基于雷达测雨的实时洪水预报模型

基于雷达测雨的实时洪水预报模型刘金涛1,李致家2分布式水文模型需要将流域划分为子单元,与传统的集总式水文模型相比，它可以更好地与地理信息数据(如DEM)和遥感数据相结合,同时也可以更好地研究流域下垫面(地形、土壤及植被等)、水文气象(降雨、蒸发等)等环境要素的空间变化对水文过程的影响。分布式水文模型在流域离散完成后,通常在子单元内部分别建立单元水文模型.按照单元水文模型的构建方法,分布式水文模型又可划分为两类:一类是数学物理模型;另一类是概念型模型.数学物理型分布式水文模型在所研究范围的每一个子单元都要求有不同的模型参数,而且对参数的规范性要求很严格。由于概念型分布式水文模型一般把流域划分为子单元,它在一定程度上可以反映出流域下垫面及水文气象等环境要素的空间变化对水文过程的影响.此外,这种分布式水文模型结构与计算过程都比较简单,对资料要求较低,因此适合于面积较大的流域分布式水文模型的进展及展望王书功,康尔泗,李新(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000).1引言水文模型是描述水文过程的数学模型,是水文循环规律研究的必然结果.水文模型可以分为确定性模型和随机性模型:确定性模型应用有限的物理学规律描述水文过程,其预测结果不存在不确定性[1];随机模型应用概率理论和随机性过程描述水文环节,其预测结果多为条件概率的形式.确定性模型根据模型对流域的描述是空间集总式的还是分布式的描述,以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述进一步划分为黑箱模型、概念模型和基于物理学的分布式模型.水文模型是描述水文过程的数学模型，是水文循环规律研究的必然结果.也可以说是水文过程的符号化。水文模型可以分为确定性模型和随机性模型。随机模型应用概率理论和随机性过程描述水文环节,其预测结果多为条件概率的形式.确定性模型根据模型对流域的描述是空间集总式的还是分布式的描述,以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述进一步划分为黑箱模型、概念模型和基于物理学的分布式模型.黑箱模型基于传输函数,几乎没有任何物理意义;概念模型处于完全物理描述和经验式黑箱分析的中间位置;基于物理的水文模型建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础上.由于流域的水文异质性,物理模型必须对流域进行离散化,使得模型计算单元内的水文性质满足物理学的均一性要求,因而,物理模型是空间分布式的模型.分布式物理模型能够模拟整个径流过程,可以预测多个水文变量(如径流量、土壤含水量以及蒸散发等)的时空格局.纳了分布式水文模型的一般结构、应用领域以及与地理信息系统和遥感技术的关系及其存在的问题,论述了分布式水文模型未来发展方向.水文模型可以分为确定性模型和随机性模型:确定性模型应用有限的物理学规律描述水文过程,其预测结果不存在不确定性;随机模型应用概率理论和随机性过程描述水文环节,其预测结果多为条件概率的形式.确定性模型根据模型对流域的描述是空间集总式的还是分布式的描述,以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述，进一步划分为黑箱模型、概念模型和基于物理学的分布式模型.黑箱模型、概念模型和物理模型分别代表确定性水文模型的不同发展阶段.黑箱模型基于传输函数,几乎没有任何物理意义;概念模型处于完全物理描述和经验式黑箱分析的中间位置;基于物理的水文模型建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础上.由于流域的水文异质性,物理模型必须对流域进行离散化,使得模型计算单元内的水文性质满足物理学的均一性要求,因而,物理模型是空间分布式的模型.分布式物理模型能够模拟整个径流过程,可以预测多个水文变量(如径流量、土壤含水量以及蒸散发等)的时空格局.