一种基于栅格的新安江模型中参数 B 的计算方法.doc
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1、精品论文大集合一种基于栅格的新安江模型中参数 B 的计算方法熊维美 1,陈晨 21 河海大学水文水资源学院,南京(210098)2 上海市闵行区水文站,上海(201100)Email: 摘要:分布式水文模型研究是当今水文研究的热点,但在参数难以优化的问题在一定程度上制约了其发展,主要表现为参数难以与流域特征建立直接关系。本文针对这一问题,提出 利用地形指数与蓄水容量曲线的相似性,对基于 DEM 栅格的新安江模型给出了确定蓄水容量曲线中参数 B 的方法。 关键词:蓄水容量曲线; B ;地形指数1. 引言随着地理信息技术的发展,考虑水文变量和水文参数空间变化的分布式水文模型得到了 极大的重视与发展
2、,而且,遥感技术的发展满足了分布式水文模型对空间信息的要求。分布 式水文模型的优点是模型的参数具有明确的物理意义,可以通过连续方程和动力方程求解, 可以更准确地描述水文过程。而对现有分布式水文模型的改进以及新的分布式水文模型的开 发仍然是现今水文科学的研究热点。水文参数优化是水文模型发展的一个重要部分,几乎所有的水文模型都含有一些不能直 接通过观测试验确定的参数,这些参数与流域的特征有关,但却很难与流域特征建立直接关 系,所以参数识别是一个十分复杂且困难的问题1。从理论上讲 , 模型参数可以从流域直接 或间接获得 ,但由于水文模型参数既有其物理意义 ,又有其推理、概化的成分 ,因此大部分 模型
3、参数只能是对实测资料进行分析的基础上 ,通过参数优选得到. 由于受天文、气候、下 垫面、人文等众多因素的综合影响 , 水文模型的参数一般较多 , 并不完全独立 , 常表现出 不确定性、高维、高度非线性和庞杂的信息类型2,鉴于此,本文将在这方面作一些探索研究。i本文将计算 TOPMODEL 中地形指数 ln ( / tan ) 的空间累积分布曲线,对其作无量纲化处理,并通过不同分辨率的 DEM 栅格的转换,推求各产流栅格单元的土壤蓄水容量分布抛物线参数 B 。2. 蓄水容量分布曲线与地形指数理论基础2.1 蓄水容量分布曲线概念蓄满产流是产流机制的一种概化。其基本假设为:任一地点上,土壤含水量达蓄
4、满(即 达田间持水量)前,降雨全部补充土壤含水量,不产流;当土壤蓄满后,其后降雨量将全部 产生径流。由于前期气候、下垫面等的不均匀性,导致流域土壤缺水量空间分布不均匀,三 水源新安江模型用蓄水容量分布曲线来解决流域蓄水分布不均匀的问题。流域蓄水容量曲线 是将流域内各地点包气带的蓄水容量,按从小到大顺序排列得到的一条蓄水容量与相应面积 关系的统计曲线,如图 2-1 所示。- 6 -WmWmm图 2-1 蓄水容量分布曲线1.0图中纵坐标Wm 为各地点包气带蓄水容量值,Wmm 为其中最大值,一般都以 mm 表示; 横坐标 为面积的相对值 f / F ,F 是全流域面积, f 为流域内包气带蓄水容量小
5、于或等于 Wm 的面积,曲线所包围的面积WM 为全流域平均的蓄水容量。据大量经验分析,蓄水容量曲线可由如下指数方程近似描述: = 1 1 BW mWmm (2-1)式中 B 值反映流域包气带蓄水容量分布的不均匀性, B 值越大越不均匀。2.2 关于 TOPMODEL 中的地形指数Beven 与 Kirkby3于 1979 年提出的 TOPMODEL (a Topography based hydrological Modal)是一个以地形为基础的半分布式流域水文模型, 他们提出用地形指数 ln ( / tan ) 或土壤 地形指数 ln ( / T0 tan ) 的流域分布来反映流域土壤蓄水分
6、布的不均匀性及产流的难易程度,并利用了一个分布函数将地形指数同流域部分面积联系在一起。流域蓄水容量分布曲线实际上是流域上最大缺水面积随蓄水容量而变的累积频率曲线(以下称曲线一),TOPMODEL 中地形指数累积曲线(以下称曲线二)虽然与之形式不同,但却具有相同的理论基础。按模型的假定,具有相同 ln ( / tan ) 值和土壤特性的区域,具有相 似的水文响应。 ln ( / tan ) 值较大的单元面积容易达到饱和而产生坡面流,这些单元面积一般位于地形辐合(凹曲面与地形谷)、坡面平缓、坡脚河边地带等水平方向透水性差且汇水面积大的部位。地形指数的高值处对应于新安江模型土壤蓄水容量分布曲线所显示
7、的低值处4。因此,地形指数实际上也是流域产流的一种指示,可以寻求到两者之间的一些定量关系。 为便于比较,将两条曲线坐标统一,单位无因次化。对曲线一的处理是:将流域点蓄水容量除以流域最大蓄水容量,Wm / Wmm 作为纵坐标。对曲线二的处理为定义:max ln ( / tan ) ln ( / tan )流域相对不易产流度= i imax ln ( / tan ) min ln ( / tan ) i i 在对 ln ( / tan ) 作这样的处理之后,相应地其频率分布值也要进行转换。若原先的地形指数 ln ( / tan ) 频率分布是:xiPi ln ( / tan )则 ln ( / t
8、an ) maxln( / tan) ln( / tan)maxln( / tan) ln( / tan) i x i i =1PPmaxln( / tan) minln( / tan) maxln( / tan) minln / tan i i i i i 这样便可将无量纲化的流域蓄水容量曲线与经上述处理后的 ln ( / tan ) 分布曲线绘在一张图上。2.3 基于栅格的分布式水文模型中 B 值的确定B 值反映流域蓄水容量分布的不均匀性,是从面上反映流域特性的参数。但是我们在用 栅格型分布式水文模型模拟水文过程时,希望能在每个栅格点上确定参数。由于我们采用的 DEM 栅格数据分辨率为 3
9、0,而从 SRTM3 上可以下载到分辨率为 3的 DEM 数据,每个 30 的栅格里面含有 100 个 3的栅格,因此我们提出这样一种思路:将一个 30的 DEM 栅格视 为一个流域,该流域等分为 100 个子流域,每个子流域即分辨率为 3的 DEM 栅格,我们根 据前述的地形指数和 B 值的关系就可确定出由 100 个 3的 DEM 栅格组成的 1 个 30的 DEM 栅格的 B 值。这样,我们在用基于分辨率为 30的 DEM 栅格的分布式水文模型时,就可以 确定每个栅格上的 B 值,符合我们采用基于栅格的分布式水文模型的初衷。1 个 30的 DEM 栅格1 个 3的 DEM 栅格3. 实例
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