【正文】 地下，涉及到降雨、植被截流、蒸散發(fā)、下滲和匯流等。 植被截留植被截留就是指地表植被通過枝葉對降雨的消耗。太陽入射輻射值可由中國氣象研究院網(wǎng)站上查詢，可以精確到一天。 圖53 燕山水庫流域雨量站控制面積分布圖 表(51) 燕山水庫流域各雨量站控制面積詳表 站名馬道站金湯寨站吳溝站范溝站小史店站治平站小劉莊站獨樹站蔡崗站劉崗站官寨站統(tǒng)計控制柵格個數(shù)225 392 372 378 886 531 403 501 183 396 397 4664 控制面積 (平方公里）9893991166 氣溫分布模型氣溫分布不但受水平位置的影響，而且受高程的影響，氣溫的分布模型是根據(jù)測站的情況而定[35]，當(dāng)只有一個測站時，模型溫度的變化是通過高程的變化而變化的；當(dāng)有兩個測站時，按進行線性插值計算柵格氣溫；當(dāng)多于兩個測站時，用線性回歸計算柵格氣溫。目前，針對大流域的分布式水文模型的單元水文模擬多采用概念性模型。圖415 流水累積量的計算過程圖416 燕山水庫流域流水累積量 庫容曲線水庫庫容的大小是水庫設(shè)計中的一項重要技術(shù)指標(biāo)。必須指出，本文河網(wǎng)的提取是用ArcView的水文模塊，這個水文模塊是一個德國人自己開發(fā)的，可以在網(wǎng)上找到并免費下載，ArcView只有在安裝后此模塊后才有此功能。水流的流向是通過計算中心柵格與相鄰柵格的最大距離權(quán)落差來確定的。每當(dāng)遇到洼地柵格，就進行如下的處理：5窗口，與洼地相鄰的8個單元首先被標(biāo)記；，如果沿著下坡和平地能夠到達(dá)洼地柵格，則標(biāo)記，否則就不標(biāo)記；，重復(fù)步驟2直到窗口內(nèi)沒有柵格能夠被標(biāo)記；。(Subwatershed)的劃分基于DEM能夠自動、快速地進行河網(wǎng)的提取和子流域的劃分，將研究流域按自然子流域的形狀進行離散，劃分為下墊面特征相對均勻的子流域，這些子流域再與干流河道相聯(lián)結(jié)，把子流域作為分布式水文模型的計算單元，其最大好處是單元內(nèi)和單元之間的水文過程十分清晰，而且單元水文模型很容易引進傳統(tǒng)水文模型，從而簡化計算，縮短模型開發(fā)時間。如圖35所示。與傳統(tǒng)的攝影測量相比，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的優(yōu)勢在于：，同時數(shù)字圖像處理、模式識別的理論與技術(shù)，實現(xiàn)目標(biāo)的自動或半自動識別和提取，從而大大提高了攝影測量的自動化功能；、多分辨率、多時相的多種數(shù)據(jù)源都可在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)處理，采用數(shù)字影像或數(shù)字化影像作為系統(tǒng)的輸入，通過高速高容量計算機和專用配套設(shè)備對影像進行處理，從而獲得各種形式的數(shù)字化產(chǎn)品和可視化產(chǎn)品；，并且涵蓋整個傳統(tǒng)攝影測量的各個工序，數(shù)據(jù)的獲取，處理產(chǎn)品的形式、管理、分發(fā)等都是以數(shù)字的形式，便于使用和共享；、生產(chǎn)周期短、工作效率高、測繪產(chǎn)品的現(xiàn)勢性和靈活性強。圖34 不規(guī)則三角網(wǎng)TINTIN撲結(jié)構(gòu)的存儲方式有多種。圖32 柵格DEM對每個柵格中數(shù)值的解釋有兩種觀點：第一種把它看作柵格柵格，每一個數(shù)據(jù)表示每一個柵格中所有點的高程值，因此，這種數(shù)字高程模型是一個不連續(xù)的函數(shù)；第二種是點柵格觀點，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣就需要用一種插值方法來計算每個點的高程。 圖22 流域土壤分布圖 圖23 流域土地利用圖 土壤參數(shù)實驗測定 將現(xiàn)場（采樣位置見圖22）所采的原土樣運回實驗室，測定過程如下：，并記錄初重；，48小時后稱重，直到土樣重量穩(wěn)定，記錄為“飽和重量”；，上方密封，使其中超過田間持水量的部分水量，在重力的作用下流出，12小時后稱重，至恒重，為“落干重”；，采用環(huán)刀法測定飽和滲透系數(shù)，保持恒定的水頭，觀察單位時間內(nèi)透過土樣的水量，直到穩(wěn)定，記錄時間(s)和滲透量(ml)；，記錄為“滲透后重量”；，測量其干土重；，取平均數(shù)作為環(huán)刀的高度和直徑。本文研究的內(nèi)容主要包括以下幾點:、流域土地利用圖將每個柵格單元的土壤、植被類型進行參數(shù)化，提取單元模擬所需的參數(shù)值；，利用GIS軟件(ArcView)生成流域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)；(DEM)流域地形參數(shù)提取，該部分主要研究從DEM中提取水文模型需要的流域排水網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字水系，通過DEM自動劃分提取單元的高程、坡度、單元匯流網(wǎng)、流域邊界、并提取等時流線分布柵格等流域特征；，包括柵格單元上的蒸散發(fā)計算、下滲計算、產(chǎn)流計算、柵格為基礎(chǔ)的匯流計算，從而建立一個完整的、物理概念明確的、能應(yīng)用于實際的水文模型；。