【doc】一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法

【doc】一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法 一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分 布的计算方法 第31卷第5期 2011年10月 水文 JOURNALOFCHINAHYDROLOGY Vo1.31No.5 Oct..201l 一 种新安江模型中土壤水 蓄水容量空间分布的计算方法 孔凡哲.宋晓猛 (中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116) 摘要:首先构建一个以自然子流域为计算单元的分布式水文模拟系统,每一个计算单元内,利用土壤 水蓄水容量曲线表示张力水的空间分布,在单元之间,认为坡度大的单元土壤层厚度和蓄水容量小,同 样的降雨先产流.通过建立计算单元蓄水容量与地形坡度间的关系,考虑了地形坡度对产流的影响.在 淮河流域上游大坡岭流域的应用结果表明,所用方法得到了理想的模拟结果 关键词:新安江模型;土壤水蓄水容量:空间分布 中图分类号:P334~.92文献标识码:A文章编号:1000—0852(2011)05—0001—05 自从新安江模型?建立以来,不仅在国内得到了 广泛的应用,而且在国外也有着重要的影响I21.随着分 布式模拟技术的不断发展,新安江模型的核心内容产 流和汇流,在分布式模拟系统的计算单元中广泛应用. 李致家等[3]利用DEM栅格作为计算单元建立了基于 栅格的分布式新安江模型.地形特征不但影响流域内 的汇流过程,而且影响着径流的形成特性.文献『61 提出了考虑地形坡度和计算单元特性的汇流参数计算 方法,并得到了理想的模拟结果.在产流方面,新安江 模型采用了张力水蓄水容量曲线_l17】以统计学的方式考 虑流域内下垫面特别是土壤特性的空间分布不均匀 性.容量曲线中有一个流域的平均参数.即流域平均张 力水蓄水容量,WM值可以通过率定等方法得到. WM对模拟结果影响很大,一方面影响到初始土壤湿 度的计算结果,另一方面,在初始土壤湿度相同的条件 下,直接影响到计算的产流量. 在分布式模拟系统中,如何获得各计算单元的 是不得不面临的问题.如果直接利用流域平均蓄 水容量,等同于没有考虑地形坡度对土壤特性.特别是 土壤厚度对或者说对产流的影响.本文以淮河流 域上游大坡岭水文站以上为研究区域,就如何计算单 元进行初步研究 1新安江模型简介 根据文献[1],新安江模型为一个分散式模型,考 虑到降雨的空间分布不均匀性,利用泰森多边形对流 域进行离散,每一个多边形中有一个雨量站.把多边形 作为计算单元,按蓄满产流模式进行产汇流计算,得到 单元出口的径流过程,将所有单元的径流过程经过河 道演算到流域出口叠加得到总径流过程. 为考虑土壤,植被等下垫面条件的空间分布不均 匀性,在单元内产流计算时,采用了张力水蓄水容量曲 线.曲线的表达式为: 分1一(1一)(1) 式中:为单元内某一点的蓄水容量:WMM为单元内 最大点蓄水容量;厂为蓄水容量不大于的面积;F为 单元面积.式(1)中的WMM由式(2)得到 WMM=WM(1+b)(2) 式中:为单元平均蓄水容量. 2基于地形坡度的计算单元的计算方法 首先认为在土壤质地均匀的情况下,M与土壤 层厚度成正比关系.坡向,植被及地形坡度均影响到土 收稿日期:2010—04—15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50309002) 作者简介:L凡哲(1964-),男,江苏徐州人,教授,博士,从事水文学及水资源教学与研 究.E-mail:kongfz3@126.corn 2水文第31卷 壤层的厚度,本文暂且仅研究地形坡度的影响.众多研 究均表明.同一流域内土壤层厚度随地形坡度的增大 而减小.所以计算单元的M也应该随地形坡度的 增大而减小在建立与地形坡度之间关系时遵循 的原则为:当地形坡度为0.时,肘最大;当地形坡度 为90.时为0.所以本研究中采用的关系式为 WMi=WM(1-sina)(3) 式中:是坡度为的单元的值;是坡度为0. 时的值:A为一常数. 式(3)中的常数A反映了地形坡度对M影响程 度,不同值的影响如图1所示,当A为0时,即为不 考虑地形坡度影响的情况. 120 100 80 g 60 4O 20 0 O1O203O40506O70809O 坡度,o 图1M与地形坡度关系 Fig.1TherelationshipbetweenWMandslope 3应用实例 3.1流域概况 本研究利用了淮河流域大坡岭水文站以上区域 (文中称为大坡岭流域).