分布式水文模型毕业论文.doc
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1、摘 要随着现代社会数字化进程的加快,基于数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)的分布式水文模型(Distributed Hydrology Model)在水利行业的主导地位也日益明显,它避开了传统水文学依靠多年的水文观测资料的计算方法,而依据流域的相关参数和地理信息进行水文计算,给水利行业注入了新的活力。因为分布式水文模型与现代计算机紧密相联,所以它必然更具有生命力。本文在分布式水文模型的基础上,对河南省燕山水库流域洪水入库计算模拟方面作了一些研究:从燕山水库流域的下垫信息开始着手,依据流域的土地使用类型图、土壤分布图确定每个栅格单元的土壤特性和土地利用方式,
2、进行下垫信息的参数化,得到单元模型所需的参数值;为了提取地形信息,本文通过对流域地形图海量数据加载高程值,利用GIS软件(ArcView)自动生成流域内的数字高程模型,提取了流域水文模型所需要的库容曲线;通过栅格自动划分,提取栅格单元的高程、坡度、栅格流向、流域边界、虚拟河网、流量积累、等时流线面积分布等分布式水文模型的流域特征。创建分布式水文模型的关建是建立一个合适的基于栅格单元的水文模型,本文将栅格单元在垂直方向上分为二层,即地表层和地下层,涉及到降雨、温度、植被截留、蒸散发、下渗等水文计算模型;并综合各类相关数据,建立了地信数据库和水文数据库,通过VB编程进行等时流线模拟计算。等时流线的
3、模拟计算是通过计算机提取相应栅格数量进行的,而且一个步长的栅格数量不是不变的,而是由一个步长栅格降雨的流速决定的,而单元雨水的流速又是由步长内降雨量的多少决定的。最后,本文对1998年流域的两次洪水入库量进行验证,鉴于水库还没有建成,为了便于比较本文还进行了洪水过程线模拟并取得较好的效果。关键词:数字高程模型;分布式水文模型;地理信息;流域;栅格单元;等时流线;流量积累 AbstractWith developing more quickly in digitalization in modern society, The Distributed Hydrology Model founded
4、 on Digital Elevation Models are becoming more and more important in water conservancy, It avoids the way of the Accustomed Hydrology Model on many years of hydrological statistical data, but on geographic information and other interrelated experimental data in one drainage area, it breathe a new po
5、wer into water conservancy. Because the Distributed Hydrology Model relates to the modern computer, it will have strong vital force.Making use of this model I have a taste in Yan Shan Reservoir watershed in He Nan Province: I start on the information of the surface in this area, give every grid cell
6、 the proper parameters by distilling them from the map of how the people use soil and the map of soil type in this area; In order to get the topographical information, I add numerical value to a abundant of contour lines and points in topographical map, use the software ArcView of GIS to create Digi
7、tal Elevation Models (DEM) automatically, get every volume of the reservoir from the water level 99m to 117m. By using a special module of the software, I distill triumphantly the grid cells elevation value, slope value, flow direction, flow accumulation, watershed, stream network, isochrones and so
8、 on. The proper hydrology model on the gird cell plays an vital role in the Distributed Hydrology Model, In this paper, It is divided two parts in vertical section, they are up-ground and under-ground relating to rainfall, air temperature, evaporation and ooze hydrological model, At the same time, I
9、 integrate all indispensable data and found two databases which are geographical information database and hydrological information database, write program using computer languageVB to simulate process of isochrones of the watershed. How much the water flow from the exit of watershed every interval t
10、ime is decided by how many the grid correspondingly, but the number of the grid of every interval time is not fixed,but always changed, it is decided by velocity of flow on grid, but the velocity of flow is decided by how much the rain falls in the area every interval time. At last, this model is va
