一种河道型水库库区的分布式水文模型建模方法技术

本发明专利技术提供一种河道型水库库区的分布式水文模型建模方法，属于分布式水文建模技术领域。首先，获取建立库区分布式水文模型所需基本资料，包括地形地貌数据、水文气象数据,寻求合适的网格尺度，为分布式水文模型的建模提供依据。其次，对子流域与坡面流域进行划分，并进行产汇流计算。最后，根据传统的评价指标评价每场洪水的预报表现，并进行参数率定。本发明专利技术通过分布式水文模型的建立，将库区划分为子流域和坡面流域，将坡面流域划分为更为精细的坡面水文响应单元，可以充分反映坡面单元下垫面的空间变异特征，进而更为准确的模拟坡面流域的入流情况。的入流情况。的入流情况。

【技术实现步骤摘要】
一种河道型水库库区的分布式水文模型建模方法


[0001]本专利技术属于分布式水文建模
，涉及一种河道型水库库区的分布式水文模型建模方法。

技术介绍

[0002]河道型库区主河道两侧沿岸多为崇山峻岭，除了支流汇流外，径流会从两岸坡面直接分散地汇入主河道，坡面区域虽然集水面积较小，但空间跨度大，地形地貌特征变异性较强，使得汇入主河道的水量空间分布很不均匀。
[0003]目前，已有的集总式水文模型并未充分考虑坡面区域空间异质性，将坡面区域划分为一个较大的流域处理，仅能模拟该流域出口处的径流量，无法得到坡面流域内主河道沿程各处的流量过程，难以准确描述库区降雨径流的时空变异性。分布式流域水文模型虽然能同时考虑降雨空间分布及其不均，以及下垫面空间变异对流域产汇流的影响，但对河道型水库库区的建模方式的精细化程度不够，难以满足河道型水库库区洪水预报对沿程重要断面的精度要求。
[0004]因此，根据河道型库区的地形地貌特征，亟需专利技术一种能够描述主河道沿岸坡面流域产汇流过程的分布式水文模型，以充分反映坡面单元下垫面的空间变异特征，准确地模拟坡面流域的入流情况。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种河道型水库库区的分布式水文模型建模方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种河道型水库库区的分布式水文建模方法，关键是将库区划分为子流域和坡面流域，同时为了进一步满足坡面流域空间尺度上的精细建模，将坡面流域划分为更精细的坡面水文响应单元。具体包括以下步骤：
[0008]第一步，不同地貌类型的流域划分
[0009]对于河道型水库，流域区间降水
‑
产流
‑
汇流可按照与主河道(库区)的接触形式分为两种情形，这两种情形在汇流方式上有所区别。子流域产汇流以点源形式汇入库区，主河道沿岸条带状的坡面产汇流以沿程分布式汇入库区。
[0010]1.1子流域与坡面流域的划分
[0011]本专利技术将库区分为子流域和坡面流域两种类型。所述的子流域存在稳定的水系，以接触点的方式与主河道产生水力联系，可以按照针对封闭流域的建模方式，无需得到子流域内部河道各处的降水
‑
径流过程，仅需输出该子流域出口的径流即可。所述的坡面流域以面的形式与主河道直接接触，而且坡面流域并不存在稳定且完整的水系，径流会分散地汇入主河道。坡面流域集水面积相对较小，但坡面流域在主河道两岸延伸范围较大，地形地貌特征变异性较强，需要将坡面流域划分为更小尺度的坡面水文响应单元，充分考虑坡面
流域降雨时空变异性下垫面的空间异质性，满足空间尺度上的精细建模。
[0012]1.2确定坡面流域的水文响应单元阈值
[0013]由于子流域和坡面流域与主河道的交互方式和汇流特点不同，对建模的精细化程度要求也不同。为了使坡面流域更加精细化，需要通过设置土壤类型、土地利用类型、坡度阈值将坡面区域划分为更精细坡面水文响应单元。
[0014]本专利技术为了确定精细化的坡面水文响应单元，通过设置多种、不同阈值的组合方式对流域单元进行细化，即在分别设置不同的土地利用类型的面积阈值、土壤类型面积阈值、坡度等级阈值后将它们进行排列组合，对不同阈值组合对水文响应单元划分的影响进行试验分析，最终得到能够兼顾模拟精度与计算效率的阈值组合，确定坡面流域的水文响应单元阈值，进而最终确定坡面流域划分为坡面水文响应单元的个数。
[0015]第二步，网格尺度选取
