遥感和地理信息系统在水文模型中的应用

遥感和地理信息系统在水文模型中的应用
何延波　杨　琨
(中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳,550002)
(贵州省国土资源整治和灾害预测遥感开放研究中心,贵阳,550002)
摘　要　在讨论了水文模型的分类系统之后,论述了当今(半或准)分布式水文模型迅速
发展的原因,展示了遥感(RS )和地理信息系统(GIS )在水文模型研究中的广阔应用前景。

关键词　遥感(RS )　地理信息系统(GIS )　水文模型
第一作者简介　何延波　男　1968年生　博士　从事遥感地球化学研究工作
50年代以来,在计算机大量引入水文研究领域后,开始采用数学、物理方法来模拟径流形成过程,建成数学模型,作出流域产汇流计算,在水文计算和水文预报等方面发挥了很好的作用,先后提出了许多流域产汇流模型。

60年代至80年代中期,是水文模型蓬勃发展的时期。

在此期间,一些比较著名的水文模型相继提出并得到了相应的应用。

如SSARR 模型、Standford 模型、Sacramento 模型、USDAHL 模型、TAN K 模型、SHE 模型等。

我国也在对流域水文研究的基础上自行研制了多种模型,著名的、被联合国教科文组织推举为世界十大水文模型之一的新安江模型(Xin ’anjiang )就是其中之一。

80年代后期至今,虽然没有较大影响的新水文模型出现,但由于新技术、新方法的出现及其在水文模型中的应用,如遥感(RS )、地理信息系统(GIS )等,致使原有的水文模型在其结构上作了适当的调整以适应新技术和新方法的应用,出现了分布式、半(准)分布式水文模型的概念,促进了水文模型的发展。

1　水文模型的分类
1.1　物理模型与数学模型
由于流域的水文地质过程复杂多样,在对其进行模拟时可采用物理模拟和数学模拟两种方法。

物理模拟是一种比例尺模拟,它根据相似率对原型的物理进行定性或定量的分析研究。

数学模拟是在已了解流域的径流形成的物理机制的基础上,运用物理定律建立其数学描述方程(微分或偏微分方程),然后求解出各种情况下流域降雨与径流之间的定量关系。

与物理模型相比,由于数学模型无相似律问题,而且其边界条件及其它条件即可严格控制,也可随时按实际需要改变,因而数学模型具有通用性强、抗干扰性能理想、研制费用相对比较便宜以及运行管理费用更加便宜的特点。

因此,在研究流域的径流形成规律上,人们多采用数学模型。

通常文献上所指的水文模型是数学模型,本文所指的水文模型也是指水文地质研究中的数学模型。

1.2　集总式与(半或准)分布式水文模型
在进行水文模拟时,需要对复杂多样的水文地质过程进行适当的概化和简化,并作出一些假1998年6月15日收稿。

9
91999年第27卷第2期Vol.27,No.2,1999 地　质　地　球　化　学GEOLO GY 2GEOCHEMISTR Y
001地质地球化学 1999年
设。

概化和简化的方式和程度不同,以及所作的假设不同,模型的结构就有所不同,据此可将水文模型分为集总式水文模型和(半或准)分布式水文模型。

集总性模型,如表1所示,通常用一系列常微分方程来表示,但并不考虑水文地质过程的空间变化特性、模型的输入输出以及模型的边界条件等。

在大多数集总模型中,一些水文地质过程用简单的基于水文法规的等式加以描述,而其它的过程则用一些经验代数方程式加以表达。

代表性的集总模型有:HEC21,HYMO,RDRB,SSARR,水箱模型等等。

分布式水文模型,如表1所示,清楚地考虑了水文地质过程的空间变化、模型的输入输出以及模型的边界控制条件等。

显然,这需要足够信息量的较高精度的数据来用于模型的建立,这就是说,缺乏足够的野外数据(或试验数据)是不能建立分布式水文模型的。

实际上,在大多数的情况下,分布式水文模型对流域空间属性特征的描述是集总的,对于许多水文地质过程的处理方式也是集总的,模型的输入也可能是集总的,即便是对一些边界条件的处理也是集总的。

