数字流域模型

1.静态模型与动态模型的区别

数字流域模型用于模拟与时空要素相关的流域水文气象，如地下水流、砂砾石含水层、降雨、蒸发、壤中流、河道流、坡面流等。

（1）静态模型

在对流域进行静态建模时，通常按地面分水线与地下分水线是否重合将流域分为闭合流域和非闭合流域。在静态模型中，流域按照河流盆地、流域、子流域、集水区进行分级，其空间构成要素有流域地形DEM、流域范围、集水区单元、坡面、河道、土地利用与覆盖。其中、水系和流域面是静态模型的重要组成部分。水系由出口、源、节点、链构成，通过采用霍顿分级法、斯特拉勒分级法对河段进行分级和编码，进而建立节点与河段的拓扑关系和基数；流域的地貌特征包括流域面积、流域长度和宽度、流域形状、河网密度和河道维持常数、河流频度和链频度、面积—河长曲线、高程曲线、流域坡度。

（2）动态模型

流域动态模型通常分为环境过程模型和水资源调度模型。常见的环境过程模型有气候与降水模型、水力模型、水文模型、水质模型、侵蚀与沉积模型、陆面过程模型、生态系统模型；水资源调度模型有水资源管理模型、洪水调度模型、发电调度模型、灌溉调度模型、生态调度模型。气候模型采用大气环流模式GCM，对三维气候模型GCM来说，其气候物理系统应遵循动量守恒、质量守恒、能量守恒、湿度守恒、状态方程；降水预报模型采用MM5模式和WRF，通过反距离权重插值方法、站点平均估计、泰森多边形最近邻域插值、空间统计插值，模拟站点降水到面降水的过程；水文模型通常包括系统模型、分布式物理模型、概念集总式水文模型、随机模型、地表水文模型、地下水模型；水力模型通过应用一维水力方程、二维圣维南方程并基于GIS进行洪水制图；侵蚀与沉积模型用于模拟雨滴侵蚀、片流侵蚀、细沟侵蚀、冲沟侵蚀、河道侵蚀；水环境模型包括流域概化模型、水质模型、非点源污染模型；陆面过程模型能够模拟影响气候变化的发生在陆地表面的土壤中控制陆地与大气之间动量、热量及水分交换过程。

（3）静态模型与动态模型的区别

静态模型可以对流域形态进行逼真地模拟，系统消耗少，只能模拟流域静态状况，无流态水位等动态效果。适合于只表现流域形态的情况，需要提供地形高程数据，高精影像数据或河道矢量数据，对计算机硬件要求低。

动态模型具有动态水位表现与水流流动动态可视效果，可较好模拟局部水面波动，与水流数值模拟相结合可表现水流的多种物理状态，但建模工作量大，模拟范围和精度有限，需数学模型计算，则计算量很大。适合随机的水位波动模拟或有数值模拟计算的科学可视化模拟；适用于局部模拟，需要提供精度较高的河道地形数据，河道沿程水位数据，网格坐标，对计算机硬件要求高。

参考文献

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[2]徐慧,欣金彪,徐时进.淮河流域大型水库联合优化调度的动态规划模型解[J].水文,2000(20)1.

[3]周惠成,陈守煌.流域汇流的模糊系数非线性微分动态模型[J].水利学报,1995(5).

[4]张尚弘,赵刚.数字流域仿真系统中水流模拟技术[J].系统仿真学报,2008(20)10.

[5]吴菲,张杰华,董长虹.万家沟小流域综合治理生态经济优化模型[J].水土保持应用技术,2010(5).

[6]李抗彬.新疆下坂地水库冰雪融水径流预报模型研究[D].西安理工大学,2007.

2. 简述数字流域中场模型和对象模型的集成

空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本方法。空间数据模型有场（Field）模型、对象（Object）模型、网络（Network）模型、时空数据模型、三维空间数据模型（三维矢量模型和体模型）、分布式空间数据模型。

（1）场模型

场模型即空间连续变量数据模型，可以表示连续的、可微的空间变量，可以在一定空间分辨率下测量或取样，通过栅格数据、等值线表达降水、土壤湿度、温度、气压、风场、电磁场、流速场、化学污染分布、地表化学元素分布等物理环境参数，其数据结构有栅格数据结构和TIN数据结构。

（2）对象模型

对象模型即空间离散实体数据模型，在空间上呈离散分布，具有名称或标识、通过矢量数据结构表达大坝、水闸、水库、河流、湖泊等人工建筑物和自然对象，其空间基本数据类型有点、线、面、体。

（3）场模型和对象模型的集成

场模型和对象模型都是对现实世界的客观表达，对象模型用于标识地物的具体位臵和几何形状，而场模型则用于反映研究对象物理属性。场模型基于栅格数据结构，对象模型基于矢量数据模型。栅格数据结构需要大量的计算机内存来存储和处理，才能达到或接近与矢量数据结构相同的空间分辨率，而矢量结构在某些特定形式的处理中，很多技术问题又很难解决。栅格数据结构对于空间分析很容易，但输出的地图精确度稍差；相反矢量数据结构数据量小，且能够输出精美的地图，但空间分析相当困难等等。通过将基于矢量数据的场模型表示实体空间关系的方式与基于栅格数据的对象模型对空间的划分方式结合起来，并尽可能提高精度，使得所建立的数据模型将同时具有矢量和栅格数据的优点。

1）网络模型

网络模型用于表达河流的起源、流通、汇集特征和路径，包括节点、边对象，具有对象数据模型和场模型的特点，主要应用于河流洪水演进、水资源调度。在网络建模时，通常采用Konigsberg Park中的图形理论模型，概括提取空间上的节点、边，建立连接关系。网状模型将数据组织成有向图结构。结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。有向图（Digraph）的形式化定义为：Digraph=(Vertex,{Relation})，其中Vertex为图中数据元素（顶点）的有限非空集合；Relation是两个顶点（Vertex）之间的关系的集合。

2）栅格矢量一体化模型

在数字流域建模时，场模型和对象模型集成的典型范例是栅格矢量一体化模型。该模型将整个三维空间划分为规则的、大小相等的、互不重叠的2n x 2n x 2n基本小立方体，将三维目标定义为点、线、面、体4种类型，每种类型的目标均由小立方体填充。地物的表示采用面向目标的方法，每个地物只记录组成它的体元的集合，其中，点目标用所对应的栅格体元(小立方体)的位臵编码表示，线目标由弧段的三维路径所经过体元以串行方式描述，而面以所通过的三维体元表达，体则以其所包含的三维体元表示。同时，点、线、面、体以一种层次结构和空间关系相互联系，即体由面组成，面由线构成，线由点表达。对于线与线、面与丽、体与体之阔的公共点、线和面，可同时在两个目标中记录。在空间处理方面，与位臵相关的叠臵、布尔运算、求交、连通性分析、缓冲区分析等采用栅格方法，而地物之间的空间位臵关系的计算和查询等则采用矢量的方法，并基于它们的子空间构成和空间关系进行。