在分布式模型中,物质、能量和动量的传输直接应用控制微分方程描述,例如应用St.Venant方程描述坡面漫流、应用Richard方程描述包气带水分运移以及应用Boussinesq方程描述地下水流运动.分布式模型中的偏微分方程多采用数值解,如有限单元法和有限差分法,因此,相对集总式概念模型,分布式模型需要更多的计算时间和性能更好的计算机.分布式水文模型是近20a来水文建模领域的热点,20世纪80年代以来,计算机的普遍应用和计算能力大幅度提高,为分布式水文模型的发展铺平了技术道路;流域对自然和人为因素的响应研究以及流域管理决策人员的需求,极大地推动了分布式水文模型的发展.1986年丹麦水力学研究所、英国水文研究所和法国的SOGREAH合作开发的系统水文欧洲SHE是最早为人所知的分布式水文模型,它致力于模拟水文循环的所有重要环节.Famigliettietal.[2]将修改的TOPMODEL[3]和一个表面能量平衡模型耦合在一起,计算整个流域范围内的蒸散发空间变化.Wigmostaetal.[4]建立了一个分布式的水文植被模型,研究复杂地形条件下的流域水文过程.本文立足于分布式水文模型的研究成果,归纳了分布式水文模型的一般结构、应用领域以及与地理信息系统和遥感技术的关系及其存在的问题,论述了分布式水文模型未来发展方向.2分布式水文模型的一般结构分布式水文模型结构可以从两个角度进行分析,首先是功能结构,即按照系统内部功能的聚集程度,把模型划分成功能相对独立的子系统,每一个子系统实现了对水文循环某一环节的数学描述.分布式水文模型的通用功能模块有:1)一维降水冠层截留模型;2)一维辐射传输模型;3)一维蒸散发模型;4)一维融雪模型;5)一维包气带水分垂向运移模型;6)二维表面漫流模型;7)一维河流/渠道模型;8)二维饱和壤中流/地下水模型;9)二维灌溉模型.如果模型考虑水质和土壤侵蚀问题,还应包分布式水文模型的一般结构分布式水文模型结构可以从两个角度进行分析,首先是功能结构,即按照系统内部功能的聚集程度,把模型划分成功能相对独立的子系统,每一个子系统实现了对水文循环某一环节的数学描述.分布式水文模型的通用功能模块有:1)一维降水冠层截留模型;2)一维辐射传输模型;3)一维蒸散发模型;4)一维融雪模型;5)一维包气带水分垂向运移模型;6)二维表面漫流模型;7)一维河流/渠道模型;8)二维饱和壤中流/地下水模型;9)二维灌溉模型.如果模型考虑水质和土壤侵蚀问题,还应包括:1)一维包气带内溶质运移和化学反应过程模型;2)三维饱和带内溶质运移和化学反应过程模型;3)土壤侵蚀和沉积物运移模型.分布式水文模型通过上述子系统描述水文过程的各个重要环节,如融雪过程、冠层截留、蒸散发、地表漫流、渠道汇流、不饱和与饱和土壤水分运动等.括:1)一维包气带内溶质运移和化学反应过程模型;2)三维饱和带内溶质运移和化学反应过程模型;3)土壤侵蚀和沉积物运移模型.分布式水文模型通过上述子系统描述水文过程的各个重要环节,如融雪过程、冠层截留、蒸散发、地表漫流、渠道汇流、不饱和与饱和土壤水分运动等.分布式水文模型从程序实现的角度,其结构可以分解为计算单元上的一维通量过程和计算单元的能量、物质空间集总过程.一维通量过程包括功能结构划分中的各个一维模型,即在计算单元上,分布式水文模型要实现降水截留计算、蒸散发计算、边界层短波辐射传输以及长波辐射计算、降水下渗计算和产流计算.在计算单元空间集总过程中,要实现功能模块中的二维和三维模型,如表面漫流模拟、饱和带土壤水/地下水运移模拟,如果模型涉及水质问题,还需要模拟空间上溶质和沉积物的运移.模型单元的计算结果通过空间集总,最终通过一维河流/渠道模型,给出流域出口断面的流量.分布式水文模型的功能结构通过子程序设计实现,其程序结构通过多重循环实现,模型单元的计算过程位于多重循环的最里层.3GIS和遥感在分布式水文模型中的角色GIS(Geographicalinformationsystem,地理信息系统)是采集、存储、分析和显示空间信息的计算机系统,是处理和分析地理数据的通用技术.GIS对于分布式水文模型的作用主要体现在两个方面:分布式水文模型的相关数据处理和分布式水文模型的系统集成.