【正文】 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。蒸散發(fā)計(jì)算是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的,可以分項(xiàng)計(jì)算也可以概括為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，分項(xiàng)計(jì)算就是將各個(gè)地域的水面蒸發(fā)量、土壤蒸發(fā)量、植物散發(fā)量分別計(jì)算出來再相加，即可得流域內(nèi)的總蒸散發(fā)量；整體計(jì)算就是將蒸發(fā)和散發(fā)作為整體進(jìn)行研究。葉面指數(shù)()：指地表單位面積上植物葉片的面積數(shù)量，其值通常在1到10之間。 植被截留植被截留就是指地表植被通過枝葉對(duì)降雨的消耗。 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(dú)樹站蔡崗站劉崗站官寨站統(tǒng)計(jì)控制柵格個(gè)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(gè)測站時(shí)，模型溫度的變化是通過高程的變化而變化的；當(dāng)有兩個(gè)測站時(shí)，按進(jìn)行線性插值計(jì)算柵格氣溫；當(dāng)多于兩個(gè)測站時(shí)，用線性回歸計(jì)算柵格氣溫。此模型可以通過線性空間插值從最鄰近的三個(gè)雨量數(shù)據(jù)中生成一個(gè)單元的降雨數(shù)據(jù)，如圖5所示，這種插值方法算出的流域內(nèi)的降雨量分布連續(xù)性好，但是其缺點(diǎn)一個(gè)是較為繁瑣，另外外延效果較差，受雨量站數(shù)量的限制較大；圖52 降雨空間插值示意圖(Thiessen )，它又被稱為垂直平分法。雖然雷達(dá)和遙感測雨能夠獲取大范圍降雨信息，但是它們還沒有被普遍使用，所以，雨量站網(wǎng)仍是大多數(shù)流域觀測降雨的主要方法。地表、地下水輸出輸出過程示意圖如圖(51)，由圖可以看出，柵格的垂直方向分為兩個(gè)層次也就是地表和地下，涉及到降雨、植被截流、蒸散發(fā)、下滲和匯流等。目前，針對(duì)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。由于流域下墊面情況非常復(fù)雜，產(chǎn)流與匯流交織發(fā)生。由于水位、水量取值范圍較狹窄，擬合的曲線函數(shù)用于計(jì)算時(shí)不太準(zhǔn)確，因此，本文從死庫容水位(99m)到校核洪水位()之間數(shù)值每間隔1m計(jì)算一個(gè)庫容值，然后分段用直線連接，當(dāng)計(jì)算水位時(shí)，先判斷其庫容值的區(qū)間，然后再直線插值法計(jì)算水位。因此，在DEM的基礎(chǔ)上進(jìn)行庫容計(jì)算，有效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖415 流水累積量的計(jì)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(jì)中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。在以上過程中，使用了權(quán)值為1的權(quán)值矩陣。 圖413 由柵格水流方向到流域形成示意圖圖414是本文提取的燕山水庫流域的流域和子流域，由圖可以看出燕山水庫流域由8個(gè)子流域組成，它們共有4664個(gè)柵格組成，共計(jì)面積1166平方公里。在提取子流域之前，先確定子流域集水面積閾值(例如500個(gè)柵格)，先生成子流域號(hào)矩陣，賦予初值0，然后搜索1號(hào)子流域，根據(jù)前面生成的集水面積矩陣，搜索出具有最大集水面積的柵格，從該柵格點(diǎn)出發(fā)，搜索流經(jīng)該點(diǎn)的鄰近的河流柵格，分別判斷這些河流柵格點(diǎn)是否是河流交點(diǎn)。必須指出，本文河網(wǎng)的提取是用ArcView的水文模塊，這個(gè)水文模塊是一個(gè)德國人自己開發(fā)的，可以在網(wǎng)上找到并免費(fèi)下載，ArcView只有在安裝后此模塊后才有此功能。先對(duì)比南北方向上相鄰網(wǎng)格,看是否出現(xiàn)V型剖面；再對(duì)比東西方向,若都出現(xiàn)V型剖面則定義該網(wǎng)格為谷點(diǎn)。從DEM數(shù)據(jù)（EleGrid）產(chǎn)生的水流方向矩陣（FlowGrid），如圖（48）：圖48 D8計(jì)算水流方向矩陣示意圖 多流向法多流向法是1991年由Quinn[29]等提出,這種方法同樣是建立在33的DEM網(wǎng)格上，也是通過建立中心網(wǎng)格與其周圍的8個(gè)網(wǎng)格之間的關(guān)系,其產(chǎn)流點(diǎn)和D8一樣也認(rèn)為是柵格中心,水流路徑由中心網(wǎng)格中心點(diǎn)同時(shí)指向相鄰網(wǎng)格中心點(diǎn),并將水流按坡度的比例分配給高程比自己低的相鄰網(wǎng)格（如圖49）。