SWIM水文模型的DEM尺度效应

数字高程模型(DEM)极大地促进了分布式流域水文模型的快速发展。本文引入SWIM水文模型,以淮河上游长台关地区为研究区,将15种不同分辨率DEM数据输入水文模型,分析DEM分辨率对径流模拟的影响,并探讨最佳DEM分辨率选取及DEM分辨率对流域地形参数与径流模拟影响等问题。研究表明:(1)研究区水文模拟效果较理想DEM分辨率在90～120m之间,采用栅格面积与流域面积比值(G/A)小于0.05和"thousandmillion"经验公式作为DEM选取参考等均适用;(2)DEM分辨率下降,水文模拟纳希效率系数呈波动下降,分辨率超过250m后,虽纳希效率系数有所提高,但此时DEM已不能刻画真实流域特征从而造成假象;(3)15种分辨率DEM在水文极端事件模拟上差异较大,高纳希效率系数时不能较好地反映水文极端事件,尤其是峰值,而在枯水期15种DEM水文模拟效果均较好,DEM分辨率降低导致水文模型对降水等反应敏感。     

不同比例尺水系修正DEM的流域河网提取对比

选取三门峡至小浪底区间小流域为研究对象,以1∶5万和1∶25万两种尺度的数字化水系分别修正DEM,在此基础上运用ArcGIS水文分析模块(ArcHydro Tools)进行流域河网提取。研究表明,基于水系修正的DEM和ArcGIS水文分析模块提取的流域河网精度较高,1∶5万水系修正DEM得到的河网更接近自然水系;通过对两种水系修正DEM生成的河网套合差计算发现,二者河网吻合程度较好,在DEM数据精度较高或者地形起伏较大的地区,如果没有更高精度的水系数据,1∶25万水系可取代1∶5万水系用于修正DEM。     

大尺度分布式水文模型数字流域提取方法研究

构建大尺度分布式水文模型是当前大气水文模型耦合研究的一项重要内容。本文介绍一 种根据1km DEM 生成更大网格尺度DEM 数据, 同时可以保持流域河网信息并减缓高程、坡度 等地貌参数信息量衰减速度的有效方法———ZB算法。利用该方法和常规的网格平均法生成黄河 唐乃亥以上流域的5km、10km、15km 和20km 两套DEM 数据, 分别提取高程、坡度、地形指数、河 网密度、主河道长度、流域面积等流域特征参数, 并与1km DEM 提取的上述参数进行比较, 对两 种方法作出评价。结果显示, 随着网格尺度的增大, ZB 算法获得的DEM 数据可以保持河网的连 续性, 提取出合理的流域范围, 减缓地形信息量的衰减速度。该方法满足构建大尺度分布式水文 模型提取数字流域的需要。     

基于DEM的数字流域特征提取研究进展

数字高程模型(DEM)是地表形态高程属性的数字化表达,利用流域DEM数据构建数字水系模型并提取流域水文特征,是分布式水文过程模拟的重要基础。DEM中闭合洼地和平坦区域的处理、流向的确定以及DEM分辨率的大小都直接影响着流域水系特征提取的质量与效率。针对当前基于DEM提取河网与流域特征的诸多问题,阐述了DEM数据提取流域水系特征的原理,回顾了数字水系模型与流域特征提取方法,评述了洼地和平地的处理方法及水流方向的确定方法的研究进展,介绍了当前基于不同DEM数据类型的提取方法研究,探讨了DEM尺度和分辨率对提取流域特征的影响,总结了平缓区域数字水系和河网提取的研究进展。     

基于DEM的清水河分布式水文模型

对于以冰雪融水和雨水混合补给为主的西北山区流域,需要结合山区特点建立分布式水文模型。通过取塔里木河流域中的清水河水系为研究区域,采用300 m×300 m DEM数据进行流域河网水系提取,同时用DEM数据对参数进行分布式异化,建立冰雪融水与降雨相结合的分布式水文模型。分析模拟结果表明:夏季模拟径流主峰值与实测径流值较为接近,而冬春季节两者之间的差别较大,反映了西北山区流域冰雪融水和雨水混合补给为主的特点;进而开拓塔里木河区域应用该类模型的可行性。     