根据GIS在水文模型运转过程中发挥作用的时间,其数据处理功能又可以划分为两类:前处理和后处理.所谓前处理指的是将不同投影和比例尺的数字地形数据转换为标准格式的数据并提供复杂的地图叠加分析和空间分析功能为水文模型处理输入数据;后处理指的是将水文模型输出可视化和再分析.分布式水文模型对流域水文过程的物理描述要求模型的输入数据能够充分反映流域空间的水文异质性,此外,分布式水文模型的输出结果也远远的超过了传统的降水径流模型,其输出更多的是如流域内不同深度的土壤含水量、地下水埋深或者污染物浓度等空间分布式信息,这些都不是传统的数据制备和处理方法所能解决的,只有GIS能够胜任.GIS在分布式水文模型中的以下几个方面发挥着重要作用:1)空间数据管理.GIS能够统一管理与分布式水文模型相关的大量空间数据和属性数据,并提供数据查询、检索、更新以及维护等方面的功能;2)提取水文特征.如利用地形数据计算坡度、坡向、流域划分以及河网提取等;3)模型数据准备.如利用GIS的空间分析和数据转化功能,制备分布式水文模型要求的流域内土壤类型图、土壤深度图、植被分布图以及地下水埋深图等空间分布性数据;4)模型输出结果的可视化与再分析.如上所述,分布式水文模型的输出结果更多的是空间分布型信息,这些结果或者是以模型特定的数据格式,或者是以某些GIS系统的数据格式,例如ArcView的ASCII-GRID格式或GRASS的GRID数据格式输出,只有应用GIS,才能对这类结果进行显示、查询和再分析.GIS(Geographicalinformationsystem,地理信息系统)是采集、存储、分析和显示空间信息的计算机系统,是处理和分析地理数据的通用技术.GIS提供的空间分析功能,如空间数据的叠加分析、缓冲区分析、表面分析以及数字地形分析等功能[5],在水文建模中已经得到了广泛应用.分布式水文模型的发展极大地得益于GIS的成熟和日趋强大的功能.总的来说,GIS对于分布式水文模型的作用主要体现在两个方面:分布式水文模型的相关数据处理和分布式水文模型的系统集成.3.1GIS的前处理和后处理根据GIS在水文模型运转过程中发挥作用的时间,其数据处理功能又可以划分为两类:前处理和后处理.所谓前处理指的是将不同投影和比例尺的数字地形数据转换为标准格式的数据并提供复杂的地图叠加分析和空间分析功能为水文模型处理输入数据;后处理指的是将水文模型输出可视化和再分析[6].分布式水文模型对流域水文过程的物理描述要求模型的输入数据能够充分反映流域空间的水文异质性,此外,分布式水文模型的输出结果也远远的超过了传统的降水径流模型,其输出更多的是如流域内不同深度的土壤含水量、地下水埋深或者污染物浓度等空间分布式信息,这些都不是传统的数据制备和处理方法所能解决的,只有GIS能够胜任.具体地说,GIS在分布式水文模型中的以下几个方面发挥着重要作用:1)空间数据管理.GIS能够统一管理与分布式水文模型相关的大量空间数据和属性数据,并提供数据查询、检索、更新以及维护等方面的功能;2)提取水文特征.如利用地形数据计算坡度、坡向、流域划分以及河网提取等;3)模型数据准备.如利用GIS的空间分析和数据转化功能,制备分布式水文模型要求的流域内土壤类型图、土壤深度图、植被分布图以及地下水埋深图等空间分布性数据;4)模型输出结果的可视化与再分析.如上所述,分布式水文模型的输出结果更多的是空间分布型信息,这些结果或者是以模型特定的数据格式,或者是以某些GIS系统的数据格式,例如ArcView的ASCII-GRID格式或GRASS的GRID数据格式输出,只有应用GIS,才能对这类结果进行显示、查询和再分析.3.2GIS与分布式水文模型系统集成3.2GIS与分布式水文模型系统集成分布式水文模型和GIS的耦合方式影响着模型的稳定性和可应用性.根据紧密程度,分布式水文模型和GIS之间有三个水平的集成耦合方式[7]:松散耦合、紧密耦合与完全集成.松散耦合指的是分布式水文模型和GIS相互独立,彼此通过中间数据文件交换信息.分布式水文模型