CN106202790A - 一种新型的分布式河北模型构建方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的分布式河北模型构建方法及其应用，包括下述步骤：步骤1、流域概化；步骤2、以格网为研究单元，利用河北模型，建立格网产流模块；步骤3、以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块。本发明利用成熟的河北模型进行格网的产流计算，再进行逐格网汇流计算，模型充分考虑了下垫面等因素的空间分布不均匀的情况，并可实现与大气模式进行耦合，从而在提高暴雨洪水的预报精度的同时，延长遇见周期，对我国北方半干旱、半湿润地区暴雨洪水预报、流域水循环机理以及水资源规划、水资源统一管理调度等具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的分布式河北模型的构建方法及其应用，更具体地说是一种有效利用河北模型，以格网为研究单元进行产流分析，再进行逐格网汇流计算的分布式水文模型。
背景技术
河北省是我国受气候变化和人类活动共同影响的区域之一。近几十年来，气候变暖和水资源的高度开发与利用使该地区的水循环过程严重偏离了其自然演化规律，而水循环过程又深刻影响着该地区的水资源系统、生态环境系统以及社会经济系统。气候变化的影响主要表现为大气环流改变，引起降水时空分布、强度和总量的变化等，人类活动的影响主要表现在对流域下垫面的影响和水资源的取、用、耗、排。
河北省境内，人类活动对水循环的影响很大，不仅地表水资源的利用率超过100％，而且地下水资源已经超采超过30年，人类社会取用水资源不仅包括天然水源，而且包括大量的再生水。一方面，地下水位持续下降，土壤含水量较低，河道漏损量较大，常出现“降雨不产流”的情况；另一方面，气候变化等提高了历时短、雨量大的暴雨发生频率，使洪涝灾害风险加大。河北模型是结合河北省的流域特性和地理特点，根据已有的流域产汇流成果和预报经验，在对本地区的产汇流条件和特性进行专门分析研究的基础上，研制出的适合于河北省特点的洪水预报模型，在我国北方半干旱、半湿润地区尤其是海河流域得到广泛应用，预报精度较高、应用效果良好。
但目前应用的河北模型属于集总式模型，无法考虑下垫面等因素的空间分布不均匀的情况，模型参数较少，实用性很强，但也使得河北模型在模拟降雨径流过程时存在较大局限性。
当前数值大气模式与水文模型的耦合是水文预报的发展方向之一，具有提升暴雨洪水的预报精度和延长遇见期等优点，数值大气模式的降雨输出是以格网为单元的，客观上对构建具有良好模拟精度的分布式的水文模型提出要求，以便将水文模型与大气模式进行耦合。而目前河北模型无法直接与大气模式耦合，不能提供格网化的模拟预报结果。
发明内容
本发明设计了一种新型的分布式河北模型构建方法及其应用，其解决的技术问题是将集总式的河北模型改成分布式的水文模型，考虑了水文现象和要素的空间分布不均问题，实现与大气模式进行耦合，延长预报周期。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种新型的分布式河北模型构建方法，它包括下述步骤：
步骤1、流域概化；
步骤2、以格网为研究单元，利用河北模型，建立产流模块；
步骤3、以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块。
进一步，所述步骤1中流域概化包括格网的水流方向概化、子流域概化、流域水系概化与流域边界概化，具体来说：
a、格网的水流方向概化是对原始的DEM数据进行填洼处理，根据最陡坡度原则确定每一个格网的水流方向，并对格网进行编号，得到格网演算次序矩阵；
b、子流域概化是按照一定的子流域出口断面格网阈值，确定属于子流域的格网，形成各子流域的边界；所述阈值是指格网的演算次序；
c、流域水系概化是连接各子流域出口断面格网，形成概化的流域水系；
d、流域边界概化是连接各子流域的边界，形成流域的边界。
进一步，所述步骤2中以格网为研究单元，利用河北模型，建立产流模块，将天然径流分为地表径流和地下径流两种水源，先用下渗曲线和流域下渗能力分配曲线计算每一个格网的地表径流，再根据时段累积下渗量和流域蓄水容量分配曲线判断格网是否产生地下径流,并计算格网的地下径流量。
进一步，所述步骤3中以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块，首先针对每一个子流域，通过格网演算次序矩阵，将每一个格网单元的地表径流、地下径流按照滞后演算法逐格网演算至子流域的出口断面格网；然后通过马斯京根法将各子流域的地表、地下径流演算至流域出口断面格网。在进行逐格网演算时，如果格网的土壤含水量未达到田间持水量，则上游网格的出流量首先补充格网的土壤含水量。
上述构建方法的一种应用，其特征在于：新型的分布式河北模型对当前流域的径流量进行精细的模拟，并按照模拟结果进行水资源合理配置。
