论文部分内容阅读
分布式水文模型可以更好地模拟流域产、汇流物理机理，是有效提高水文模拟精度的重要途径之一。近年来，分布式水文模型的研究取得了令人鼓舞的进展，但无论是模型概念还是结构都未实现根本性的突破，目前依然面临很多挑战，如模型预报的不确定性、“异参同效”现象、尺度问题、率定和验证、数据不足、模型系统的高效搭建与移植、模型对比等等。具有物理基础的分布式水文模型的研制和应用要求更详细、更准确的流域下垫面和水文信息，必须充分利用和集成地理信息系统(GIS)、遥感、遥测、数值模拟、虚拟现实、通信等高新技术的研究成果。随着高(空间、时间、光谱)分辨率海量遥感信息获取与处理技术的日臻完善以及新一代GIS技术的创新性发展，新型全分布式模型的研究面临突破性发展的机遇。为此，需加强对全新的模型概念、基于遥感数据输入的模型结构与空间离散格式、GIS与模型无缝集成的水文数据模型等重点课题的研究、探索。
按照空间划分方法的不同，现有分布式水文模型系统采用的空间离散格式可以大致分为三类：主观性空间离散格式、基于因子或数据的线性空间离散格式、基于过程的非线性空间离散格式。主观性空间离散格式最容易建立和实现，因为与主流的栅格数据格式和水文偏微分方程数值差分求解格式非常接近而得到广泛采用，最主要为规则矩形网格式，但是划分的标准具有任意性和强制性，缺乏物理基础，经常必须在计算精度和计算效率之间作权衡，容易导致计算冗余。基于因子或数据的线性空间离散格式采用一个或多个关键因子或数据层将基本计算单元分组，通常利用GIS的Overlay空间算子实现。这在一定程度上消除了主观性空间离散格式描述水文响应空间分布的任意性，但是水文响应特征是复杂的、非线性的，因此线性组合划分必然偏离真实。水文学以及与水文学研究密切相关的一些领域已经出现一些基于过程的方法描述水文响应相似性，但是这些方法大多是基于单个过程的，只描述了影响水文响应的某个方面或部分方面的过程，不能描述水文响应的全面特征。建立的划分指标缺乏通用性。另一方面，水文模型特别是分布式水文模型必须与GIS集成己越来越被接受和重视，但集成的水平普遍不高，大多为低层次的松散集成。GIS在水文模型中的作用大多还只是浏览与查询，缺乏对水文专业分析的支持，更不能够直接与模型的运行过程耦合。大多数情况下，GIS与水文模型的集成被看作是纯技术问题，但事实证明持这样的观点，将永远无法实现GIS与水文模型的无缝集成。导致集成问题的根本在于流域水文系统建模与GIS空间建模的兼容性不够，因此，水文数据模型是解决水文模型与GIS无缝集成的核心问题。此外，一个恰当的分布式水文模型系统应该具备一个高效的工作流，即提供友好的用户接口，高效地进行模块整合、过程模型结合和比较、率定和验证、结果分析、系统移植等，而水文数据模型研究与设计对于水文模型与GIS的无缝集成至关重要，同时将有力地提高模型系统的工作流。
本文重点针对分布式水文模拟的上述两个关键问题进行研究，以建立一个新的具有物理基础的基于动态响应单元的分布式水文模型系统(DynamicalResponse．Unit based distributed hydrological Model，DRUM)。首先，基于面向对象思想和过程分析，建立了描述水文响应特征的复杂地理信息模型，在此基础上实现了一种具有物理基础的动态响应单元空间离散格式。基于对空间离散格式系统地和理论地研究与分析，提出了水文空间分布式体系作为分布式水文模型系统的必要组成部分，用于统一地建立与管理不同的空间离散格式，以便于分布式水文模型系统的构建、移植和不同空间离散格式的切换与比较。其次，基于软件工程采用面向对象的分析(OOA)、面向对象的设计(OOD)、面向对象的编程(OOP)方法和工具(UML)实现了DRUM系统。基于面向对象的理解和建模，真实流域系统由一系列具有特定属性、行为、规则和关系的对象组成。本文面向分布式水文模拟设计了流域水文数据模型，并基于对象一关系地理数据模型．ArcHydro数据模型进行了实现。在水文数据模型中，水文空间分布式体系作为一个重要的元素被设计与实现。在数据模型中明确定义了不同空间离散格式的基本计算单元之间及河道之间的拓扑关系和水文关系支持模型算法流程。水文空间分布式体系在水文数据模型中的实现提高了模型搭建的效率和降低了模型计算程序框架实现的难度，同时为建立基于不同空间离散格式的模拟提供了很大的灵活性。具体地，研究工作主要包括以下内容：
(1)对国内外分布式水文模型研究进行了全面的调研，就模拟目标和应用、模型分类与发展、建模．实现．验证．应用过程，以及过程模型几个方面的现状、问题与趋势，进行了深入分析，确定如何为分布式水文模拟定义合理的基本计算单元，即建立合理的空间离散格式，以及如何为分布式水文模型系统设计合理的水文数据模型作为研究的重点。
(2)基于数字高程模型(DEM)和遥感影像的流域特征提取与三维可视化，并进行拓扑和水文关系分析，支持动态响应单元划分和水文数据模型的建立；
(3)在面向对象思想和水文物理过程分析基础上，建立基于复杂地理信息模型的水文响应特征模型，从而建立动态响应单元空间离散格式，并实现流域水文空间分布式体系统一框架；
(4)面向分布式水文模拟，设计流域水文数据模型，以便于水文模型与GIS的无缝集成，提高模型系统构建和移植的效率，同时便于基于不同空间离散格式模型的比较；
(5)基于动态响应单元空间离散格式，建立一个新的具有物理基础的分布式水文模型，并基于面向对象的分析与设计，实现模型系统；
(6)在大宁河流域对新模型系统进行验证，并进行不同空间离散格式对比研究，分析不同离散格式对模拟不确定性的影响。
验证和测试的结果表明：DRUM系统能够较好地进行水文模拟和基于不同空间离散格式的分布式水文模拟的切换与对比研究，为研究空间离散格式对分布式水文模拟不确定性的影响提供了一个很好的方法和平台。本文主要创新点为：
(1)提出并实现了一种可供分布式水文模型通用的流域水文空间分布式体系(HSDS)。针对如何合理确定分布式水文模型的基本计算单元和空间离散格式，研究建立了一种基于复杂地理信息模型的水文响应特征模型，据此实现了具有物理基础的动态水文响应单元空间离散格式。建立的水文响应特征模型具有很强的灵活性和扩展能力，可实现主观性、线性和非线性的空间离散格式。
(2)面向分布式水文模拟，研究和设计了对象一关系流域水文数据模型，统一了分布式水文模拟系统的数据管理。在水文数据模型中，着重设计了水文空间分布式体系，大大提高了分布式水文模型算法框架实现的效率和模型系统的移植能力。
(3)基于水文空间分布式体系和流域水文数据模型，实现了一个新型的具有物理基础的分布式水文模型系统(DRUM)。