基于DEM的水文物理过程模拟

基于数字高程模型,考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型。产流子单元的划分、河网水系的生成及其空间拓扑关系的建立,是由计算机自动完成。计算TOPMODEL地形指数ln(a/tgβ)_i的空间累积分布曲线,并对其作无量纲化处理,推求各产流子单元的土壤蓄水容量分布抛物线参数B,构建数字水文模型。全球能量与水循环亚洲季风试验强化观测区—淮河史灌河流域实例研究表明:数字模型不仅可以很好地模拟流域出口断面的径流过程,而且能够模拟土壤水分的变化过程,还可十分方便地输出水文要素和状态变量的空间分布。这对充分利用现有观测信息进行水文数据的深层次挖掘奠定了基础。     

基于DEM的任意方向坡度计算方法

坡度是数字地形分析中重要的地形因子,在水文分析、土壤侵蚀模拟、地貌类型划分等地学分析及工程上均有广泛的应用。由于地形的各向异性,坡度在各个方向上并不相同。目前,基于DEM所提取的坡度,均是位于最陡方向上的坡度,而任意给定方向坡度计算是地学分析和工程应用中较为常见的问题。在对目前DEM坡度提取算法研究的基础上,通过数学分析,给出了格网DEM上任意方向格网点的坡度计算模型和计算流程,并给出了相应的计算实例,从而将坡度计算模型从特定方向推向任意方向,使DEM坡度计算更具普适性。     

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型 (DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元 (网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。     

数字地形分析的理论、方法与应用

数字高程模型自20世纪50年代首次被提出以来,就以其简洁的数据组织方式、对地形的直观表达、简单高效的地形因子解译方法而显示了其在地学领域应用的巨大潜力。本文在全面检索和分析前人相关研究成果的基础上,首先将数字地形分析 (Digital Terrain Analysis,简称DTA) 的各种分析方法总结为四类,即坡面地形因子分析、特征地形要素分析、地形统计分析以及基于DEM的地学模型分析,并简要总结了每种分析方法的主要内容;其次,探讨了数字地形分析的精度及尺度问题,指出尺度效应、最适宜尺度选择以及尺度转换是DEM地形分析中的基本尺度问题;然后,论文介绍了DTA在地貌、水文、土壤、地质灾害、农业等领域的应用现状;最后,提出了数字地形分析发展方向,指出数字地形分析的概念框架亟待完善、模型构建精度有待提高、地形分析方法需要扩展,尤其是实现DEM模型嵌入的一体化分析方法,以求得到与现实世界地理环境更为接近的模拟。     

GIS支持下的基于DEM的水文响应单元划分——以洞庭湖为例

在GIS技术支持下,以洞庭湖为研究区,设计了水文响应单元划分的实现方案和算法,即用适度指数法确定合理的集水面积阈值,从DEM中提取子流域,并与土地利用和土壤类型图进行空间叠加分析,使得生成的每个水文单元仅含有单一的土地利用和土壤类型。结果表明:洞庭湖流域被离散成105个子流域、19 759个水文响应单元,符合分布式水文模型构建的需求;适度指数法用于设置合理的集水面积阈值,避免了人工率定阈值带来的不确定性,提高了子流域生成的精度和智能性。     

三工河流域分布式水文模型研究

分布式水文模型及其尺度问题是当今水文学研究的前沿课题，特别是针对不同流域尺度以及适合于干旱地区的分布式模型更是研究的焦点。提出了位于干旱区巾小流域尺度的三工河流域分布式模型建立的方法．采用了半分布式网格与子流域结合的模拟计算方式．实例证明这种模型非常适合于模拟干早区融雪径流．对干旱区流域产汇流过程的研究将具有很大的推动作用。     

