DEM空间分辨率对流域水文特征信息提取及径流模拟影响研究

DEM是构建分布式水文模型的重要输入。以岷江上游为研究区,基于8种不同空间分辨率DEM构建SWAT模型,研究分析DEM空间分辨率对流域水文特征提取及径流模拟影响。研究表明,DEM空间分辨率越低,洪峰模拟精度越低,模拟流量与实测流量间的误差越大,曲线吻合度越低;DEM空间分辨率由25m降低到200m时,径流模拟误差变化不明显,而DEM空间分辨率由200m降低到3 200m时模拟误差显著增大;另外,DEM空间分辨率与径流总量的模拟精度间未表现出显著相关性。     

子流域划分和DEM分辨率对SWAT径流模拟的影响研究

应用SWAT分布式水文模型,选择秦淮河流域为研究区,在不同的子流域划分水平和DEM分辨率条件下,进行流域径流的模拟,进一步分析子流域划分和DEM分辨率对流域径流模拟结果的影响.研究结果表明:产流量随着子流域划分数目的增加几乎没有变化,最大相对偏差不超过5%;DEM分辨率的变化对径流的模拟影响也不大,尤其在DIM格网单元低于100m时,各种DEM格网单元模拟结果的相对偏差最大约为1%.     

DEM数据源及分辨率对HEC-HMS水文模拟的影响

DEM数据源及分辨率会影响流域特征参数的提取,进而影响水文模拟结果.将ASTER 30 m DEM、SRTM 90 m DEM及基于ASTER 30 m DEM的40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m重采样DEM作为HEC-geoHMS模型输入,提取流域特征,采用HEC-HMS模型,以西笤溪流域为研究区域,分析2011年6月和2011年8—9月的两场降雨径流过程中,DEM数据源和分辨率对水文模拟输出的影响.研究结果表明,两次径流模拟结果与实测数据拟合都较好,模型确定性系数都大于0.82,但是单峰的洪水模拟效果总体更好,基于SRTM 90 m的模型确定性系数比基于ASTER 30 m DEM、重采样90 m DEM的模型确定性系数都大.基于重采样DEM的模型确定性系数变化较大,而且与分辨率的变化呈非线性关系.在HEC-HMS的模拟中,基于ASTER 30 m DEM和基于SRTM 90 m DEM的模拟输出结果相对误差相差3%~5%,基于SRTM 90 m DEM和基于重采样90 m DEM的模拟输出结果相对误差相差2%~4%,基于重采样DEM的模拟输出结果相对误差相差最大达到了11%.     

DEM空间分辨率的初步分析

分布式模型的输入及其参数具有时空变异性,模型的校正也依赖于网格单元的大小,因此需要确定适当的空间分辨率来描述和控制空间变化。随着分辨率的不同, DEM的精度以及由此提取的流域特征值（如高程、坡度、地形指数、河网长度）在统计特性上也会随之变化。对50 m分辨率的DEM平均取样获得150~950 m的9组DEM,对不同分辨率下提取的流域特征值进行了统计分析,并采用信息熵度量不同分辨率的信息量。     

TOPMODEL在流域径流模拟中的应用研究

介绍了TOPMODEL的基本结构与理论。该模型结构简单、物理概念明确、优选参数少,在集总式和分布式流域水文模型之间起到了一个承上启下的作用。TOPMODEL在国外已被广泛研究,并认为是一个相当成功的流域水文模型。为了进一步拓宽该模型的应用,选择6个不同尺度、分布于不同区域和不同气候条件下的流域来应用研究该模型的径流模拟效果。结果表明,该模型在率定和校核两个阶段的模拟精度都比较高,基本上能达到新安江三水源模型的水平。     

复杂山区小流域径流模拟影响因素分析

为探讨子流域划分与DEM分辨率对于地形和地表状况比较复杂的山区小流域径流模拟的影响,利用分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对复杂山区小流域进行径流模拟,从不同的子流域划分条件下分析了子流域划分对径流模拟的影响及其变化趋势.然后通过对原有的DEM(Digital Elevation Model)进行重采样生成不同格网大小的DEM作为模型输入,研究不同DEM分辨率对复杂山区小流域径流模拟的影响.研究表明:(1)存在一个比较合理的子流域划分方案使径流深比较稳定;(2)存在一个合适的DEM分辨率使模拟得到的径流深比较稳定;(3)山区复杂流域环境,要求更加精细的子流域划分才能获得(1)中的稳定径流深.     

空间分辨率与取样方式对DEM流域特征提取的影响

随着数字水文的兴起和分布式水文模型研究的发展, 利用DEM提取水文特征, 进而进行水文模拟的方法越来越广泛地为水文学者所采用. 空间分辨率的改变与DEM重新取样方式对水文模拟都会产生重要影响. 采取不同取样方法获得多种尺度的DEM, 对不同分辨率下的流域特征值进行了统计分析与比较, 引入熵的概念度量不同分辨率的DEM包含的信息量, 以及不同取样方式对信息量的影响. 并计算了以50 m DEM所包含的信息量为基准, 在不同的信息损失下所要求的最低分辨率.     