但是,模型对一些直接影响着流域的产汇流过程,即直接影响模型输出的水文地质过程的处理方式是分布的,如降雨-径流过程。

因此,这些模型并非完全为分布式的,恰当地说,这些模型也只能称为准分布式的或半分布式的模型。

分布式的水文模型的例子有SHE,IHM,SWMM,NWSRFS,等等。

表1　集总式和分布式模型的对比
T parison of the lumped and distributed models
模型输入空间属性描述模型结构数学描述方程模型输出模型类型集总集总集总常微分方程集总集总
集总集总分布式偏微分方程分布式分布式
分布式分布式分布式偏微分方程分布式分布式
分布式集总分布式偏微分方程分布式分布式
1.3　水文模型的其它分类系统
水文模型还可以根据其参数所具有的物理意义来进行分类,如其参数具有物理意义,其对水文地质过程的描述是确定性的,则水文模型是概念性模型或确定性模型;如模型的参数无物理意义,则模型为随机模型。

水文模型也可按照其研究的时间尺度和空间尺度来分类。

如按照研究的时间尺度,水文模型可分为时水文模型、日水文模型、月水文模型和年水文模型;按照研究的空间尺度则可将水文模型分为小流域水文模型、中流域水文模型和大流域水文模型。

此外,水文模型也可按照研制的目的来分类,如管理模型、规划模型和预测模型等。

2　水文模型研究中的尺度问题与流域空间属性异向性
水文模型研究中的时空尺度的选择对水文模型的建模及其应用均有重要影响,选择适当的尺度对水文模型研究具有重要意义,如前所述,水文模型也可按其所采用的时空尺度进行分类。

Song和James(1992)总结出用于水文模型研究中的五种尺度:①实验室;②山坡;③流域;④河盆;⑤大陆及全球尺度。

实验室尺度的水文模型用水力学(水动力学)方法加以表达,而且通常是一维的。

山坡水文模型结合地表流与地下流,还可以包括土壤孔隙中的壤中流,因而可以是二维或甚至是三维的。

流域水文模型增加地形因子用以模拟地面径流,增加地质因子用以模拟基流,而且常常将大流域划分成具有均一性的小部分。

盆地水文模型在结合流域径流的基础上考虑了存储和传输路径方案。

陆地和全球尺度的水文模型注重于大气过程及其与地表过程的相互影响。

尺度问题及其影响主要是由于空间属性的异向性。

异向性在小尺度范围内小而在大尺度范围则较大。

显然,异向性在陆地和全球尺度范围内是最大的,而在实验室范围内是最小的。

造成空间属性异向性主要是气候、气象、地形、地质、土壤、土地利用和土地覆盖类型的空间分布的差异性。

水文模型用流域的面上数据作为参数来反映流域的特性,当常常是以野外收集的点数据来代表面上信息,难以精确反映流域的空间属性的变化特征,在一定程度上妨碍了水文模型的发展和应用。

这样,研究尺度的选择就成了水文模型研究的关键问题:究竟是多大的尺度才最适合水文地质模拟。

事实上,水文模型的研究研究尺度取决于流域空间属性的异向性,异向性越大,较小的尺度越理想。

但实际上,对于一个较大的流域来说,其空间属性的差异性是十分明显的。

为减少空间属性的异向性对水文模型模拟尺度的限制,通常的做法是将一个较大的流域划分成一系列空间属性相对均一的较小的子流域。

在空间属性相对均一的子流域内,其水文过程反应就可以视为是均一的,因而可以对每个子流域分别进行产会流计算,最后累加各子流域对总出口断面的贡献来作为出口总断面的输出的,以达到对空间属性变化较大的大流域进行水文模型研究的目的。

