CN105912861A - 基于gis的非参数概念性水文模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水文模型，具体为基于GIS的非参数概念性水文模型，包括产流计算和汇流计算两个主模块；所述的产流计算主模块包括植物截留、填洼及划分水源三个步骤；所述的汇流计算模块包括坡面汇流和河网汇流两个步骤；所述的产流计算和汇流计算最终形成河网总入流。在建立水文模型时，结合GIS技术，尽可能量化模型的参数，以达到减少模型参数调试的不确定性。相对当前广泛应用的概念性水文模型，该模型弥补了传统概念性水文模型参数多、参数物理意义不够明确以及参数调试带来的不确定性等缺点。

Description

基于GIS的非参数概念性水文模型

技术领域

本发明涉及一种水文模型，具体为基于GIS的非参数概念性水文模型。

背景技术

流域水文模型是指通过计算机模拟流域水文过程所建立的具有物理意义和逻辑概化的数学结构。20世纪70年代以来，国内外水文学家提出了众多流域水文模型，比较有代表性及应用较为普遍的有新安江模型(1973年，赵人俊，河海大学，中国)，水箱(TANK)模型(1961年，菅原正已，日本国立防灾中心，日本)，MIKESHE(1985年，丹麦水利研究所)等。

目前，国内最有代表性的概念性水文模型是新安江模型。新安江模型包括4个计算环节：蒸散发计算、流域产流计算、水源划分、汇流计算。4个计算环节分别概化了流域降雨径流的主要产、汇流物理过程。该技术的缺点在于参数过多，不易量化。以标准三水源新安江模型为例，整个模型涉及参数17个(KC、UM、LM、C、WM、B、IM、SM、EX、KG、KI、CI、CG、CS、L、KE、XE)，其中较为敏感参数就有10个(KC、SM、KG、KI、CI、CG、CS、L、KE、XE)。模型参数的率定本身就是一个十分复杂和困难的环节，参数越多越不易调试。由于参数多，信息量少，就很容易发生参数与参数之间的相关性、参数自身的不稳定和非唯一性等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于GIS的非参数概念性水文模型，在建立水文模型时，结合GIS技术，尽可能量化模型的参数，以达到减少模型参数调试的不确定性。

具体的技术方案为：

基于GIS的非参数概念性水文模型，包括产流计算和汇流计算两个主模块；所述的产流计算主模块包括植物截留、填洼及划分水源三个步骤；所述的汇流计算模块包括坡面汇流和河网汇流两个步骤；所述的产流计算和汇流计算最终形成河网总入流。

其中，各计算模块子模型如下：

(1)植物截留的计算模型为：

(2)填洼的计算模型为：

ARCGIS支持下，利用DEM数据提取填洼量T；

(3)划分水源的计算模型为：

流域饱和缺水量分布曲线见图1。

流域饱和缺水量分布曲线的方程如下：

$a=\frac{S_M}{S_{MM}};S_M=\frac{1}{2}{S}_{MM}---\left(2\right)$

当PE＜S_MM，则

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{ts}=PE-S_M+S_0+S_M\·(1-\frac{PE}{S_{MM}})=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{PE}}^2}{S_{MM}}+S_0\\ R_d=PE-R_{ts}\end{array}\right.---\left(3\right)$

当PE≥S_MM，则

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{ts}=PE-S_M\\ Rd=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：PE为净雨量(mm)；S_M为流域平均饱和缺水量(mm)；S_MM为流域最大饱和缺水量(mm)。

(4)坡面汇流的计算模型为：

$2r\mathrm{\Δ}t-\frac{\mathrm{\Δ}t}{nL}\·{i_0}^{\frac{1}{2}}({h_{t+1}}^{\frac{5}{3}}-{h_t}^{\frac{5}{3}})=h_{t+1}-h_t---\left(5\right)$

式中：L为坡面长度；h为坡脚水深；r_t为坡面净雨强度；q_t为坡脚出流量；W_t为坡面蓄水量；r为时段坡面平均净雨强度，从t＝0,h＝0，逐时段推算h、q_t。

坡面饱和后，地下水水面线接近地面，因此，地下水水面坡度近似为坡面坡度；设土层的饱和水力传导度为k，单宽坡面的地下水出流流量为q_s，则

q_s＝ki₀ (6)

(5)河网汇流的计算模型为：

$W_t={\mathrm{\β}}^{-0.6}{Q_t}^{0.6};\mathrm{\β}=\frac{1}{n}{B}^{-\frac{2}{3}}{L_w}^{-\frac{5}{3}}{\left(K_1{K}_2\right)}^{\frac{5}{3}}{J}^{\frac{1}{2}}---\left(7\right)$

