980.2010.02.001收稿日期:2009Ο03Ο06基金项目:国家自然科学基金(50479017);教育部长江学者和创新团队发展计划(IRT0717);国家博士点基金(20090094110005)作者简介:王莉莉(1982—),女,北京人,博士研究生,主要从事水文模型与水文预报研究.E2mail:wanglili_1021@sina.com基于栅格的分布式超渗产流水文模型构建及比较王莉莉1,李致家1,包红军2(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;2.国家气象中心,北京100083)摘要:利用具有物理机制的Green2Ampt下渗方法并考虑降雨间歇土壤含水量再分配计算栅格内产流;同时考虑河道排水网络的水量交换,采用逐栅格的Muskingum2Cunge演算法进行汇流,构建了基于栅格的分布式超渗产流水文模型(Grid2GA模型).同时还建立了基于子流域的Green2Ampt水文模型、以及增加超渗产流机制的新安江模型.将这3个模型以及新安江模型应用于半湿润的沂河高里流域,结果表明,4个水文模型均能很好地进行水文过程的模拟,证明所构建的模型结构合理.关键词:分布式水文模型;数字高程模型;新安江模型;Green2Ampt模型;水量再分配;超渗产流;GIS;高里流域中图分类号:P333.2文献标识码:A文章编号:1000Ο1980(2010)02Ο0123Ο06近年来,随着地理信息、遥感等空间测量技术的迅速发展,出现了一些典型的基于GIS和DEM的分布式和半分布式水文模型[1Ο9].如李致家等[5Ο8]在新安江模型基础上,提出了基于栅格的新安江模型.基于DEM的分布式水文模型以其充分考虑水文要素和各种参数空间变化的特点成为水文模型的发展趋势.现在比较成熟的分布式水文模型,如TOPKAPI模型、TOPMODEL模型与基于栅格的新安江模型,其产流机制往往反映的是蓄满产流机制,对存在一定比例超渗产流的半干旱半湿润或者干旱流域洪水模拟精度存在一定的影响.因此,有必要建立能够反映半干旱半湿润地区产流机制的分布式水文模型,以提高流域水文模拟及洪水预报的精度.本文结合GIS和DEM技术,构建了基于栅格和Green2Ampt下渗方法的分布式超渗产流水文模型(Grid2GA模型).模型在DEM的基础上,提取了水文模拟所需要的流域特征,对模型进行栅格化;利用具有物理机制的Green2Ampt下渗方法计算栅格内产流,并考虑降雨间歇土壤含水率的变化以及河道排水网络的水量交换,采用逐栅格的Muskingum2Cunge演算法进行汇流.基于Green2Ampt下渗方法,建立基于子流域的Green2Ampt分布式水文模型(简称基于子流域的GA模型),模型中加入了下渗能力曲线来考虑半干旱半湿润流域下垫面的空间变异性.由于Green2Ampt下渗方法具有一定的物理机制,笔者选择其作为计算超渗产流模块加入新安江模型,建立增加超渗产流机制的新安江模型.将Grid2GA模型、基于子流域的GA模型、增加超渗产流机制的新安江模型和新安江模型应用于半湿润地区沂河高里流域水文过程模拟并对比分析研究,以探讨所构建模型结构的合理性.1Grid2GA模型的构建构建Grid2GA模型,必须首先根据DEM资料提取相关流域信息,即DEM预处理、流向确定、水系生成及流域提取等一系列过程.然后由处理后的DEM和流向构建一个栅格演算次序矩阵.a.在集水面积矩阵基础上,搜索出最大集水面积的栅格点(即流域出口),并赋值为当前计算次序k(k=1).b.累加k(k=k+1),按照顺时针方向(从正北方邻点开始)依次扫描所有前一赋值点周围8个邻点,如果邻点流入前赋值点,则赋值该邻点当前计算次序k.c.重复步骤b直到没有栅格可以赋值.d.将得到的计算次序矩阵倒排序,依次类推,就可得到栅格演算次序矩阵.Grid2GA模型将每一个栅格第38卷第2期2010年3月河海大学学报(自然科学版)JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)Vol.38No.2Mar.2010©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net作为一个计算单元处理,进行蒸散发量计算、产流计算、汇流计算,得到每1个栅格的产流量和地表、地下2种水源.在进行栅格演算时,如果当前栅格有河道存在,属于河道栅格,则其地表径流和壤中流将有部分汇入河道中.在汇流过程中,地表径流、壤中流以及河道流量都采用逐栅格的Muskingum2Cunge...