流溪河模型及其在洪水預(yù)報中的應(yīng)用V2.0(中大09本課)

1、流溪河模型及其在洪水預(yù)報中的應(yīng)用Liuxihe Model and Its Application in Flood Forecasting 陳洋波主要內(nèi)容流溪河流溪河模型理論與方法模型理論與方法數(shù)據(jù)處理和斷面尺寸估算數(shù)據(jù)處理和斷面尺寸估算流溪河流溪河模型模型參數(shù)推求參數(shù)推求部分研究結(jié)果部分研究結(jié)果CYB流溪河模型系統(tǒng)介紹流溪河模型系統(tǒng)介紹流溪河流溪河模型研發(fā)歷程與示范模型研發(fā)歷程與示范流溪河流溪河模型理論與方法模型理論與方法什么是流溪河模型主要用于流域洪水預(yù)報的分布式物理水文模型因在流溪河流域洪水預(yù)報中首先研究成功而得名開發(fā)了專門的流溪河模型軟件系統(tǒng)，CYB.LMS中山大學(xué)陳洋波領(lǐng)導(dǎo)的水災(zāi)害

2、與水利信息化科研團隊經(jīng)10余年研究開發(fā)而成流溪河模型的總體思路流溪河模型的總體思路 從水平方向?qū)⒘饔騽澐殖梢幌盗械膯卧獑卧豢醋魇且粋€有物理意義的流域單元流域有自己的物理特性數(shù)據(jù)：DEM、植被類型、土壤類型和降雨量單元分成邊坡單元、河道單元和水庫單元三種 采用可獲取的，有質(zhì)量保證的，適當(dāng)分辨率的DEM對整個流域進行劃分流溪河模型的總體思路流溪河模型的總體思路 從垂直方向?qū)卧殖扇龑又脖桓采w層（Canopy Layer）：地表面至樹葉頂部的空間區(qū)域。假定蒸散發(fā)只發(fā)生在植被覆蓋層，各單元流域的蒸散發(fā)量之間沒有相互影響地表層（Soil Layer）：地表面往地下若干深度的淺表土壤層，具有調(diào)蓄水能力

3、地下層（Underground Layer）：地表層以下的含水層對地下層不進行網(wǎng)格劃分，整個流域的地下層看作一個整體流溪河模型的總體思路流溪河模型的總體思路在單元流域?qū)哟芜M行產(chǎn)流量計算在流域?qū)哟芜M行匯流計算流溪河模型的總體思路流溪河模型的總體思路模型分成6個獨立的部分，每個部分稱為一個模塊 數(shù)據(jù)處理與流域劃分模塊收集流域特性數(shù)據(jù)，包括DEM，土地利用類型，土壤類型將流域劃分成單元流域，分成三種類型之一確定單元流域的物理特性估算單元流域上的降雨 蒸散發(fā)模塊 產(chǎn)流模塊 匯流模塊 參數(shù)確定模塊 洪水模擬模塊流溪河模型的總體思路流溪河模型的總體思路蒸散發(fā)模塊蒸散發(fā)模塊spEEfc(1)wspfcwEE

4、wfc(1)spEEw E：為實際蒸散發(fā)量 ：田間持水量 ：凋萎含水量 ：土壤當(dāng)前含水量 ：潛在蒸發(fā)率 ：蒸發(fā)系數(shù) fcwpE產(chǎn)流計算模塊產(chǎn)流計算模塊按蓄滿產(chǎn)流模式計算地表產(chǎn)流量由降雨引起的水流運動過程描述單元流域上的降雨扣除蒸散發(fā)后的部分稱為凈雨當(dāng)凈雨大于零時，凈雨通過下滲作用進入地表層中的土壤中，補充地表層中含水量的不足只有當(dāng)?shù)乇韺有顫M時，即土壤含水量達(dá)到飽和含水量時，多余水量轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅?產(chǎn)流計算模塊產(chǎn)流計算模塊 壤中流的計算 當(dāng)土壤層中的蓄水量超過田間持水量時，土壤中的水向地下層滲漏 同時形成壤中流，向下游單元作側(cè)向流動 壤中流根據(jù)達(dá)西公式和水量平衡公式計算 latperQL zrQ

5、xt latlatQvL z0tan( )latvKK Sfc0latvfc32 bsatsKK產(chǎn)流計算模塊產(chǎn)流計算模塊滲漏量的計算 pervKfc0pervfcperperQvL L匯流計算模塊匯流計算模塊邊坡匯流（hill slope routing）河道匯流（river routing）水庫匯流(reservoir routing)壤中流匯流（subsurface routing）地下徑流匯流(underground routing)邊坡匯流計算方法 采用一維運動波法進行邊坡匯流計算忽略圣維南方程組的運動方程中的慣性項和壓力項只考慮摩阻比降和坡度的影響，即摩阻比降等于坡度式中：Q為流量，