$\frac{\mathrm{\Δ}t}{2}(I_1+I_2)-\frac{\mathrm{\Δ}t}{2}(Q_1+Q_2)=W_2-W_1={\mathrm{\β}}^{-0.6}{Q_2}^{0.6}-{\mathrm{\β}}^{-0.6}{Q_1}^{0.6}---\left(8\right)$

$Q_t=Q_0{(\frac{2}{3}{\mathrm{\β}}^{0.6}{Q}^{0.4}t+1)}^{-2.5}---\left(9\right)$

式中：Q_t为出口断面流量(m³/s)；n为糙率；A为出口断面面积(m²)；R为出口断面水力半径(m)；χ为出口断面湿周(m)；J为出口河段比降；B为出口断面河宽(m)；h为出口断面平均水深(m)。K₁、K₂为参数，可通过统计典型流域求解。

其中，模型参数率定过程为：

产流计算和汇流计算两个主模块参数共计19个，见下表1。

表1模型参数表

表1中各参数具体率定方法分述如下：

(1)植物截留

根据流域的实际情况，结合GIS提取的不同植被类型分布及所占百分比，加权平均后求得参数森林郁闭度σ、叶面积指数枝叶浸湿水层厚h_w。

(2)填洼

ARCGIS空间分析功能直接估算填洼量T。

(3)划分水源

先通过砂、壤、粘土的饱和渗透率及土地利用类型面积分布比例，加权求流域平均饱和渗透率μ。

调查流域枯期平均流量，根据达西下渗公式估算出地下水平均坡度i₀’，结合流域坡面平均坡度i₀，乘以河网总长L_w除以流域面积F即可求得流域平均饱和缺水量S_M。

(4)坡面汇流

根据坡面地表性质，参考《水力学》确定坡面糙率n。利用ArcGIS提取DEM数据提取流域面积F和河网长度L_w、分水岭平均高程H₀和河网平均高程H_w，将河槽两岸坡面概化为对称矩形坡面。由F和L_w推求流域平均宽度B_w，河道两边坡面对称，则坡面底长为0.5B_w。由H₀和H_w推求坡面平均高差H₀-H_w，坡面平均长度坡面平均坡度i₀＝(H₀-H_w)/(0.5B_w)。

采用单宽矩形坡面的一维圣维南方程组的水文学解计算净雨过程的单宽矩形坡面出流，乘2L_w河网长度后得到地表径流河网总入流q，加上地下径流后得到流域河网总入流。

(5)河网汇流

流域出口宽度B和出口段平均比降J为实测数据。参数K₁、K₂的确定则需引入基本河相关系经验公式：

$\frac{{\stackrel{\‾}{B}}^m}{\stackrel{\‾}{h}}=a---\left(10\right)$

对参数m、a的取值范围：山区a＝10～16、m＝0.8～1.0；平原区a＝5～9、m＝0.5～0.8。

为率定K₁，统计了99个典型山区小流域，包括四川45个、广西25个、云南29个，相关关系后即可求得K₂。

本发明提供的基于GIS的非参数概念性水文模型，在防洪减灾、水资源可持续利用、水环境生态保护以及研究气候变化和人类活动影响等方面都具有广泛的科学意义和实用价值，在建立水文模型时，结合GIS技术，尽可能量化模型的参数，以达到减少模型参数调试的不确定性。相对当前广泛应用的概念性水文模型，该模型弥补了传统概念性水文模型参数多、参数物理意义不够明确以及参数调试带来的不确定性等缺点。

附图说明

图1为本发明的流域饱和缺水量分布曲线图；

图2为实施例杨柳坪断面以上白沙河流域水系图；

图3为实施例杨柳坪断面以上白沙河流域子流域图；

图4为实施例杨柳坪断面以上白沙河流域坡度图；

图5为实施例杨柳坪断面以上白沙河流域土地利用类型图；

图6为实施例杨柳坪断面以上白沙河流域土壤类型图；

图7为实施例杨柳坪断面以上白沙河流域植被功能类型图；

图8白沙河流域各频率24h设计暴雨过程线；

图9白沙河流域各频率设计洪水过程线；

图10为实施例P＝1％频率设计洪水过程线比较图；

图11为实施例P＝2％频率设计洪水过程线比较图；

图12为实施例P＝5％频率设计洪水过程线比较图；

图13为实施例P＝10％频率设计洪水过程线比较图；

图14为实施例P＝20％频率设计洪水过程线比较图；

图15为实施例P＝50％频率设计洪水过程线比较图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明具体实施方式。

以岷江上游白沙河为例：白沙河系岷江上游左岸一级支流，发源于都江堰市与汶川交界处茶坪山。地理位置界于东经103°34′～103°43′、北纬31°01′～31°22′之间，控制站为下游杨柳坪水文站。根据GIS获取的空间数据，研究区集雨面积359.4km²，主河长45.9km，河道平均比降49.3‰，河网总长305.5km，分水线平均高程2665.9m。植被以温带针叶林、阔叶林为主，占研究区植被面积82.6％。流域内水土保持较好，受人类活动影响较小，土地利用以林地为主，占研究区土地利用面积93.2％。土壤质地以砂土、粘土为主，砂、壤、粘的比例大致为4:2:4。