融合多源数字信息的流域水系提取方法研究

由于DEM数据不包括河流、湖泊(水库)及流域边界和堤坝等信息,因此常规仅依靠DEM提取水系的方法不能反映平坦区域及受人类影响强烈区域水系的真实特征。该文建立了融合DEM、河流、湖泊水库、流域边界和堤坝等多源数字信息的流域水系提取方法,对多源信息进行栅格化,采用所提出的高程-距离函数对DEM进行校正,使得提取的数字水系与实际水系精确拟合。将该方法应用于山区太湖西苕溪流域老石坎水库及其上游集水区和平原丘陵分布区的淮河史灌河蒋家集站、梅山、鲇鱼山水库区间流域,提取的河网结构与地图信息拟合较好。     

基于DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。     

The impact of resolution on the accuracy of hydrologic data derived from DEMs

Hydrologic data derived from digital elevation models (DEM) has been regarded as an effective method in the spatial analysis of geographical information systems (GIS). However, both DEM resolution and terrain complexity has impacts on the accuracy of hydrologic derivatives. In this study, a multi-resolution and multi-relief comparative approach was used as a major methodology to investigate the accuracy of hydrologic data derived from DEMs. The experiment reveals that DEM terrain representation error affects the accuracy of DEM hydrological derivatives (drainage networks and watershed etc.). Coarser DEM resolutions can usually cause worse results. However, uncertain result commonly exists in this calculation. The derivative errors can be found closely related with DEM vertical resolution and terrain roughness. DEM vertical resolution can be found closely related with the accuracy of DEM hydrological derivatives, especially in the smooth plain area. If the mean slope is less than 4 degrees, the derived hydrologic data are usually unreliable. This result may be helpful in estimating the accuracy of the hydrologic derivatives and determining the DEM resolution that is appropriate to the accuracy requirement of a particular user. By applying a threshold value to subset the cells of a higher accumulation flow, a stream network of a specific network density can be extracted. Some very important geomorphologic characteristics, e.g., shallow and deep gullies, can be separately extracted by means of adjusting the threshold value. However, such a flow accumulationbased processing method can not correctly derive those streams that pass through the working area because it is hard to accumulate enough flow direction values to express the stream channels at the stream's entrance area. Consequently, errors will definitely occur at the stream’s entrance area. In addition, erroneous derivatives can also be found in deriving some particular rivers, e.g., perched (hanging up) rivers, anastomosing rivers and braided rivers. Therefore, more work should be done to develop and perfect the algorithms.     

The impact of resolution on the accuracy of hydrologic data derived from DEMs

1 Introduction Automated extraction of drainage features from DEMs is an effective alternative to the tedious manual mapping from topographic maps. The derived hydrologic characteristics include stream-channel networks, delineation of catchment boundaries, catchment area, catchment length, stream-channel long profiles and stream order etc. Other important characteristics of river catchments, such as the stream-channel density, stream-channel bifurcation ratios, stream-channel order, number…     

流域水文模型研究的若干进展

计算机技术和一些交叉学科的发展 ,给水文模拟的研究方法带来了根本性的变化。文章阐述了分布式物理水文模型、地理信息系统 (GIS)和遥感 (RS)技术在流域模拟中的应用等方面的进展。指出分布式模型具有良好的发展前景 ,应用 GIS的水文模型尽管有诸多优点 ,但并不能代表模型本身的高质量 ,遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中 ,给直接应用带来较大的困难。     

基于栅格的分布式降雨径流模拟系统及应用

研制了一套基于栅格的分布式降雨径流模拟系统,利用流域地形、土壤、土地利用等空间数据和水文气象数据,可以进行流域特征提取、空间数据内插、降雨径流模拟及计算结果的三维动态显示和统计。通过在黄土岭流域的应用,说明该系统具有较好的模拟降雨径流过程的能力,而且使用方便。     

潮河流域时变增益分布式水循环模型研究

在广泛了解有关分布式水文模型研究进展的基础上,结合中国实际资料条件和问题,提出了一种"水文循环机理-系统理论"相耦合的分布式水循环模型——时变增益分布式水循环模型(DTVGM),并建立了潮河流域分布式水文循环模型。实例研究表明,DTVGM的应用是比较成功的,基本上能够满足水资源管理的要求。