大坡岭水文站位于淮河上游, 是淮河干流上游的第一个控制水文站,控制流域面积 1649km,流域内多为山区丘陵,植被良好.河流属山 系性河流,支流多,坡度大.流域属副热带湿润区域,四 季分明.多年平均降雨量1050mm,多集中在5—8月, 占年降水量的80%.大坡岭以上没有大中型水利工 程.受人类影响相对较小. 3.2模型构建 3.2.1子流域划分 利用GIS工具划分子流域,提取子流域特征.本文 利用lOkm2的面积阈值提取河网,由自然分水线将流 域划分成97个子流域,流域内有雨量站l3个,子流域 划分结果如图2所示,子流域主要特征(面积和地形坡 度)如表1,面积与坡度之间关系的统计结果如表2. 图2子流域划分图 Fig.2Thedivisionofsub—basins 3.2.2雨量计算 根据流域内以及相邻流域雨量站的空间位置.利 用克里金插值法计算每一个子流域中心的点雨量代替 其平均雨量. 3.2-3产流计算 (1)初损计算.初损值是影响产流量计算结果的关 键,本研究中采用前期影响雨量指数(API)模型.考虑 到前期降雨的空间分布不均匀性,每一个子流域分别 计算初损,即受到以及降雨空间分布的影响,各 子流域的初损是不同的.具有空间分布性. (2)径流量计算.采用新安江模型原有的张力水蓄 水容量曲线计算产流量.但考虑到地形坡度的影响,首 先要利用式(3)计算出各子流域的. 3.2.4汇流计算 坡地汇流采用单位线法.利用文献[1o1中的分布 式单位线分析方法分析出每一个子流域的单位线. 河道汇流计算采用马斯京根法.考虑到水力特性 对河道洪水演进的影响,本研究利用文献[11]中的动 态参数方法. 3.3径流模拟 模拟的目的是为了比较在其它所有参数相同条 件下,考虑或不考虑地形坡度对子流域M影响情 况下的径流模拟结果.本研究中共选取了l8场降雨 过程. 第5期孔凡哲等:一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法3 表1子流域特征表 TablelThecharacteristicsofthesub—basinsa 3.3.1不考虑地形坡度的影响 在API模型和新安江模型中.各子流域采用相同 的WM.无论是产流量还是洪水过程计算结果均对 非常敏感.通过比较模拟与实测流量过程线的拟 合情况,可以分别得到与每一场降雨对应的最佳WM 值,计算结果见表3中的第(3),(5),(7),(9)和(11) 列.为方便起见,表中用"N"代表不考虑地形坡度影响 的情况,用"Y"表示考虑地形坡度影响的情况. 3.3.2考虑地形坡度的影响 根据式(3),此时需要率定的WM是与地形坡度 表2面积与坡度关系统计 Table2Therelationbetweentheareaandslope 坡度,度面积比例,% 0-5 5—1O 10一l5 15-20 20—23 累计 22.85 28-3l 19.09 21.23 8.52 1oo 为O.时对应的.给定一个WM,利用式(3)(常数A取 0.7)计算出每一个子流域的WM,然后计算各子流域 4水文第31卷 每一场降雨的初损和产汇流.采用与3.3.1相同的方式 可以得到考虑地形坡度影响情况下各场降雨对应的最 佳WM,计算结果见表3中的第(4),(6),(8),(10)和 (12)Y0. 对表3中第(11)和(12)列求平均后为72ram和 103mm.分别取为70ram和lOOmm,对18场降雨 不考虑或考虑地形坡度影响的径流过程进行模拟.结 果见表4. 3.3.3模拟结果分析 从表3可以看出.考虑地形坡度影响的结果并没 有优于不考虑坡度影响的情况.分析认为降雨空间分 布是不均匀的.在不考虑坡度影响的情况下,通过调 试,可以使流域的与暴雨中心对应的子流域的 吻合,所以模拟的结果会很好. 根据表4.从平均情况看,两种情况的确定性系数 相同,但无论是洪峰流量,洪量,还是峰现时间,考虑地 形坡度影响的模拟结果均好于不考虑坡度影响的情 况.从洪峰流量误差来看,各自有一场洪水大于20%. 但不考虑坡度影响的最大误差大:从洪量误差来看,不 考虑坡度影响的有2场大于20%,而考虑坡度影响的 有1场大于20%,不考虑坡度影响的最大误差大:从 峰现时间误差来看.不考虑坡度影响的有2场好于考 虑坡度影响的.而考虑坡度影响的有5场好于不考虑 坡度影响的.所以从表4中可以看到考虑坡度影响的 模拟结果明显好于不考虑坡度影响的模拟结果. 从以上模拟结果还可以看出,由于两种情况率定 的的涵义不同.所以大小也不一样.如表3中的 WM分别为72ram和103mm,表4中的WM分别为 70ram和lOOmm.取为lOOmm,利用(3)计算 出每一个单元的M值后求出的面积加权平均值为 70.4.如取WM为103mm,则加权平均后的结果为 72.5ram.可以看出,两种情况下流域的平均蓄水容量 值是相同的. 对比表3和表4可以看出.