基于栅格的分布式新安江模型构建与分析(硕士论文)
栅格型新安江模型的参数估计及应用
栅格型新安江模型的参数估计及应用姚成;纪益秋;李致家;刘开磊【摘要】Based on the theory of the Xin'anjiang model and one-dimensional diffusion wave model, the grid-based Xin anjiang model (the Grid-Xin' anjiang model) was developed. This model regarded the grid DEM as the computational element, and the generated runoff of each element was divided into three components, the surface runoff, interflow, and groundwater runoff, which were routed using the cell-to-cell diffusion wave flow routing method according to the computational order of each grid cell in the DEM. During the calculation of the runoff generation and runoff concentration, the water exchange between grids and the influence of the river drainage network were taken into consideration. Based on the underlying surface conditions, including the topography, and the types of soil and vegetation in the study basin, a method for parameter estimation of the model was proposed and verified. The model was applied to the Tunxi Basin in Anhui Province for flood simulation and produced favorable results.%根据新安江模型与一维扩散波模型理论,构建了基于栅格的新安江( Grid-Xin' anjiang)模型.该模型以DEM栅格为计算单元,将每个单元的产流量划分为地表径流、壤中流以及地下径流3种水源,最后再根据栅格间的汇流演算次序,利用扩散波汇流方法依次将各种水源演算至流域出口.模型在进行产汇流计算时,考虑了栅格之间的水量交换以及河道排水网络的影响.以流域地貌特征、土壤及植被类型等下垫面条件为基础,研究了模型参数的估计方法,并对其进行了验证.将模型用于安徽省屯溪流域的洪水模拟,取得了良好的应用效果.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(040)001【总页数】6页(P42-47)【关键词】栅格型新安江模型;新安江模型;扩散波模型;参数估计;洪水模拟;屯溪流域【作者】姚成;纪益秋;李致家;刘开磊【作者单位】河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;南通市港闸区幸福街道办事处,江苏南通226012;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】P333.1基于栅格的分布式水文模型是目前水文研究的热点之一.1969年,Freeze等[1]发表的“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图(FH69蓝图)”被认为是分布式水文模型研究的开始.过去受制于技术的限制,许多流域信息、特征不能及时准确地获得,地理信息无法及时准确地获得和使用,使得分布式水文模型发展缓慢.而数字高程模型(DEM)的出现为分布式水文模型的构建创造了条件,分布式水文模型取得了飞速发展.比较具有代表性的分布式和半分布式流域水文模型有SHE[2],TOPKAPI[3]和TOPMODEL[4]模型等.随着信息、遥感、计算机等技术的发展,基于DEM的分布式水文模型以其充分考虑水文要素和各种参数空间变化的特点正成为水文模型的发展趋势,而新安江模型[5]作为一个半分布式的概念性模型,自研制以来,就得到了广大学者的认同,在中国的洪水预报中也得到了广泛成功的应用,因此研究栅格型新安江模型具有一定的现实意义[6-7].本研究利用DEM,提取了水文模拟与参数估计所需要的流域地貌特征,并根据新安江模型与扩散波模型理论,构建了栅格型新安江(Grid-Xin'anjiang)模型.