[0016]分布式水文模型能够考虑流域内水文要素空间分布差异，能够真实地模拟流域产汇流过程的空间变化，而要体现这一优势，分布式水文模型的构建就需以流域DEM数据为基础，将流域划分为若干个能够反应流域空间异质特征的网格。同时因网格尺度的大小会对产汇流模拟精度与模型计算效率产生较大影响，本专利技术提出了能够同时满足模拟精度与计算效率的网格划分的方法框架。
[0017]2.1不同尺度网格构建
[0018]在水文模型的构建中，不同网格尺度的选取往往会对水文模型的模拟结果产生较大的影响。本专利技术基于全国30m
×
30m精度的数字高程数据，将原始DEM数据重采样到不同分辨率，以此建立不同网格尺度的DEM。
[0019]本专利技术采用目前重采样最常用的三种方法分别对原始DEM进行重采样，三种方法分别为最近邻法、双线内插法与三次立方卷积法。以进行重采样之后获取的DEM数据为基础，计算其均方根误差(RMSE)，最终根据RMSE最低值选取重采样的方法，RMSE计算公式为：
[0020][0021]式中，Z
k
为重采样后DEM的栅格高程，z
k
为基准数据对应位置的高程，n为重采样后的栅格数目。
[0022]2.2DEM分析处理
[0023]将经过重采样的DEM数据进一步分析处理进而得到流域属性数据，以此为基础构建水文模型。对于获取的流域水系通过数据矫正、填洼和平地处理、确定水流方向、计算汇流累积量、设定集水面积阈值、提取流域河网这些步骤，获得符合地表水流动机理的与实际河网匹配度高的连续河网数据。具体步骤如下：
[0024]①
DEM校正：采用Agree法对DEM数据的表面高程数据精度进行检测与提升，通过微调DEM的表面高程，使其与河道矢量图数据保持连续性与一致性，从而完成DEM数据的校正。
[0025]②
DEM洼地和平地处理：DEM数据中存在着的大量洼地信息会导致在进行水流分析时出现水流不连续的现象。为保证流向分析的连续性，对两种洼地类型分别采用不同的处理方法进行填洼。针对某一点周围八个临近点高程数据均大于该点数据的独立洼地，当周围八个临近点中至少有一个点是集水区域出口时，将该点周围八个临近点中的最小值赋值于此点；当周围没有集水区域出口时，找寻区域边界线上高程最小点，将其值赋予小于该数
值的填洼点及八个临近点，至此完成独立洼地的填洼工作。对于有多个谷底点的复合洼地区域，首先从各谷底出发，通过逆向水流确定洼地边缘点和出口点位置，再利用出口点高程代替洼地边缘高程小于该数值的点的高程，随后以此为基础同样将此高程数据赋予临近洼地区域出口点高程低于该数值的点，至此完成复合洼地的填洼工作。
[0026]对于一个栅格点与周围八个栅格拥有相同高程值的情况，需要对该平地进行处理以确保水流可以定向流出平地区域。在平地区域边界搜索到一个高程大于相邻点高程的点，将其标记为安全点，其余点标记为待处理点，再对待处理点进行很小的高程增加，直至所有待处理点能够全部被标记为安全点，至此完成平地的处理，最终使得DEM模型可以生成连续的水系河流；
[0027]③
水流方向的确定：为明确每一个单元格内的水流流向，本专利技术先比较被处理栅格单元与邻近8个栅格单元之间的坡降，连线被处理栅格单元中心与相邻的8个栅格单元中坡降最大的栅格单元中心，将连线方向定义为被处理栅格单元的水流方向，即利用D8算法确定水流的流量；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种河道型水库库区的分布式水文模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，不同地貌类型的流域划分对于河道型水库，流域区间降水
‑
产流
‑
汇流可按照与主河道的接触形式分为两种情形，其在汇流方式上有所区别：子流域产汇流以点源形式汇入库区，主河道沿岸条带状的坡面产汇流以沿程分布式汇入库区；1.1子流域与坡面流域的划分将库区分为子流域和坡面流域两种类型；所述的子流域存在稳定的水系，以接触点的方式与主河道产生水力联系，按照针对封闭流域的建模方式，无需得到子流域内部河道各处的降水
‑
