基于GIS的乌江流域新安江模型参数率定

第４２卷第６期　
２　０　１　１年３月　
人　民　长　江　

Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　
Ｖｏ１．４２。Ｎｏ．６　

Ｍａｔ．．　２０１１　

文章编号：１００１—４１７９（２０１１）０６—０１０６—０３　

基于ＧＩＳ的乌江流域新安江模型参数率定　

同　斌，张　亮，曾　适，熊金和　
（长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆４０００１４）　
摘要：为了使新安江模型的运用更能真实反映流域的基本特征及产汇流机理，利用地理信息系统空间分析的　
功能，由数字高程模型导出乌江武隆以上流域的流域排水网，并在此基础上提取汇流长度及坡度等地形特征　
值。在地理信息系统平台上，计算出流域下垫面的植被、土壤、地貌等特征值，并将其与流域模型参数建立相　
关关系。结果表明，各流域模拟的确定性系数及模拟精度均较高。因此，预报结果更加合理，理论依据也更加　
可靠。　
关键词：地理信息系统；数字高程模型；地形地貌特征值；新安江模型　
中图法分类号：Ｐ３３４．９２　文献标志码：Ａ　

１　ＧＩＳ在流域水文模型中的应用　
以ＧＩＳ为平台，利用数字高程模型，推求出流域水　
网并模拟河网，据此由流域分水岭进行单元面积的划　
分，推求出平均汇流路径长度和坡度等流域下垫面地　
形特征值¨　。结合新安江流域水文模型参数物理意　
义进行参数率定　，使流域上新安江模型的运用能更　
真实地反映流域的基本特征及产汇流机理，从而使预　
报结果更加合理化，理论依据更加可靠。因此，ＧＩＳ的　
运用可为数字流域模型的建设提供必要的技术和数据　
保障。　

２乌江武隆以上流域地形特征值的推求　
２．１流域自然地理概况　
乌江是川江南岸最大的支流，集水面积８７　９２０　
ｋｍ　，河长１　０３０多千米，天然落差２　１２０多米。乌江水　
系呈羽状分布，河网密度较大，具名的一级支流５８　
条。其中，流域面积大于３００　ｋｍ　的有４２条，大于　
１　０００　ｋｍ　的有１６条。乌江是长江上游诸水系中雨季　
较早的一条河流，降雨主要集中于５～９月，秋雨较　
多。汛期中暴雨比较分散，以思南至彭水一带较大。　
流域内降雨分布不均，全流域多年平均年降水量９００　～１　４００　ｍｍ。乌江洪水也来得较早，最大洪峰以发生　在６，７月份的较多。流域内地面坡度较陡，暴雨后支　流及区间径流汇集迅速，洪水涨落快，干流洪峰一般以　单一峰形为主，峰形比较尖瘦。　２．２数字高程模型的应用　数字高程模型（ＤＥＭ）数据的获取可以有几种方　式：①直接在野外通过全站仪、全球卫星定位仪　（ＧＰＳ）或激光测距仪等进行测量；②在已有的地形图　上，采用人工读取网格点上的高程、采用手扶跟踪或扫　描数值化采集高程点和等高线；③采用航空航天遥感　技术，由遥感图自动解释生成。前两种方法的工作量　均非常大，而第３种方法对技术要求高，经济成本高。　２．３流域排水网的推求　地形对流域汇流过程起着决定性的作用。采用正　方形网格的ＤＥＭ，对汇流过程进行描述的最好方法是　流域水网。根据水往低处流的道理，每个网格上的径　流将流向相邻网格中相对较低的网格，据此可确定各　网格的方向。将各网格方向首尾相连，即为流域水网。　流水网的具体推求方法有很多，ＡＲＣ／ＩＮＦＯ是由美国　环境系统研究所研制开发的地理信息系统软件，也是　国内应用最广泛的软件之一，该软件提供了流水网推　

收稿日期：２０１１—０１—２０　
作者简介：同　斌，男，助理工程师，主要从事水情预报及水电站梯级调度等工作。Ｅ—ｍａｉｌ：２３２１９３６２２＠ｑｑ．ｅｏｍ　
第６期　同　斌，等：基于ＧＩＳ的乌江流域新安江模型参数率定　１０７　
求的功能模块。本文采用该软件作为流水网推求的主　要工具。　２．４　面积划分及单元面积特征分析计算　在流域水文模拟中，为了考虑下垫面水文特性的　空间差异，通常采用分散式的水文模型，即将流域按一　定的形式分成若干块（通常称分单元面积），在各单元　面积上分别进行汇流模拟，用河道洪水波模拟各单元　面积，并与流域出口断面相连。新安江模型即为分散　型流域水文模型。　降雨是流域水文模拟的主要输入因子，因此，传统　的分单元面积方法采用的是以雨量站为中心的泰森多　边形分块。本文对泰森多边形法进行了分析，并指出　了该法的不足之处。在地理信息系统的平台上，给出　了按自然流域分块的方法，并给出了相应的各种地形　特征推求方法。　２．４．１　泰森多边形分块法　本文的分单元是采用工作站ＡＲＣ／ＩＮＦＯ软件实　现的，基本步骤为：①建立流域内所有雨量站空间分　布图层，给出每个雨量站的经纬度坐标；②使用Ｔｈｉｅｓ．　ｓｅｎ命令生成多边形；将流域边界与生成的多边形放　在同一图层内，进行编辑就得到了以雨量站为中心的　单元面积图。图１为乌江流域由泰森多边形法划分的　单元面积分布图。　图１　由泰森多边形法划分的单元面积分布（局部）　泰森多边形法主要是从考虑雨量站代表性出发，　即尽可能采用直线距离最近的雨量站作为代表站，而　没有考虑地形等其他影响因素。由此带来主要问题是　单元面积很有可能跨分水岭。跨分水岭存在两个不合　理的方面：①使用了在分水岭一边的雨量站来作为分　水岭另一部分的代表站，给面雨量计算带来了误差；②　分水岭一边的径流将跨分水岭汇人分水岭的另一边，　造成汇流模拟的误差，且无法计算各网格汇流长度等　地形特征值。为避免单元面积跨越分水岭，本论文提　
出按自然流域进行分块的方法。　
２．４．２　自然流域分块　
根据流水网，参考泰森多边形单元面积空间分布　
形状，确定各单元面积的出口断面空问位置，采用　
ＡＲＣ／ＩＮＦＯ流域边界自动提取的功能，自动按流域分　
水岭划分单元面积。具体步骤为：①按单元面积出口　
断面自动生成边界线；②将相邻单元面积的公共界线　
合并。　
２．４．３　出口位置比较　
为了对单元进行分析计算，首先找到各子单元的　
出口位置。将乌江流域生成的流水网图与两种分块方　
法得到的图重叠起来，河网与单元流域边界的交点为　
单元流域出口，出口位置坐标用（Ｘ，Ｙ）表示。分块出　
口点的制作方法：①在ＭＡＰＩＮＦＯ计算各点的坐标，并　
给流域出口点的８备注子段赋值（　，Ｙ）；②从ＭＡＰ—　
ＩＮＦＯ将出口点文件转为ＡＳＣ　ＩＩ码格式。流域出口位　
置见图２（图中星号表示分块流域子单元出口）。　