6、h為徑流深，q為單元側(cè)向入流，包括地表徑流產(chǎn)流量和上單元匯入的壤中流。 QhLqxt00fSS邊坡匯流計算方法 假定在一個單元內(nèi)，邊坡的形狀可抽象為一個平順的三角形邊坡，地表徑流在邊坡上是均勻分布的，水流是均勻流，則邊坡上的地表徑流匯流速度可根據(jù)曼寧公式計算如下： 213201vh Sn單元流域出口的流量可計算如下 51320LQvhLh Sn3315520()nhSQL改寫上式邊坡匯流計算方法 令 則 代入圣維南方程組的質(zhì)量方程中有 31520()naSL35b bha Q(1)0bQQabQqxt 采用有限差分法，離散為如下的形式 11111111()()ttbttbtiiiiittQa

7、QQa Qqtxx 采用牛頓迭代法進行計算，迭代計算公式 1111111111111111()()()kkttbttbtiiiiikkttiiktbittQaQQa QqtxxQQtab Qx河道匯流計算方法 河道匯流采用一維擴散波法忽略圣維南方程組的運動方程中的慣性項考慮摩阻比降與坡度及壓力項的差QAqxt0fhSSxQ為過水?dāng)嗝媪髁?，A為過水?dāng)嗝婷娣e，q為側(cè)向補給水量，即本單元上產(chǎn)生的地表徑流量及上單元匯入的地表徑流量，當(dāng)本單元有支流匯入時，還應(yīng)該包括支流的匯入水量。 河道匯流計算方法 在流域的中上游地區(qū)及少資料及無資料地區(qū)，河流斷面的形狀及尺寸資料不易確定在流溪河模型中，將河流斷面概化為

8、梯形A為過水?dāng)嗝婷娣e，h為徑流深，w為梯形底寬，為河流側(cè)面坡度 河道匯流計算方法 過水?dāng)嗝婷娣eA的計算公式如下 對上式進行變換，得到如下的公式 /tanAw hh h 2tantan0hwhA 則h可通過如下的公式計算 2tan(tan)4tan2wwAh 則可按如下的差分公式近似計算 100ttiifhhhSSSxx河道匯流計算方法 過水?dāng)嗝娴臐裰芸砂聪率接嬎?根據(jù)曼寧公式，河道水流速度可按下式計算 根據(jù)斷面過水流量計算公式，并將上式代入，則有 由于1222/sin(1 sec)(sec)4seccscwhwwA 21321fvR Sn2132fQAQ nRSvAR 則有AR 將上式進行變換

9、，得到 23313552()fAnSQ河道匯流計算方法 記 則 代入圣維南方程組的質(zhì)量方程中有 采用有限差分法，將上式離散為 采用牛頓迭代法進行迭代計算，公式如下 2313521()3600fcnSbAc Q bAc Q (1)0bQQcbQqxt11111111()()ttbttbtiiiiittQc QQc Qqtxx1111111111111111()()()kkttbttbtiiiiikkttiiktbittQc QQc QqtxxQQtcb Qx水庫單元匯流計算方法 洪水在水庫中的傳播速度非?？?，一般要比計算時段短很多忽略洪水在水庫中的傳播時間，認(rèn)為水庫單元上的流量就是進入水庫的流量

10、將所有水庫單元上的流量相加，就可得到入庫流量通過設(shè)置水庫，實現(xiàn)對水庫水位的預(yù)報地下徑流匯流計算方法 流溪河模型將地下層作為一個整體，不劃分成單元按集總式方法進行地下徑流匯流計算采用線性水庫法進行地下徑流匯流計算,(1)g ttg tperQQQ數(shù)據(jù)處理和斷面尺寸估算數(shù)據(jù)處理和斷面尺寸估算流溪河模型需要的數(shù)據(jù)流域物理特性數(shù)據(jù)DEM土地利用類型土壤類型氣象數(shù)據(jù)蒸發(fā)率河網(wǎng)及斷面尺寸數(shù)據(jù)河網(wǎng)組成斷面形狀及尺寸水文數(shù)據(jù)實測降雨實測流量流域物理特性數(shù)據(jù)獲取DEMSRTM 數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)庫土地利用類型USGS全球土地覆蓋數(shù)據(jù)庫http:/ 土壤類型單元劃分D