也就是說，如果中心柵格在一條邊上的三個(gè)相鄰柵格有相同的落差，則中間的柵格方向被作為中心柵格的水流方向，又如果中心柵格的相對(duì)邊上有兩個(gè)相鄰柵格落差相同，則任選一個(gè)柵格方向作為水流方向；④如果最大落差等于0，且有一個(gè)以上的0值，則以這些0值所對(duì)應(yīng)的方向值相加。水流的流向是通過計(jì)算中心柵格與相鄰柵格的最大距離權(quán)落差來確定的。 D8法D8[27] [28]法認(rèn)為中心網(wǎng)格水流有8種可能的流向,即流入與之相鄰的8個(gè)網(wǎng)格中，水流流向應(yīng)發(fā)生在坡度最陡方向,即在33的DEM網(wǎng)格上(如圖46),計(jì)算中心網(wǎng)格與各相鄰網(wǎng)格間的距離權(quán)落差(即網(wǎng)格中心點(diǎn)落差除以網(wǎng)格中心點(diǎn)之間的距離),取落差最大的網(wǎng)格為中心網(wǎng)格的流出網(wǎng)格,該方向即為中心網(wǎng)格的流向。處理完洼地和小平地后，將處理后的高程值矩陣重新覆蓋原有的DEM數(shù)據(jù)，即得到預(yù)處理完畢的DEM。如果出流點(diǎn)高程高，那么洼地是一個(gè)凹地，否則是一個(gè)平地。每當(dāng)遇到洼地柵格，就進(jìn)行如下的處理：5窗口，與洼地相鄰的8個(gè)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；。ArcView中坡度的計(jì)算就是用三階差分的方法。坡度為該平面法線與水平面法線之間的夾角，取值范圍是090176。在軟件ArcView中生成DEM之后，在[Theme] 菜單中，選擇[Convert to Grid]，接著要求輸入柵格邊長，然后跟據(jù)圖形的初始比例，輸入邊長，本文直接輸入500，系統(tǒng)自動(dòng)生成區(qū)域柵格圖。(Subwatershed)的劃分基于DEM能夠自動(dòng)、快速地進(jìn)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(jìn)行離散，劃分為下墊面特征相對(duì)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(jì)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(jìn)傳統(tǒng)水文模型，從而簡化計(jì)算，縮短模型開發(fā)時(shí)間。(Grid)的劃分基于柵格的劃分是基于DEM將研究區(qū)域(或流域)劃分為若干個(gè)大小相同的矩形網(wǎng)格,是分布式水文模型比較常見的做法。 燕山水庫的數(shù)字高程模型（DEM）本文運(yùn)用由河南省水利設(shè)計(jì)院提供1：5000的燕山水庫流域等高線地圖，參照河南省1：10000地形圖，對(duì)43564條等高線和35621個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行加載高程值以及等高線插值，運(yùn)用世界上最大的GIS軟件廠商美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)的桌面GIS[22]軟件ArcView，使用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN) 模型,消除誤差，對(duì)燕山水庫流域做成的DEM如圖(36)。三角網(wǎng)，一直是眾多學(xué)者研究和關(guān)注的焦點(diǎn)，迄今為止出現(xiàn)了不少成熟的算法，主要有分割如圖35所示。在Voronoi多邊形頂點(diǎn)的周圍，存在三個(gè)參考點(diǎn)，將它們連成三角形，Voronoi多邊形頂點(diǎn)是這個(gè)三角形外接圓的圓心。Voronoi圖的幾何對(duì)偶把點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來得到鄰接?xùn)鸥穹Q為Delaunay三角網(wǎng)，這種方法是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Delaunay提出的，以其姓名命名。 生成TIN的方法生成TIN的方法主要是根據(jù)不規(guī)則分布的高程點(diǎn)或等高線，將該點(diǎn)集轉(zhuǎn)成不規(guī)則三角網(wǎng)。