上述构建方法的另一种应用，其特征在于：新型的分布式河北模型对未来径流量进行预测，从而为水资源管理、洪水预报提供参考。
该新型的分布式河北模型构建方法及其应用具有以下有益效果：
(1)本发明利用成熟的河北模型进行格网的产流计算，再进行逐格网汇流计算，实现对未来径流量的预测，模型对我国北方半干旱、半湿润地区暴雨洪水预报、流域水循环机理以及水资源规划、水资源统一管理调度等具有重要意义。
(2)本发明充分利用GIS、DEM技术概化了流域，形成了数字化流域；
(3)本发明利用河北模型，以单个格网为研究单元建立了格网产流模块，既利用了河北模型的结构和原理，又充分考虑了水文现象和要素的空间分布不均问题；
(4)本发明大气模式模拟的降雨数据可作为分布式河北模型的输入数据，从而实现耦合，延长预报周期。
附图说明
图1：本发明新型的分布式河北模型计算流程图。
具体实施方式
下面结合图1，对本发明做进一步说明：
一种新型的分布式河北模型，它包括下述步骤：
步骤1、流域概化；
步骤2、以格网为研究单元，利用河北模型，建立产流模块；
步骤3、以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块。
步骤1中流域概化步骤包含：格网的水流方向概化、子流域概化、流域水系概化与流域边界概化。
a.格网的水流方向概化。
①对原始的数字高程模型数据(DEM数据)进行填洼处理；
DEM是“Digital Elevation Model”的缩写，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM数据是指各类DEM产品，例如SRTM数据是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量得到的数据。数字高程模型(DEM)表面往往会存在一些凹陷的区域，即洼地，洼地有可能是DEM对真实地形(如湖泊)的反映，也有可能是由于DEM数据测量误差所致。在进行水流方向计算时，洼地的存在会导致计算产生错误的结果，无法形成连续的汇流网络，因此首先需要对DEM数据进行“填洼处理”。“填洼处理”是指先利用水流方向数据计算出DEM中的洼地区域及其深度，由于与真实地形相比，DEM数据误差产生的洼地深度不会很大，我们可依据这些洼地深度数据设定深度阈值，将低于这个阈值的洼地格网高程增加一定的数值。
②根据最陡坡度原则确定每一个格网的水流方向，并对格网进行编号，得到格网演算次序矩阵。
这里“坡度”是指中心格网与邻域格网的高程差除以两格网间的距离。根据最陡坡度原则确定每一个格网的水流方向，即当进行坡度计算时，得到中心格网与某一邻域格网的坡度最大，那么中心格网的产流流向该邻域格网。
b.子流域概化：按照一定的子流域出口断面格网阈值(阈值是指格网的演算次序)，确定属于子流域的格网，形成各子流域的边界。
上述“演算次序”是指模型计算的顺序。本发明中演算次序为1的格网属于第一级格网，演算次序为2的格网为第二级格网，依此类推。阈值是指格网的演算次序，即格网所属的级别。若将子流域出口断面格网阈值定义为18，那么就将针对演算次序小于等于18的格网进行所属子流域的归类。演算次序等于18的格网代表一个子流域出口断面，有多少个18级格网就有多少个子流域。再根据水流流向判断其他格网属于哪一个特定的子流域，判定原则是：若水流流向某一特定的18级格网，那么该格网就属于这一特定子流域。
c.流域水系概化：连接各子流域出口断面格网，形成概化的流域水系。
这里若定义阈值为18，则流域内子流域的个数等于18级格网的个数。并且上述步骤b形成了子流域水系，现将18级格网和级别大于等于18级的格网相连，就将得到整个流域的水系。
d.连接各子流域的边界，形成流域的边界。
在上述步骤b中可形成各子流域的流域边界，上述子流域边界上的格网相连形成整个流域的边界。
上述步骤1所述“格网”是进行水文计算的基本单元，其具有规则的大小，且输入各“格网”的模型参数、降水及蒸发数据均不相同。步骤1包含上述步骤a、b、c及d，是形成数字化流域的过程，是逐格网分布式汇流模块进行汇流计算的基础。
步骤2中以格网为研究单元，利用河北模型，建立产流模块，将天然径流分为地表径流和地下径流两种水源，先用下渗曲线和流域下渗能力分配曲线计算每一个格网的地表径流，再根据时段累积下渗量和流域蓄水容量分配曲线判断格网是否产生地下径流,并计算格网的地下径流量。
上述步骤2中涉及的河北模型是现有模型，并且早在2000年就正式发布并投入实际应用。该模型把天然径流分为地表径流和地下径流两种水源，当降雨强度大于下渗强度时产生地表径流，下渗部分满足土壤缺水以后产生地下径流。但目前使用的河北模型属于集总式模型，而本发明申请描述的是分布式模型。
步骤3中以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块，首先针对每一个子流域，通过格网演算次序矩阵，将每一个格网单元的地表径流、地下径流按照滞后演算法逐格网演算至子流域的出口断面格网；然后通过马斯京根法将各子流域的地表、地下径流演算至流域出口断面格网。在进行逐格网演算时，如果格网的土壤含水量未达到田间持水量，则上游网格的出流量首先补充格网的土壤含水量。