11、lidated by two floodwater in 1998 in the area, because the reservoir is not completed, in order to test how much water flew to reservoir in the two floodwaters, isochrones process of the watershed is simulated, the results fit well.Key Words: DEM; Distributed Hydrology Model; Geographic Information;
12、 Watershed; Grid Cell; Isochrones; Flow Accumulation目录内容题要第一章 绪论.11.1 研究背景.11.2对分布式水文模型国内外研究现状及发展.11.2.1国外研究现状.11.2.2国内研究现状.21.3 课题的研究意义与整体思路.31.4 论文内容.3第二章 燕山水库流域概况.52.1地理位置.52.2燕山水库概况.52.3 流域水文气象.62.4地形和土壤.62.4.1土壤参数实验测定.72.4.2土壤参数计算方法.72.4.3下渗系数.82.5曼宁系数.8第三章 燕山水库流域数字高程模型的构建.103.1 数字高程模型概念及表示方法.1
13、03.1.1 数字高程模型的概念及应用.103.1.2 DEM的表示方法.103.1.3 DEM的三种主要模型.113.2 数字高程模型的构建方法.143.2.1 数字高模型的数据源.153.2.2 航摄法生成DEM的方法.153.2.3生成TIN的方法.163.3 燕山水库的数字高程模型(DEM) .18第四章 流域地形参数提取.194.1流域离散方法.194.2地形坡度分析与计算.204.3 DEM的预处理.224.3.1 洼地标定及抬升算法.224.3.2 平地起伏算法.234.4 流向判定.244.4.1 D8法.244.4.2 多流向法.264.5 河网的提取.274.6 流域及子流
14、域的划分.294.7 流水累积量.314.8 库容曲线.32第五章 栅格单元水文模型.345.1 单元水文模型.345.2 栅格地表水地下水输出、输入原理.345.2.1步长内栅格地表水量平衡方程.355.2.2步长内栅格地下水量平衡方程.355.3 降雨分布模型.355.4气温分布模型.375.5 植被截流.385.6 蒸散发.395.7时间步长内到达地面雨量.405.8 下渗和产流.405.8.1下渗模型.405.8.2产流计算.415.9 坡面径流模型.445.10 回归流.455.11 等时流线模型.455.11.1 等时流量计算方法.455.11.2 等时流量计算步骤.45第六章 燕
15、山水库流域模型计算模拟.486.1燕山水库流域产流模型.486.2 数据库的建立.486.2.1地理属性数据库.486.2.2水文属性数据库.496.2.3 数据库建立过程.496.3 库容增量计算模拟过程.49第七章 模型的验证.517.1 流域资料获取情况.517.1.1 流域地理资料获取情况.517.1.2 流域水文资料选取.517.2 二次洪水的验证.517.3 二次洪水过程线拟合结果评价.55第八章 结论和展望.56致谢.58参考文献.59引 言分布式水文模型在水利行业得到越来越多的应用,关键原因是分布式水文模型是建立在数字信息基础上的水文模型,与现在社会信息数字化的时代脚步一致,而
16、且随着人们计算机水平的提高、网络的普及以及遥感(RS)运用,人们对分布式水文模型所要求的各类数据都可以在极短的时间内取得,而且精度越来越高,这就说水文运算周期将可以得到前所没有的提高,而传统水文学的运算都是建立在多年统计数据的基础上,其周期长、运算慢;另外,分布式水文模型更注重水文机理和量化的研究,尽管目前的成果不太如意,但是总会有所发展。总之,分布式水文模型有着很大的优势。本文的研究是在当前进行水库信息化建设的时代背景下进行的,为了对水利信息进行深层次的开发和表达,本文结合地理信息系统构建流域的数字高程模型,模拟水库流域的可视化,并且在数字高程模型的基础上,将流域进行栅格化,提取栅格高程、栅
17、格坡度、栅格流向、虚拟河网、流量积累,再结合下垫水文参数,进行了流域的地表径流模拟及洪水入库计算。分布式水文模型是在20世纪70年代提出的,经历了一个循序渐进的发展历程:先是在一个小场地实地测量每个块的高程、坡度,后来随着计算机的应用和计算机图形处理的发展,特别是在出现GIS后,DEM成为提取地形参数的有效平台,在这个方面许多学者做出大量研究,目前,在栅格高程、栅格坡流、栅格流向方面取得一致,在虚拟河网的提取方面目前有多种方法,哪种方法更行之有效,还没有定论,但是,分布式水文模型建立方法还是被学者们认可。本文在对数字高程模型的表示方法和构建方法阐述后,在流域地形图的基础上进行数字化和矢量化,并
18、添加地形特征线生成高精度TIN,得到流域DEM,并进行栅格地形数据的提取,然后通过建立栅格单元的水文模型对河南平顶山燕山水库流域进行洪水过程线模拟和入库量计算,取得了令人满意的结果。第一章 绪论1.1 研究背景20世纪以来,随着计算机行业的发展,水文领域的研究越来越趋于数字化,流域水文循环的模拟也从集总式模型扩展到分布式或者半分布式模型。分布式水文模型不仅需要单元水文物理机制的支撑,而且需要获得大量的流域空间分布数据信息支持,因此,水文模拟技术趋向于将水文模型(包括数学物理模型、概念性模型和系统理论模型)与数字高程模型(DEM)相结合,同地理信息系统(GIS)与遥感(RS)集成。DEM作为构成
19、分布式水文模型的基础数据,通过它可以提取许多流域水文特征参数信息,如坡度、坡向、汇流网络、流域界线等。因此,基于DEM的分布式水文模型逐步成为现代水文模拟技术研究的热点,是水文模型的最新发展方向1。1.2 分布式水文模型国内外研究现状及发展分布式水文模型的建模思想起始于20世纪70年代,80年代中期开始,随着电子计算机科学技术的发展及系统论的成熟,世界各国对水文模型开展了大规模的研究,同时提出了很多实用的水文模型,流域水文模型可分为确定性模型和随机(统计)模型,在实际应用中,流域水文模型一般是指确定性水文模型。从反映水流运动规律的科学性和复杂程度的角度出发,水文模型可以分为系统模型(即黑箱子模
20、型,black-box model)。概念性模型(conceptual model)和物理模型(physically-based model);从反映水流运动空间变化能力的角度出发,水文模型又可以分为集总式模型(lumped model)和分布式模型(distributed model),还有一种水文模型介于集总式模型和分布式模型之间,称为“半分布式”水文模型2。1.2.1 国外研究现状Freeze和Harlan(1969,英国) 3最早提出了具有物理基础的分布式流域模型的概念和用途,其基本思想是尝试寻找一个通用的模型结构,描述林冠截留、土壤入渗、坡面汇流等水文过程;1974年,英国Leeds
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