同时,本文结合土壤类型、植被覆盖及利用等信息,对空间变化模型参数的估计方法进行了一定的研究与验证,并将Grid-Xin'anjiang模型应用于安徽省屯溪流域洪水模拟计算.1 Grid-Xin'anjiang模型原理Grid-Xin'anjiang模型以流域内每个DEM栅格作为计算单元,并假设在栅格单元内的降雨和地貌特征、土壤类型以及植被覆盖等下垫面条件空间分布均匀,模型只考虑各个要素在不同栅格之间的变异性.Grid-Xin'anjiang模型先计算出每个栅格单元的植被冠层截留量、河道降水量和蒸散发量,然后再计算出栅格单元的产流量,并采用自由水蓄水库结构对其进行水源划分,即划分为地表径流、壤中流以及地下径流3种水源,最后再根据栅格间的汇流演算次序,依次将各种水源演算至流域出口.在进行次洪模型计算时,采用一维扩散波模型,且假设在原来的坡地栅格内也存在一个“虚拟河道”,每个栅格单元的壤中流和地下径流直接流入河道,采用河道汇流的计算方法,则栅格间的扩散波汇流演算只包括坡面汇流和河道汇流2种方式.考虑到日径流模拟时对汇流演算精度要求不高且时间步长较大,为了增加模型的运行效率,Grid-Xin'anjiang模型采用简便的线性水库法和滞后演算法进行栅格间汇流计算.1.1 植被冠层截留植被冠层截留是指降雨在植被冠层表面的吸着力、承托力及水分重力、表面张力等作用下储存于其表面的现象[8].在一次降雨过程中,植被冠层对降雨的累积截留量[9]可表示为式中:I cum——植被冠层的累积截留量;f lc——植被覆盖率;P cum——累积降雨量;C vd——植被密度的校正因子;S cmax——植被冠层的截留能力,即植被冠层的最大截留量.1.2 河道降水假设在每一个河道栅格内,降雨分布均匀,河道形状不发生改变,则可以根据栅格单元内河道部分所占的面积比例进行河道降水的计算.河道降水I ch可表示为式中:L ch——河道长度;W ch——河道断面最大过水面积所对应的水面宽;A gr——栅格单元的面积;P——时段降雨量.其中,L ch W ch表示河道所占面积.对于流域内的坡地栅格,即使有“虚拟河道”存在,也不考虑河道降水的影响,即在坡地栅格上I ch=0.1.3 蒸散发将每个栅格单元内的土壤分为上层、下层和深层3层,每一层对应的张力水蓄水容量分别为 W UM,W LM和W DM.在栅格单元实际蒸散发计算时,冠层截留量按蒸散发能力蒸发,当截留水量小于蒸散发能力时,则采用3层蒸散发模型[10].1.4 单元产流及分水源土壤蓄满表示的是土壤含水量达到田间持水量,而不是饱和含水量.新安江模型引进张力水蓄水容量分布曲线来考虑土壤含水量面上分布不均的问题,而在Grid-Xin'anjiang模型中,由流域地貌特征以及土壤、植被等下垫面条件来确定任意一个栅格单元的张力水蓄水容量W M,而在栅格单元内暂不考虑张力水含水量分布不均的问题.将计算时段内栅格单元的实测降雨先扣除相应时段的蒸散发、植被冠层截留、河道降水后,再考虑上游入流是否补足当前单元的土壤含水量,即可得到实际用于产流计算的时段雨量P e.当P e≤0或P e+W0≤W M时,R=0;当 P e+W0＞W M时,R=P e+W0-W M.其中:R为时段产流量;W0为栅格单元实际的张力水含量.在Grid-Xin'anjiang模型中,任意栅格单元内的产流量R均被划分为3种水源:地面径流R s、壤中流R i和地下径流R g.所需参数包括表层土自由水容量S M、表层自由水含量对壤中流的出流系数K i、表层自由水含量对地下水的出流系数K g.1.5 汇流演算Grid-Xin'anjiang模型在进行短时段栅格间扩散波汇流演算时,假设任意栅格单元都由坡地和河道组成,即原来的坡地栅格上也存在一个“虚拟河道”,地下径流与壤中流都直接汇入河道或“虚拟河道”中,因此栅格间的汇流就由坡面汇流及河道汇流组成,均采用扩散波模型.在模型进行产汇流计算时,考虑了栅格间的水量交换问题以及河道排水网络的影响.即:如果当前计算单元的土壤含水量处于未蓄满状态,则上游栅格的入流量首先补充当前栅格的土壤含水量,直至其蓄满为止;如果当前栅格有河道存在,则地表径流的出流量将先按一定的比例汇入河道,然后再汇至下游栅格. Grid-Xin'anjiang模型的坡面水流以及河道水流运动均利用一维扩散波方程组来描述,在进行栅格间汇流演算时,坡面水流运动方程需在每个栅格单元上进行离散,其中的连续性方程为式中:h s——坡面水流的水深;t——时间;A gc——栅格单元的面积;Q s——栅格单元的地表径流流量;Q sout——栅格单元的地表径流出流量;Q sup——上游栅格入流量.本文采用基于两步MacCormack算法[11-12]的二阶显式有限差分格式进行坡面与河道水流扩散波方程组的求解.2 研究流域概况选用湿润地区的屯溪流域作为研究流域.该流域位于安徽省境内皖南山区,流域面积为2692.7 km2.屯溪流域地势西高东低,最大、最小以及平均海拔高程分别为1398m,116m,380m,相对高差较大.该流域雨量充沛,多年平均降雨量约为1800mm,降水在年内年际分配极不均匀,汛期内的降雨量一般占年总雨量的60%以上.屯溪流域内植被良好,主要包括常绿针叶林、落叶阔叶林、混合林、森林地、林地草原、牧草地与作物地,土壤类型主要为黏壤土.本研究采用USGS提供的精度为1km(30″)的DEM高程数据提取了屯溪流域的地形地貌特征.屯溪流域水系及站点分布见图1.