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(shí)數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別的理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)或半自動(dòng)識(shí)別和提取，從而大大提高了攝影測量的自動(dòng)化功能；、多分辨率、多時(shí)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(jì)算機(jī)和專用配套設(shè)備對(duì)影像進(jìn)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(gè)傳統(tǒng)攝影測量的各個(gè)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(qiáng)。航空攝影測量率先刷新了對(duì)地觀測的歷史，實(shí)現(xiàn)人類脫離地面，從高空勘測地球，把平板測繪和野外勘探調(diào)查工作移到室內(nèi)來做。：根據(jù)有限個(gè)離散點(diǎn)的高程，采用多項(xiàng)式或樣條函數(shù)求得擬合公式（即曲面函數(shù)方程），從而可以逐一計(jì)算各點(diǎn)的高程，可得到擬合的柵格DEM。因而它能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征，同時(shí)在計(jì)算效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。圖34 不規(guī)則三角網(wǎng)TINTIN撲結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式有多種。區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，如果點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程值可通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程）。因此，往往需要一種插值方法來計(jì)算落在等高線外的其它點(diǎn)的高程，又因?yàn)檫@些點(diǎn)是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，通常只使用外包的兩條等高線的高程對(duì)等高線間的區(qū)域進(jìn)行插值。因此，對(duì)于網(wǎng)格DEM數(shù)據(jù)，可以采用哈夫曼編碼進(jìn)行無損壓縮；也可在犧牲細(xì)節(jié)信息的前提下，對(duì)網(wǎng)格DEM進(jìn)行有損壓縮，通常的有損壓縮大都是基于離散余弦變換或小波變換的，相對(duì)而言小波變換具有較好的保持細(xì)節(jié)的特性。圖32 柵格DEM對(duì)每個(gè)柵格中數(shù)值的解釋有兩種觀點(diǎn)：第一種把它看作柵格柵格，每一個(gè)數(shù)據(jù)表示每一個(gè)柵格中所有點(diǎn)的高程值，因此，這種數(shù)字高程模型是一個(gè)不連續(xù)的函數(shù)；第二種是點(diǎn)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點(diǎn)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(jì)算每個(gè)點(diǎn)的高程。圖(31)DEM的表示方法[17]?？傊?DEM具有便于存儲(chǔ)、更新、傳播、自動(dòng)化和多比例尺的特性,使其特別適合于各種三維建模和定量分析。曼寧系數(shù)是坡面匯流和地表徑流計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，自然坡面或河道的徑流過程很難通過一個(gè)簡單的理論進(jìn)行描述，而圣維南方程組及其運(yùn)動(dòng)波模式被廣泛的用于坡面徑流及匯流過程的模擬，通過確定合適的邊界條件選擇曼寧系數(shù)，能夠較為準(zhǔn)確的模擬坡面徑流過程及計(jì)算匯流時(shí)間。 圖22 流域土壤分布圖 圖23 流域土地利用圖 土壤參數(shù)實(shí)驗(yàn)測定 將現(xiàn)場（采樣位置見圖22）所采的原土樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，測定過程如下：，并記錄初重；，48小時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)透過土樣的水量，直到穩(wěn)定，記錄時(shí)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。