在表3中.不考虑坡度 影响的结果似乎好于考虑坡度影响.而利用平均的 WM后的结果却明显劣于考虑坡度影响的情况.分析 认为,对于某一场降雨,人为采用的刚好与暴雨 中心区域的完全吻合的可能性很小,流域面积越大这 表3模拟结果统计表 T1e3Thecalculationresultsofthemnoff 第5期孔凡哲等:一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法5 种情况越明显,况且WM对计算结果影响非常敏感. 所以会导致结果误差较大.而在考虑坡度影响的情况 下,通过式(3)的换算,某一子流域的模拟结果对作为 参数的的响应程度要小于其本身的WM.所以在 考虑坡度影响的情况下模拟结果对参数WM的敏感 程度降低了. 4结论 WM的本质是流域的田间持水量.在不考虑地形 坡度影响情况下,全流域采用的WM是一个平均值, 当利用一场理想的降雨过程分析时,代表的 是最大降雨损失量平铺在整个流域面积上的水深,所 以WM是一个虚拟值.可以想象,流域内必然会有部 分区域的值大于平均值,也必然会有部分区域的 小于平均值.在前期影响雨量相同且没有蓄满的情况 下,当暴雨中心处在WM小于平均值的区域,则计算 的径流量偏小.当暴雨中心处在WM大于平均值的区 域.则计算的径流量偏大.在考虑地形坡度影响情况 下,率定的M是流域内坡度为0区域的田间持水 量,通常情况这样的区域分布在流域的出口,所以是客 观存在的.计算出的坡度不为0区域的更符合实 际. 参考文献: .流域水文模拟——新安江模型与陕北模型【M】.北京:水利电 【1]赵人俊 力出版社,1984.(ZHAORenjun.HydrologicModelofBasin--Xin' anjiangModelandShanbeiModel【M1.Beijing:ChinaWaterPower Press.1984.(inChinese)) 【2】Singh,V.P.andWoolhiser,D.A.Mathematicalmodelingofwatershed hydrology【J].JournalofHydrologicEngineering,2002,7(4):270— 292. 【31李致家,姚成,汪中华.基于栅格的新安江模型的构建和应用【J].河 海大学(自然科学版),2007,35(2):131-134.(LIZhijia,YAO Cheng,WANGZhonghua.Developmentandapplicationofgrid— J】.JournalofHohaiUniversity(Natural basedXin'anjiangmodel【 Sciences),2007,35(2):131-134.(inChinese)) 【4]QuinnPF,BevenKJ,Pltmchon0.Thepredictionofhillslope flowpathfordistributedhydrologicalmodelingusingdigitalterrain model[J].HydrologicalProcesses,1991,5:59—79. [5】QuinnPF,BevenKJ,LambR.TheIn(a/tanl3)index:howtocal— culateitandhowtouseitintheTOPMODELframework【J].Hy— drologiealProcesses,1995,9:161一l85.(下转第14页) 14水文第31卷 SimulationofCatchmentEvapotranspirationBasedonDifferentSoil-vegetationParameter izationSchemes SHAOWeiwei,XUXiangyu,YANGDawen (1.StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaIn stituteofWaterResources andHydropowerResearch,Beijing100038,China,"2.StateKeyLaboratoryofHydro— Science andEngineering&DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijin g100084,China) Abstract:Vegetationandsoilareimportantcarriersinwatercycles,therefore,soil— vegetationparameterizationisimportationin catchmenthydrologicalsimulation.Inthisstudy,thesoil-vegetationparameterizationsche