基于數(shù)字高程模型的歷史洪水模擬

基于數(shù)字高程模型的歷史洪水模擬

1流域地形空間變化對流域水文循環(huán)過程的影響傳統(tǒng)的通用水文模型（如新安江模型）在中國洪水規(guī)劃、水資源評價計劃、洪水管理和網(wǎng)絡(luò)分析等方面發(fā)揮了重要作用。但概念性水文模型基本沒有考慮陸面不均勻性，水文物理過程的描述比較薄弱，不能及時地模擬出人類活動或下墊面因素的變化對流域水文循環(huán)過程的影響。事實(shí)上，徑流形成的過程就是水分在流域中的再分配過程（王守榮，黃榮輝等，2002）。Beven等（1988）已經(jīng)證明地形的空間變化是影響流域水分空間不均勻分布的主導(dǎo)因素。由于流域特性存在的這種空間變異性，有必要盡可能利用流域的地形條件來改造現(xiàn)有水文模型的結(jié)構(gòu)，這里根據(jù)地形數(shù)據(jù)DEM將流域在空間上離散為水文特性相對均一的子單元，使水文模擬更加符合實(shí)際的水文物理過程。徑流形成研究的目的在于揭示徑流形成過程的物理成因和規(guī)律，但由于水文現(xiàn)象本身的復(fù)雜，目前還不能給出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)。筆者結(jié)合當(dāng)前地理信息技術(shù)的研究成果，建立了基于自然子流域的觀臺以上集水區(qū)域數(shù)字水文模型。2數(shù)字水文模型的構(gòu)建2.1地形地貌、高程模型觀臺以上集水區(qū)域地處太岳山東麓和太行山區(qū)，位于漳衛(wèi)南運(yùn)河流域上游，如圖1所示。區(qū)內(nèi)地面高程一般在海拔1000m以上，為土質(zhì)丘陵區(qū)和石質(zhì)山區(qū)。漳河上游支流眾多，水系呈扇形分布，主要支流有清漳河與濁漳河兩支。清漳河所經(jīng)之地皆為石質(zhì)山區(qū)，山高谷深，巖石裸露，坡陡流急；濁漳河又分北、西、南三源，均發(fā)源于太岳山區(qū)，三源上分別建有關(guān)河、后灣、漳澤3座大型水庫，控制流域面積分別為1747、1296、3146km2。漳河流域面積19537km2，山區(qū)約占95%。區(qū)域的數(shù)字地形數(shù)據(jù)采用GTOPO30數(shù)字高程模型，此數(shù)據(jù)由U.S.GeologicalSurvey的“EROS”數(shù)據(jù)中心研制。該數(shù)字高程模型的空間分辨率為30s（接近1km），垂直分辨率為1m。區(qū)域數(shù)字高程模型，如圖2所示。2.2數(shù)字流域識別數(shù)字高程模型（DEM）是目前用于流域地形特征提取的主要數(shù)據(jù)，通常有3種格式：柵格型、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）和等高線，其中柵格型DEM應(yīng)用較為普遍。由DEM提取流域的地形特征，包括確定單元格網(wǎng)的流向、匯流路徑、河網(wǎng)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流域及子流域的邊界劃分等過程。目前，在DEM基礎(chǔ)上有多種比較成熟的提取流域特征數(shù)字信息的方法（Tribe,1992）。O′Callaghan及Mark(1984）提出的基于柵格型DEM提取流域河網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的算法得到了廣泛應(yīng)用（MartzL.W.,GarbrechtJ.,1992）。在自動提取地形特征的算法中平地和洼地區(qū)域水流流向的確定非常重要，這一點(diǎn)已被Martz和Garbrecht(1992,1998）廣泛研究。生成數(shù)字流域有許多成熟軟件，如由MartzL.W.、GarbrechtJ.研制的TOPAZ模型，ResearchSystemInc.(RSI）研制的基于數(shù)字高程模型（DEM）的RiverTools軟件，ArcView的擴(kuò)展模塊HydrologicModelingV1.1。其他如WMS(WatershedModelingSystem）、SLURP和PRMS等水文模型均嵌入了數(shù)字流域識別模塊，其中SLURP和PRMS模型直接采用子流域作為計算網(wǎng)格。筆者采用美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）的ArcViewGIS3.2生成此區(qū)域的數(shù)字流域，如圖3所示。圖中流域整體被劃分為6大塊，其中考慮到水庫的蓄水作用，石梁以上區(qū)域被劃分為4塊，即3座水庫（關(guān)河、后灣及漳澤）以上區(qū)域及水庫至石梁區(qū)間的區(qū)域。此外，匡門口以上區(qū)域、石梁至三水庫區(qū)間及石匡觀區(qū)間又被細(xì)分為29個子流域。2.3石觀區(qū)域的預(yù)報結(jié)果在數(shù)字水文模型中，流域內(nèi)的3塊區(qū)域（扣除三水庫集水面積）分別進(jìn)行徑流預(yù)報，其中三水庫的來水作為石梁區(qū)間的來水，石梁和匡門口區(qū)域預(yù)報的結(jié)果作為石匡觀區(qū)間預(yù)報的來水。在子流域內(nèi)分別建立新安江模型進(jìn)行產(chǎn)流計算，匯流采用馬斯京干法由各子流域出口分別演算至流域總的出口。與傳統(tǒng)的泰森多邊形劃分子流域方法相比，數(shù)字水文模型利用地形信息改造現(xiàn)有水文模型的結(jié)構(gòu)，將流域在空間上離散為水文特性相對均一的子單元，使水文模擬更加符合實(shí)際的水文物理過程。3流域內(nèi)洪水?dāng)?shù)據(jù)分析將所建立的數(shù)字水文模型應(yīng)用于觀臺以上集水區(qū)域的洪水模擬研究，區(qū)域內(nèi)的5次歷史洪水作為本次模擬的研究對象。其中，區(qū)域內(nèi)29個報汛雨量站參與此次洪水模擬，蒸發(fā)資料由岳城水庫的蒸發(fā)觀測站提供，同時流域內(nèi)的觀臺站、匡門口站及石梁站對同期的流量過程進(jìn)行了觀測，此外關(guān)河水庫、后灣水庫和漳澤水庫管理處提供了相應(yīng)的水庫泄洪資料。將資料整理后輸入模型并作洪水模擬研究，本次研究同時采用傳統(tǒng)的洪水模型作洪水模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行比較。表1為傳統(tǒng)水文模型與數(shù)字水文模型模擬結(jié)果的對比。從表中不難看出，兩者模擬的結(jié)果相差較小，傳統(tǒng)水文模型還略優(yōu)于數(shù)字水文模型。筆者建立的數(shù)字水文模型利用了流域地形信息，但影響水文模擬精度的因素眾多，比如植被、土壤類型等。因此，這里融合地形的水文模型是進(jìn)一步建立能夠融合植被特征、土壤類型的流域水循環(huán)一體化模擬的數(shù)字水文模型的前期研究基礎(chǔ)。4數(shù)字水文模型的模擬精度及其影響流域徑流的形成原因采用DEM處理技術(shù)生成數(shù)字流域，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)字水文模型，并將其與傳統(tǒng)的水文預(yù)報模型作了應(yīng)用對比。結(jié)果表明，所建立的數(shù)字水文模型顯示了一定的模擬精度，