图２流域出口位置　
为了方便计算，需要对得到的单元流域出口进行　
编码，编码为５位数，每个点必须有独立的编码，且与　
分块编码一致。　

３新安江模型参数率定　
乌江地区是比较典型的以蓄满产流为主的地区，　
所以宜采用新安江模型对流域进行水文模拟。　
３．１　次洪模型参数的调试步骤及模拟结果　
本文在乌江流域上的６个小流域率定了新安江模　
型参数，根据前面推求的流域特征值，建立了部分模型　
１Ｏ８　人　民　长　江　
参数与特征值之间的相关关系。按自然流域分块，将　
相关关系移用于整个乌江流域，确定各块上的模型参　
数。　
次洪模型的初值原则上取自日模型，其中产流参　
数直接移用日模型调试的参数，次洪模型参数调试主　
要是对分水源参数和汇流参数进行优选。由于数据资　
料有限，调试时将日模型与次模型一起调试（新安江　
参数率定软件）。调试时通常根据洪水总量、洪峰值　
及峰现时间，按容许误差合格率最高目标函数进行，调　
试步骤如下，模拟结果见表１。　

表１　６个小流域次洪模型参数率定结果　

注：Ｋ１，Ｋ２为蒸散发折算系数，此参数控制着总水量平衡；ＷＤＭ为深层　
蓄水容量；ＷＵＭ为上层蓄水容量；ＷＬＭ为下层蓄水容量；Ｃ为深层　
蒸散发折算系数；Ｂ为蓄水曲线指数；ＥＸ为自由水蓄水容量曲线指　
数；ＳＭ为自由水蓄水容量；ＫＥ为马斯京根河道连续演算稳定流河　
段传播时间；ＫＩ为壤中流出流系数；ＫＧ为表层自由水蓄量对地下水　
的出流系数；１Ｍ为不透水面积比例；ＣＩ为深层壤中流消退系数；ＸＥ　
为马斯京根河道连续演算流量比重系数；ＣＳ为河网蓄水消退系数；　
ＣＧ为地下水库的消退系数。　
（１）比较洪水径流总量。影响计算洪水径流总量　
的主要因素是降雨和流域初始含水量ＷＯ，但当已确定　
的情况下，可以通过调整水源的比重来影响计算次洪　
径流量，可调整ＳＭ和ＫＧ，两个参数值越大，地下径流　
的比重越大，使次洪径流量减少。　
（２）比较洪峰值。洪峰流量主要由地面径流和壤　
中流组成，主要取决与ＳＭ、ＣＳ、ＣＩ等参数，当ＳＭ确定　
后，调整ＣＩ、ＣＳ参数，ＣＳ越小计算洪峰越大。在河道调　
蓄作用大的流域，也可以调整参数ＸＥ。　
（３）比较峰出现时间。主要调整ＫＥ或河段数　，　
减小ＫＥ可使计算洪峰提前，否则相反。　

３．２模拟流域的次洪参数分析　
表２为各流域次洪模型模拟结果评价，可以看出：　
各流域模拟的确定性系数较高，流域模拟已达到较好　
的精度。除长坝确定性系数为０．６５以外，其他流域模　
拟效果较好。由于桐梓站、南桐站和松坎站３个雨量　
站均无资料，故可能导致计算径流深和计算洪峰都相　
对很小，使长坝模拟确定性系数很低。　

表２　各流域次洪模型模拟结果评价　

４结语　
以ＧＩＳ为平台，利用数字高程模型，处理流域的下　
垫面特征值，对流域的大小、地形、地质、植被等特征值　
建立相关关系。模型验证结果表明，流域分区与实际　
非常吻合，使流域上新安江模型的运用更真实地反映　
了流域的基本特征及产汇流的机理，也使预报结果更　
加合理化，理论依据更加可靠，为研究流域下垫面特征　
值等参数提供了一个便捷的方法。　
参考文献：　
［１］　井立阳，张行南，王俊，等．ＧＩＳ在三峡流域水文模拟中的应用　
［Ｊ］．水　１学报，２００４，（４）：１５—２０．　
［２］　赵人俊．流域水文模型——新安江模型与陕北模型［Ｍ］．北京：水　
利电力出版社，１９８４．　
（编辑：李慧）　

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