流域內(nèi)設(shè)有小劉莊、獨(dú)樹、金湯寨、馬道、吳溝、范溝、小史店、冶平、官寨等14個(gè)雨量站和水文站，對(duì)流域內(nèi)的水文水情做出很大貢獻(xiàn)。平均相對(duì)濕度71%，太陽輻射為（50～60）108焦耳／平方米，年降水量多在700～1400mm之間，多年平均降雨量885mm，降雨量的年際變化較大，大年內(nèi)分配也極不均勻，暴雨主要發(fā)生在5～8月份，降雨量約占年降雨量的60%以上。燕山水庫主壩全長4070米，壩頂寬度8米。本文研究的內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn):、流域土地利用圖將每個(gè)柵格單元的土壤、植被類型進(jìn)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(dòng)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(shí)流線分布柵格等流域特征；，包括柵格單元上的蒸散發(fā)計(jì)算、下滲計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、柵格為基礎(chǔ)的匯流計(jì)算，從而建立一個(gè)完整的、物理概念明確的、能應(yīng)用于實(shí)際的水文模型；。本文運(yùn)用燕山水庫流域地圖信息成功獲得流域數(shù)字高程模型DEM、提取地形數(shù)據(jù)，在柵格單元的基礎(chǔ)上建立一個(gè)適應(yīng)于本流域的單元水文模型，并對(duì)燕山水庫流域1998年兩次洪水過程線進(jìn)行了模擬，并計(jì)算出洪水入庫數(shù)量，達(dá)到暴雨入庫量預(yù)報(bào)的目的，從而對(duì)水庫管理有著重要的意義。 課題的研究意義與整體思路隨著現(xiàn)代社會(huì)數(shù)字化進(jìn)程加快，基于數(shù)字高程(Digital Elevation Models DEM) [11]的分布式水文模型的在水利行業(yè)中的應(yīng)用也日益廣泛。從DEM提取水文模擬所需要的流域特征的方法的研究至今經(jīng)歷了近三十年，如今，提取流域信息的方法已基本到達(dá)統(tǒng)一，并逐漸開始廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的大中尺度的水文模擬之中。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(tái),模型將流域劃分成柵格的形式,每個(gè)柵格作為一個(gè)計(jì)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(yùn)動(dòng)型下滲模型計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的產(chǎn)流量，根據(jù)每個(gè)柵格中水滴流達(dá)出口斷面的匯流時(shí)間進(jìn)行匯流計(jì)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。從反映水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)性和復(fù)雜程度的角度出發(fā)，水文模型可以分為系統(tǒng)模型(即黑箱子模型，blackbox model)。分布式水文模型不僅需要單元水文物理機(jī)制的支撐，而且需要獲得大量的流域空間分布數(shù)據(jù)信息支持，因此，水文模擬技術(shù)趨向于將水文模型（包括數(shù)學(xué)物理模型、概念性模型和系統(tǒng)理論模型）與數(shù)字高程模型（DEM）相結(jié)合，同地理信息系統(tǒng)（GIS）與遙感（RS）集成。本文的研究是在當(dāng)前進(jìn)行水庫信息化建設(shè)的時(shí)代背景下進(jìn)行的，為了對(duì)水利信息進(jìn)行深層次的開發(fā)和表達(dá)，本文結(jié)合地理信息系統(tǒng)構(gòu)建流域的數(shù)字高程模型，模擬水庫流域的可視化，并且在數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上，將流域進(jìn)行柵格化，提取柵格高程、柵格坡度、柵格流向、虛擬河網(wǎng)、流量積累，再結(jié)合下墊水文參數(shù)，進(jìn)行了流域的地表徑流模擬及洪水入庫計(jì)算。 Grid Cell。 In order to get the topographical information, I add numerical value to a abundant of contour lines and points in topographical map, use the so