mesinadistributedphysically—basedhy— drologiealmodel(GBHM)andthewater— energybalancemodelwerediscussedtopredictactualevapotranspirationintheLuanhe RiverBasin.Comparisonbetweenthephysically— basedhydrologicalmodelandthelatterlumpedconceptualmodelcanhelpusan- derstandthedominantcontrolfactorsoncatchmentevapotranspirationatdifferenttimescales.Fromtheanalysisthrougheompari— son,itisshownthatbothsimulationsofthesetwomodelsgiveveryclosevaluesofannualevapotranspirationandthesamecom— plementaryrelationshipbetweenactualandpotentialevapotranspirationcanbeloundattheannualtimescale.Thecatchmentan- nualevapotranspirationismainlycontrolledbytheannualprecipitationandpotentialevaporationwhiletheimpactofvariabilityof soilwaterandvegetationbecomemoreimportantatasmallertimescale.Itisalsoknownthattherelationshipbetweenpotential andactualevapotranspirationshowsahighlynonlinearrelationshipattheannualandcatchmentscale,butcanbesimplifiedtoa linearrelationshipathourlytemporalandhillslopescales. Keywords:soilvegetationparameterization;distributedhydrologicalmodel;water-energybalancemodel;catchmentevapotranspira- tionmodeling (上接第5页) 【6]李莉莉,孔凡哲.基于GIS对新安江模型的改进[J].水文,2006,26(5): 33-37.(LILili,KONGFanzhe.ImprovementofXin'anjiangmodel basedonGISIJ】.JournalofChinaHydrology,2006,26(5):33—37. (inChinese)) [7】周买春.利用双抛物线型土壤蓄水容量曲线对新安江产流模型的改 进[J].水利,2002,12:38—43.(ZHOUMaichun.ModifiedXin'an— jiangmodelforrunoffcalculation[J].JournalofHydraulicEngineer- ing,2002,12:38-43.(inChinese)) 【8】曾宪勤,刘宝元,刘瑛娜.北方石质山区坡面土壤厚度分布特征一以北 京市密云县为例[J】.地理研究,2008,27(6):1282—1289.(ZENGXian— qin,LIUBaoyuan,LIUYingna.Soildepthdistributioncharaeteris? ticsonthelithoidalmountainousslopeofnonhenChina:acase studyofMiyuncounty,Beijing[J】.GeographicalResearch,2008,27 (6):1282-1289.(inChinese)) 【9]Beven,K.J,Wood,E…FSivapalan,M.Onhydrologicalheterogene— ity-catchmentmorphologyandcatchmentrespone[J].JournalofHy— drology,1988,100:353—375. 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Keywords:Xin'anjiangmodel;soilmoisturestoragecapacity;spatialdistribution