图1 屯溪流域水系及站点分布Fig.1 River network and distribution of gauging stations in Tunxi Basin3 Grid-Xin'anjiang模型参数估计3.1 蒸散发参数在湿润流域,平均的上、下层张力水容量一般可以取20mm与60mm,而整个包气带张力水容量常以120mm作为估值[5,10].以此为基础,对与屯溪流域W UM与W LM的估计分别取W UM≈0.167W M;W LM≈0.5W M.参数C与栅格单元的植被覆盖率有关,在植被密集地区可取0.18,因此可令C=0.18f lc,f lc可通过相关公式求得.本研究暂未考虑蒸散发折算系数K在不同栅格单元的高程修正问题,而是认为它在流域内空间分布均匀,因此该参数主要与测量水面蒸发所用的蒸发器有关.对于国内普遍采用的E-601蒸发器而言,可取K≈1.3.2 产流及分水源参数单元产流及分水源计算中W M与S M[13]可表示为式中:W M——栅格单元张力水蓄水容量;S M——栅格单元自由水蓄水容量;θs——饱和含水量;θfc——田间持水量;θwp——凋萎含水量;L a——包气带厚度;L h——腐殖质土层厚度.式(4)与式(5)中的θs,θfc,θwp均可以根据栅格单元的土壤类型通过查土壤参数统计表获取,因此只要知道每个栅格单元的L a与L h即可获得W M与S M在流域的空间分布.在自然界中,影响包气带厚度的因素较多,很难进行直接推求.L a与 L h 可通过与地形指数及土壤类型对应的土壤水分常数进行估算,可假定地形指数大的地方包气带较薄而地形指数小的地方包气带较厚.这与实际情况基本相符.一般而言,在湿润地区地形指数大的地方大多位于河道附近,而这些区域的地下水埋深较浅,包气带相对较薄;相反,地形指数小的地方基本位于流域的上游山坡,远离河道,包气带相对较厚.因此,可以假设流域上地形指数最大的栅格单元对应的张力水蓄水容量最小,而地形指数最小的栅格单元对应的张力水蓄水容量最大.图2为估计的屯溪流域包气带厚度以及腐殖质土厚度的空间分布.图2 屯溪流域土壤厚度分布Fig.2 Distribution of thickness of soil in Tunxi BasinK i与K g这2个参数属于并联参数,其和K i+K g代表的是自由水出流的快慢,应与单元的土壤类型有关,而自由水指的是饱和含水量与田间持水量之间那部分可以在重力作用下自由流动的水,因此可以将θs与θfc作为衡量自由水出流快慢的指标.K i/K g表示的是壤中流与地下径流的比,此比值可以通过θwp来反映[14].具体计算公式为式中:m oc——自由水出流综合影响因子;m r——自由水出流校正系数,根据已有研究成果,在估计模型参数时,可以取m r=1.m oc可直接通过新安江模型分水源中的结构性约束(K i+K g=0.7)[5]选取.具体步骤是:先给m oc赋予一初值,然后根据每个栅格单元的土壤类型由土壤参数统计表和式(6)确定栅格单元对应的K i+K g,再统计出流域内所有栅格K i+K g的均值并与0.7进行比较,由此对m oc进行调整,使其尽量满足该结构性约束.3.3 汇流参数当Grid-Xin'anjiang模型进行扩散波汇流演算时,模型参数的估计主要是基于流域地貌特征以及河道断面信息.其中,坡面汇流的曼宁糙率系数n h根据栅格单元的植被类型由植被参数统计表确定.而每个栅格单元河道(包括虚拟河道)汇流的曼宁糙率系数n c[15]由下式进行计算:式中:A d——栅格单元的上游汇水面积,km2;S oc——河道坡度,可由DEM提取得到;n0——系数,n0可以由流域出口点的糙率及坡度代入式(7)反算出.地表径流汇入河道的比例也是在生成的研究流域水系基础上,采用面积比例法进行计算[7].在判断河道形状时,主要是根据流域内实测站点的断面数据,反演出每一栅格单元的河道形状.以屯溪流域为例,定义某一断面宽度指数α,考虑到随着上游汇水面积的增加,越到流域下游其河道过水断面面积应该越大,且变化比较明显,因此可认为α在流域内应当是变化的,即河道断面的尺寸是空间变化的.根据流域内已有的实测断面资料分析,即可获得α的空间分布.4 应用结果分析屯溪流域具有1982—2001年以及2006年的日降雨资料,有40场洪水的时段降雨资料,屯溪出口站有对应的流量资料.本文将1982—1995年的日资料和对应的次洪资料用于模型参数的率定,剩余资料用于模型参数的检验,对于模型参数估计方法的验证采用率定期资料进行,对于屯溪流域降雨资料的空间插值采用距离平方反比法.采用率定期内的资料对模型估计参数进行验证.其中,日模型模拟的径流深以及洪峰相对误差的合格率分别为100%和79%,平均相对误差水平分别为3.7%和12.6%,确定性系数的均值为0.91.次洪模型模拟的径流深、洪峰相对误差以及峰现时差的合格率分别为91%,48%和83%,平均相对误差水平分别为9.1%,19.9%和2.2h,确定性系数的均值为0.87.图3为应用估计参数模拟的2次洪水过程线比较.