DBSIN模型[6]是意大利水文學(xué)者建立的分布式水文模型，它是以水文學(xué)理論為基礎(chǔ),以數(shù)字高程模型為平臺,模型將流域劃分成柵格的形式,每個柵格作為一個計算單元,其降雨輸入由雨量站網(wǎng)或雷達(dá)測雨提供，模型由產(chǎn)流模塊和匯流模塊構(gòu)成，采用運動型下滲模型計算每個網(wǎng)格的產(chǎn)流量，根據(jù)每個柵格中水滴流達(dá)出口斷面的匯流時間進行匯流計算,該模型成功應(yīng)用于意大利半島西北部Arno河的支流Sieve河流域。 Grid Cell。等時流線的模擬計算是通過計算機提取相應(yīng)柵格數(shù)量進行的，而且一個步長的柵格數(shù)量不是不變的，而是由一個步長柵格降雨的流速決定的，而單元雨水的流速又是由步長內(nèi)降雨量的多少決定的。DEM作為構(gòu)成分布式水文模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過它可以提取許多流域水文特征參數(shù)信息，如坡度、坡向、匯流網(wǎng)絡(luò)、流域界線等。傳統(tǒng)水文學(xué)要依靠多年水文資料的積累才能進行水文運算，而分布式水文模型依據(jù)流域的相關(guān)實驗參數(shù)和地理信息就能進行水文模擬，這給水利行業(yè)注入新的活力。跟據(jù)建國后的記載，從1954到2000年47年中，流量在1000m3洪水共243次，其中造成特大旱災(zāi)有1次，但小災(zāi)害頻繁。 DEM的表示方法數(shù)學(xué)方法表達(dá)數(shù)字高程模型，可以分為整體擬合方法和局部擬合方法，前者即根據(jù)區(qū)域所有的高程點數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)和高次多項式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面，后者是指將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進行分塊搜索，根據(jù)有限個點進行擬合形成高程曲面。等高線通常用二維的鏈表來存儲；另外的一種方法是用圖來表示等高線的拓?fù)潢P(guān)系，將等高線之間的區(qū)域表示成圖的節(jié)點，用邊表示等高線本身,此方法滿足等高線閉合或與邊界閉合、等高線互不相交兩條拓?fù)浼s束。 數(shù)字高模型的數(shù)據(jù)源用于生成DEM的數(shù)據(jù)源主要有以下三種：航空攝影像片是DEM的一種主要數(shù)據(jù)源，隨著遙感和數(shù)字?jǐn)z影測量自動化技術(shù)的提高，大面積的航空像片可以快速得到，精度較高但價格昂貴；地形圖是DEM的另一種主要數(shù)據(jù)源，并且從等高線生產(chǎn)DEM比較準(zhǔn)確，應(yīng)用很普遍，其缺點是更新困難；第三種是以地面實測記錄為數(shù)據(jù)源，用GPS、電子速測儀(全站儀)、電子手簿或測距經(jīng)緯儀，在已知點位的測站上，觀測到目標(biāo)點的方向、距離和高差三個要素，計算出目標(biāo)點的x、y、z三維坐標(biāo)，建立DEM。Voronoi多邊形網(wǎng)是由一組連續(xù)多邊形組成，多邊形的邊界是由連接兩鄰點線段的垂直平分線組成。因為地形原數(shù)據(jù)里有等高線和高程點，所以本文是根據(jù)兩種方法結(jié)合起來生成TIN，在ArcView里選擇從地形表面生成TIN，即Create tin from feature， ，Height Source都選擇各自的Elevation屬性。 圖42 坡度和坡向圖 圖43 33窗口網(wǎng)格圖坡度的計算如下：Slope = 上式的計算通常有下面幾種算法：采用二階差分計算方法： 式中，為該網(wǎng)格中心的高程值，為網(wǎng)格間距（下同）。圖45是燕山水庫流域預(yù)處理后的柵格圖： 圖45 預(yù)處理后燕山水庫流域柵格圖 流向判定流向判斷是建立在33的DEM網(wǎng)格上,其判斷方法有單流向法和多流向法之分。 圖49 多流向法示意圖如果中心柵格出流水量為，且坡度為、 、的柵格的高程比中心柵格低，則中心柵格出流的水量分配如下：本文采用D8法提取的整個流域內(nèi)的柵格的流向如(圖410)：圖410 燕山水庫流域柵格流向 河網(wǎng)的提取提取河網(wǎng)方法一般有兩種：谷點提取法[30]和網(wǎng)格流向法[31]。 圖414 燕山水庫流域及子流域 流水累積量在流域的虛擬河網(wǎng)中，柵格水流流入到一個柵格的柵格個數(shù)的多少，就叫這一個柵格的流水累積量。 圖417 燕山水庫水位庫容曲線 第五章 柵格單元水文模型 單元水文模型構(gòu)建方法單元水文模型是分布式水文模型的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由地表水模型、土壤水模型等構(gòu)成，所涉及到的水文過程有蒸散發(fā)、下滲、地表徑流、壤中流等。