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1、分布式模型在温德河流域洪水演算中的应用 齐志伟，李美姣摘要：研究想法来源于2010年7月27日20时至28日12时的吉林市大暴雨。此次强降雨直接导致吉林市饮马河流域的金家乡、温德河流域的口前镇等一些乡镇受到不同程度的洪涝灾害。据水利部门测算，其中温德河为有水文记录以来最大洪水，口前水文站为1600年一遇洪水。许多设备被冲毁冲走，水文数据大量丢失，使该地区缺少资料，此时我们要进行洪水演算等工作，就必须借助分布式水文模型。而水文模型的建立正是研究气候变化对水文水资源影响的关键问题。关键词： DEM；等流时单元法；分布式水文模型；流域离散化；1.温德河流域简介温德河流域位于长白山向松嫩平原的过渡地带
2、，是第二松花江左岸的一级支流。该流域所处地带属于北温带大陆性季风气候区，影响该地区的天气系统只要有华北气旋，蒙古气旋，河套气旋，副热带高压后部切变以及台风、该流域总面积1179平方千米，河道全长64.5km，平均坡度0.29%，多年的平均降水量为687.6mm。69月份的降水量大概占全年降水量的70%左右。河道控制站口前水文站位于温德河的下游地段。断面以上流域面积830平方千米，以上河长45.3km。 2.分布式水文模型 2.1 分布式水文模型简述水文模型以水文系统为研究对象,根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型,通过计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和分
3、布及物理和化学特性。分布式流域水文模型最基本的特征是根据流域各处气候信息和下垫面特性要素信息的不同,将流域划分为若干小单元;在每一个单元上用一组参数反映其流域特征,具有从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对流域降雨径流形成影响的功能。根据模型的结构分为如下几类。（1）分布式物理模型这类模型亦称为紧密耦合型分布式模型,主要特点是在每一个水文模拟的小单元上应用水动力学原理构建描述水文过程物理方程及相邻模拟单元间的时空关系,一般应用数值计算法求解。（2）分布式概念模型这类模型亦称为松散耦合型分布式模型,主要特点是在每一个水文模拟的小单元上应用概念性模型计算净雨、汇流演算,计算流域出口断面的流量
4、过程。（3）半分布式模型 2.2半分布式水文模型这类模型介于集总式和分布式模型之间,典型代表为TOPMODEL 和TOPKAPI 模型。TOPMODEL基于DEM推求地形指数ln(/ T0 tan) ,并利用地形指数反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响,模型参数具有物理意义,能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL 并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响,因此它不是严格意义上的分布式水文模型。国内已将TOPMODEL 与GIS 相结合建立了GTOPMODEL 。TOPKAPI 模型是一个以物理概念为基础的分布式流域水文模型,根据由DEM 推求的流水网,通过几个结构
5、相似的非线性水库方程描述流域降雨径流过程中不同的水文、水力学过程,模型的参数可在地形、土壤、植被或土地利用等资料的基础上获得。该类模型一方面可以仅考虑流域水循环中某些部分如产汇流过程的分布性特征而不考虑其他部分如降雨、蒸发过程的分布性特征,对水循环过程有一定的简化;而另一方面,在对水循环过程描述中既可用水动力学方程亦可用单位线、线性水库等方法。近年来,很多此类模型根据DEM 生成流域水系,通过具有物理意义的概念描述流域降雨- 径流过程中不同水文、水力学过程,而模型的参数可在地形、土壤、植被或土地利用等资料的基础上获得。3. DEM3.1 DEM的概述数字高程模型（Digital Elevati
6、on Model),简称DEM。它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，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子 在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。3.2 基于DEM的分布式水文模型随着ARCGIS的不断发展，产生了基于DEM的分布式水文模型。通过DEM可提取陆地表面形态信息，这些信息包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元
7、之间的关系等。同时，根据一定的算法可以确定出地表水流路径、河流网络和流域的边界。在基于DEM所划分的流域单元上建立水文模型，模拟流域单元内土壤植被大气系统中水的运动，并考虑单元之间水平方向的联系，进行地表水和地下水的演算。概括起来，基于DEM的分布式水文模型具有以下特色：1.具有物理基础，能够描述水文循环的时空变化过程；2.由于其分布式特点，能够与GCM嵌套，研究自然变化和气候变化对水文循环的影响；3.同RS和GIS相结合，能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化。4.等流时单元法进行汇流计算4.1等流时单元法介绍水文学原理中曾经讲过等流时线法进行汇流计算，但是随着GIS技术的不断发展，等流
8、时线法已经略显粗糙，计算结果不是特别的精确。因此，我们引入了一种新的计算方法：等流时单元法。等流时单元法是一种具有物理基础同时又非常简便的分布式流域汇流模型，就是将流域进行离散成方形网格点阵，用网格点阵来进行汇流计算。具体方法如下：1. 将流域离散成方形网格点阵2. 将河流单元由上游向下游排序，计算相邻两个河流单元的汇流区3. 令两者做差，即为下游单元格的两侧坡面汇流单元4. 统计这个河流单元侧向坡面汇流的入流量5. 继续进行2,3,4步，最后统计每个河流单元的入流量。4.2等流时单元法的优点 之前所用的等流时线法，没有考虑到河网调节作用，它认为在一定等流时线上的水质点，能同时到达出流断面。而
9、事实上由于断面流速分布的不均匀性以及各种蓄水滞水的作用，这些水质点不能同时到达。也就是等流时线法只考虑了洪水波运动中的平移作用，而没有考虑其坦化作用。而等流时单元法是基于DEM上的，将流域面积进行离散栅格化，计算结果更加的精确，并且计算较为快速简便。5.等流时单元法在实际中的应用 2010年吉林市的这场大暴雨。使得口前水文站被冲毁，许多资料都缺失，此时就需要用一种无需资料即可进行产汇流计算的分布式水文模型来进行洪水演算，我们使用等流时单元法来进行产汇流的计算。由于由暴雨径流形成的洪水波一般都是缓变不稳定波动。可见此次洪水波是一维缓变不稳定浅水波。用圣维南方程组表示：Q 为过水断面流量; B 为过水断面水面宽度; h为水深; t、x 分别为时间、空间步长; 坐标轴x 与水流方向平行; q地表汇流为单位长度河道上分布的旁侧汇流流量; So、Sf 分别为坡降和摩阻比降。6.结论在资料缺失或者无资料的情况下，直接进行产汇流计算是非常困难的，就需要借助分布式水文模型来计算。基于DEM的分布式水文模型，使得产汇流的计算更加的方便和快捷，并且更加的准确。这表明，在遇到暴雨大暴雨径流的情况下，运用分布式水文模型进行洪水演算，可以更加的便捷。随着GIS的发展，我们要加强分布式水文模型与GIS，DEM和遥感等技术的结合，通过数字流域，数字模拟来进行处理和解决水文问题。参考文献
