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1、流溪河模型Liuxihe Model陈洋波中山大学自然灾害研究中心中山大学水灾害与水利信息化联合实验室， http:/2010年7月15日 中国广州 中山大学主要内容流溪河模型理论与方法流溪河模型数据需求与挖掘流溪河模型参数推求方法流溪河模型部分研究成果CYB流溪河模型系统介绍流溪河模型研发历程与工程示范后续工作流溪河模型理论与方法什么是流溪河模型中山大学陈洋波教授领导的水灾害与水利信息化 国际科技团队经10余年研究开发而成的主要用于流域洪水预报的分布式物理水文模型因在流溪河流域洪水预报中首先研究成功而得名开发的流溪河模型软件系统CYB.LMS，获国家计算机软件著作权登记流溪河模型的总体思路
2、从水平方向将流域划分成一 系列的单元 单元被看作是一个有物理意义 的流域 单元流域有自己的物理特性数 据：DEM、植被类型、土壤类 型和降雨量 单元分成边坡单元、河道单元 和水库单元三种采用可获取的，有质量保证的，适当分辨 率的DEM对整个流域进行划分流溪河模型的总体思路 从垂直方向将单元分成三层 植被覆盖层（Canopy Layer） ：地表面至树叶顶部的空间区 域。假定蒸散发只发生在植被 覆盖层，各单元流域的蒸散发 量之间没有相互影响 地表层（Soil Layer）：地表 面往地下若干深度的浅表土壤 层，具有调蓄水能力 地下层（Underground Layer ）：地表层以下的含水层 对
3、地下层不进行网格划分，整 个流域的地下层看作一个整体流溪河模型的总体思路在单元流域层次进行产流量计算在流域层次进行汇流计算流溪河模型的总体思路模型分成6个独立的部分，每个部分称为一个模块 数据处理与流域划分模块 收集流域特性数据，包括DEM，土地利用类型，土 壤类型 将流域划分成单元流域，分成三种类型之一 确定单元流域的物理特性 估算单元流域上的降雨 蒸散发模块 产流模块 汇流模块 参数确定模块 洪水模拟模块流溪河模型的总体思路蒸散发模块E：为实际蒸散发量：田间持水量：凋萎含水量：土壤当前含水量：潜在蒸发率：蒸发系数 ES=0产流计算模块按蓄满产流模式计算地表产流量 由降雨引起的水流运动过程描
4、述 单元流域上的降雨扣除蒸散发后的部分称 为净雨 当净雨大于零时，净雨通过下渗作用进入 地表层中的土壤中，补充地表层中含水量 的不足 只有当地表层蓄满时，即土壤含水量达到 饱和含水量时，多余水量转变为地表径流 产流计算模块 壤中流的计算 当土壤层中的蓄水量超过田间持水量时，土壤中的水向地下层渗漏 同时形成壤中流，向下游单元作侧向流动 壤中流根据达西公式和水量平衡公式计算 产流计算模块渗漏量的计算 汇流计算模块边坡汇流（hill slope routing）河道汇流（river routing）水库汇流(reservoir routing)壤中流汇流（subsurface routing）地下径
5、流汇流(underground routing)边坡汇流计算方法 采用一维运动波法进行边坡汇流计算忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项和压力项只考虑摩阻比降和坡度的影响，即摩阻比降等于坡度式中：Q为流量，h为径流深，q为单元侧向入流，包括地表径流产流量和上单元汇入的壤中流。 边坡汇流计算方法 假定在一个单元内，边坡的形状可抽象为一个平顺 的三角形边坡，地表径流在边坡上是均匀分布的， 水流是均匀流，则边坡上的地表径流汇流速度可根 据曼宁公式计算如下： 单元流域出口的流量可计算如下 改写上式边坡汇流计算方法 令 则 代入圣维南方程组的质量方程中有 采用有限差分法，离散为如下的形式 采用牛顿迭代法进
6、行计算，迭代计算公式 河道汇流计算方法 河道汇流采用一维扩散波法 忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项 考虑摩阻比降与坡度及压力项的差Q为过水断面流量，A为过水断面面积，q为侧向补 给水量，即本单元上产生的地表径流量及上单元汇 入的地表径流量，当本单元有支流汇入时，还应该 包括支流的汇入水量。 河道汇流计算方法 在流域的中上游地区及少资料及无资料地区，河流 断面的形状及尺寸资料不易确定在流溪河模型中，将河流断面概化为梯形A为过水断面面积，h为径流深，w为梯形底宽，为河流侧面坡度 河道汇流计算方法 过水断面面积A的计算公式如下 对上式进行变换，得到如下的公式 则h可通过如下的公式计算 则可按如下
