黄河数字流域模型

黄河数字流域模型计算需要土壤类型、植被覆 盖度、蒸散发系数、土壤抗蚀系数、冰（雪）盖分布 等相关信息，这些信息可以通过遥感图像结合地面 定位观测数据解译出来。原始的遥感图像只有各个 波段的反射率值，不能直接被水文模型使用，为此 本研究需要开发了一个遥感图像解译系统，将特定 的遥感图像灰度值解译成土壤类型参数、植被覆盖 度参数等。在这个系统中，用户首先将原始遥感图 像解译校正为不同类型的遥感专题图，如植被ＮＤＶＩ （Ｎｏｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉ雎ｒｅｎｃｅ Ｖｅｇｅｔ拍ｏｎ Ｉｎｄｅｘ）专题图、土地
ｌ的河段４２ ７９７个，每个“河段”叉分为左“坡面”、右
“坡面”和源“坡面”（ｓｔ曲ｅｒ分级大于１的河段没有源
“坡面”），共计“坡面”数２１２ ０３３个。经过第二级划分 后，每个“坡面”的面积约为ｏ．３７ ｋｍ２。然后在每个 “河段”对应的“坡面”上进行产沙计算，最后统计得到 了黄土高原多沙粗沙区的产沙总量。以每个坡面的平 均产沙模数为样本进行插值，得到了整个多沙粗沙区 的产沙模数分布图。本文计算了黄土高原多沙粗沙区 １９９４年（典型高含沙水流年）汛期的产流产沙量，得到 了多沙粗沙区的汛期径流深分布图和产沙模数分布图 （如图９）。计算得到多沙粗沙区１９９４年汛期总产水量 ４９．８４亿ｍ３，总产沙量１１．２亿‘；二者的实测值分别 为４８．６７亿ｍ３和１０，９亿ｔ。计算产水量比实测值偏大 ２．４％；计算产沙量是坡面的侵蚀产沙鼙，坡面侵蚀产 的沙量并没有完全进入主河道，一部分沉积在流域内 部的沟道中；定义多沙粗沙区的参考输沙比为：实测 进入河道的泥沙量除以计算得到的多沙粗沙区总产沙 量，则１９９４年的参考输沙比为１ｎ ９／１１．２＝９７，３％。 ３．４岔巴沟淤地坝规划
降雨量数据是黄河数字流域模型最甫要的输入， 同时降雨量数据又是一个时间序列，．而且还是随空间 分布的。黄河数字流域模型的基本单元，即“河段＋ 坡面”，数量巨大。对大量的单元进行降雨输人，如 果每一个单元都对应一个降雨量序列，则输入的数据 量就很大，尤其是当降雨量序列比较长时，数据量就 更大。解决这个问题的方法就是在数据库中存储雨量 站的降雨序列，雨量站要求比较均匀地分布在全流域 范围。当模型要求降雨量输入时，只要按坐标位置搜 索模型单元附近的雨量站，对这些雨量站所存储的降 雨序列进行插值就可以得到该模型单元的降雨序列输 入““。系统建设时可以对现有雨量站进行加密布设。
在黄河数字流域模型中，流域被划分成大量的坡 面单元，每个坡面单元的面积约０．５—５．０ ｋｍ２。在 这样精度下，每个模型单元的空间变异性不大，用同 一个参数代表产生的误差较小，因此进行水文模拟的 精度较高，更能反映实际情况。但是高空间分辨率也 带来一个问题——整个模型的数据量很大，在进行模 拟时需要很大的内存空间和计算时问，目前单台计算 机的计算能力不能支持在整个流域上进行长时间序列 的产汇流计算。计算机集群通过任务划分和并行化的 处理可以大大缩短模型的计算时间。但是并行计算有 个前提，即计算任务可以平行地分割成许多相互独立 （或相互联系较少）的计算任务单元。黄河数字流域 模型按照自然分水岭进行流域划分，弱化了各产流单 元之间的联系，使得模型单元内部的产汇流计算任务 得以并行执行。各单元之间的汇流计算由于并行性 差，仍采用串行计算，由于模型单元之间的汇流计算 耗时本来不多，所以这部分采用串行计算并不太影响
ｉ｜｜｜｜一 了洪水预报的要求。
ｋ ｔ 、 删 堰
图８黑石关站“８２．８”洪水计算结果和实测结果对比 （Ａｆ＝６ ｍＩｎ）
３．３多沙粗沙区产沙计算 模型对黄土高原多沙粗沙区进行两级划分：第一
级分为８５个小流域单元，每个单元小流域的面积平均 约为１ ０００ ｋｍ２；第二级将８５个小流域单元进一步划
分成８４ ６１８个“河段＋坡面”单元，其中‰ｆｈ一“１＝
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图３坡厦产流模型示意
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王光谦．等∥黄河数字流域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型