上述步骤1、2和3的输入和输出依次为如下：
步骤1中输入为：DEM数据；输出为：数字流域。
步骤2中输入为：各格网的降水量、蒸发量、模型参数；输出为：各格网的地表径流过程以及地下径流过程。
步骤3中输入为：各格网田间持水量、地表径流过程以及地下径流过程；输出为流域出口断面(格网)的径流过程。
本发明的目的是提供一种新型的分布式河北模型的构建方法，使用其进行暴雨洪水预报，既能利用模拟精度良好的河北模型，又能考虑水文现象和要素的空间分布不均问题，并且能够实现与大气模式的耦合，延长预报周期，对河北省以及北方半干旱、半湿润地区暴雨洪水预报、流域水循环机理以及水资源规划、水资源统一管理调度等具有重要意义。
如图1所示，“步骤1、流域概化”包含图1中“DEM数据”、“填洼处理”以及“流域信息提取”过程。步骤1最终形成的是一个数字化流域，该数字化流域包含步骤a中的格网流向及格网演算次序矩阵、步骤b中的子流域水系及边界、步骤c中的流域水系以及步骤d中的流域边界等要素，为后续步骤2、3的产流、汇流计算提供基础。且步骤a、b、c、及d的相互关系是：步骤a确定了格网水流方向，得到演算次序矩阵，其为步骤b确定子流域阈值以及判断其他格网的子流域归属提供支撑；步骤b形成了各子流域水系及边界，其为步骤c“形成概化的流域水系”提供了基础，即只用连接各子流域出口断面格网；以上述步骤a、b、c为基础，从而形成步骤d中整个流域的边界。
如图1所示，“步骤2、以格网为研究单元，利用河北模型，建立格网产流模块”对应图1中“格网产流模块”，其输出结果是格网的地表径流过程以及地下径流过程，作为逐格网汇流模块中“当前计算格网”的输入值。
如图1所示，“步骤3、以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块”包含图1中“格网间演算次序n计算”、“当前计算格网”、“格网是否蓄满”、“格网是否出口”、“子流域出口断面流量过程”以及“流域出口断面流量过程”，构成逐格网分布式汇流模块。进一步，图1中“格网是否蓄满”的作用是：在进行逐格网汇流计算时，若格网土壤含水量达到田间持水量(也就是格网蓄满)，那么上游格网的入流以及格网的产流都将作为该格网的出流；若格网土壤含水量未达到田间持水量(也就是格网未蓄满)，那么上游格网的入流将下渗，补充格网的土壤含水量，当格网土壤含水量达到田间持水量后，才产生径流。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种新型的分布式河北模型构建方法，包括下述步骤：
步骤1、流域概化；
步骤2、以格网为研究单元，利用河北模型，建立格网产流模块；
步骤3、以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块。
2.根据权利要求1所述新型的分布式河北模型构建方法，其特征在于：所述步骤1中流域概化依次进行格网的水流方向概化、子流域概化、流域水系概化以及流域边界概化，具体来说：
a、格网的水流方向概化是对原始的DEM数据进行填洼处理，根据最陡坡度原则确定每一个格网的水流方向，并对格网进行编号，得到格网演算次序矩阵；
b、子流域概化是按照一定的子流域出口断面格网阈值，确定属于子流域的格网，形成各子流域的边界；所述阈值是指格网的演算次序；
c、流域水系概化是连接各子流域出口断面格网，形成概化的流域水系；
d、流域边界概化是连接各子流域的边界，形成流域的边界。
3.根据权利要求1或2所述新型的分布式河北模型构建方法，其特征在于：所述步骤2中以格网为研究单元，利用河北模型，建立产流模块，将天然径流分为地表径流和地下径流两种水源，先用下渗曲线和流域下渗能力分配曲线计算每一个格网的地表径流，再根据时段累积下渗量和流域蓄水容量分配曲线判断格网是否产生地下径流,并计算格网的地下径流量。
4.根据权利要求1、2或3所述新型的分布式河北模型构建方法，其特征在于：所述步骤3中以滞后演算法以及马斯京根法建立逐格网分布式汇流模块，首先针对每一个子流域，通过格网演算次序矩阵，将每一个格网单元的地表径流、地下径流按照滞后演算法逐格网演算至子流域的出口断面格网；然后通过马斯京根法将各子流域的地表、地下径流演算至流域出口断面格网；在进行逐格网演算时，如果格网的土壤含水量未达到田间持水量，则上游网格的出流量首先补充格网的土壤含水量。
5.一种权利要求1-4中任何一项所述构建方法的应用，其特征在于：新型的分布式河北模型对流域的径流量进行精细的模拟，并按照模拟结果进行水资源合理配置。
6.一种权利要求1-4中任何一项所述构建方法的应用，其特征在于：新型的分布式河北模型对未来径流量进行预测，从而为水资源管理、洪水预报提供参考。
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