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降水径流法是水文分析计算常用的方法之一,特别在实测径流资料缺乏地区,通过降水资料获得径流过程是工程水文计算的有效方法。现有的降水径流水文模型可分为集总式模型和分布式模型两大类。分布式流域汇流模型可以较为方便地应用于研究人类活动、自然环境的改变对水循环过程的影响;分布式的模型结构也便于与气候模式和气象模型耦合,从而能够研究气候变化下的水文响应。虽然我国在分布式水文模型的研制方面起步较晚,目前尚缺乏国际上普遍认可的分布式水文模型,但近几年来,我国水文学家也在积极探索,勇于开拓,陆续研制和开发出一些基于不同时空间尺度的分布式水文模型。计算机技术和3S的发展给分布式流域汇流模型的发展带来了机遇和挑战,如何充分发挥各种技术的优势使得分布式流域汇流模型能够满足经济社会发展遇到的水问题之需求,是当今水文学科研究的热点之一;也必将在推进洪水预报、水资源开发利用、水污染防治、研究人类活动和气候变化对水文循环的影响以及湿地生态保护等方面有着重要的理论意义和应用价值。
本文选取余庆河余庆水文站以上流域作为分析流域,收集实测降水和径流资料,对流域单元特征数据的提取,然后基于流域单元的概化研究建立分布式降水径流模型框架,最后通过实测降水径流资料对模型的精度和可靠性进行验证。主要工作内容如下:
(1)根据对现有资料情况分析选择既能满足要求又能保证精度的数学高程模型数据来源;
(2)利用Rivertools2.4.软件根据1/5万地形图提取流域基本单元和地形地貌特征值,构建数字流域;
(3)选择合适的方法和技术精确描述单元之间水文物理过程,实现对流域水文要素的空间模拟,提高分布式水文模型的精度,扩大其应用范围和使用效果;
(4)分析合适的插值技术对每一个模拟时段的气象数据进行空间插值;
(5)对模型进行演算验证。
针对以上主要研究内容,本文主要采用实测降水径流数据对模型验证,得出如下研究结论:
(1)基于数字高程模型(DEM)对流域按照流域基本单元进行离散化是切实可行的,这种流域离散方法相比较传统的离散方法(网格法、泰森多边形法等),具有单元内部和单元间水力联系清晰,汇流计算容易实现,坡面汇流和河网汇流计算方法能自由组合的优点,是值得提倡和推广的一种流域离散化方法;
(2)流域基本单元面积一般不大可近似认为其坡面流速在面上是均匀的,此时流域基本单元的面积-时间曲线就是基本单元的地貌瞬时单位线,对概化后的流域基本单元其面积-时间曲线是容易求得的;
(3)将线性水库应用于流域基本单元的汇流计算是可行的,用线性水库模拟基本单元汇流时,蓄水容量系数K就是流域基本单元的平均汇流时间,进而可以用基本单元的最大汇流时间与折算系数的乘积求得;
(4)圣维南(st.Venant)方程组是从物质守恒和动量守恒出发对洪水波运动进行的数学描述,目前还无法给出其精确的解析解,用数值方法对完全的圣维南(St.Venant)方程组进行求解是十分麻烦的且对资料要求较高,所以针对不同类型的洪水波对其进行合理的简化是必要的。扩散模型是其中应用较为广泛的一种简化形式,本文采用直接隐式差分法对其进行求解并将之应用于余庆河流域的河网汇流计算中,取得了令人满意的结果。