但是雨量站網(wǎng)觀測的降雨量在空間上是非規(guī)則離散分布的，并不能完全反映實際降雨在空間上的連續(xù)分布，因此，在研究中常常要從雨量站網(wǎng)觀測資料來合理提取降雨空間分布的特征值，如流域平均雨量、面雨量或流域降雨空間分布等值線等。最大葉面持水深度(mm),～。由上幾個式可知：=. (512)因此，臨界降水量完全由最大葉面持水深度和葉面指數(shù)兩個參數(shù)確定，于是可得植被截留量公式： (513)由于本文沒有葉面指以及最大葉面持水深度資料，而葉面指數(shù)和最大葉面持水深度如上面提到都有范圍，結(jié)合實地情況對其初始估計值如表(52)： 表(52) 葉面指數(shù)、最大葉面持水深度初始估計值　葉面指數(shù)葉面持水深度(mm)森林、灌木林7草地2作物耕地3取=，王志安（2005，Wang et al 2005） 蒸散發(fā)蒸散發(fā)包括蒸發(fā)和散發(fā)，蒸發(fā)包括水面蒸發(fā)和土壤蒸發(fā)，散發(fā)指植物散發(fā)，也就是由植物莖葉向空氣中散發(fā)水分的過程。，這種方法只能用在雨量站稠密的流域，否則，這種方法不太準(zhǔn)確；，再繪制等雨量，再求得相鄰雨量線之間的面積，并計算相鄰降雨量線的平均降雨深，再計算平均降雨量，這種方法同樣需要足夠的雨量站；,降水分布模型可以通過三維空間插值法。，用數(shù)學(xué)物理方法對水文現(xiàn)象進行模擬，依據(jù)物理學(xué)質(zhì)量、動量與能量守恒定律以及產(chǎn)匯流的特性，推導(dǎo)出描述地表徑流和地下徑流的微分方程組。其基本方法是：以規(guī)則柵格表示的數(shù)字地面高程模型每點處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)字矩陣計算每點處所流過的水量數(shù)值，沒有另外柵格水量注入的，其流水累積量為0；有另外一個柵格的流水注入的其流水累積量為1；有另外2個柵格的流水注入的其流水累積量為2；以此類推……，便可得到該區(qū)域水流累積數(shù)字矩陣，如圖415便是由一個簡單的水流方向矩陣產(chǎn)生的區(qū)域水流累積數(shù)字矩陣，為了方便，我們也把河網(wǎng)示意圖放在中間。識別谷點法就是通過比較網(wǎng)格的高程與相鄰網(wǎng)格高程以識別谷點。目前，應(yīng)用最廣泛的單流向法是D8法。三階差分計算方法：不同的常見的商用GIS軟件中采用的不同算法。目前,流域離散的方法主要有三種[23]：單元網(wǎng)格(Grid)、山坡(Hillslop)和自然子流域(Subwatershed)。Voronoi多邊形網(wǎng)具有以下特征：它必定是度數(shù)為三的正則圖，即任意一個Voronoi多邊形的頂點或任意Voronoi多邊形網(wǎng)的一個結(jié)點，必有三條邊與它連接，這些邊是相鄰三個Voronoi多邊形兩兩拼接的公共邊。航攝法的形成是在航空攝影測量技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)之上建立的。（TIN）模型不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network, TIN）是通過不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點生成的連續(xù)三角面來逼近地形表面。如可用等高線表示DEM，也可用其它的地形特征線來是表達(dá)地面高程的重要信息，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等；當(dāng)然也可結(jié)合點、線、面來表示DEM。燕山水庫流域洪水一般是由暴雨形成的，并具有漲落陡、洪峰高等特點。由于水利信息及地形、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)量大，因此，建立分布式水文模型關(guān)鍵是對地形數(shù)據(jù)和下墊信息的獲取、處理以及對基于柵格單元的水文模型的構(gòu)建。 分布式水文模型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展分布式水文模型的建模思想起始于20世紀(jì)70年代，80年代中期開始，隨著電子計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)論的成熟，世界各國對水文模型開展了大規(guī)模的研究，同時提出了很多實用的水文模型，流域水文模型可分為確定性模型和隨機(統(tǒng)計)模型，在實際應(yīng)用中，流域水文模型一般是指確定性水文模型。關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型；分布式水文模型；地理信息；流域；柵格單元；等時流線；流量積累 AbstractWith developing more quickly in digitalization in modern society, The Distributed Hydrology Model founded on Digital Elevation Models are being 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 p