图3 Grid-Xin'anjiang次洪模型估计参数模拟结果比较Fig.3 Comparison ofestimated parameters of Grid-Xin'an jiang model for floods由估计参数的模拟结果可以看出,根据土壤、植被及地貌等下垫面条件估计出的Grid-Xin'anjiang日模型参数值较为合理,对于屯溪流域率定期内的日径流模拟精度较高,因此直接将日模型的参数估值用于该流域检验期内的日径流模拟,检验期内模拟的径流深与洪峰相对误差合格率均为91%,平均相对误差水平分别为10.1%和7.0%,确定性系数的均值为0.90.对于Grid-Xin'anjiang次洪模型而言,需要率定检验的主要是扩散波汇流方法中的坡面糙率系数n h,率定方法选择人工试错法.对于次洪模型中其他参数则不再进行率定.通过率定扩散波汇流方法的糙率系数,对于率定期内洪水而言,Grid-Xin'anjiang次洪模型模拟的径流深、洪峰和峰现时间的平均相对误差水平分别为7.7%,7.9%和1.8 h;合格率分别为96%,96%和91%,确定性系数的均值为0.91.对于检验期内洪水而言,Grid-Xin'anjiang次洪模型模拟的径流深、洪峰和峰现时间的平均相对误差水平分别为8.0%,9.7%和2.6h;合格率均为94%,确定性系数的均值为0.90,模拟结果较好.图4为应用率定参数模拟的2次洪水过程线比较.图4 Grid-Xin'anjiang次洪模型率定参数模拟结果比较Fig.4 Com parison of calibrated parameters of Grid-Xin'an jiang model for floods5 结语以新安江蓄满产流模型与一维扩散波汇流模型为基础,构建了适用于湿润流域的分布式Grid-Xin'anjiang模型,并在模型进行产汇流计算时,考虑了栅格间的水量交换问题以及河道排水网络的影响.根据流域的地貌特征、土壤类型及植被覆盖等下垫面特性,对基于物理机制的模型参数估计方法进行了一定的研究与验证.从Grid-Xin'anjiang模型在屯溪流域的应用情况可以看出,模型的应用效果较好,模拟精度较高.为了使Grid-Xin'anjiang模型可以更好地应用于不同类型的流域,还应当加入超渗产流、融雪模型等其他水文过程的计算方法,对于栅格间壤中流与地下径流的汇流演算方法也有待进一步改进.为了使模型更好地用于缺乏资料地区的洪水模拟及预报,还需要进一步加强对模型的应用研究,开展模型在其他流域以及与其他模型应用的对比分析,同时也需要进一步完善模型参数的估计方法.参考文献:【相关文献】[1]FREEZE R,HARLAN R.Blueprint for a physically-based,digitally-simulated hydrologic response model[J].Journal of Hydrology,1969,9:237-258.[2]ABBOTT M,BATHURST J,CUNGE J,et al.An introduction to the European Hydrological System-Système Hydrologique Européen,“SHE”,1:history and philosophy of a physically-based,distributed modelling system[J].Journal of Hydrology,1986,87:45-59. 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栅格型新安江模型的参数估计及应用
关键 词 ： 格 型新 安 江模 型 ； 安 江模 型 ； 散 波模 型 ； 栅 新 扩 参数 估计 ； 洪水模 拟 ； 屯溪流域
中图分 类 号 ：３ ３ １ Ｐ３． 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ：００ １８ （０ ２ ０ — ０ ２ ０ １０ —９０ ２ １ ） １０ ４ — ６
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栅 格 型 新 安 江 模 型 的参 数 估 计 及 应 用
姚 成 纪 益秋２李 致 家 刘 开 磊 ， ， ，
（． １河海大学水文水 资源学院 ， 苏 南京 江 ２０９ ； ． １０８ ２ 南通市港 闸区幸福街 道办事处 ， 江苏 南通 ２６ １ ） ２０２
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新安江模型在资水流域的应用
新安江模型在资水流域的应用
吴德波
【期刊名称】《黄河水利职业技术学院学报》
【年(卷),期】2012(024)002
【摘要】选取资水流域新宁水文站以上集水面积为研究区域,基于空间分辨率为30 s的数字高程模型数据,构建数字流域水系,进行子流域划分,生成流域水系拓扑关系.在资水流域新宁站控制面积上,应用新安江模型,选取1980～1985年作为模型的率定期,2001～2003年作为模型的验证期,进行日径流过程模拟；选取12场洪水作为率定场次洪水,6场洪水作为验证场次洪水,进行次洪径流过程模拟.从实际模拟的总体效果看,该流域与新安江模型模拟效果较好.