径流过程，仅需输出该子流域出口的径流即可；所述的坡面流域以面的形式与主河道直接接触，且坡面流域并不存在稳定且完整的水系，径流会分散地汇入主河道；1.2确定坡面流域的水文响应单元阈值为了确定精细化的坡面水文响应单元，通过设置多种、不同阈值的组合方式对流域单元进行细化，即在分别设置不同的土地利用类型的面积阈值、土壤类型面积阈值、坡度等级阈值后将它们进行排列组合，对不同阈值组合对水文响应单元划分的影响进行试验分析，得到能够兼顾模拟精度与计算效率的阈值组合，确定坡面流域的水文响应单元阈值，进而确定坡面流域划分为坡面水文响应单元的个数；第二步，网格尺度选取以流域DEM数据为基础构建分布式水文模型，将流域划分为若干个能够反应流域空间异质特征的网格；并提出能够同时满足模拟精度与计算效率的网格划分的方法框架；2.1构建不同尺度网格将原始DEM数据重采样到不同分辨率，建立不同网格尺度的DEM；2.2 DEM分析处理将经过重采样的DEM数据进一步分析处理得到流域属性数据，以此为基础构建水文模型；对于获取的流域水系通过数据矫正、填洼和平地处理、确定水流方向、计算汇流累积量、设定集水面积阈值、提取流域河网，获得符合地表水流动机理的与实际河网匹配度高的连续河网数据；
①
DEM校正；
②
DEM洼地和平地处理：为保证流向分析的连续性，对独立洼地、复合洼地分别采用不同的处理方法进行填洼；针对某一点周围八个临近点高程数据均大于该点数据的独立洼地，当周围八个临近点中至少有一个点是集水区域出口时，将该点周围八个临近点中的最小值赋值于此点；当周围没有集水区域出口时，找寻区域边界线上高程最小点，将其值赋予小于该数值的填洼点及八个临近点，至此完成独立洼地的填洼工作；对于有多个谷底点的复合洼地区域，首先从各谷底出发，通过逆向水流确定洼地边缘点和出口点位置，再利用出口点高程代替洼地边缘高程小于该数值的点的高程，随后以此为基础同样将此高程数据赋予临近洼地区域出口点高程低于该数值的点，至此完成复合洼地的填洼工作；对于一个栅格点与周围八个栅格拥有相同高程值的情况，需要对该平地进行处理以确保水流可以定向流出平地区域；在平地区域边界搜索到一个高程大于相邻点高程的点，将其标记为安全点，其余点标记为待处理点，再对待处理点进行很小的高程增加，直至所有待处理点能够全部被标记为安全点，至此完成平地的处理，最终使得DEM模型可以生成连续的
水系河流；
③
水流方向的确定：为明确每一个单元格内的水流流向，先比较被处理栅格单元与邻近8个栅格单元之间的坡降，连线被处理栅格单元中心与相邻的8个栅格单元中坡降最大的栅格单元中心，将连线方向定义为被处理栅格单元的水流方向，即利用D8算法确定水流的流量；
④
汇水面积及水系的确定：每一个网格点上的水流累积量是所有流入本网格所有网格的总数，即汇流累计矩阵；以网格的水流方向为依据，计算出各个网格的汇流累计矩阵，将汇流累计矩阵与网格面积相乘得到各个单元网格的上游汇流面积；为了确定汇流面积阈值，通过建立河网坡度与汇水面积之间的关系式以探明关系系数的变化；通过试算，当汇水面积阈值趋近于某一个数值时，关系系数趋于稳定，则将此稳定的关系系数对应的汇水面积阈值作为最适宜的汇流面积阈值；第三步，子流域和坡面流域产汇流计算3.1子流域和坡面流域产流计算子流域和坡面流域产流过程一致，基于网格尺度的确定，对子流域和坡面流域均采用能够同时考虑蓄满与超渗两种产流机制以及温度对产流模拟结果影响的分布式水文模型的产流模型；子流域、坡面流域产流计算如下所示：网格单元的入渗能力随空间变化，采用下式表示:f＝f
m
[1
‑
(1
‑
C)
1/B
]
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，f为入渗能力，f
m
为最大入渗能力，C是入渗能力小于或等于f的面积比例，B为入渗能力形状参数；根据水量平衡公式，在给定时间段P内推出：P＝R1(y)+R2(y)+ΔW(y)
ꢀꢀꢀ
(2)y＝R1(y)+ΔW(y)
ꢀꢀꢀ
(3)其中，p表示时段降雨量；y表示垂直深度；R1(y)表示蓄满产流；R2(y)表示超渗产流；ΔW(y)表示土壤水分含量变化量；式(3)、(4)中蓄满产流R1和土壤水分含量变化量ΔW可分别表示为：和土壤水分含量变化量ΔW可分别表示为：其中，i
m
表示最大蓄水能力；i0表示某一点的蓄水能力；b表...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶磊，李晓阳，顾学志，张弛，欧阳文宇，辛谦，王梦云，马昊然，艾家琪，孟子文，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：