TOPMODEL 水文模型理论及其应用

概述以地形为基础的水文模型(TOPMODEL)的基本原理及模型结构,绘制了单元流域计算流程图.选择干旱和湿润气候过渡地带的潮河流域为研究对象,研究TOPMODEL径流模拟问题,同时研究不同分辨率DEM对地形指数计算的影响及对流量模拟的影响,以此推动TOPMODEL的发展,为变化环境下水文循环模拟的研制开拓一些思路.     

水文模型在鳌江流域径流模拟中的应用

文章简要介绍了分布式水文模型的基本原理.以分辨率为90m×90m的STRM DEM为基础,计算得鳌江埭头流域的地形指数.应用该模型做径流模拟,与新安江模型做对比分析,提出了几点实际应用中的问题.     

基于DEM的山丘区小流域河网提取分析研究

数字高程模型(DEM)是提取流域河网水系的重要基础数据,DEM分辨率直接影响河网水系的空间拓扑关系和数字流域水文特征。选取美国俄亥俄州印第安纳河流域为研究对象,基于不同分辨率的DEM提取河网,引入野外勘测河源信息,建立可靠度、灵敏度评价指标,探讨不同DEM分辨率所提取数字河网的适用性。结果表明:(1)与野外勘测河源相比,基于高分辨率DEM提取的河网与实际河网更为接近,但会生成伪支流;(2)研究流域地形破碎化程度高,局部地形坡度大,河网发育主要受上游集水面积控制;(3)DEM分辨率为5 m时,研究流域河网提取结果的可靠度和灵敏度较为理想,过高或过低的分辨率均不适用于该流域的河网提取。     

基于LiDAR的青藏高原山坡小流域地形提取方法

数字高程模型(DEM)的精度和分辨率影响着地形分析的结果,这种影响在高原、高山地带尤为明显。以拉萨河夺底沟小流域一处山坡为研究对象,选取典型剖面对比3种DEM数据对实际地形的还原效果。分析表明:SRTM和ASTER GDEM地形数据在青藏高原高山区存在高估山谷谷底高程、漏失地形要素的现象,使用LiDAR技术获取的DEM则可以准确反映实际地形。针对8种分辨率(1,2,5,10,15,20,25,30 m)的LiDAR DEM,使用局部方差均值分析坡度、平面曲率、剖面曲率等地形属性,发现低分辨率DEM在高山地区会遗失大量地形信息,造成地形平坦化和山坡微地形改变。为避免高山地区地形特征失真,给出了坡度和曲率研究适用的最小分辨率阈值:在坡度研究中使用的DEM分辨率应<5 m,曲率研究的最优分辨率为1 m。研究表明在青藏高原高山区,使用LiDAR技术提取高分辨率DEM具有远大的应用前景。     

基于DEM的河宽模型在山区中小流域内的构建与应用

合理可靠地估算河道栅格单元内的河道断面宽度是分布式水文模型汇流计算时的重点和难点问题。为此,研究提出一种适用于山区中小流域的河宽模型。该模型综合考虑了集水面积和地形对河流宽度的影响,利用DEM数据提取了河道上游集水面积和河道附近一定范围内的坡度,并建立起与河道断面宽度之间的函数关系,进而构建适用于不同流域的河宽模型。结果表明,在未明显受到水利工程影响的河段上,可以较为准确地估算出河道宽度的空间分布,刻画出自然条件下河道宽度从上游到下游震荡增大的变化特点;且基于不同分辨率的DEM数据构建的河宽模型均能取得较好的计算结果。     

DEM分辨率对葫芦河流域径流模拟的影响

选取北洛河支流葫芦河张村驿水文站以上控制区域为研究区域,基于ASTER GDEM V2 30 m DEM数据与张村驿水文站1980—1990年实测流量数据,建立流域月尺度的SWAT水文模型,并评价了模型在该流域的适用性,分析了DEM分辨率对流域水文地形特征提取与径流模拟的影响。结果表明:建立的SWAT模型可以用于研究区域的径流模拟;DEM分辨率对坡度、面积、子流域划分影响较大,对高程提取影响较小;不同分辨率的DEM数据对径流的模拟结果不同,其中120~150 m分辨率模型模拟结果较优,DEM分辨率为150~1 000 m时,模拟结果可满足精度要求但存在一定偏差;各模型均存在低估流量值的现象。     

SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分 ——以濂水流域为例

本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.     

水文模型WMS在流域降雨—径流模拟上的应用

WMS模型能基于DEM自动提取流域边界与河网,可以在河网上任意设置流域出口与定义子流域,并基于地形拓扑关系计算流域、子流域与河网的相关属性.采用WMS可以方便地组建集总式水文模型和分布式水文模型,通过与嵌入的多个模块联合,WMS可以进行流域的降雨-径流、水土保持效果评估、城市下水道布局、洪水预报等方面的研究.     