划分子流域使子流域内的空间属性相对均一,其水文过程反应也相对均一的思想实际上就是(半或准)分布式水文模型建模的基本概念“相似水文地质单元”。

“相似水文地质单元”就是具有相同的水文响应的地质单元,其内的空间属性变化不大,不会对水文地质过程产生显著的差异性。

“相似水文地质单元”的划分通常是在具有管理空间属性数据能力的信息系统(如GIS )的支持下进行;但也可以按均一的网格来划分。

但用网格法划分“相似水文地质单元”的缺陷是如所模拟流域的空间属性变化较大,则所划分的网格单元就必须小到足够的程度,使单一网格内具有相似的空间属性以产生相同的水文响应。

这样一来,就有可能产生具有相同水文反映的网格单元群,人为地增加了模型运行的时间,因为对于水文模型来说,这些网格单元群完全可以视为单个的单元来进行模拟。

因其在处理流域空间属性异向性方面的优点,(半或准)分布式水文模型在近年来获得了迅速发展。

3　分布式(半分布式)流域水文模型的发展
尽管由于水文过程的复杂性使得人们至今仍难以用数学物理方程严格地描述其中的每一个子过程,但为了处理降雨和下垫面条件的不均匀性,加强对水文地质过程描述的物理基础,在传统的集中性概念模型和水力学模型的基础上,(半或准)分布式流域水文模型的研究得到了进一步的重视。

由于(半或准)分布式流域水文模型强调流域的空间属性,因此,进行(半或准)分布式流域水文模型研究时必需具备下述条件:
(1)能方便快捷地获取和更新有关流域空间属性变化的宏观资料;
(2)模型研究时不受空间尺度和时间尺度的限制;
(3)可进行快速的信息复合与处理以提取模型所需的各种信息;
(4)要迅速获得模拟结果的反馈信息以便于模型结构的调整和模型参数的调试。

随着现代理论和新技术的发展,特别是遥感和地理信息系统的发展,为满足分布式(半分布式)流域水文模型研究的条件提供了有力的支持,推动了分布式(半分布式)流域水文模型的发展。

4　遥感和地理信息系统在流域水文模型中的应用
4.1　遥感在流域水文模型中的应用
遥感是一种宏观的观测与信息处理技术,具有范围广、周期短、信息量大和成本低的特点,是当
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代一种很重要的信息源。

作为一种信息源,栅格式的遥感数据与分布式流域水文模型的数据格式有一致性,给概念理解和使用上都带来了方便。

遥感技术可以提供土壤、植被、地质、地貌、地形、土地利用和水系水体等许多有关下垫面条件的信息,也可以测定估算蒸散发、土壤含水量和可能成为降雨的云中水汽含量。

以遥感为手段获取的上述信息在确定产汇流特性或模型参数时是十分有用的。

遥感应用于水文模型时具有下述特点:
(1)遥感技术获得的是面上观测数据而不是点上的观测数据;
(2)可收集、存储同一地点不同时间的全部信息,即多时相信息;
(3)可提供时间或空间高分辨率的信息;
(4)数据不仅是可见光的信息,也可以是多光谱的信息,有利于利用与水文地质有关的谱段信息;
(5)数据是以数字化的形式存储的,易于计算机的直接处理;
(6)信息的积累与处理不妨碍数据的进一步观测与收集;
(7)可获得遥远的、无人可及的偏僻区域的信息;
(8)一旦遥感监测网建立了起来,数据的观测费用可大大降低。

同时,与地理信息系统相结合,可将经校正、增强、滤波、监督或非监督分类等处理后的遥感数据输入到地理信息系统中,作为分布式(半分布式)流域水文模型建模与参数率定时的数据支持。

4.2　地理信息系统在流域水文模型中的应用
地理信息系统(GIS)是综合处理和分析空间数据的技术,它的发展为科研和管理决策人员提供了有关区域综合、方案优选和战略决策等方面可靠的地理和空间信息。