流量过程符合得较好，进一步的统计表明：花园口 站１９８３年６月１日至１０月３１日的实测过流量为 ４１８．６９亿ｍ３，计算为４２０．８０亿ｍ３，计算值偏大 ｏ．５％；如果扣除小浪底站的实测来水量３５６．６０亿 ｍ３，只统计小花间地区的产水量，则实测值为６２．１０亿 矗，计算值为６４．２０亿ｍ３，计算产水值偏大３．４％。 为检验模型的次洪预报功能，本研究还用更加详细的 时段降雨记录资料作为输入，以６ ｍｉｎ为时间步长， 模拟再现了伊洛河“８２．８ｔ’洪水过程。模拟和实测的 黑石关流量过程对比如图８所示，模拟精度基本达到
应的遥感专题图输入遥感图像解译系统就可以得到模 化采集阶段，采集监测站网逐步健全，采集数据的种
型计算的参数。
类更加齐全。这为黄河数字流域模型的建设提供了数
２．３河网参数提取模块
据基础。
黄河数字流域模型的总体框架将全流域划分成 ２．５模拟评价模型模块
一个一个的单元流域，然后在每个单元流域上建立
模型层是黄河数字流域模型研究的核心。目前数
划分成许多坡面单元（即模型产流基本单元），每个 坡面单元简化为·个规则的矩形斜坡，有一定的面 积、特征长度和平均坡度；然后在每一个坡面单元上 建立产流模型和产沙模型；每个单元的产流和产沙经 过各级河道逐步汇流到流域出口，从而完成全流域降 雨一径流一产沙的过程模拟。在产流产沙模型的基础 上，可以根据具体的需要建立非点源污染物模型等， 根据模拟的结果和评价准则，还可以建立水土保持效 益评价模型以及水质评价模型等。 ２．６集群并行计算平台
‘：
成果。美国农业部农业研究中心牧
场研究实验室的Ｊｕｒｇｅｎ Ｇａｒｂｒｅｃｈｔ”１
图２黄河数字流域模型系统组成框图
等人研究开发的ＴＯＰＡｚ ３．１２能够 完成基于ＤＥＭ地形数据的河网提取
刘家宏”１等研究了大流域、多块ＤＥＭ数据的存储、 读取和无缝拼接等问题，建立了黄河流域花园口以上 部分ＤＥＭ数据的存取系统。应用此系统，用户只要 把所需数据范围的上下左右边界的坐标（Ｔ０ｐ，Ｂｏｔ． ｔｏｍ，Ｌｅｎ，Ｒｉ出ｎ）输入程序接口，读取程序就能迅速 地得到研究区域的地形数据，并以ＡｓｃＩＩ格式存储在 指定的文件中，提供给Ｔ０队ｚ ４“ｏ ３．１２进行河网参 数的计算。 ２ ２遥感图像处理模块
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工光谦，等∥黄河数字流域模型
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ｉ．粤罢掣篓冀＝也燮望竺剿ｊ模型层
水文模型。模型计算时需要单元流 域的面积、坡度、河段长度等信息。 对于单个小流域的河网参数提取和 流域面积计算，国内外目前的研究 都比较成熟，可以借用已有的研究
固９ １９９４年多沙粗沙区径流深和产沙模数分布（径流深：ｍｍ，产沙模数：∥ｋｍ２）
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最大累计降雨量为３７５ ｍｍ，流域平均雨深２７５ ｍｍ。 在模拟计算中，岔巴沟流域划分为８个单元子流域。 ８个单元子流域的沟道参数分别用ＴＯＰＡｚ模块提取， 最终划分得到河段数为ｌ ０６９条，其中＆ｒ口胁ｅｒ分级 为１的河段５４１条，每个河段对应的“坡面”平均面 积约为０．１９ ｋｍ２。
测站等，这些站的历史观测数据都是模型率定和验证 必需的数据，需要对这螋观测站进行合理布局，同时
“沟道＋坡面”。由于模型单元一般较小，可以用河 对它们的观测数据进行有效管理。２０世纪７０年代以
段的中心点坐标（Ｍｉｄｄｌｅｘ，Ｍｉｄｄｌｅｙ）近似模型单元的 来发展起来的数据库技术为流域水文水情数据的管理
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｛可段产水总量／ｄ 图１０岔巴沟所有河段控制点水沙关系
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中心点坐标，因此要得到某个模型单元的土壤类型、 提供了良好的工具，９０年代我国的水文水情数据库