流域边界提取方法研究综述

流域边界的提取是流域面积量算及其它水文参数提取的基础,对水文分析计算的精度有重要影响.随着数字流域研究的兴起和分布式水文模型研究的深入,水系和流域边界的提取越来越得到重视,提取方法也取得了若干新的进展.对基于纸质地形或水系图、基于遥感影像和DEM的流域边界提取的数据源和方法进行了回顾,并对不同数据源、空间分辨率和算法对提取精度的影响进行了比较.     

坡度提取的边缘效应研究

坡度一般是从离散的DEM中提取的,所以在坡度矩阵的边缘存在边缘效应。为了找到这种边缘效应的本质规律,应用Taylor展开方法,以3阶反距离平方权差分算法为例,分析了三维地形表面条件下边缘效应对坡度的影响规律,并在此基础上提出了坡度计算误差函数。以5个典型地貌样区以及基于高斯曲面所生成的6种地形为研究对象,分析了DEM提取坡度时的边缘效应问题。通过实际数据的试验证明:坡度计算误差函数可以准确预测边缘效应条件下坡度的变化情况。通过大量统计分析,找到了边缘效应条件下坡度中误差与DEM分辨率的回归方程。同时,研究指出边缘坡度大于真实坡度的格网出现在地形起伏较大、DEM分辨率粗略化的条件下。     

Arc Hydro模型提取流域水文信息及精度分析——以松花江流域为例

流域水文模型已成为流域水文信息提取的重要手段。运用Arc Hydro模型以松花江流域为研究对象,以分辨率为90 m的SRTM DEM为数据源,以松花江流域1∶25万水系矢量数据为参照,分别在400,500和600 km2三个不同集水面积阈值下进行河网提取。运用图像比对软件Alike Duplicate Image Finder对所提取河网进行精度分析。结果显示:集水面积阈值为500 km2下提取的河网最为精确。在500 km2集水面积阈值基础上,运用Arc Hydro模型将松花江流域划分为642个子流域。基于Arc Hydro模型提取的松花江流域河网与实际河网基本一致,说明利用该模型进行流域水文信息提取是合理可行的。     

流域分布式侵蚀学坡长的估算方法研究

坡长是USLE/RUSLE应用到流域尺度上较难提取的因子。本文从理论上对坡长进行分析,提出以流域分布式侵蚀坡长来反映地形因子的坡长值,并采用迭代累积的算法提取坡长,同时考虑了侵蚀、沉积、沟道,较完整地实现了坡长的计算条件。对实例进行计算、分析,并同已有估算方法进行了对比。该方法有效地表达了坡长与地形的相关关系,计算结果准确,空间分布合理,适合于在流域和区域尺度上基于DEM对地形因子进行提取与分析。     

基于自回归模型的分布式水文模型预报校正

以清江水布垭上游流域为研究对象,利用1 km×1 km精度的数字高程模型(DEM)提取流域特征信息,采用基于DEM的分布式水文模型(DDRM)对清江流域进行降雨-径流模拟。由于分布式水文模型所需资料在目前的技术水平下难以完全满足或者建模理论不完善等原因,其在水文预报中的应用效果还不太理想。因此,本文建立了自回归模型尝试对DDRM模型的模拟结果进行降雨-径流的实时校正。利用Nash-Sutcliffe效率系数、径流深相对误差等方面对校正前后的模拟结果进行比较分析,结果表明:在DDRM模型的基础上采用自回归模型对误差进行校正提高了预报精度,能在一定程度上弥补分布式水文模型在实际应用中由于资料不足等原因而带来的精度下降的问题。     

Evaluating performance dependency of a geomorphologic instantaneous unit hydrograph-based hydrological model on DEM resolution

The digital elevation model (DEM) is a type of model that has been widely used in terrain analysis and hydrological modeling. DEM resolution influences the hydrological and geomorphologic features of delineated catchments and consequently affects hydrological simulations. This study investigated the impacts of DEM resolution on the performance of the XAJ-GIUH hydrological model, a model coupling the widely used Xinanjiang (XAJ) hydrological model with the geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH), in flood simulations in small and medium-sized catchments. To test the model performance, the model parameters were calibrated at a fine DEM resolution (30 m) and then directly transferred to the simulation runs using coarser DEMs. Afterwards, model recalibration was conducted at coarser DEM resolutions. In the simulation runs with the model parameters calibrated at the 30-m resolution, the DEM resolution slightly affected the overall shape of the simulated flood hydrographs but presented a greater impact on the simulated peak discharges in the two study catchments. The XAJ-GIUH model consistently underestimated the peak discharges when the DEM resolution became coarser. The qualified ratio of peak simulations decreased by 35% when the DEM resolution changed from 30 m to 600 m. However, model recalibration produced comparable model performances when DEMs with different resolutions were used. This study showed that the impact of DEM resolution on model performance can be mitigated by model recalibration to some extent, if the DEM resolution is not too coarse.     