地理信息系统与流域水文模拟技术有很强的互补性,在技术途径上也有类似之处。

分布式流域水文模型的数据与GIS中的矢量或栅格数据格式具有类似性,且都以一定的空间分辨率划分研究区域以减少数据量和简化计算,而且,利用GIS中的分层分类和叠加不同信息源的资料所得出的具有实际意义的响应单元与半分布式流域水文模型中利用“响应单元”来划分子流域的做法也是类似的。

同时,GIS特有的数据处理功能极大地方便了分布式流域水文模型的构建,而且,很强的图形显示功能和带有时间维的四维GIS,有利于水文工作者研究流域特征的空间分布及其对产汇流的影响,并有助于了解降雨、土壤含水量以及产流面积在空间和时间上的变化情况,从而加深对产汇流等水文过程的认识,促进流域水文模型的完善和发展。

一般说来,GIS应用于水文模型时主要包括以下的三个步骤:
(1)空间数据库的构建;
(2)空间数据库中信息的复合与处理;
(3)GIS和应用模型(水文模型)的数据接口。

随着众多来源信息的数据量大增,上述第一步将是一项极其耗时的工作,大约占GIS空间数据库构建的70%～80%的工作量;第二步,凭借GIS处理系列空间属性数据层的能力和/或GIS项目规划管理能力,可派生出模型最终所需的数据层;第三步,实际上是GIS与水文模式的接口编程。

4.3　遥感和地理信息系统对流域水文模型研究尺度的影响
遥感技术所获取的是大范围内面上的空间属性数据,因而在大尺度的水文地质模拟中,如河盆、大陆及全球尺度的模拟中可以充分显示其优势。

因为它可以在较短的时间内、以经济的手段获得传统方法不能获取的大面积的空间属性数据。

同样地,地理信息系统以管理大量的空间属性数据见长,因而也在大尺度的水文地质模拟中更能显示其特长。

但是,这并不意味着遥感技术和地理
信息系统技术在小尺度的水文地质模拟中就毫无用处。

事实上,随着遥感技术的发展,其空间、时间和光谱分辨率不断提高,也能获得小范围面积内的空间属性信息,因此遥感在中、小尺度,如山坡、流域(室内的水文地质模拟除外)的水文模型模拟中也越来越重要;同时地理信息系统是以管理空间属性数据为特长,无论水文模型采用的模拟尺度如何(包括室内水文地质模拟),均需要地理信息系统作为空间属性数据的有效管理工具。

5　结　论
由于水文地质研究的特性,传统水文模型研究方法受到了极大的限制,而以能实时收集大容量面上信息的遥感(RS )技术和具有管理、分析、处理大容量空间属性数据的地理信息系统(GIS )技术在水文地质研究特别是水文模型方面的应用,解决了水文地质研究中,特别是水文模型研究中长期以来存在的数据量不足和信息量不丰富的问题,推动分布式、半(准)分布式水文模型的发展,大大地丰富了水文地质的研究内容,提高了水文模型的预报和估算的精度,同时遥感技术和地理信息系统技术也因其成本较低和具有实时预报的特点而在水文地质研究领域中具有广泛的应用前景。

参考文献
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R emote Sensing and G eographic Inform ation System
Apllied to H ydrologic Modeling
He Yanbo Yang Kun
(The State K ey Lab.of Environmental G eochemistry ,Institute of G eochemistry ,CAS ,Guiyang ,550002)
(The Provencial K ey Lab.of Remote Sensing in Terrian Management and Disaster Forecasting
of Guizhou Provence ,Guiyang ,550002)
Abstract
After discussing the classification system of hydrological models ,the reason of rapid development of the distributed/quasi 2distributed hydrological models has been pointed out and the wide application of remote sensing and geographical information system in hydrological modelling has been intrudeced.
K ey w ords :remote sensing ;geographical information system ;hydrological modeling 301第2期 何延波等:遥感和地理信息系统在水文模型中的应用。