【总页数】3页(P7-9)
【作者】吴德波
【作者单位】黄河水利委员会水文局,河南郑州450004
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.65
【相关文献】
1.TOPMODEL在珠江流域布柳河流域的应用及其与新安江模型的比较 [J], 邓鹏;李致家;谢帆
2.新安江模型在江西省万安水库流域洪水预报的应用研究 [J], 黄国新;谢小华;黄煌
3.基于栅格的新安江模型在滦河流域的构建与应用 [J], 厉治平;范辉;徐嘉
4.新安江模型在江西省万安水库流域洪水预报的应用研究 [J], 黄国新;谢小华;黄煌
5.半分布式新安江模型在石家庄西部山区小流域洪水预报中的应用 [J], 刘郁
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论文实例-新安江模型评述
新安江模型评述宫兴龙1（1.东北农业大学水利学院、黑龙江、哈尔滨 150030）摘要：针对目前对新安江模型构建的机理和使用条件不是十分清楚的情况（目的），本文从新安江模型的面雨量算法的适用性、蓄水容量曲线的选取、产流机制、产流方法、汇流机理和汇流方法等六方面对新安江模型进行深入的分析。
（方法）对目前新安江模型使用情况进行汇总和归纳出新安江使用情况。
（方法）文章介绍了近年来新安江模型在结构、理论方法及应用等方面取得的进展，认为新安江模型是一个不断发展的模型理论体系。
（结论）本文可以为应用新安江模型给提供参考，也为评述水文模型提供了方法。
（意义）关键词：新安江模型；产流；汇流；模型应用英文名称GONG xinglong1（1．School of Water Conservancy and Construction Northeast Agricultural University，Haerbin，150030）Abstract:Key words:1.引言1973年，河海大学赵人俊教授领导的研究组在编制新安江入库1作者简介(小5黑)：姓名（出生年份-），性别，××省××市（县）人，职务，学历。
主要从事××××方面研究。
E-mail：洪水预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计了国内第一个完整的流域水文模型—新安江流域水文模型，以下简称新安江模型。
最初研制的是二水源新安江模型，80年代中期，借鉴山坡水文学的概念和国内外产汇流理论的研究成果，提出了三水源新安江模型。
（简要叙述一下模型的构建过程）新安江被水文学家和学者广泛的应用和改进[1]。
（说明模型应用比较广泛、模型非常重要或模型对学科有指导意义等）虽然新安江模型被广泛的使用，但很多学者在应用时新安江模型时，对该模型构建的机理和使用条件认识不是十分清楚，在应用常常出现效果不好情况，针对这种情况本文对新安江模型构建和使用情况进行了一个深入的分析。
网格化分布式新安江模型并行计算算法
网格化分布式新安江模型并行计算算法随着计算机技术的发展和应用需求的增加，分布式计算系统在实践中得到了广泛的运用。
如何利用分布式计算系统高效地实现对新安江模型进行计算是当前研究的热点之一。
本文将介绍一种基于网格化分布式计算的新安江模型并行计算算法，该算法通过合理的任务划分和数据通信机制的设计，实现对新安江模型的快速计算。
一、引言新安江模型是一种经典的水文模型，用于模拟和预测河流的径流过程。
在实际应用中，对于大规模的河流系统，传统的串行计算方法往往效率低下，无法满足实时性和精度要求。
将新安江模型应用于分布式计算系统中，将大大提高计算效率。
二、算法设计1. 网格化分布式计算架构为了将新安江模型应用于分布式计算系统中，首先需要设计合适的计算架构。
本文采用网格化架构，将计算区域划分成均匀的网格单元，并将每个网格单元分配到不同的计算节点上。
这样可以实现对于不同区域的并行计算，提高整体计算效率。
2. 任务划分在网格化架构中，需要将整个计算过程划分成多个子任务，分配给不同的计算节点进行并行计算。
任务划分的关键是合理划定每个子任务的计算区域，以及确定子任务之间的数据依赖关系。
本文采用均匀划分的策略，将整个计算区域平均分配给不同的计算节点，并通过数据通信机制进行数据交换和同步。
3. 数据通信在并行计算过程中，不同计算节点之间需要进行数据通信，以实现数据的交换和共享。
本文采用消息传递机制，通过发送和接收消息来完成节点之间的数据通信。
每个计算节点计算完成后，将计算结果发送给相邻的节点，接收相邻节点的计算结果后进行数据合并，并进行下一轮的计算。
三、实验与结果分析为了验证所提出的算法设计的有效性，本文进行了一系列的实验。
实验结果表明，网格化分布式新安江模型并行计算算法在不同规模的计算任务中都具有较好的计算效率和可扩展性。
并且，随着计算节点数量的增加，算法的计算时间近似线性减小，说明算法能够充分利用分布式计算系统的计算资源。
一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法
一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法孔凡哲，宋晓猛（中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116）摘要：首先构建一个以自然子流域为计算单元的分布式水文模拟系统，每一个计算单元内，利用土壤水蓄水容量曲线表示张力水的空间分布，在单元之间，认为坡度大的单元土壤层厚度和蓄水容量小，同样的降雨先产流。
通过建立计算单元蓄水容量与地形坡度间的关系，考虑了地形坡度对产流的影响。