数字河网提取时集水面积阈值的确定

为得到一种切实可行的阈值选取方法,使提取的数字河网有利于后期的水文分析,以古蔺河流域为例,应用ArcGIS水文分析模块,基于30 m分辨率的DEM基本地形数据,采用"阈值—河网密度"的方法做出其关系图,利用"阈值—河源密度"的方法进行检验。结果表明,这种方法是可行的,避免了在阈值选取方面的盲目性,同时也可以应用到其他流域的数字河网提取。     

基于TOPMODEL的DEM空间尺度转换关系探讨

由于地形指数的计算与数字高程模型DEM空间分辨率紧密联系,采用TOPMODEL进行水文过程的模拟通常受到DEM分辨率的影响。本文引入分辨率因子考虑DEM分辨率对单宽上坡集水面积的影响;对坡度应用分形的方法,将计算地形指数的尺度变化方法与TOPMODEL进行耦合,构建不受DEM分辨率影响的TOPMODEL,并将其应用于褒河流域的9场次洪模拟,结果表明,使用27″分辨率的DEM数据作为模型输入,不受DEM分辨率影响的TOPMODEL模拟得到的结果较接近于3″分辨率DEM数据下的结果。该方法能在一定程度上削弱DEM分辨率对TOPMODEL模拟精度的影响,是一种合理可行解决水文过程中尺度问题的有力工具。     

山丘区小流域下垫面数据精度对HEC-HMS水文模拟的影响研究

山丘区小流域下垫面条件复杂多变,DEM分辨率及子流域划分水平对分布式水文模型模拟结果的影响有待深入研究。本文选取小流域应用广泛的HEC-HMS分布式水文模型,在河南省栾川流域设置四种DEM分辨率方案及四种子流域划分方案,分别提取不同方案下的流域水文特征参数进行对比,并分析两种类型的数据精度对纳什系数和峰值模拟的影响。研究结果表明,与大中流域相比,DEM分辨率和子流域划分对山丘区小流域空间参数和水文模拟结果的影响要更为显著。在实际山洪预警预报工作中,为保证模拟结果的稳定性和可靠性,应尽可能选择高精度下垫面数据精度。     

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 分辨率是基于地形测绘数据插值生成DEM的基本问题。利用合适的分辨率既可使生成的DEM如实反映和描述地面地形特征，又可避免引入新误差。基于地貌学原理，以读取基础数据所有信息和有效表达地貌特征为目标，利用多种栅格DEM的坡度均方差 栅格尺寸关系曲线，结合对插值DEM上地貌特征的分析，可以客观地确定地形图插值生成DEM的合适栅格尺寸。系统介绍了这种方法的基本原理，并以黄土高原1∶25万地形图插值生成DEM为例，对该方法的应用进行了讨论。典型地区试验研究表明，黄土丘陵区1∶25万和1∶1万地形图（等高距分别为100 m和5 m）插值生成DEM，DEM的坡度均方差 栅格尺寸关系曲线拐点分别位于50 m和2.5 m处，因而分辨率分别为50 m和2.5 m。本研究可以为改进我国DEM质量提供支持。
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土地覆被和气候变化的水文响应研究

采用分布式水文模型SWAT研究北京地区过去10a间径流量剧减的主要原因.采用等高线→TIN→DEM的方法获取研究区分辨率较高的DEM图,基于DEM图提取流域边界、河网、子流域及相关属性,根据土壤类型与土地覆被类型的组合划分水文响应单元,实现下垫面的空间离散;采用校准和验证后率定的参数研究了10a来气候变化和土地覆被变化对径流量的影响.研究表明:10a间土地覆被变化的主要趋势是旱地城市化.过去10a间,由于土地覆被变化导致北运河年均径流量增加了10%～20%,而气候变化导致年均径流量减少了约2/3.     

基于栅格数字高程模型DEM的河网提取及实现

从数字高程模型(DigitalElevationModels)DEM直接提取河网及相关流域信息,是分布式水文模型开发与应用的基础。本文基于D8(eightflowdirectionmatrix)处理方法,开发出一套DEM凹陷区域识别与处理、河网自动生成与流域划分软件。在新疆天山,应用本软件在100m×100m精度的DEM数据上生成的河网与全国1 25万的数字河流对比验证,吻合较好。此外,在美国联邦地质调查局(USGS)的HYDRO1k全球1km精度的DEM数据源基础上,所提取生成的长江流域河网,与1 100万的数字长江主要河道对比,差别不大。结果表明,所开发软件能够很好地自动生成流域水系,可为进一步开发分布式水文模型提供技术基础。