流域内地形复杂，相对高差大，立体气候显著。多年平均气温15.2℃。7、8月份气温最高，月平均气温24.0℃。1、2月份气温最低，月平均气温4.6℃，气温变化随海拔高度增加而递减。多年平均降水量为1244.9mm，最大年降雨量为1606.4mm，最小年降雨量为713.5mm，降水量是随海拔高程的增加而递增。

应用ARCGIS获得了以下数据：①利用地理空间数据云官网提供的分辨率为90m×90m数字高程模型(DEM)文件，提取了白沙河流域特征值。②利用全球地表覆盖浏览官网提供的分辨率为30m×30m的土地利用分类文件，提取了白沙河流域的土地利用类型及面积分布情况。③利用世界土壤数据库(HWSD)提供的分辨率1km×1km的中国土壤数据集(v1.1)文件，提取了白沙河流域的土壤质地及面积分布情况。④利用寒区旱区科学数据中心官网提供的分辨率为1km×1km的中国植被功能型图文件，提取了白沙河流域的植被类型分类及面积分布情况。

提取数据如下：

流域水系出口断面：杨柳坪水文站控制断面；

1)流域面积：359.396479km²

2)流域主河长度：45.913503km

3)流域主河平均高程：1564.429775m

4)流域河长平均高程：1962.680276m

5)流域分水线平均高程：2665.848539m

6)流域平均坡度：29.735098°

7)流域河网总长度：305.474777km

8)流域植被类型及面积：

9)流域土地利用类型及面积：

CODE	AREA(km2)
		10(耕地)	9.99624
20(森林)	334.879848
		30(草地)	14.316589
80(人造地表)	0.173764

10)流域土壤质地：

提取相关等值线图见下图2～图7；

按本发明的方法计算、整理后，得到参数取值见下表2

表2模型参数取值表

实例计算以白沙河流域各频率24h设计暴雨为输入，见图8，相应频率设计洪水过程为输出，见图9。

将模拟成果与白沙河控制站杨柳坪水文站设计洪水成果及典型洪水过程线进行峰值误差分析见表3；各频率设计洪水过程线比较见图10～图15。

表3模拟结果与杨柳坪水文站实测数据的误差分析表

由表3和图10～图15可知，除P＝50％设计洪峰峰现时间滞后3h，峰值误差较高(19.8％)外，其他频率(P＝1％、P＝2％、P＝5％、P＝10％和P＝20％)模拟效果较好，峰现时间提前或滞后1～2h，峰值误差3.54％～5.46％。

Claims (3)

1.基于GIS的非参数概念性水文模型，其特征在于：包括产流计算和汇流计算两个主模块；所述的产流计算主模块包括植物截留、填洼及划分水源三个步骤；所述的汇流计算模块包括坡面汇流和河网汇流两个步骤；所述的产流计算和汇流计算最终形成河网总入流。

2.根据权利要求1所述的基于GIS的非参数概念性水文模型，其特征在于：所述的产流计算主模块的三个步骤的子模型如下：

(1)植物截留的计算模型为：

(2)填洼的计算模型为：

ARCGIS支持下，利用DEM数据提取填洼量T；

(3)划分水源的计算模型为：

流域饱和缺水量分布曲线的方程：

当PE＜S_MM，则

当PE≥S_MM，则

式中：PE为净雨量，mm；S_M为流域平均饱和缺水量，mm；S_MM为流域最大饱和缺水量，mm。

3.根据权利要求1所述的基于GIS的非参数概念性水文模型，其特征在于：所述的汇流计算模块的两个步骤的子模型如下：

(4)坡面汇流的计算模型为：

式中：L为坡面长度；h为坡脚水深；r_t为坡面净雨强度；q_t为坡脚出流量；W_t为坡面蓄水量；r为时段坡面平均净雨强度，从t＝0,h＝0，逐时段推算h、q_t；

坡面饱和后，地下水水面线接近地面，因此，地下水水面坡度近似为坡面坡度；设土层的饱和水力传导度为k，单宽坡面的地下水出流流量为q_s，则

q_s＝ki₀ (6)

(5)河网汇流的计算模型为：

式中：Q_t为出口断面流量，m³/s；n为糙率；A为出口断面面积，m²；R为出口断面水力半径，m；χ为出口断面湿周，m；J为出口河段比降；B为出口断面河宽，m；h为出口断面平均水深，m；K₁、K₂为参数，通过统计典型流域求解。