在淮河流域上游大坡岭流域的应用结果表明，所用方法得到了理想的模拟结果。
关键词：新安江模型；土壤水蓄水容量；空间分布中图分类号：P334+.92文献标识码：A文章编号：1000-0852(2011)05-0001-05自从新安江模型[1] 建立以来，不仅在国内得到了广泛的应用，而且在国外也有着重要的影响[2]。
随着分布式模拟技术的不断发展，新安江模型的核心内容产流和汇流，在分布式模拟系统的计算单元中广泛应用。
李致家等[3] 利用DEM 栅格作为计算单元建立了基于栅格的分布式新安江模型。
地形特征不但影响流域内的汇流过程，而且影响着径流的形成特性[4-5]。
文献[6] 提出了考虑地形坡度和计算单元特性的汇流参数计算方法，并得到了理想的模拟结果。
在产流方面，新安江模型采用了张力水蓄水容量曲线[1,7]以统计学的方式考虑流域内下垫面特别是土壤特性的空间分布不均匀性。
容量曲线中有一个流域的平均参数，即流域平均张力水蓄水容量WM，WM值可以通过率定等方法得到。
WM 对模拟结果影响很大，一方面影响到初始土壤湿度的计算结果，另一方面，在初始土壤湿度相同的条件下，直接影响到计算的产流量。
在分布式模拟系统中，如何获得各计算单元的WM 是不得不面临的问题。
如果直接利用流域平均蓄水容量，等同于没有考虑地形坡度对土壤特性，特别是土壤厚度对WM 或者说对产流的影响。
本文以淮河流域上游大坡岭水文站以上为研究区域，就如何计算单元WM 进行初步研究。
新安江模型简介1根据文献[1]，新安江模型为一个分散式模型，考虑到降雨的空间分布不均匀性，利用泰森多边形对流域进行离散，每一个多边形中有一个雨量站。
网格化分布式新安江模型并行计算方法
网格化分布式新安江模型并行计算方法新安江模型是一种经典的水文模型，广泛应用于洪水预报和水资源评价等领域。
随着计算能力的提升和大数据技术的发展，将新安江模型在分布式计算环境下进行并行计算，可以大幅提高计算效率和准确性。
本文将介绍一种基于网格化分布式计算的新安江模型并行计算方法，以应对大规模水文数据处理和分析的挑战。
一、引言随着气候变化和城市化进程的加快，洪水成为人们关注的焦点之一。
准确预测和评估洪水的规模和影响对于防灾救灾具有重要意义。
新安江模型是一种基于水文数据的动态模拟方法，可以模拟洪水的形成和水位的变化。
但是，由于水文数据庞大且计算量大，传统的串行计算方法无法满足实时处理的需求。
二、新安江模型新安江模型基于水文要素和水动力方程，通过模拟降雨入渗、径流形成和演进等过程来预测流域的洪水情况。
该模型主要包括降雨生成模型、产流模型和汇流计算模型三个主要组成部分。
在传统的串行计算方法中，这三个模型按照顺序进行计算，计算效率较低。
三、并行计算方法为了提高新安江模型的计算效率，本文提出了一种基于网格化分布式计算的并行计算方法。
该方法将流域划分为多个网格，每个网格都在独立的计算节点上进行计算。
首先，各个计算节点并行执行降雨生成模型，根据降雨数据生成各个网格的降雨输入。
然后，各个网格按照产流模型进行计算，产生各个网格的径流输出。
最后，将各个网格的径流汇总，通过汇流计算模型得到流域的洪水情况。
通过并行计算，可以将计算时间大幅缩短，提高计算效率。
四、分布式计算环境网格化分布式新安江模型并行计算方法需要部署在分布式计算环境中，以实现各个节点之间的通信和数据交互。
通常，该计算环境需要包括主节点和多个计算节点。
主节点负责任务的分配和结果的汇总，而计算节点则执行具体的计算任务。
为了实现节点之间的通信，可以使用消息传递接口（MPI）等相关技术。
五、实验结果与分析为了验证网格化分布式新安江模型并行计算方法的有效性，我们在某个流域的水文数据上进行了实验。
基于栅格的分布式新安江模型构建与分析(硕士论文)
关键词：数字高程模型、新安江模型、Grid-Xinanjiang 模型、TOPMODEL 模型、GTOPMODEL 模型、密赛流域、洪水模拟
Abstract
无 河海大学
论文中文题名
基于栅格的分布式新安江模型构建与分析
论文中文副题名
无
论文英文题名
Development and Application of Grid-Based Distributed Xinanjiang Model
论文英文副题名
None
论文语种 汉语 论文摘要语种 汉、英 论文页数 74论文字数 3.1 (万)
Grid-Xinanjiang model takes every DEM unit grid as a sub-basin, using the initial Xinanjiang model to calculate runoff-yield of the current grid, then, according to the calculation order among the DEM grids, the flow of the outlet of each grid to the outlet of the whole basin is routed by the grid-by-grid method of Muskingum. When calculating the runoff-yield and runoff-concentration in every unit gird, the water balance and influence of the river drainage network are taken into consideration. In other words, in the