11、8法每個單元有8種可能的流向分別用8個不同的整數(shù)表示水流沿坡度最陡的方向流動流向代碼東1東南2南4西南8西16西北32北64東北128單元劃分河道單元劃分計算累積流：累積流入單元格的上游單元的個數(shù) 設(shè)定累積流的閥值累積流值大于閥值的單元為河道單元劃分水庫單元劃分設(shè)定水庫的控制水位高程低于控制水位的單元為水庫單元邊坡單元劃分非河道單元和水庫單元的單元累積流閥值的討論累積流取值不同，河道單元劃分不同河道分級strahler河道分級河道的最低級支流均命名為第1級低級支流匯入高級支流時，級別不增加同級支流相匯時，級別增加1級河道分級累積流閥值的臨界值：當(dāng)累積流值增加1時，河道分級增加1級河道分段 將同

12、一級河道分成若干段 每一段為一個虛擬河段 虛擬河段各單元斷面尺寸相同 河道分段結(jié)點設(shè)置：結(jié)點間的河段為一個虛擬河段兩條或以上河流的交匯點處 河道的寬度明顯變窄處 河道流向明顯變化處河道底坡明顯變化處河段較長時分段 輔助工具：Google Earth遙感影像覆蓋全球，適用范圍廣精度可滿足洪水預(yù)報要求河道斷面尺寸估算 假定河道斷面形狀為梯形，3個斷面數(shù)據(jù)河道底寬Google Earth遙感影像河道底坡根據(jù)DEM估算河道側(cè)坡根據(jù)經(jīng)驗，在無條 件時可假定為90度流溪河流溪河模型模型參數(shù)推求參數(shù)推求參數(shù)類型參數(shù)名稱氣候參數(shù)潛在蒸發(fā)率地形參數(shù)流向、坡度土壤參數(shù)土壤層厚度、飽和含水率、田間持水率、凋萎含水率

13、、土壤飽和水力傳導(dǎo)率、地下徑流消退系數(shù)土地利用參數(shù) 糙率（邊坡/河道)、蒸發(fā)系數(shù)流溪河模型參數(shù)流溪河模型參數(shù)分類流溪河模型參數(shù)分類不可調(diào)參數(shù)：直接通過流域物理特性數(shù)據(jù)計算流向 坡度 可調(diào)參數(shù)：在初值基礎(chǔ)上通過調(diào)整確定高度敏感參數(shù)敏感參數(shù)不敏感參數(shù)流溪河模型可調(diào)參數(shù)流溪河模型可調(diào)參數(shù)高度敏感參數(shù)飽和含水率土壤層厚度河道糙率可調(diào)參數(shù)敏感參數(shù)田間持水率土壤特性參數(shù)b飽和水力傳導(dǎo)率邊坡糙率 不敏感參數(shù)凋萎含水量蒸發(fā)系數(shù)潛在蒸發(fā)率地下徑流消退系數(shù) 不可調(diào)參數(shù)確定 流向根據(jù)D8法確定坡度沿流向的坡度 128,32, 8 , 2264,16, 4 , 1tanijiijiiFDLHHFDLHH可調(diào)參數(shù)確定分

14、布式物理水文模型參數(shù)確定的難點如何根據(jù)流域物理特性直接從物理意義上確定理論數(shù)據(jù)是實驗室數(shù)據(jù)或經(jīng)驗數(shù)據(jù)氣候、地理條件的差別影響參數(shù)的非線性特性影響參數(shù)調(diào)整 現(xiàn)階段完全從物理意義上直接確定模型參數(shù)非常困難首先確定模型的參數(shù)初值對參數(shù)進行調(diào)整或“率定”流溪河模型可調(diào)參數(shù)調(diào)整方法根據(jù)有關(guān)參考文獻或經(jīng)驗，確定模型參數(shù)初值固定其它參數(shù)的值為初值，對最敏感的參數(shù)進行調(diào)整以初值為中心，取一組模型參數(shù)值，對若干場（一般1-3場）實測洪水過程進行模擬計算，根據(jù)模擬計算結(jié)果與實測洪水過程的擬合程度，確定最敏感參數(shù)的調(diào)整值固定最敏感參數(shù)的值為調(diào)整后的值，固定其它參數(shù)的值為初值，對次最敏感的參數(shù)進行調(diào)整對所有參數(shù)均進行

