DEM与分布式水文模型中的耦合研究（张东方,胡昆）

发布时间：2022-02-21 15:24:57 浏览数：次

摘要：以自然物理机制为基础的分布式流域水文模型，是当今水文界研究的热点之一。介绍了基于GIS的数字高程模型DEM(DigitalElevationMode1)模块在分布式水文模型中的应用(产生流向、划分子流域、河网分级等)、数字化地理信息数据获得方法、分布式水文模型的结构及其成功应用的实例。

关键词：物理机制；DEM；水动力学；河网分级；分布式水文模型

中图分类号：Tv12 文献标识码：A 文章编号：1004-7328(2007)04-0041-0

数字高程模型DEM (Digital Elevation Model)由美国麻省理工学院Chaires L．Miller教授1956年提出。其实质是在满足一定精度条件下．对摄影测量或其他技术手段获得的地形高程数据．用离散数学的形式进行表示，经过计算、处理提取数字化流域水系。分布式水文模型子流域划分的依据即流域下垫面各点数值高程。故DEM是建立分布式水文模型的基础。

地理信息系统(GIS)是一个集数据采集、存储、分析和显示具有空间位置信息的系统，具有编辑、显示空间型和非空间型的地理数据以及将地图上的模拟信息转换为数字信息的功能。因此，它成为分布式水文模型建模中地理信息提取的有力工具。在此即是用GIS提取的流域水系。正是由于GIS具有将地学空间数据处理与计算机技术相结合、经过建模分析提取空间地理数字化信息这一特性．故成为以水文循环物理机理为基础的分布式水文模型研究的切入点。

1 DEM在分布式水文模型中的应用

ARC／INFO平台是国外著名的GIS软件．功能非常强大。我们利用ARC／INFO能够产生水流流向、坡度、填洼、子流域划分、水流累计面积计算、河网分级．生成河道汇流顺序等。ARC／INFO平台中提取地理信息过程。如图1所示。

1．1 提取DEM地理信息数据

ARCflNFO平台中将asc码数据文件按所需网格大小转化为栅格文件，为提取地理信息做准备。数字高程立体网格。如图2所示。

1．2 生成流向(Flow direction)

水流方向是指水流离开网格时的指向。它决定着地表径流的方向及网格单元间流量的分配．是基于DEM的分布式水文模型中的一个十分关键的问题。在ARC／INFO软件中，采用D8方法(即单流向

法，水流方向沿坡度最陡方向)进行计算。

1．3 填洼(Fil1)

洼地是高程小于相邻四周的地点，它是进行地理信息提取的障碍之一。在生成流向时，如果遇到洼地，则水流集中于洼地，而使流向的搜索无法进行，因此有必要先填洼，然后再次生成流向。

1．4 划分子流域(Define watersheds)

进行填洼后，就要确定一阈值，该阈值是用来确定最小流域面积的。小于该流域面积不划分为一个子流域，因此阀值取得越小。子流域就越多。子流域剖分示意图见图3。

1．5 水流累计量计算(Flow acumulation)

沿最陡坡度规则(D8方法)确定的水流路径可计算任一栅格单元的上坡汇水面积。一般在流域分水线处的汇流面积为0，从而产生一个包含每一栅格单元上坡汇水面积的数字矩阵。

1．6 河网生成(Stream network)

预先设定一阈值，以水流累计矩阵数据(水流累计量)为标准，高于此阈值的网格就会连接起来，这样便产成了河网经络。

1．7 河网分级(0rdering Stream )

生成整个流域的河网系统后，不同的支干流连接怎样用数字表示带人分布式水文模型计算．即河网计算优先顺序问题，就要考虑河网分级问题。最终生成模型所需的DEM 地理信息，完成整个基于ARC／INFO平台中的DEM地理信息提取过程。本研究实例提取的河网演算顺序示意图见图4，由河网演算顺序图4转化的河道汇流顺序见表1。

这样将河道汇流顺序表1的信息代人分布模型即可进行水文产汇流计算，将地理信息成功应用于分布式水文模型。

2 分布式水文模型

分布式模型是国际上水文研究的热点(Bevan等，1984；Wood，1988；Sivapalan，1990)。流域分布式水文模型所涉及的水文物理过程主要包括降水、植被截留、蒸散发、融雪、下渗、地表径流和地下径流，各部分的联系如图5所示。

为了反映流域下垫面因素(如地形、土壤类型、植被覆盖等)和气象因素(如降水、气温等)的空间分布对流域水文循环的影响以及人类活动和气候变化对流域径流过程的影响，分布式水文模型通过以下方式来处理：①在水平方向上将流域划分成网格单元或子流域(一般基于栅格DEM)；②在垂直方向上将每一个单元分为冠层、非饱和水土壤层与饱和水土壤层。

流域分布式水文模型可以同GIS和遥感信息相结合。通过DEM可以提取包括流域网格单元的坡度、坡向以及单元之间的关系等大量的陆地表面形态信息。同时，根据一定的算法可以确定出地表水流路径、河流网络。在DEM所划分的流域网格单元上建立水文模型，模拟流域网格单元内土壤一植被一大气(SVAT)系统中水的运动，并考虑单元格之间水平方向的联系．进行地表水和地下水的演算。