calculation of the runoff-concentration, first, considering whether the current grid is saturated. If it is not, the soil water content of this grid will increases due to the outflow of the upstream grids before the soil moisture of it reaches water storage capacity. Moreover, if there is a channel in unit grids and because of the effect of the drainage network, not all the overland inflow and interflow flow into the downstream grid, part of them will flow into the channel.
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第一章 绪论 ............................................................. 1
DEM
学号：
0430101080
基
于
分类号 P33 密级 无
.
栅
UDC（DDC）
627
.
格
的
分
布
式
新
安
江 模
硕士学位论文
型
构
建
及 其
基于栅格的分布式新安江模型构建与
分
析
与 应
分析
用
姚成
姚 成
指导教师姓名
李致家 教授
河海大学 水资源环境学院
南京市西康路1号
申请学位级别
工学硕士
学科领域
水文学及水资源
河
海
无 河海大学
论文中文题名
基于栅格的分布式新安江模型构建与分析
论文中文副题名
无
论文英文题名
Development and Application of Grid-Based Distributed Xinanjiang Model论文英文副题名Fra bibliotekNone
论文语种 汉语 论文摘要语种 汉、英 论文页数 74论文字数 3.1 (万)
论文作者（签名）：
年月日
摘要
基于 DEM 的分布式水文模型是现代水文学同计算机，3S 等高科技技术相结合的产 物，是水文模型新的发展方向。本文是在数字高程模型的基础上，研究和归纳了流域 信息提取的方法和算法，利用 DEM 数据提取了河网、水系、水流路径等相关的流域特 征，并根据三水源新安江模型的理论，建立了一个基于 DEM 栅格的分布式新安江模型 ——Grid-Xinanjiang。
论文主题词 分布式水文模型 、 新安江模型 、 基于栅格新安江模型 、 数字高程模型、 密赛流域
申请学位级别 工学硕士 专业名称 水文学及水资源
研究方向
流域水文模拟及水文预报
指导教师姓名 李致家 教授 导师单位 河海大学水资源环境学院
论文答辩日期
2007 年 1 月 22 日
Development and Application of Grid- Based Distributed Xinanjiang Model
Grid-Xinanjiang model takes every DEM unit grid as a sub-basin, using the initial Xinanjiang model to calculate runoff-yield of the current grid, then, according to the calculation order among the DEM grids, the flow of the outlet of each grid to the outlet of the whole basin is routed by the grid-by-grid method of Muskingum. When calculating the runoff-yield and runoff-concentration in every unit gird, the water balance and influence of the river drainage network are taken into consideration. In other words, in the calculation of the runoff-concentration, first, considering whether the current grid is saturated. If it is not, the soil water content of this grid will increases due to the outflow of the upstream grids before the soil moisture of it reaches water storage capacity. Moreover, if there is a channel in unit grids and because of the effect of the drainage network, not all the overland inflow and interflow flow into the downstream grid, part of them will flow into the channel.