7、的差分公式近似计算 河道汇流计算方法 过水断面的湿周可按下式计算 根据曼宁公式，河道水流速度可按下式计算 根据断面过水流量计算公式，并将上式代入，则有 由于 则有 将上式进行变换，得到 河道汇流计算方法 记 则 代入圣维南方程组的质量方程中有 采用有限差分法，将上式离散为 采用牛顿迭代法进行迭代计算，公式如下 水库单元汇流计算方法 洪水在水库中的传播速度非常快，一般要比计算时段短很多忽略洪水在水库中的传播时间，认为水库单元上的流量就是进入水库的流量将所有水库单元上的流量相加，就可得到入库流量通过设置水库，实现对水库水位的预报地下径流汇流计算方法 流溪河模型将地下层作为一个整体，不划分成单元按集
8、总式方法进行地下径流汇流计算采用线性水库法进行地下径流汇流计算流溪河模型需要的数据及其挖掘流溪河模型建模需要的数据流域物理特性数据获取方法单元划分方法河道断面尺寸估算方法流溪河模型建模需要的数据流域物理特性数据DEM土地利用类型土壤类型气象数据蒸发率河网及断面尺寸数据河网组成断面形状及尺寸水文数据实测降雨实测流量流域物理特性数据获取DEM高分辨率的实测数据，全国1:1万，局部更高网上全球范围内的免费数据HYDRO1K数字地形高程数据，美国联邦地质调 查局(USGS)免费提供http：/edcdaac.usgs.gov/gtopo30/hydro ， 分辨率为1kmx1km，相对较低，可在大流域
9、模拟时使用SRTM 数字地形高程数据，90mx90m,30mx30m, http:/srtm.csi.cgiar.org，在山区等地形较陡的地区效果较好，基本可满足流溪河模型建模需求流域物理特性数据获取土地利用类型利用卫星遥感数据加工全球免费的土地利用数据库，美国USGS全球土地覆 盖数据库http:/landcover.usgs.gov/，在国内镜像网 站 http:/，分辨率为1kmx1km，可满足流溪河模型建模需求土壤类型利用全国普查成果全球免费的土地利用数据库，国际粮农组织(FAO) 于2008年发布的中国土壤分布数据http:/www.isric.org单元划分D8法每个单元有8种可
10、能的流向分别用8个不同的整数表示水流沿坡度最陡的方向流动流向代码 东1 东南2 南4 西南8 西16 西北32 北64 东北128单元划分河道单元划分计算累积流：累积流 入单元格的上游单元 的个数 设定累积流的阀值累积流值大于阀值的 单元为河道单元单元划分水库单元划分设定水库的控制水位高程低于控制水位的 单元为水库单元边坡单元划分非河道单元和水库单 元的单元累积流阀值的讨论累积流取值不同，河道单元划分不同河道分级strahler河道分级河道的最低级支流均 命名为第1级低级支流汇入高级支 流时，级别不增加同级支流相汇时，级 别增加1级河道分级累积流阀值的临界值：当累积流值增加1时，河道 分级增加
11、1级河道分段 将同一级河道分成若干段 每一段为一个虚拟河段 虚拟河段各单元断面尺寸相同 河道分段结点设置：结点间的河段为一个虚拟河段两条或以上河流的交汇点处 河道的宽度明显变窄处 河道流向明显变化处河道底坡明显变化处河段较长时分段 辅助工具：Google Earth遥感影像覆盖全球，适用范围广精度可基本满足洪水预报要求河道断面尺寸估算 假定河道断面形状为梯形，3个断面数据河道底宽 Google Earth遥感影像河道底坡根据DEM估算河道侧坡根据经验，在无条件时可假定为90度流溪河模型参数推求参数类型参数名称气候参数潜在蒸发率地形参数流向、坡度土壤参数土壤层厚度、饱和含水率、田间持水 率、凋萎含水率、土壤饱和水力传导 率、地下径流消退系数 土地利用参数 糙率（边坡/河道)、蒸发系数流溪河模型参数流溪河模型参数分类不可调参数：直接通过流域物理特性数据计算流向 坡度 可调参数：在初值基础上通过调整确定高度敏感参数敏感参数不敏感参数流溪河模型可调参数高度敏感参数饱和含水率敏感参数土壤层厚度田间持水率土壤特性参数b饱和水力传导率边坡糙率河道糙率不敏感参数凋萎含水量蒸发系数潜在蒸发率地下径流消退系数 不可调参数确定 流向根据D8法确定坡度沿流向的坡度