15、一次調(diào)整計算，完成一輪參數(shù)的調(diào)整進行第二輪、第三輪參數(shù)調(diào)整，直至模擬計算的效果不能再改進為止 可調(diào)參數(shù)初值確定不敏感參數(shù)初值潛在蒸發(fā)率，5mm/d蒸發(fā)系數(shù)，取0.7地下徑流消退系數(shù)，取0.985凋萎含水率，田間持水率的30%可調(diào)參數(shù)初值確定土地利用類型參數(shù)初值 可調(diào)參數(shù)初值確定土壤類型參數(shù)初值土壤水力特性計算器/saxton 部分研究結(jié)果部分研究結(jié)果流溪河水庫入庫洪水模擬黃龍帶水庫入庫洪水模擬白盆珠水庫湞江流域洪水模擬武江流域長湖水庫流溪河水庫入庫洪水模擬結(jié)果流溪河水庫簡介控制流域面積539 km2 不完全多年調(diào)節(jié)水庫以防洪發(fā)電為主的綜合利用水庫

16、流域?qū)傩詳?shù)據(jù)收集與分析 DEM：專門制作，100 m分辨率 土地利用類型：中科院土地覆蓋數(shù)據(jù)庫， 1000m分辨率，重采樣到100 m 土壤類型：當(dāng)?shù)孬@取， 1000m分辨率，重采樣到100 m 實測洪水資料收集與整理 入庫洪水過程13場，包括了大、中、小型洪水 三個雨量站，降雨采用泰森多邊形插值單元劃分與河道分級 根據(jù)DEM將流域劃分成52853個單元流域最多將河道分成7級 級數(shù)臨界值河道單元比例（%）71631211.9461245368.5857520023.7943539991.8939904400.83236803220.611183971390.26河道斷面尺寸估算 河道分4級6個

17、結(jié)點18個虛擬河段 河道斷面尺寸估算 編號級號段號底寬底坡側(cè)坡糙率1011130.0867 350.0482012130.1003 350.0482022230.0868 350.0482032330.0788 350.048204245.60.0506 350.03205259.90.0724 350.024206268.60.0420 350.032072730.0945 350.0482082870.0406 400.032092930.0023 350.04821021030.0173 350.048301313.80.0788 350.036302324.50.0770 350.03

18、3033390.0796 350.02430434100.0920 350.02430535180.0420 300.0243063617.30.1295 350.01840141150.0507 300.024不可調(diào)參數(shù)確定 可調(diào)參數(shù)初值確定 土地利用類型邊坡單元糙率初值蒸發(fā)系數(shù)初值針葉林0.40.7常綠闊葉林0.60.7竹林0.40.7灌木叢0.20.7草地0.40.7灌溉農(nóng)作物0.50.7土壤類型土壤層厚度（mm）飽和含水率(%)田間持水率(%)凋萎含水率(%)飽和傳導(dǎo)率b潴育水稻土100052.828.917.2172.5麻黃壤100050.827.516.5102.5麻紅壤10005

19、4.133.718.9142.5麻赤紅壤100052.333.319.162.5酸性紫色土100055.634.619.1242.5可調(diào)參數(shù)調(diào)整 第一場洪水第一輪參數(shù)調(diào)整可調(diào)參數(shù)調(diào)整 第2輪參數(shù)調(diào)整參數(shù)第1輪調(diào)整第2輪調(diào)整飽和含水率98%101%田間持水率100%100%河道糙率40%80%邊坡糙率90%30%飽和水力傳導(dǎo)率110%100%土壤層厚度70%96%土壤特性b100%100%凋萎含水量100%蒸發(fā)系數(shù)100%潛在蒸發(fā)率100%地下徑流消退系數(shù)100%第一輪參數(shù)調(diào)整模型驗證 湞江流域洪水模擬結(jié)果湞江流域簡介廣東省境內(nèi)北江的上游干流控制流域面積6802 km2 干流全長212km河道平

20、均坡降0.59 流域?qū)傩詳?shù)據(jù)收集與分析 DEM：SRTM 數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)庫 ，90 m重采樣到200 m 土地利用類型：中科院土地覆蓋數(shù)據(jù)庫， 1000m重采樣到200 m 土壤類型：當(dāng)?shù)孬@取， 1000m重采樣到200 m 實測洪水資料收集與整理 近年來的入庫洪水過程3場，均為較大洪水 8個雨量站，降雨采用泰森多邊形插值#莽山城口百順?biāo)厩叭驶L壩小古菉水口（南雄）雨量站在湞江流域上的空間分布圖雨量站在湞江流域上的空間分布圖流域雨量站流域雨量站#流域范圍流域范圍圖 例圖 例0204010km單元劃分與河道分級 根據(jù)DEM將流域劃分成169840個單元流域最多將河道分成8級 0204010公里