1.3 本文研究内容 ..................................................... 3
第二章 流域信息的提取及数字流域的构建.................................... 5
2.1 基于数字高程模型的流域信息提取.................................... 5
1.1 问题的提出 ....................................................... 1 1.2 国内外研究动态.................................................... 2
1.2.1 流域信息的提取和应用............................................................................................................. 2 1.2.2 分布式水文模型的研究............................................................................................................. 2
应用结果表明上述四个模型都能很好的应用于该流域进行洪水模拟，通过比较可以 看出 Grid-Xinanjiang 模型能够取得相对更高的模拟精度。
关键词：数字高程模型、新安江模型、Grid-Xinanjiang 模型、TOPMODEL 模型、GTOPMODEL 模型、密赛流域、洪水模拟
Abstract
论文提交日期： 2007 年 1 月 论文答辩日期： 2007 年 1 月 22 日
大 学位授予单位和日期： 河 海 大 学
年 月日
学
答辩委员会主席：
论文评阅人：
2007 年 1 月 中国南京
分类号（中图法） P33 U D C（DDC） 627 密级 论文作者姓名 姚 成 学号 0430101080 单位
Dissertation Submitted to
HoHai University
In fulfillment of the Requirement
For the Degree of
Master of Engineering
by Cheng YAO (College of Water Resources & Environment) Dissertation Supervisor : Prof. Zhijia LI
With the development of modern hydrology, computer technology and 3S (Remote Sensing, Geographical Information System, Global Position System) high-tech, distributed Hydrological Models based on DEM (Digital Elevation Model) are becoming the new trend of Hydrological Models. In this thesis, based on DEM, the methods of extracting basin information are studied and summarized, such as drainage network, river system, flow length and so on. Then, according to the theory of the Xin'anjiang model, the Grid and TOPography-based distributed Xin'anjiang model (Grid-Xinanjiang) is developed.
Grid-Xinanjiang 模型是将每个 DEM 栅格作为一个子流域处理，利用新安江模型计 算出当前栅格的产流量，然后根据栅格间的计算次序，将当前栅格上的产流按照 Muskingum 逐栅格演算法演算至下一栅格，直至流域出口。在进行栅格上的产汇流计 算时，该模型考虑了每个栅格上的水量平衡问题以及河道排水网络的影响。即在该模 型的汇流计算中，首先要考虑当前栅格是否蓄满，在未蓄满前，上游栅格的出流在流 入该栅格时首先补充其土壤含水量；而且如果栅格上含有河道，属于河道栅格，则网 格单元上的地面径流和壤中流一部分要汇入河道中。将该模型应用于钱塘江支流密赛 流 域 ， 进 行 参 数 率 定 与 洪 水 模 拟 计 算 ， 并 与 新 安 江 模 型 、 TOPMODEL 模 型 及 GTOPMODEL 模型在密赛流域的计算结果进行比较。
2.1.1 基本原理................................................................................................................................... 5 2.1.2 DEM 预处理............................................................................................................................. 6 2.1.3 栅格单元流向确定................................................................................................................... 7 2.1.4 集水面积的确定和河流栅格点的生成 ................................................................................... 7 2.1.5 水系生成.................................................................................................................................... 7 2.1.6 子流域的提取........................................................................................................................... 8