TOPMODEL模型的空间尺度分析

以东江流域的岳城、胜前、东坑、蓝塘和九州五个子流域为例,应用前四个子流域分析DEM分辨率和流域大小对地形指数和TOPMODEL模型模拟结果的影响,探讨TOPMODEL模型对DEM分辨率的依赖性.结果表明:DEM分辨率对地形指数有着显著的影响,且径流模拟精度依赖于DEM空间分辨率,随着DEM空间分辨率的降低模拟得到的确定性系数逐渐减小.为了克服TOPMODEL模型难以考虑降雨空间分布不均对径流过程的影响,建立基于子流域的TOPMODEL模型,将基于子流域的TOPMODEL模型和整个流域的TOPMODEL模型应用九州子流域进行模拟比较,发现基于子流域的TOPMODEL模型能够得到精度更好的模拟效果,而且可以得到不同子流域对流域出口流量过程的贡献度,进而能够分析不同降雨情况下的流域出口洪水过程.     

TOPMODEL模型中的DEM尺度效应

TOPMODEL是目前被广泛应用的半分布式流域水文模型,它以地形为基础的特点使得DEM的空间分辨率成为影响模型模拟结果准确性的重要参数。不同分辨率的DEM将计算出不同的地形指数ln(α/tanβ)分布,其作为TOPMODEL的地形参数直接影响着模型的模拟结果。以10 m分辨率的DEM为原始数据,生成10~1 000 m等17种分辨率的DEM,使用地形信息熵的概念,比较不同分辨率的DEM对地形信息提取的影响。假设TOPMODEL在10 m分辨率的DEM计算的流量过程线为观测值,对比了不同分辨率的DEM对流量过程线和Nash效率系数产生的变化。对于所研究的流域,150 m分辨率是建立TOPMODEL模型的最佳值,300 m分辨率是保证模型结果有效的基本要求。使用Monte Carlo方法计算TOPMODEL中参数对DEM分辨率的敏感性,指出在模型的5个参数中,只有饱和导水系数T₀对DEM分辨率敏感。     

TOPMODEL模型在岩溶地区的改进与应用

为合理评价岩溶地区水资源,在充分考虑岩溶地区水文要素的空间异质性及各水文单元之间的相互联系的基础上,作者结合TOPMODEL模型的结构特点, 对模型进行了改进。该改进模型在子流域中采用TO PM ODEL模型作产流计算,根据河道的不同属性推求汇流时间,建立汇流模型,增强了模型的分布性,解决了由于岩溶地区地下河的存在无法使用TOPMODEL模型的问题。将此改进模型应用于鄂西蛤蟆颈水库控制流域进行模拟研究,得到了较为满意的模拟结果。      

TOPMODEL中地形指数计算方法的探讨

地形指数ln(α/tanβ)是一些以物理概念为基础的水文模型的重要参数。TOPMODEL是以计算ln(α/tanβ)指数及其分布为基础的。对于栅格DEM,α为上坡区域通过单位等高线长汇集到单元网格内的面积,反映径流在流域中任一点的累积趋势,tanβ为单元网格的坡角,反映重力使径流顺坡移动的趋势。目前普遍使用的计算该地形指数的方法为多流向法。方法中计算α和tanβ用的均是与流出单元网格流向垂直的等高线长。另外计算下坡单元网格累积汇流面积时没有考虑欲计算ln(α/tanβ)值的单元网格的面积。这些是不合理的。计算α值应该用与流入单元网格流向垂直的等高线长,据此提出了改进后的ln(α/tanβ)的计算方法。方法中计算下坡单元累积汇流面积时包括了欲计算ln(α/tanβ)的单元网格的面积。分析了两种方法计算结果间的差值。     

SCE-UA算法在新安江模型及TOPMODEL参数优化应用中的研究

利用江西修水流域资料，将遗传算法和SCE—UA算法对新安江模型汇流参数及TOPMODEL参数进行优化，并对其结果进行了分析研究，得出了以场次洪水拟合的确定性系数为指标，用SCE—UA算法对TOPMODEL参数自动优化的结果比新安江模型的结果稍好的结论。     

以地形为基础的流域水文模型——TOPMODEL及其拓宽应用

介绍了TOPMODEL的基本理论与理论基础及模型利用地形指数的不同空间分布,模拟水文响应的特性.由于以往TOPMODEL的应用只限于山坡尺度范围,本文试探将其应用范围拓宽,选择淮河流域为例,考察其在一般流域上的应用效果,并将TOPMODEL与新安江模型作了初步分析比较.     

基于模糊集理论的降雨不确定性传播影响研究

基于模糊集理论,耦合遗传算法,量化分析降雨的量级、空间分布和时程分配产生的不确定性对流量模拟的影响。雨量量级的不确定性使用模糊集概念表示,运用遗传算法对时段雨量在时间上进行随机解集,并通过在各子流域上采用不同的时间解集模式以同时考虑降雨时程分配和空间分布不确定性。应用TOPMODEL对资水流域新宁水文站洪水过程进行模拟研究,结果表明,雨量不确定性的传播对洪水预报的影响处于主导地位,降雨时空分布引起的不确定性对洪水模拟的影响次之。此外,通过对1 h和0.5 h解集结果的比较发现,本文中采用1 h作为模拟的时间步长已可以较充分反映雨量的时间变异性。