植被覆盖度、蒸散发系数、土壤抗蚀系数等参数，只 在各大江河流域普遍建立起来。这一时期数据采集系
需把对应河段的中心点坐标（Ｍｉｄｄｌｅ膏，Ｍｉｄｄｌｅｌ，）和相 统也不断完善，由手工、半手工阶段逐渐过渡到自动
本文以岔巴沟小流域为例，应用数字流域计算了 流域的水沙过程、模拟了流域内各沟道的产水产沙分 布规律，为淤地坝规划提供了相关基础资料。模型计 算了１９６０年６月１日至１９６０年９月３１日岔巴沟流 域产流产沙情况，降雨量数据通过岔巴沟流域的雨量 站网插值得到。将插值得到的面降雨量进行统计得到 １９６０年６～９月岔巴沟的总降水量是５ ６３８万ｍ３，点
和参数赋值。ＴｏＰＡｚ ３．１２的核心程 序是数字高程流域水系模型（Ｄ蜥ｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｄｍｉｎ－ ａｇｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍｏｄｅｌ，缩写为ＤＥＤＮＭ），关于这个模 型，文献［９］和［１０］有比较详细的介绍。ＴＯＰＡｚ ３．１２的脚本语言为Ｆｏｒｔｒａｍ ９０，本研究基于此程序 开发了数据接口，将模型需要的参数提取出来并存 人相应的数据库中。 ２．４水文观测站网系统
利用专题图、陆面蒸发专题图等；然后将遥感专题图 和流域模型的计算单元对应起来，用户只需输入计算
在有条件的地区还可以布设雷达测雨系统取代传统的 雨量站观测。除『＿丽量站之外，水文观测站阌还包括
单元的（ｘ，ｙ）坐标，系统就可以给出该计算单元的 流量观测站、水位观测站、含沙量观测站以及水质观
相关参数。黄河数字流域模型在空间处理上采用分布 式模型的构建思路，模型的单元是以河段为代表的
黄河流域地处北半球干旱半干旱区域，全年降雨 较少，且多为高强度、短历时的暴雨。其地表产流形 式主要是超渗产流，局部地区存在蓄满产流。黄河数 字流域模型考虑这一特点，将模型产流单元在垂向上 分为六层（如图３），自上而下分别是植被截留、地表 积雪、地表蓄滞、表层土蓄滞、中层土蓄滞和深层土 蓄滞。这六层充分考虑了产流单元对不同类型降水的 蓄滞作用，使之既能模拟超渗产流，又能模拟蓄满产 流，还能反映融雪和冰川融水，具体的产流形式由土 壤水饱和程度决定。在全流域面上，模型首先将流域
处理计算结果时分别统计了流域内ｌ ０６９个河段 的产水量和产沙量。以产水量为横坐标值，产沙量为 纵坐标值，将这１ ０６９个河段的水沙关系点绘在二维平 面上，其分布如图１０所示。图中，直线以上的河段是 产沙相对较多的河段，直线以下的河段是产水相对较 多的河段。将勘越％”分级数为１的河段控制点的面积 和产沙量点绘在二维平面上，可以得到图１１。图１ｌ 中，直线以上的沟道每平方公里产沙量大于２０ ０００ ｔ， 直线以下的沟道每平方公里产沙量小于２０ ０００ ｔ，通过 这张图可以清楚的看到哪些沟道产沙量多，哪些沟道 产沙少。综合水沙关系（图１０）和面积～产沙量关系 （图１１）可以看出，哪些河段是产沙量较多的沟道，在 这些地方应该优先治理，或建淤地坝，或进行植树造 林等生态治沙措施。如果要建淤地坝，则可以根据汛 期的产水产沙总量来大致确定建坝的规模。
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王光谦，等∥黄河数字流域模型
字流域模型层的研究还处于起步阶段，研究区域的范 围局限于小流域”…，离全流域的综合模型尚有一段 距离。应用层是黄河数字流域模型的顶层，也是数字 流域研究的目标，目前在该层的研究主要是提供数据 服务以及一些专题的决策支持服务，并且大多数的决 策支持服务都还是建立在传统模型的基础之上，即是 用传统模型的结果来为决策支持提供依据。这种专题 的决策支持服务并不能充分发挥“数字流域”的优势。 因此当前研究需要解决的问题就是在大范围、全流域 上建立起真正意义上的数字流域模型。数字流域模型 涵盖的意义很广，包括数字流域产汇流模型、产输沙 模型、非点源污染模型等等。降雨径流过程是基本的 过程，也是流域内各种物质循环的原动力，因此数字 流域的坡面产汇流模型是数字流域模型中最重要也是 最基本的模型，黄河数字流域模型的大部分模拟模型 和评价模型都是以坡面产汇流模型为基础建立起来 的。