21、圖例1河道級數(shù)臨界FA0值河道單元個數(shù)總單元個數(shù)河道單元比例（%）818716016984051.3763827716984022.5639167081698409.8518282931698404.9478640891698402.43333218951698401.12129628901698400.51476573311698400.20204010公里圖例120204010公里圖例1230204010公里圖例12340204010公里圖例123450204010公里圖例1234560204010公里圖例12345670204010公里圖例12345678河道斷面尺寸估算 河道分4級13

22、個結(jié)點41個虛擬河段 河道斷面尺寸估算 編號底寬底坡側(cè)坡糙率初值編號底寬底坡側(cè)坡糙率初值1180.003300.0384338.490.001300.0272125.390.002300.0354494.60.0016300.0192220.960.002300.03745110.780.0011300.0182327.220.002300.03451140.550.0008300.0142427.220.002300.03452170.680.0006300.01325350.0024300.02721080.650.002300.02126340.0023300.027211300.002

23、300.03227250.002300.035212350.002300.02828350.0022300.028213400.002300.0272927.710.002300.03421426.950.002300.0353130.490.0015300.03221526.640.0019300.0353252.30.0015300.02521646.10.002300.0253363.690.0015300.022217350.002300.0283440.210.0015300.02621837.520.0019300.0273539.130.0013300.02721933.480.

24、002300.033655.610.0015300.02422040.450.002300.0273772.610.0015300.02122146.10.002300.0263841.850.0015300.02722236.020.002300.0253949.360.0015300.02522333.410.002300.0341135.80.001300.01522438.930.002300.027不可調(diào)參數(shù)確定 可調(diào)參數(shù)初值確定 土壤類型土壤層厚度(mm)飽和含水率田間持水量飽和水力傳導(dǎo)率土壤特性調(diào)萎系數(shù)潴育水稻土10000.5270.289172.50.172麻黃壤10000.5

25、080.275102.50.165頁黃壤10000.5310.36482.50.19麻紅壤10000.5410.337142.50.189頁紅壤10000.5230.33362.50.191堿性紫色土10000.540.368112.50.191可調(diào)參數(shù)初值確定 土地利用類型蒸發(fā)系數(shù)初值邊坡單元糙率初值針葉林0.70.4常綠闊葉林0.70.6竹林0.70.4灌木叢0.70.2草地0.70.4農(nóng)地0.70.5可調(diào)參數(shù)調(diào)整 第一場洪水第一輪參數(shù)調(diào)整可調(diào)參數(shù)調(diào)整 第2輪參數(shù)調(diào)整可調(diào)參數(shù)調(diào)整 參數(shù)第一輪調(diào)整值第二輪調(diào)整值飽和含水率100%100%河道單元糙率70%80%土壤層厚度100%100%飽和水

26、力傳導(dǎo)率60%90%邊坡單元糙率70%90%田間持水量100%100%模型驗證 流溪河流溪河模型研發(fā)目標(biāo)與歷程模型研發(fā)目標(biāo)與歷程 1998年，在研究葛州壩入庫洪水預(yù)報方案時，作者萌發(fā)了研發(fā)分布式物理水文模型的想法作者1998年前往瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院進行合作研究時，開始系統(tǒng)調(diào)研國外分布式物理水文模型的研究開發(fā)情況流溪河流溪河模型研發(fā)目標(biāo)與歷程模型研發(fā)目標(biāo)與歷程 2000-2001年，在普林斯頓大學(xué)專門從事分布式物理水文模型的研究對國內(nèi)外分布式物理水文模型進行了全面系統(tǒng)的研究，特別是對VIC、SHE模型等進行了較深入的研究決定回國并研發(fā)一個具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式物理水文模型，得到當(dāng)時在普林斯頓大學(xué)研究的中國學(xué)者及中國留學(xué)生的支持帶回了一批相關(guān)研究文獻，資料，特別是DEM、植被等方面的數(shù)據(jù)，在回國后最初的幾年里一直都是最主要的研究資料流溪河流溪河模型研發(fā)歷程模型研發(fā)歷程 2002年，以中山大學(xué)水信息實驗室為依托，正式開始了流域暴雨洪水預(yù)報分布式物理水文模型的研究得到國家自然科學(xué)基金（NSFC）支持，也是NSFC資助的第一個此類項目 提出了一個流域暴雨洪水預(yù)報分布式物理水文模型的框架，發(fā)表論文：A flash flood forecast model for the Three Gorges Basin using GIS and remote